Нанотехнология быстрозамороженного тонкодисперсного пюре из пряных овощей с рекордной степенью сохранности БАВ

Работа посвящена научному обоснованию и разработке нанотехнологий быстро- замороженных тонкодисперсных добавок в форме пюре из пряных овощей (корня хрена и чеснока) с принципиально новыми свойствами.

В отличие от общепринятых новая технология включает криогенное «шоковое» замораживание и низкотемпературное измельчение сырья с использованием жидкого и газообразного азота до размера частиц, которые в несколько десятков раз меньше традиционных, позволяет получить конечный продукт с новыми потребительскими свойствами (другим химическим составом по сравнению с исходным сырьем), которые нельзя получить, используя традиционные методы переработки растительного сырья.

Актуальность работы связана с тем, что сегодня при изготовлении пищевых продуктов используют значительное количество различных синтетических пищевых добавок (к числу которых относятся: ароматизаторы, красители, консерванты, различные наполнители, стабилизаторы, эмульгаторы и др.), которые являются вредными для организма человека. Их потребление приводит к снижению защитных сил организма, а также вызывает аллергические реакции. По статистическим данным, годовое потребление таких пищевых добавок с продуктами питания составляет от 1,9 до 2,2 кг на душу населения в передовых странах мира. Настоящая работа направлена на получение натуральных добавок для здорового питания из растительного сырья – пряных овощей и создание с их использованием оздоровительных продуктов (соусов-дрессингов, соусов-дипов, начинок для кондитерских изделий (ПанКейков, круассанов)), закусочных сырноовощных изделий и др.

Известно, что в Украине и странах СНГ наблюдается дефицит натуральных пряноароматических добавок из пряных овощей. В связи с этим актуальным является разработка добавок в виде наноструктурированного пюре из пряных овощей с высоким содержанием биологически активных веществ (БАВ) и различных продуктов с их использованием.

Пряные овощи (корень хрена и чеснок) среди растительного сырья занимают особое место. Они отличаются высоким содержанием таких БАВ, как: ненасыщенные ароматические вещества (эфирные масла, ароматические кислоты и др.), низкомолекулярные и высокомолекулярные фенольные соединения, которые обладают антиоксидантным и бактерицидным действием. Кроме того, аналогично корням реликтовых растений семейства аралиевых, пряные овощи содержат в своем составе тритерпеновые сапонины и гликозиды с адаптогенным и иммуномо- дулирующим действием, осуществляющих, по данным медиков, на организм человека противоопухолевое действие [1, 2].

Трудности при переработке пряных овощей традиционными методами связаны с тем, что они содержат летучие ароматические вещества и витамины, которые быстро разрушаются и окисляются. Потери ароматических веществ и витаминов при использовании традиционных технологий составляют от 40 до 80% [1, 3]. В связи с этим актуальной является разработка технологий, позволяющих максимально сохранить качество исходного сырья. Работ по выявлению способов переработки пряно-ароматического растительного сырья, позволяющих сохранить ароматические вещества, практически нет. Отсутствуют также криогенные технологии их переработки.

Целью работы является разработка научно обоснованных нанотехнологий быстрозамороженных тонкодисперсных добавок из корня хрена и чеснока с применением криогенного «шокового» замораживания и низькотемпературного измельчения, сопровождающихся процессами криомеханодеструкции и механоактивации, позволяющими максимально сохранить и использовать БАВ исходного сырья при его переработке, хранении и применении в функциональных комбинированных молочно-растительных продуктах для оздоровительного питания.

Как инновационные технологические приемы при получении быстрозамороженных тонкодисперсных добавок из пряных овощей в работе было использовано комплексное влияние 2-х известных прогрессивных методов переработки сырья – криогенного «шокового» замораживания и низкотемпературного тонкодисперсного измельчения, сопровождающихся процессами криомеханодеструкции и механоактивации сырья. Целесообразность разработки натуральных ароматических растительных добавок из пряных овощей в форме быстрозамороженного тонкодисперсного пюре сложилась благодаря работам таких отечественных и зарубежных ученых, как: Павлюк Р.Ю., Погарская В.В., Барамбойм М.К., Симахина Г.А., Снежкин Ю.Ф., Тутельян В.Ф., Шатнюк Л.Н. и др.

