Методология трехфакторного ультразвукового воздействия для стабильности эмульсионных пищевых систем с добавленной полезностью

В настоящее время трудно назвать группы пищевых систем, для которых не применяются эмульсионные технологии с целью обеспечения целостности матрицы конечного продукта. Эмульсионное состояние пищевой системы при использовании процессов фортификации в их состав биологически активных компонентов позволяет дополнить линейку продуктов специального и профилактического действия.

Сегодня научным сообществом предлагаются передовые технологические решения для эмульсионных пищевых систем, ориентированные на получение частиц наноразмерно-го ряда, регулирование внутренней фазы пищевой системы, использование технологий Пикеринга и двойных эмульсий и др.

Изучение доступной информации и ее анализ позволяют выделить наиболее приемлемые подходы, предлагаемые в качестве технологических решений для обеспечения стабильности пищевых эмульсий, а также оценить методы, используемые для их достижения.

В настоящее время пищевые эмульсии, полученные с применением технологии Пикеринга, стабилизированные биоактивными органическими частицами, обеспечивают дуальное действие: устойчивость эмульсионной системы и обеспечивают добавленную полезность конечного продукта. С точки зрения технологических свойств, полученные по данной технологии эмульсии устойчивы к созреванию по Освальду и коалесценции, что обусловлено прочностью сцепления коллоидных частиц к поверхности капель [12].

Современные разработки в области поиска новых форм стабилизирующих органических частиц для пищевых эмульсий доказывают корреляционную зависимость влияния присутствия в составе эмульсий несферических частиц на их стабильность за счет коэффициента удлинения частиц. Важно также понимать, что функциональные свойства этих частиц возможно адаптировать для конкретных применений путем проведения определенных физических или химических модификаций.

Весьма эффективными для этих целей являются методы нетепловых воздействий на основе низкочастотного ультразвука. Значительный объем работ проводится учеными в области прикладной сонохимии, в частности в

Мельбурнском университете под руководством проф. Muthupandian Ashokkumarа [9].

Физические эффекты, наблюдаемые при низких частотах (от 20 до 24 кГц), ответственны за процессы ультразвукового эмульгирования систем. Высокие силы сдвига при формировании микроструи на границе раздела жидкостей вызывают выброс капель дисперсной фазы в дисперсионную сред у [1,6]. При продолжительном воздействии ультразвука интенсивные ударные волны и турбулентность, создаваемые кавитацией, еще больше разрушают капли в дисперсионной среде. Этот процесс приводит к стабильным наноэмульсиям с каплями размером от 20 до 200 нм [13].

Рассмотренные выше эффекты определяют цель исследования ‒ необходимость детального изучения возможностей последовательного использования нетепловых воздействий ультразвука при создании эмульсионных пищевых систем на основе биоактивных эмульсий Пикеринга.

Материалы и методы

Для достижения поставленной цели в качестве решаемых задач были определены:

– разработка оптимальных условий, при которых эмульсии Пикеринга будут сохранять свои бифункциональные свойства;

– исследование применимости в производстве продуктов питания с заданной пищевой ценностью.

Методология решения задач построена на поэтапном исследовании прослеживания возможности применения эффектов ультразвукового воздействия для обеспечения стабильности биоактивных эмульсий Пикеринга в составе пищевых систем (см. рисунок).

Каждый из этапов содержал комплексные исследования, направленные на формирование объективного массива данных, подтверждающих состоятельность выдвинутой гипотезы о возможности исключения эмульгаторов при получении эмульсионных пищевых систем.

Объектами для апробации методологического подхода стали растительные полисахариды и их композиции с биоактивными веществами. Данная группа веществ включала: полисахариды бурых водорослей (фукоидан и альгинат); крахмал; экстрагированные фенольные вещества экстракта T. cordifolia (Гу-дучи); оксид цинка как антимикробный компонент.

Этап 3 фортификация эмульсии Пикеринга в пищевую матрицу

С Этап 1 -

Оптимизация состава эмульсионной системы

Этап 2-подготовка компонентов, получение Эмульсии Пикеринга

Определение стабилизующих частиц (БАВ и липидная фракция)

Оценка ФТС частиц R4B; ЖКС липидной фракции.

Прогнозирование биоактивных свойств конечного продукта

УЗВ пол} чение эмульсий Пикеринга масло: вода; вода: масло биоактивность; безопасность; стабильность

УЗВ компенсация свойств стабилизирующих частиц (БАВ): дисперсия с целью обеспечения доступности; АОА, ФТС, биобезопасность

Исследование обогащенной пищевой системы в хранении пищевая ценность; стабильность свойств

УЗВ распределение фортификата контроль качества и добавленной полезности пищевой системы.

