Нанотехнологии растительных оздоровительных добавок-красителей из хлорофиллсодержащих овощей
Автор: Погарская В.В., Павлюк Р.Ю., Коробец Н.В.
Журнал: Вестник Алматинского технологического университета @vestnik-atu
Рубрика: Техника и технологии
Статья в выпуске: 1 (106), 2015 года.
Бесплатный доступ
Научно обоснована и разработана нанотехнология порошкообразных наноструктуриро-ванных добавок из хлорофиллсодержащих овощей с рекордным содержанием хлорофилла и каротиноидов с использованием процессов механодеструкции и механоактивации, которые позволяют перевести БАВ из связанного состояния с биополимерами в свободное (20…80%) и вызывают повреждение биополимеров до их составляющих (аминокислот, моносахаров, галактуроновой кислоты и др.) (30-40 %).
Нанотехнологии, добавки, хлорофиллсодержащие овощи, механо-деструкция, механоактивация, зелень петрушки и укропа
Короткий адрес: https://sciup.org/140204774
IDR: 140204774
Текст научной статьи Нанотехнологии растительных оздоровительных добавок-красителей из хлорофиллсодержащих овощей
На предприятиях агропромышленного комплекса Украины и в международной практике одним из перспективных направлений переработки плодов и овощей, которые являются основным источником витаминов, естественных антиоксидантов и других биологически активных веществ (БАВ) для организма человека, есть поиск и разработка принципиально новых высоких технологий и нанотехнологий консервирования продуктов, которые бы максимально сохранили биологический потенциал продукта. Во время традиционных методов переработки растительного сырья (тепловой обработки, измельчения и др.) происходят значительные (от 30 до 80%) потери витаминов, фенольных, красящих веществ, хлорофилла и др. В связи с этим актуальной является разработка новейших высоких технологий и нанотехнологий, которые бы позволили полностью сохранить БАВ исходного сырья и придать конечному продукту новые потребительские свойства.
Особенное место среди консервированных продуктов занимают порошки из плодоовощного сырья. Они отличаются низким содержимым влаги, незначительным объемом и являются концентратом натуральных витаминов и других БАВ. В настоящее время такие порошки относят к функциональным оздоровительным добавкам, поскольку их использование позволяет относительно легко и быстро пополнить дефицит натуральных БАВ в организме человека и укрепить защитные силы организма при воздействии разных вредных факторов. В Украине на сегодняшний день наблюдается дефицит таких добавок из растительного сырья и продуктов профилактического действия с их использованием. Кроме того, наблюдается дефицит натуральных красителей. В связи с этим актуальным является разработка растительных функциональных оздоровительных добавок в форме мелкодисперсных порошков, которые отличаются высоким содержанием БАВ и имеют красящие способности, т.е. одновременно обладают свойствами красителя. Известно, что в мировой практике наблюдается дефецит натуральных красителей.
Объекты и методы исследований
Хлорофиллсодержащие овощи (зелень петрушки, укропа) заметно выделяются среди другого растительного сырья высоким содержанием хлорофилла (до 1%), аскорбиновой кислоты, в-каротина, фенольных соединений, которые имеют иммуномодулирующую и антиоксидантную способность. Эти овощи и БАД из них особенно большой популярностью пользуются в Японии после последствий атомного взрыва на Хиросиме и Нагасаки. Японцы считают, что ненасыщенные конъюгированные соединения хлорофилла обладают противолучевым, противоопухолевым действием и существенно способствуют повышению иммунитета, особенно в сочетании с аскорбиновой кислотой и в-каротином, которые в большом количестве содержатся в листовых овощах. Известно, что листовые овощи плохо хранятся и являются сезонным продуктом. Традиционные технологии их переработки приводят к значительным потерям БАВ. Кроме того, во время переработки и консервирования зелени петрушки и укропа происходит обесцвечение и побурение хлорофилла, который неустойчив к влиянию разных факторов (рН-среды, температуры, кислорода, света и др.). Это связано с заменой комплексносвязаного магния в молекуле хлорофилла на водород, в результате чего образуется феофитин бурого цвета. На сегодняшний день мелкодисперсные порошки из хлорофиллсодержащих овощей (ХСО) в Украине не получили должного применения при изготовлении пищевых продуктов.
Цель работы - разработка нанотехнологии мелкодисперсных растительных оздоровительных добавок-красителей из зелени петрушки и укропа с рекордным содержанием хлорофилла и каротиноидов с использованием процессов механодеструкции и механоактивации, которые бы позволили полностью сохранить БАВ исходного сырья и придать конечному продукту новые потребительские свойства.