Объекты и методы исследований

В качестве объектов исследований использовали традиционные для Украины пряноароматические овощи (корень хрена и чеснок)

Работа выполнялась в ХГУПТ на кафедре технологий переработки плодов, овощей и молока в лаборатории инновационных, крио- и нанотехнологий растительных добавок и оздоровительных продуктов, а также с использованием экспериментальной базы биофизической лаборатории и кафедр микологии и фитоимунологии, органической химии Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина, лаборатории оценки качества кормов и продукции животного происхождения Института животноводства лесостепи и полесья УААН, а также в производственных условиях. В работе использовали современное оборудование, которое есть на кафедре, такое как: криогенный программный замораживатель с компьютерным обеспечением с использованием, в качестве инертной среды, жидкого и газообразного азота, низкотемпературный измельчитель-активатор (Франция), оптический микроскоп с видеокамерой и откалиброванной шкалой в микрометровом и нанометровом диапазоне и др.

В работе использованы современные химические, спектроскопические, физикохимические, микробиологические и микроскопические методы исследований.

Работа является продолжением выполнения научно-исследовательских работ специалистов кафедры Технологий переработки плодов, овощей и молока Харьковского государственного университета питания и торговли (ХГУПТ), которая в 2006 г. была удостоена Государственной премии в области науки и техники Украины. Исследования выполнялась в 2-х направлениях:

• -    разработка высоких крионанотехнологий производства натуральных быстрозамороженных тонкодисперсных растительных добавок с высоким содержанием БАВ из пряных овощей (корня хрена и чеснока) в форме пюре;

• -    разработка с использованием быстрозамороженных тонкодисперсных добавок из корня хрена и чеснока и вторичного молочного сырья (пахты) комбинированных натуральных молочно-растительных функциональных оздоровительных продуктов для массового, детского и диетического питания с высоким содержанием БАВ без синтетических добавок (сырно-овощных закусок, кисломолочных напитков на основе пахты, соусов-дрессингов, соусов-дипов, сырно-овощных кондитерских начинок и др.).

Результаты и их обсуждение

Разработана технология тонкодисперсного быстрозамороженного пюре из пряных овощей (корня хрена и чеснока), которая включала в себя такие основные операции как быстрое «шоковое» замораживание в среде газообразного азота и низкотемпературное измельчения сырья. Замораживание овощей проводили на криогенно-программном замораживателе до температуры -18, -30, -35 и -40ºС с различными скоростями замораживания. При этом температура внутри камеры составляла -60º С. Установка предназначена для замораживания как продуктов с твердой оболочкой, так и жидких, которые находятся в специальной таре. Режимы замораживания возможно варьировать в диапазоне температур от -5ºС до -100ºС. Установка оснащена программным обеспечением, которое позволяет в автоматическом режиме снимать показания с датчиков и выводить информацию в графическом или табличном виде на монитор. Измельчение осуществляли на низкотемпературном измельчителе при температуре не выше -10ºС.

Известно, что одним из основных факторов при переработке плодов и овощей, которые влияют на степень сохранности витаминов, ароматических веществ, каротиноидов и других БАВ, в том числе при замораживании, является инактивация окислительных ферментов [1,3]. Использование различных технологических приемов для инактивации ферментов (бланширование – шпарка острым паром, кратковременное погружение в горячую воду, варка, обработка в вакууме, выдержка в растворах поваренной соли, лимонной кислоты различной концентрации, электромагнитная и СВЧ-обработка, пастеризация, стерилизация и др.) достаточно хорошо изучено. Что касается влияния низких температур на активность ферментов при замораживании, то многие вопросы малоизученные и остаются открытыми, а полученные данные носят противоречивый характер.