Методология создания пищевых систем с добавленной полезностью при использовании трехфакторного ультразвукового воздействия

В качестве воздействующего фактора применяли нетепловые эффекты кавитации, генерируемые низкочастотным ультразвуком с частотой механических колебаний (22 ± 1,65) кГц и интенсивностью излучения не менее 10 Вт/см2 [8].

Результаты исследования и их обсуждение

На первом уровне исследований эффекты кавитации низкочастотного ультразвука (далее ЭКНУ) применяли для компенсации свойств стабилизирующих частиц с целью повышения эффективности полезности.

Исследуемые объекты после воздействия ЭКНУ оценивали на дисперсность, результаты оценки показали распределение частиц по размерному ряду (табл. 1).

Технологические характеристики стабилизирующих частиц для эмульсий Пикеринга, достигнутые после воздействия ЭКНУ, указывают на получение равномерной дисперсии частиц в разряде наночастиц, что с высокой степенью вероятности позволит обеспечить доступность для клеточных мембран. В дополнение к вышесказанному биоактивность подтверждается результатами оценки АОА (табл. 2), а функционально-технологические свойства - значением показателя вязкости.

Установлено, что вязкость крахмальных суспензий снижается в зависимости от параметров воздействия от 10 до 40 %. Растворимость крахмала в водной среде, и как следствие, вязкость крахмальных растворов зависят от количества амилозной фракции, содержа-

Таблица 1

Результаты оценки влияния ЭКНУ на дисперсность стабилизующих частиц растительных полисахаридов для эмульсий Пикеринга (ЭП)

Наименование объекта	Результаты оценки размера частиц, %		Режимы ЭКНУ
	исходные данные	после ЭКНУ
Фукоидан	32,14 мкм – 77,1 %; 103,90 мкм – 22,9 %	664 нм – 83,6 %; 2868 нм – 16,4 %	Мощность 630 Вт/л, экспозиция – 30 мин
Альгинат натрия (Alg-Na)	5,65 мкм – 100 %	5670 нм – 30,6 %; 502 нм – 53,4 %; 56,1 нм – 16 %	Мощность – 630 Вт/л, экспозиция – 18 мин
Крахмал картофельный (RS2)	37,0 мкм – 100 % (среднее медианное значение)	(52,32 ± 10) мкм – 23,97 % (62,23 ± 10) мкм – 20,19 %	Мощность – 630 Вт/л, экспозиция – 10 мин

Таблица 2

Результаты исследования стабилизирующих частиц ЭП на показатель биоактивность и ФТС после воздействия ЭКНУ

Наименование показателя Наименование объектов фукоидан альгинат натрия (Alg-Na) крахмал картофельный (RS2) АОА, % DPPH 107,8 82,1 62,1 Вязкость, мПа/с 38,6 8,2 1,32 СЭМ-анализ морфологии ние которой в среднем увеличивается в 3–4 раза. Именно данный факт определяет биоактивность сонохимически модифицированной формы крахмала и позволяет с высокой степенью достоверности говорить о его полезности в составе эмульсии.

Результаты исследования морфологии стабилизирующих частиц с использованием СЭМ-анализа указывают на неоднородность состояния поверхности крахмальных зерен: частицы становятся значительно большего размера, а на их поверхности визуализируются поры и трещины. Анализ СЭМ-изображений образцов полисахаридов бурых водорослей показал, что КЭНУ обеспечивает структурные изменения: для частиц фукоидана визуализируются нитеподобные элементы с ячеистой структурой; в образцах альгината присутствуют частицы разных размеров неправильной формы, скопления мелких частиц. Кроме того, для всех образцов зафиксирована деполимеризация крупных конгломератов на более короткие элементы [3, 4].

На втором уровне исследований оценивалось воздействие КЭНУ для получения стабилизированных эмульсий Пикеринга, включающее два последовательных процесса:

во-первых, технология получения водной суспензии, наполненной стабилизирующими частицами;

во-вторых, смешение водной суспензии с липидной фракцией с целью получения устойчивой эмульсии с применением технологии Пикеринга.

Результаты работы представлены ниже (табл. 3) и свидетельствуют о равномерности

Таблица 3

Результаты исследования морфологии стабилизирующих частиц растительных полисахаридов и их присутствие в составе эмульсий Пикеринга

Стабилизирующие частицы ЭП (СЭМ-анализ морфологии частиц)

Фукоидан

Альгинат натрия (Alg-Na)

Крахмал (RS2)

Эмульсии Пикеринга, стабилизированные БАВ

полученного распределения липидной фазы в дисперсной среде водной суспензии, наполненной БАВ. Представленные микрофотографии СЭМ достоверно подтверждают образование эмульсии «масло-вода», капли дисперсной фазы масла в дисперсной среде распределяются равномерно без возникновения флокуляции.

