Экотехнологии для эффективного использования продовольственных ресурсов в технологии пищевых систем. Часть 2: технология бифункциональных пищевых систем на основе эмульсий Пикеринга

Для предприятий пищевой индустрии гарантия стабильности производства является важной многофакторной задачей, а множественные проблемы для их решения в текущий момент обострены серьезными изменениями в логистике поставок сырьевых ингредиентов, таких привычных для промышленников. В течение длительного времени выстроилась политика формирования качества пищевой продукции на основе применения пищевых функционально-технологических добавок, большая часть которых производилась за рубежом. Наполненность рынка пищевыми добавками, обладающими функционально-технологическими свойствами, резко сократилась, в таких условиях производитель вынужден искать альтернативные решения, что сопряжено с ограниченностью товарных предложений, способных закрыть возникающие проблемы [1, 3, 13].

Мировой опыт создания пищевых эмульсий предлагает множество подходов, но при этом существуют наиболее популярные технологии и предложения в части использования разнообразных структурообразующих сырьевых компонентов. В то же время для обеспечения комплекса свойств конечного продукта, обеспечивающих потребительское предпочтение, как правило, применяют различные сочетания пищевых добавок. Такие приемы, заявленные в технологических инструкциях, должны учитывать высокую вариативность исходного сырья [2].

Возникает вопрос о возможности создания многофункциональных пищевых ингредиентов, способных обеспечивать решение множественных задач, а также устойчивость их во времени, в том числе в агрессивных условиях. В связи с чем, нагружая пищевой ингредиент биоактивными веществами, важно учитывать их совместимость в сложной системе конечного продукта, возможность сохранения ожидаемых свойств.

Рассматривая эмульсии в качестве транспортного средства доставки биологически активных веществ (БАВ), прежде всего необходимо обеспечить их высокую стабильность, исключить нежелательные процессы в условиях изменения рН, температуры, ионизирующего излучения и др. [9]. Для минимизации обозначенной проблемы возможно применять в качестве стабилизирующих ингредиентов разбавленных эмульсий природные вещества – модифицированные крахмалы, на-ноцеллюлозу, и другие полисахариды, водонерастворимые белки [4, 6].

Весьма перспективна стабилизация пищевых эмульсий за счет малой молекулярной массы поверхностно-активных веществ или путем создания физического барьера через биологически активные коллоидные частицы, что обеспечит снижение межфазного напряжения и позволит получить функциональные пищевые эмульсии Пикеринга [10]. В международных базах данных и системах цитирования Scopus и Web of Science выявлено 33 800 документов научных исследований в области «Pickering emulsions ».

Для достижения указанных эффектов в технологии получения эмульсии Пикеринга может быть применено низкочастотное ультразвукового воздействие (УЗВ). В условиях кавитационных воздействий ультразвука наблюдается повышение биодоступности пище- вых ингредиентов, а доставка в организм человека в составе пищевых систем на основе эмульсий демонстрируют хорошую их эффективность в контролируемом высвобождении в «адресной доставке» [8].

Применение кавитационнных эффектов ультразвука в рациональных режимах позволяет обеспечить модификацию полимерных частиц (дисперсность, биодоступность, вязкость) для равномерного распределения в межфазном пространстве эмульсии Пикеринга и сформировать устойчивую ее конструкцию [7].

Целью данного исследования являлся поиск решения конкретной задачи – применимости ультразвукового воздействия как инструмента для получения биоактивной коллоидной системы эмульсии Пикеринга с использованием в качестве структурирующих компонентов полисахаридов бурых водорослей и льняной целлюлозы.

Решение поставленных задач (рис. 1) поможет сформировать оптимальные условия, при которых эмульсии Пикеринга будут сохранять свои свойства в составе пищевых продуктов на протяжении всего срока хранения.

Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследования выступали эмульсии Пикеринга, стабилизированные наночастицами растительных полисахаридов: сульфатированным гетерополисахаридом фукоиданом (ТУ 9284-067-026981702010, ТИБОХ ДВО РАН, Россия) из бурых водорослей Fucus evanescens , альгинатом натрия (Alg-Na) из бурых водорослей Laminaria Digitata и Laminaria Saccharina (ТУ 15-544-83, TOPSPICE, Россия) и льняная целлюлоза (производитель ООО «Линум», Россия).

На основе полисахаридов готовили водные стабилизирующие суспензии, которые вводили в липидную фракцию двух видов: 1 – купаж из подсолнечного масла и масла корицы пищевого и 2 – льняное масло.