Показано, что после замораживания пряных овощей наблюдается некоторая активация окислительных ферментов (на 25...30% больше по сравнению с исходным сырьем), которые при -20...-25°С не приостанавливают свое действие, но после размораживания в течение одного часа ферментативная активность окислительных ферментов полностью восстанавливается, что приводит к значительным потерям БАВ и клеточного сока [4, 5]. Полученные результаты научных исследований согласуются с данными таких ученых как А.Т. Марх, А.Ф. Загибалов,

Е.Г. Кротов [1].

Не до конца выявлены механизмы этих процессов. В связи с этим актуальным является выявление таких технологических приемов при замораживании плодов и овощей, которые бы позволили полностью инактивировать окислительные ферменты, которые привели бы к необратимой денатурации и коагуляции белковой глобулы ферментов и блокировали бы их активные центры, что не позволило бы при размораживании восстановить их ферментативную активность.

В настоящей работе проблема инактивации окислительных ферментов пряных овощей при получении быстрозамороженного тонкодисперсного пюре была решена использованием высоких скоростей замораживания (от 2 до 10ºС в минуту) до конечной температуры -35…-40ºС.

Показано, что при медленных скоростях замораживания до температуры - 18°С корня хрена и чеснока происходила активация окислительных ферментов – пероксидазы и полифенолоксидазы на 130...150%. После низкотемпературного измельчения замороженных до температуры -18°С корня хрена и чеснока происходила активация пероксидазы и полифенолоксидазы на 410…450% (табл. 1).

Механизм этого процесса связан с тем, что при криодеструкции клеток происходит также деструкция нанокомплексов биополимеров и БАВ, самых биополимеров. Часть ферментов высвобождается из связанного состояния и переходит в свободное состояние, происходит активация активных центров ферментов микрокристаллами льда, которые, как известно, при измельчении некоторого сырья, при получении гомогенных систем выступают как структурообразователи [6, 7]. В связи с этим можно предположить, что в данном случае микрокристаллы льда движутся как микроножи, интенсифицируют процесс криодеструкции и активируют активные центры ферментов. При размораживании быстрозамороженных пюре высокая активность окислительных ферментов приводит к потерям БАВ и ухудшению качества продукции.

Таблица 1 – Влияние криогенной «шоковой» заморозки, криодеструкции и механоактивации на активность окислительных ферментов при низкотемпературном измельчении пряных овощей и замораживании

Продукт	Корень хрена				Чеснок
	Активность пероксидазы		Активность полифенолоксидазы		Активность пероксидазы		Активность полифенолоксидазы
	мл 0,01 N йода к СВ	% к исходному сырью	мл 0,01 N йода к СВ	% к исходному сырью	мл 0,01 N йода к СВ	% к исходному сырью	мл 0,01 N йода к СВ	% к исходному сырью
Исходное сырье	90,5	100	13,8	100	48,0	100	13,6	100
Замороженные пряные овощи до -18ºС	136,1	150	18,2	132	62,7	130	17,8	131
Пюре из пряных овощей после заморозки до -18° С и низкотемпературного измельчения	407,7	450	56,6	410	209,2	436	56,5	415
Криогенное «шоковое» замораживание пряных овощей до -35…-40°С	63,7	70,4	0	0	0	0	0	0
Пюре из пряных овощей после криогенного «шокового» замораживания и низкотемпературно го измельчения	65,4	72,3	0	0	0	0	0	0

Таким образом, при медленных скоростях замораживания пряных овощей и их дальнейшем низкотемпературном измельчении необходимо принять меры по инактивации окислительных ферментов (например, при подготовке сырья к замораживанию, или при криодеструкции и т.д.).

Также обнаружено, что при высоких и сверхвысоких скоростях замораживания до температуры -35°С...-40°С, то есть при криогенном «шоковом» замораживании с применением газообразного и жидкого азота окислительные ферменты полностью инактивируются, что, очевидно, связано со значительной необратимой денатурацией и криодеструкцией белковых глобул ферментов и полной инактивацией их активных центров. Следует отметить, что у корня хрена очень активная пероксидаза, которая не инактивируется даже после замораживания до -40ºС (табл. 1). То есть, при подготовке корней хрена к замораживанию и дальнейшему низкотемпературному измельчению необходимо принять меры по инактивации пероксидазы.