Образовавшийся межфазный барьер из микро- и наноструктурированных биоактивных частиц фукоидана, Alg-Na и крахмала предотвращает коалесценцию эмульсии Пикеринга, это также подтверждают показатели ее стабильности при воздействии агрессивных факторов, что доказывает возможность использования ЭП, наполненных биоактивными частицами модифицированных растительных полисахаридов в составе пищевых систем.

Для доказательства возможности формирования стабилизирующих биоактивных комплексов с целью усиления полезности ЭП дополнительно к растительным полисахаридам в систему водной суспензии включен экстрагированный из Tinospora cordifolia. Пищевая ценность T. cordifolia составила 292,54 калории на 100 г, содержание белка и пищевых волокон в гудучи имеет значительные уровни основных и второстепенных элементов, а именно Zn, Mn, Cl, K, Ca, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Br и Sr, которые играют важную роль в повышении желаемой ферментативной активности [5].

Экстракт T. cordifolia (Гудучи) действует как антистрессор и антидепрессант; повышая уровень моноаминов, блокирует моноаминок-сидазу, ингибирует процессы глюконеогенеза и гликогенолиза; он также вызывает гипогликемический эффект, проявляет противодиабе-тическую активность, обладает иммуномодулирующей функцией и повышает устойчивость организма к болезням [2].

Оксид цинка был применен в составе эмульсий Пикеринга как вещество, проявляющее противовоспалительный и антисептический эффект, а также являющееся иммуномодулирующим микроэлементом. Оксид цинка способен образовывать альбумина-ты и денатурирует белки. Оксид цинка участвует в широком спектре биологических процессов, таких как пролиферация и дифференцировка клеток, клеточный цикл, гомеостаз активных форм кислорода (АФК) и иммунологический ответ.

Соотношение компонентов в составе биоактивной стабилизирующей композиции определялось в ходе рекогносцировочных исследований, количество экстракта T. Cordi-folia и оксида цинка составляло 0,2 % в дополнение к полисахаридам.

Прямое добавление T. cordifolia в пищевую матрицу продукта создает проблемы со стабильностью и низкой биодоступностью. Для решения этой проблемы нами предложена и создана система доставки T. cordifolia , использующая совместный потенциал биоактивных растительных компонентов (фукоидана, альгината и резистентного крахмала) эмульсия Пикеринга. Результаты исследования представлены в табл. 4.

Важно отметить, что при использовании биоактивных при включении экстракта T. Cordifolia и о ксида цинка композиций для стабилизации ЭП на основе резистентного крахмала наблюдается повышение показателя АОА и сохранение стойкости полученных ЭП, что определяет перспективность данного направления для фортификации в пищевые системы [6, 7, 10, 11].

Преимущество включения сонохимически модифицированного крахмала для стабилизации ЭП состоит в том, что в процессе модификации в нативном крахмале увеличивается доля амилозы, которая устойчива в процессах переваривания в тонкой части ЖКТ и ферментируется в толстом отделе. Высокая устойчивость ЭП, стабилизированных композицией крахмал (RS2) / гудучи (0,2 %) обусловлена функционально-технологическими свойствами RS2, в частности его эмульгирующей способностью [7].

Таким образом, методология создания пищевых систем с добавленной полезностью при использовании трехфакторного ультразвукового воздействия является состоятельной в случае соблюдения технологий прослеживаемости, а контролируемый показатель - устойчивость биоактивности разработанного стабилизирующего компонента.

Сформированный в ходе экспериментальных исследований массив данных будет использован для прогностического анализа технологической пригодности эмульсии Пикеринга в составе пищевых эмульсионных систем в рамках последующих исследований по данной теме.

Таблица 4

Результаты исследования показателей эмульсии Пикеринга стабилизированных композициями биоактивных частиц

Наименование показателя	Состав стабилизирующей композиции
	Крахмал (RS2) / T. cordifolia (0,2 %)	Крахмал / ZnO (0,2 %)	Фукоидан / T. cordifolia (0,2 %)	Альгинат натрия / T. cordifolia (0,2 %)
Микроскопия ЭП
(увеличение			к^ЯЯВкЯгтт^г
х 800)
Вязкость ЭП	506 mPas	687 mPas	844 mPas	1,01 Pas
Стойкость ЭП, %	98	97	68	72
АОА, % DPPH	72	92	89	82