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.