Подготовленные таким образом водножировые смеси обрабатывали низкочастотным ультразвуком в режиме – мощность 630 Вт (100 % от паспортного значения), длительность воздействия – 16 мин (последовательно по 4 мин с перерывом 3 мин) при контроле температуры 50 °С.

Для исследования получены следующие образцы эмульсий с купажа липидной фракцией (подсолнечное масло и масло корицы):

Рис. 1. Графическое отображение логистики экспериментальных исследований разработки технологий получения эмульсий Пикеринга

оценки физической стабильности эмульсий Пикеринга после воздействия агрессивных факторов - нагревание и центрифугирование);

• - рН (определяли потенциометрически);

• – вязкость, мПа*с (на вискозиметре серии SV-10, A&D, Япония);

  – общая антиоксидантная активность АОА, DPPH, % (оценивали путем определения поглощающей способности свободного радикала 1,1 -дифенил-2-пикрилгидразила спектрофотометрически при 515 нм с использованием метанольного раствора DPPH (по модификации X. Sui) [12];

  – дисперсный состав (методом динамического рассеяния света на лазерном анализаторе размера частиц серии Microtrac S3500, Microtrac Inc., США);

  – изображения микроструктуры наночастиц растительных полисахаридов (получены с применением метода сканирующей электронной микроскопии СЭМ на растровом электронном микроскопе высокого разрешения Jeol JSM-7001F, Япония).

  – морфологию стабилизированных эмульсий Пикеринга определяли с помощью оптического микроскопа (Olympus Co., Япония).

Результаты и их обсуждение

На первом этапе исследования в соответствии с целью было оценено влияние липидной фракции (купаж подсолнечного масла и масла корицы; монолипидной фракции на

Образец 1а - эмульсия Пикеринга, структурированная стабилизирующей суспензией на основе льняной целлюлозы (далее ЭПС-ЛЦ купаж );

Образец 2а - эмульсия Пикеринга, структурированная стабилизирующей суспензией на основе фукоидана (далее ЭПСФ купаж );

Образец 3 а - эмульсия Пикеринга, структурированная стабилизирующей суспензией на основе альгината натрия (далее ЭПСАН ку-паж ).

Для исследования получены следующие образцы эмульсий с липидной фракцией на основе льняного масла (холодный отжим сорта селекции «Уральский лен»):

Образец 1б - эмульсия Пикеринга, структурированная стабилизирующей суспензией на основе льняной целлюлозы (далее ЭПС- ЛЦлен );

Образец 2б - эмульсия Пикеринга, структурированная стабилизирующей суспензией на основе фукоидана (далее ЭПСФ лен );

Образец 3б - эмульсия Пикеринга, структурированная стабилизирующей суспензией на основе альгината натрия (далее ЭПСАН лен ).

Для достижения цели исследования и решения поставленных задач определена следующая номенклатура показателей оценки полученных эмульсий Пикеринга:

• - стойкость эмульсий, % (индекс расслоения использовали в качестве показателя

основе льняного масла местной селекции), используемой для получения эмульсий, на показатели их биоактивности и функционально-технологические свойства. Учитывая, что технологии и стабилизирующие компоненты, используемые для получения эмульсий, были идентичными, то видимые различия в значениях показателей (см. таблицу) обусловлены прежде всего свойствами структурообразующих полисахаридных компонентов и различием жирнокислотного состава липидной фракции.

Анализируя полученные данные по показателю АОА, DPPH, %, было установлено, что наиболее высокие значения антиоксидантной активности (5,120 ± 0,005 DPPH, %) имели ЭПСФ лен , с липидной фазой на основе льняного масла, при использовании в качестве стабилизирующего компонента сульфатированного гетерополисахарида фукоидана. В среднем прирост значений показателя АОА в образцах эмульсий на основе льняного масла составил от 30 до 100 % по отношению к образцам эмульсий на основе купажа липидной фазы, что указывает на значительный вклад растительных масел.

Недавние исследования показали, что использование наночастиц относительно малых размеров и однородных по дисперсии наиболее оптимально в качестве стабилизаторов эмульсий Пикеринга [11]. В то же время, согласно данным S. Varanasi и др., размер ка- пель эмульсий Пикеринга обычно должен быть как минимум на один порядок больше, чем у стабилизирующих наночастиц [14].