Работа выполнялась в ХГУПТ на кафедре технологий переработки плодов, овощей и молока в лаборатории «Инновационных, крио-и нанотехнологий растительных добавок и оздоровительных продуктов», которая оснащена современным новейшим оборудованием, таким как: установка для криогенного шокового замораживания пищевых продуктов, криогенный измельчитель-активатор, вакуумная сублимационная сушка и др.
Результаты и их обсуждение
В ХГУПТ разработанна нанотехнология мелкодисперсных добавок-красителей из хлорофиллсодержащих овощей - зелени петрушки, укропа с размером частиц в десятки раз меньше, чем при традиционном измельчении. От традиционных новая технология отличается использованием вакуумной сушки и мелкодисперсного измельчения без применения жидкого азота (альтернатива криогенному измельчению), которое сопровождается процессами механодеструкции и механоактивации, что позволяет не только извлечь все БАВ, в частности хлорофилл, но и позволяет его частям (до 50%) перейти из связанного состояния с биополимерами в свободное, то есть его содержание в конечном продукте увели-чивается в 1,2...1,8 раза по сравнению с исходным сырьем.
Комплексными исследованиями (с использованием спектроскопических, химических, биохимических, микроскопических методов исследования) установлены закономерности изменения хлорофилла, каротина, фенольных соединений во время грубого и мелкодисперсного измельчения (без применения холода) высушенных с помощью вакуумной сушки ХСО. Установлено, что во время мелкодисперсного измельчения высушенных ХСО происходит не только сохранение, но и существенное увеличение концентрации низкомолекулярных БАВ, то есть происходят их более полное извлечение из сырья и наблюдается эффект "обогащения" продукта.
Установлено, что происходит нанодеструкция и значительно лучшее извлечение низкомолекулярных БАВ в зависимости от вида БАВ на 22…80% относительно исходного сырья. Так, массовая часть хлорофилла увеличилась на 48^51%, каротиноидов - на 45.. .55%, аскорбиновой кислоты - на 22.. .30%, фенольных соединений - на 56^80% по сравнению с исходным сырьем (табл.1).
Таблица 1 - Влияние мелкодисперсного измельчения без применения холода на содержимое БАВ при получении хлорофиллсодержащих растительных нанодобавок-красителей из зелени петрушки и укропа (n=3, P≥0,95)
Название продукта |
Массовая доля |
|||||||||
хлорофиллов а и b |
каротина |
аскорбиновой кислоты |
фенольных соединений (по хлорогеновой кислоте) |
флавоноловых гликозидов (по рутину) |
||||||
% на СВ |
% к исход |
% на СВ |
% к исход |
% на СВ |
% к исход |
% на СВ |
% к исход |
% на СВ |
% к исхо д |
|
Зелень петрушки ВС |
4,8 |
100,0 |
22,1 |
100,0 |
1600,2 |
100,0 |
938,1 |
100,0 |
379,6 |
100,0 |
Краситель из зелени петрушки ВС |
6,2 |
129,2 |
33,4 |
151,1 |
2080,2 |
130,0 |
1641,6 |
175,0 |
715,7 |
188,5 |
Зелень укропа ВС |
5,4 |
100,0 |
9,5 |
100,0 |
710,8 |
100,0 |
3156,6 |
100,0 |
2195,2 |
100,0 |
Краситель из зелени укропа ВС |
8,0 |
148,1 |
13,8 |
145,3 |
867,2 |
122,0 |
5113,7 |
162,6 |
3775,5 |
172,0 |
Такое увеличение содержания БАВ при мелкодисперсном измельчении связано с тем, что мелкодисперсное измельчение приводит к значительному повреждению тканей, клеток и к увеличению активной поверхности продукта, который способствует более полному экстрагированию БАВ. Кроме того, увеличение также связано с переходом части низкомолекулярных БАВ из связанного с биополимерами состояния в свободное, а именно с деградацией и разрушением водородных связей между биополимерами и низкомолекулярными соединениями с отщеплением последних. Таким образом, на примере высушенных с помощью вакуумной сушки хлорофиллсо-держащих овощей (зелени петрушки и укропа) найден альтернативный криогенному метод измельчения (без применения холода), который приводит к процессам механодеструкции и механоактивации, что позволяет получить за счет перехода части низкомолекулярных БАВ из связанного с биополимерами состояния в свободное мелкодисперсные оздоровительные добавки-красители с новыми потребительскими свойствами, массовая часть низкомолекулярных БАВ в них по сравнению с начальным сырьем выше в 1,2…1,8 раза [1-4].