Показано, что при использовании «шокового» замораживания пряных овощей до температуры -35...-40 °С и последующего низкотемпературного измельчения активность окислительных ферментов не восстанавливалась (за исключением корня хрена) (табл. 1). Полученные результаты научных исследований по криодеструкции и «шоковой» заморозки согласуются с данными, получен- ными нами ранее при замораживании и криоизмельчении яблок, лимонов и апельсинов с цедрой, моркови, тыквы и др.

Установлено, что при «шоковом» замораживании пряных овощей, а также быстрозамороженных пюре из них при их размораживании не наблюдаются потери клеточного сока в отличие от традиционного замораживания. Механизм этого процесса, очевидно, связан с тем, что при «шоковом» замораживании происходит также инактивация и гидролитических ферментов, таких как целлюлазы, пектиназы, протеазы и других, которые приводят к гидролизу биополимеров клеток до отдельных их составляющих, которые переходят в растворимую форму, что отображается в потерях клеточного сока.

Показано также, что инновационная технология обеспечивает не только сохранение всех БАВ, а также позволяет получить пюре с принципиально новыми свойствами, в которых значительное количество БАВ (например, аскорбиновая кислота, ароматические вещества, фенольные соединения, дубильные вещества) переходят из связанного состояния с биополимерами (белками, полисахаридами и др.) в свободное за счет механоактивации и механодеструкции (в 1,7...2,1 раза больше, по сравнению со свежим сырьем), а часть полимеров разрушаются до их мономеров: аминокислот, глюкозы, фруктозы, галакту-роновой кислоты и других [8].

Рис. 1 - Влияние низкотемпературного измельчения на массовую долю БАВ во время получения тонкодисперсного пюре из корня хрена и чеснока, где:

1 – свежее сырье; 2 – традиционное пюре без применения холода;

3 – замороженное тонкодисперсное пюре

От традиционных новая технология отличается использованием криодеструкции и механоактивации до размера частиц продукта в десятки раз меньше, чем при традиционном измельчении, и криодеструкции и механодеструкции нанокомплексов БАВ-биополимеры, их трансформацию в низкомолекулярные вещества, которые находятся в свободном состоянии с размером молекул около нанометра.

Показано, что в условиях быстрого замораживания и низкотемпературного измельчения пряных овощей, которые сопровождаются процессами криодеструкции и механоактивации происходит более полное извлечение

БАВ из связанного с биополимерами состояния в свободное. Увеличение составляет в зависимости от вида БАВ от 1,7 до 2,1 раз относительно исходного свежего сырья, что значительно выше по сравнению с традиционным измельчением, после которого БАВ извлекаются всего лишь в 1,3…1,4 раза больше по сравнению со свежим сырьем (рис. 1).

Так, с использованием инновационной технологии массовая доля ароматических веществ извлекается на 186…213%, аскорбиновой кислоты на 177…199%, дубильных веществ на 193...208% (табл. 2).

Таблица 2 – Сравнительная характеристика содержания БАВ в свежем овощном сырье и в быстрозамороженных тонкодисперсных пюре из них

Продукт	Массовая доля
	ароматических веществ (по числу аромата)		L-аскорбиновая к-та		дубильных веществ (по танину)
	мл Na 2 S 2 O 3 в 100 г	% к исходному сырью	мг в 100 г	% к исходному сырью	мг в 100 г	% к исходному сырью
Корень хрена свежий	115,3±3	100	42,5±2	100	185,4±4	100
Традиционное пюре из корня хрена	162,1±3	140	55,7±2	131	245,2±5	132
Тонкодисперсное пюре из корня хрена	245,6±5	213	75,5±2	177	385,3±5	208
Чеснок свежий	139,4±3	100	11,2±0,5	100	210,6±5	100
Традиционное пюре из чеснока	194,4±4	139	14,8±0,5	132	280,6±5	133
Тонкодисперсное пюре из чеснока	259,7±5	186	22,3±0,5	199	406,1±5	193

Механизм увеличения извлечения низкомолекулярных БАВ из клеток и перехода их из связанного с биополимерами состояния в свободное связан с тем, что в случае быстрого замораживания и низкотемпературного измельчения возникает криодеструкция и механокрекинг, которые приводят к разрушению водородных связей и индукционного взаимодействия между указанными веществами [2, 4, 8].