Полученные СЭМ-микрофотографии растительных полисахаридов (рис. 2), используемых для стабилизации эмульсий Пикеринга, показывают, что размер частиц их составляет 10–50 мкм для льняной целлюлозы, 2–5 мкм для альгината натрия и 200–500 нм для фукоидана. Все частицы имеют иррациональную форму (целлюлоза льна и альгинат натрия представляют собой стержнеобразные частицы, фукоидан – частицы неопределенной формы). Полученные результаты доказывают гипотезу о том, что при использовании стабилизирующих частиц меньших размеров образуется более устойчивая система эмульсии. Так, в образцах ЭПСФ купаж и ЭПС-Ф лен , стабилизированных фукоиданом, наблюдается самое высокое значение стойкости эмульсии (см. таблицу).

Наиболее важными свойствами эмульсий Пикеринга в технологической аспекте являются показатели стойкости эмульсии и вязкости, как реологическая составляющая пищевой системы. Известно, эмульсии Пикеринга определяются как эмульсии, стабилизированные твердыми частицами вместо классических эмульгаторов [5]. Твердые низкомолекулярные растительные частицы на границе раздела сред образуют слой с высокой механической прочностью (рис. 3), предотвраща-

Результаты исследований показателей качества и АОА опытных образцов эмульсий Пикеринга

Результаты оценки свойств эмульсий на основе купажа масел
Наименование	ЭПСЛЦ купаж	ЭПСФ купаж	ЭПСАН купаж
Стойкость эмульсии, %	40,0 ± 1,6	96,0 ± 01,5	70,0 ± 1,4
рН	6,60 ± 0,05	3,70 ± 0,05	5,20 ± 0,05
Вязкость, мПа*с	8,95 ± 0,50	18,5 ± 0,8	200 ± 1,50
АОА, DPPH, %	1,882 ± 0,007	4,334 ± 0,005	2,989 ± 0,006
Результаты оценки свойств эмульсий на основе льняного масла
Наименование	ЭПСЛЦ лен	ЭПСФ лен	ЭПСАН лен
Стойкость эмульсии, %	45,0 ± 1,6	100,2 ± 01,5	94,0 ± 1,4
рН	6,20 ± 0,05	3,70 ± 0,05	6,00 ± 0,05
Вязкость, мПа*с	72,8 ± 0,5	20,5 ± 0,8	580,0 ± 1,5
АОА, DPPH, %	3,684 ± 0,005	5,120 ± 0,005	4,162 ± 0,004

Рис. 2. Сканирующая электронная микроскопия частиц структурообразующих композитов и размерность их в дисперсии

Образец 1            Образец 2             Образец 3

ЭПСЛЦ лен       ЭПСФ лен         ЭПСАН лен

Рис. 3. Микрофотографии (увеличение: 1500×) частиц структурообразующих композитов в системе эмульсии Пикеринга на основе льняного масла

ют слияние капель, выступают в качестве стабилизаторов и обладают превосходной стабильностью и функциональными свойствами [15].

Внутренняя часть капель наполнена масляной фазой, а поверхность раздела была окрашена в красный цвет, что свидетельствует о присутствии наночастиц на поверхности раздела капель масла. Микрофотографии достоверно подтверждают образование эмульсии масло-в-воде, капли масла распределяются равномерно без возникновения флокуляции. Образовавшийся межфазный барьер предотвратил коалесценцию эмульсии Пикеринга, что также подтверждают показатели стабильности эмульсий Пикеринга при воздействии агрессивных условий.

Вязкоупругие свойства эмульсий Пикеринга с различными фракциями масла значительно разнятся для вносимых структурообразующих компонентов. Так, для эмульсий, полученных на основе масляного купажа, диапазон значений от 8,95 ± 0,5 до 200 ± 1,50 мПа*с, а для эмульсий на основе льняного масла от 72,8 ± 0,50 до 580 ± 1,50 мПа*с. Такой разброс значений показателя обусловлен химической природой используемых полисахаридов, при этом наиболее привлекательными являются полисахариды бурых водорослей.

Таким образом, доказана применимость ультразвукового воздействия как инструмента для получения биоактивной коллоидной системы эмульсии Пикеринга с использованием в качестве структурирующих компонентов полисахаридов бурых водорослей и льняной целлюлозы.

Эмульсии Пикеринга могут стать эффективным инструментом в получении пищевых систем эмульсионного типа высокой степени устойчивости, обладающих биоактивным действием.

Последующие исследования будут направлены на исследование биобезопасности эмульсий Пикеринга и полученных пищевых систем, а также раскрытие механизмов образования наночастиц эмульсий Пикеринга в зависимости от pH многокомпонентной пищевой системы (ферментированных молочных продуктов).