Полученные результаты повышенного извлечения низкомолекулярных БАВ (хлорофиллов а и b, каротиноидов) при мелкодисперсном измельчении по сравнению с начальным сырьем ВС, а также по сравнению с традиционно измельченным порошком с частицами размером 50…250 мкм, были подтверждены и дополнены методом спектрального анализа. Изученные суммарные спектры поглощения каротиноидов (λ=640…675 нм), хлорофиллов а и b (400…450 нм) в 70% этаноле показаны на рис. 1.

Рисунок 1 - Суммарные спектры поглощения каротиноидов и хлорофиллов а и b из зелени петрушки (І) и укропа (ІІ) вакуумной сушки в этаноле: 1 - исходное высушеное ВС сырье; 2 - традиционноизмельченный порошок; 3 - мелкодисперсный порошок.
Показано, что спектральные кривые суммарного спектра поглощения каротиноидов, хлорофиллов а и b, исходной зелени петрушки и укропа и порошков из них, измельченных до традиционного размера и мелкодисперсного измельчения имеют одинаковую форму и отличаются между собой интенсивностью поглощения. Наибольшая интенсивность характерна для спектров экстрактов из мелкодисперсных порошкообразных добавок-красителей. Наиболее низкую интенсивность оптической плотности имеют спектральные кривые порошков, измельченных к традиционному размеру частей. Наименьшая интенсивность характерна для спектров экстрактов из начального высушенного с помощью вакуумной сушки сырья, измельченного на кусочки с размером стеблей 0,5…1,0 см.
Увеличение по сравнению с начальным высушенным сырьем интенсивности поглощения суммарных спектров поглощения каротиноидов, хлорофиллов а и b при традиционном, и, в большей степени, при мелкодисперсном измельчении высушенных ВС хлорофиллсодержащих овощей связано с увеличением концентрации низкомолекулярных БАВ в растворителе (этаноле).
Показано, что новые мелкодисперсные добавки-красители отличаются высоким содержанием БАВ, особенно хлорофилла а и b (3,6…4,6%), каротина (7,1...18,2 мг в 100 г), L – аскорбиновой кислоты (644,2…1367,3 мг в 100 г), низкомолекулярных фенольных соединений (760,6…2818,9 мг в 100 г – по хлорогеновой кислоте), минеральных веществ (10,1…16,2%), протеина (табл. 2). Таким образом, показано, что наноструктурированные порошкообразные добавки-красители являются сложной поликом-понентною системой с высоким содержанием БАВ - естественных иммуномодуляторов и антиоксидантов и их можно рекомендовать для витаминизации разных продуктов питания.
Таблица 2 - Характеристика содержания биологически активных веществ в мелкодисперсных порошках-красителях из хлорофиллсодержащих овощей, полученных с помощью нанотехнологии по сравнению со свежей зеленью
Показатель качества |
Свежая зелень петрушки |
Порошок-краситель из зелени петрушки |
Свежая зелень укропа |
Порошок-краситель из зелени укропа |
Аналог-краситель |
Хлорофилл а и b, % |
0,7±0,01 |
3,9±0,1 |
1,0±0,02 |
4,5±0,1 |
1,2±0,1 |
Каротин, мг в 100 г |
3,7±0,06 |
17,9±0,5 |
1,7±0,03 |
8,2±0,2 |
5,0±0,1 |
L -аскорбинова кислота, мг в 100 г |
275,3±5,5 |
1344,0±23,3 |
115,7±2,3 |
656,7±12,5 |
332±2,3 |
Фенольные соединения (по хлорогеновой кислоте), мг в 100 г |
151,2±3,1 |
776,4±15,8 |
536,2±10,7 |
2786,4±32,5 |
196±2,3 |
Флавоноловые гликозиды (по рутину), мг в 100 г |
53,9±1,1 |
336,1±6,2 |
362,6±7,3 |
1822,6±18,3 |
164±1,5 |
Катехины (по d -катехину), мг в 100 г |
73,2±1,5 |
404,3±8,1 |
124,7±2,5 |
635,8±9,7 |
186±1,8 |
Дубильные вещества (по танину), мг в 100 г |
165,3±3,3 |
823,5±17,3 |
162,4±3,2 |
840,2±16,9 |
250±2,3 |
Зольность, % |
2,5±0,05 |
11,7±1,6 |
2,7±0,05 |
14,0±1,8 |
7,1±0,3 |
Протеин, % |
4,5±0,1 |
21,50±2,3 |
4,3±0,1 |
21,24±2,3 |
9,1±1,2 |
Общий сахар, % |
2,3±0,04 |
11,3±0,9 |
2,1±0,04 |
10,5±0,7 |
6,8±0,4 |
Пектин, % |
0,8±0,01 |
4,5±0,1 |
1,2±0,02 |
6,6±0,1 |
3,3±0,8 |
Целлюлоза, % |
1,3±0,02 |
7,2±0,1 |
1,6±0,03 |
8,4±0,2 |
4,5±0,9 |
Органические кислоты, % |