На основании полученных данных разработана криогенная технология быстро-замороженных тонкодисперсных пюре из пряных овощей, которая отличается использованием высоких скоростей замораживания до более низкой конечной температуры внутри продукта, чем принятой в традиционных технологиях. Качество новых видов пюре по содержанию БАВ в свободном состоянии превышает исходное сырье (свежие овощи) в 1,7…2,1 раза, которое определяется традиционными методами.

Качество новых видов пряноароматических добавок из корня хрена и чеснока было дополнено использованием спектроскопического анализа (рис. 2).

Сравнение ИК-спектров тонкодисперсного пюре из корня хрена и чеснока и свежего сырья показало, что в области частот от 3000 до 3600 см^-1, характерных для валентных колебаний функциональных групп - ОН, участвующих в образовании внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей, и входят в состав свободной и связанной влаги, фенольных соединений, дубильных веществ, сахаров и биополимеров и других происходит уменьшение интенсивности спектров и разрушение межмолекулярных и внутримолекулярных водородных связей и увеличение интенсивности спектров в области частот от 2900 до 1600 см^-1, характерных соответственно для валентных колебаний групп СН 3 , NH 2 , NH 3 , C-O-, а также ненасыщенных двойных связей.

А

Б

Валентные колебания групп, см-1
OH	NH	CH	S-H	C=O
3645…2500	3500…3300	3350…2850	2600…2550	1750…1720
Валентные колебания групп, см-1
C-O-	COOH	S=S	C=N	CH 3
1300…1000	1750…1700	550…450	1230…1030	1470…1355

Рис. 2 - Сравнение ИК-спектров свежих пряных овощей и тонкодисперсных добавок из них, где: 1 – свежие овощи; 2 – тонкодисперсное пюре из корня хрена (А) и чеснока (Б)

Это свидетельствует об увеличении после механического воздействия массовой доли и переходе низкомолекулярных БАВ (фенольных соединений, аскорбиновой кислоты и др.) из связанного с биополимерами состояния в свободное, а также о трансформации части биополимеров (например, белка, целлюлозы) до их мономеров (соответственно до аминокислот и простых сахаров) и подтверждает данные, полученные химическими методами.

Заключение, выводы

Таким образом, обнаружено, что при традиционном замораживании до -18°С, криодеструкции и механодеструкции при низкотемпературном измельчении происходит значительная активация окислительных ферментов (в 4-4,5 раза выше, чем в исходном сырье). Раскрыт механизм этого процесса и разработаны рекомендации по низкотемпературной инактивации ферментов. Показано, что при «шоковом» замораживании с использованием высоких и сверхвысоких скоростей до температуры -35...-40°С с применением жидкого и газообразного азота происходит полностью инактивация окислительных ферментов и при размораживании продуктов ферменты не восстанавливаются и нет потерь клеточного сока. Что согласуется с нашими данными, полученными при разработке тонкодисперсного пюре из цитрусовых фруктов, яблок, моркови, тыквы и ягод. Раскрыт механизм этого процесса.

Показано также, что инновационная технология обеспечивает не только сохранение всех БАВ, а также позволяет получить пюре с принципиально новыми свойствами, в которых значительное количество БАВ переходят из связанного состояния с биополимерами в свободное за счет механоактивации и механо- деструкции (в 1,7...2,1 раза больше, по сравнению со свежим сырьем).

Разработано и утверждено на уровне МОЗ Украины ТУ У 10.3-01566330-283:2013 «Пюре с овощей и грибов замороженные мелкодисперсные». Новые виды пюре прошли апробацию в производственных условиях на предприятиях г. Харькова: НПФ «КРИАС ПЛЮС», НПФ «ФИПАР», ПАО «Хладопром».