0,32±0,01 |
1,6±0,03 |
0,31±0,01 |
1,5±0,04 |
0,6±0,8 |
Влажность, % |
85,5±1,7 |
7,8±0,1 |
86,1 ±1,7 |
7,7±0,2 |
9,3±0,8 |
Таким образом, показано, что мелкодисперсное измельчение дает возможность манипулировать с материей (растительным сырьем) на молекулярном уровне и дает возможность получить порошок в нано-структурированной форме - биологически активные вещества в свободной форме с размером молекул около одного нанометра, которые высвобождены из связанных комплексов с биополимерами (целлюлозой, белком, пектиновыми веществами и др.). Параллельно происходит механодеструкция и разрушение биополимеров растительного сырья - белков, целлюлозы (от 30 до 40 %) к их составляющим - свободным аминокислотам и моносахарам. Размер молекул таких веществ также близок к одному нанометру. Разработанные нанотехнологии получения нано-структурированных порошкообразных добавок-красителей из хлорофиллсодержащих овощей, которые отличаются от исходного сырья и других продуктов рекордным содержанием БАВ, в частности хлорофилла, каротина, фенольных соединений, лучшей растворимостью в воде (в 2 раза лучше), высокой усвояемостью живыми организмами (в 2 раза лучше) внедрены в производство на предприятиях Украины.
Заключение, выводы
Научно обоснована и разработана нанотехнология порошкообразных нано-структурированных добавок из хлорофилл-содержащих овощей с рекордным содержанием хлорофилла и каротиноидов с использованием процессов механодеструкции и ме- ханоактивации, которые позволяют перевести БАВ из связанного состояния с биополимерами в свободное (20…80%) и вызывают повреждение биополимеров до их составляющих (аминокислот, моносахаров, галакту-роновой кислоты и др.) (30-40 %).
Конечным результатом работы является то, что разработана и утверждена нормативная документация на "Порошки овощные мелкодисперные" (ТУ В 15.3-01566330-182 (НПП "Криас-1" (г. Харьков)). Проведена апробация новой технологии в производственных условиях в НПФ "ФИПАР", ЗАО "ФИТОРИЯ", ГП "Импульс".
Разработана технология мелкодисперсных хлорофиллсодержащих растительных добавок-красителей и технология новых плавленых сыров "Аппетитный", "Богатырь", а также вкусовых витаминных приправ "Витаминная", "Изумруд", "Фантазия" с их использованием и добавлением фитодобавок из натуральных пряностей. Добавки использовали для придания новым продуктам оригинального вкуса и аромата, цвета, удлинения сроков хранения и придания им профилактического действия, поскольку они содержат значительное количество естественных антиоксидантов и иммуномодуляторов.
Список литературы Нанотехнологии растительных оздоровительных добавок-красителей из хлорофиллсодержащих овощей
- Погарская В.В. Научное обоснование тех.нологий каротиноидных и хлорофиллсодержащих мелкодисперсных и гомогенных растительных добавок: Дис… канд. техн. наук: 05.18.13. -О., 2012. -с. 502
- Товароведение и инновационные технологии переработки лекарственно-технического растительного сырья. Учебное пособие/Павлюк Р.Ю., Погарська В.В., Яницкий В.В., Павлюк В.А., Соколова Л.М., Коробец Н.В., Максимова Н.Ф. -Харьков: ХГУПТ, 2013. -429 с.
- Павлюк Р.Ю. Разработка технологии консервированных витаминных фитодобавок и их использование в продуктах питания профилактического действия: дис.. д-ра. техн. наук: 05.18.13 -ОНАХТ, 1996. -446 с.
- Новые технологии витаминных углевод-содержащих фитодобавок и их использование в продуктах профилактического действия : монография/Р. Ю. Павлюк ; ХГАТОП; УГУПТ.-Х.; К.,1997. -291 с.
- Новые технологии функциональных оздоровительных продуктов : монография/В. В. Погарская ; ХГУПТ. -Х., 2007. -262 с.
- Коробець, Н. В. Формирование качества добавок из хлорофиллсодержащих овощей и продуктов питания с их использованием : автореф. дис.. канд. техн. наук: 05.18.15/Н. В. Коробець. -Х., 2006. -18 с.