Направленный катализ как способ повышения выхода биологически ценных веществ из плодово-ягодного сырья

Elena N. Sokolova

Cand. of Biol. Sci., Leading Researcher, Department of Biotechnology of Enzymes, Yeast, Organic Acids and Dietary Supplements, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia

E-mail: elenaniksokolova @ inbox .ru

Elena I. Kurbatova

Cand. of Biol. Sci., Leading Researcher, Department of Biotechnology of Enzymes, Yeast, Organic Acids and Dietary Supplements, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia

E-mail: elena_kurbatova @ list .ru

Tatyana V. Yuraskina

Postgraduate Student, Junior Researcher, Department of Biotechnology of Enzymes, Yeast, Organic Acids and Dietary Supplements, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia

Elena M. Serba

Dr. of Biol. Sci., Assoc. Prof., Deputy Director for Research, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, All-Russian Research Institute of Food Biotechnology - Branch of the Federal Research Center for Nutrition, Biotechnology and Food Safety, Moscow, Russia

TARGETED CATALYSIS AS A WAY TO INCREASE THE YIELD OF BIOLOGICAL VALUABLE SUBSTANCES FROM FRUIT AND BERRY RAW MATERIALS

The rational method of plant tissue treatment is a particularly important aspect to extract and preserve natural value of biologically active components. The aim of this work was development of biotechnology of semi-finished products with an increased content of food and biologically active substances as beverages base with a balanced composition production. The quantitative and qualitative compound of biologically active components in the obtained fermentolysates and concentrates by various spectrophotometric, colorimetric and titrimetric analysis methods was investigated. The possibility of increasing of biologically active components yield in extracts as a result of targeted enzymatic hydrolysis of cell walls polymers of fruit and berry raw materials was identified. It was established that multienzyme compositions consisting of pectinase, protease, β-glucanase for apple raw materials, and pectinase and β-glucanase for blackcurrant raw materials treatment provide increasing the yield of phenolic substances, vitamin C and reducing carbohydrates. So, the concentration of phenolic substances in the blackcurrant fermentolysate was increased 7.5 times, and vitamin C - 2 times, in contradistinction to juice. The possibility of receiving concentrated forms of ingredients by using modern membrane technologies was experimentally shown. The optimal degree of fermentolysates concentration to maintain organoleptic characteristics and the content of biologically active substances was selected. Soluble solids content of blackcurrant concentrate was 64.8%, apple concentrate - 58.2%. An experimental batch was produced and biochemical composition of concentrates from fruit and berry raw materials was studied. Produced ingredients will be used as a base for creating natural beverages with balanced composition.

Введение. В последние десятилетия развития предприятий агропромышленного комплекса отмечается расширение ассортимента продуктов питания и БАД на основе использования возобновляемых источников сырья, а также вторичных сырьевых источников. При этом особое внимание уделяется вопросам повышения эффективности использования сырьевых источ- ников растительного происхождения с применением различных способов предобработки (УЗ, СВЧ, низкотемпературная обработка, термошок и т. д.) [1]. Ценность плодов и ягод определяется широким спектром находящихся в них натуральных пищевых ингредиентов (полифенолов, витаминов, каротинов, минеральных, пектиновых веществ), способных поддержать на должном уровне координированную работу физиологических и регуляторных систем организма [2]. Особо важное значение имеют вещества фенольной природы, способные проявлять противовоспалительные, антибактериальные свойства, высокую антиоксидантную способность, существенно снижать проницаемость клеток капилляров и т.д. [3–5]. Рациональный подход к подбору способа воздействия на растительную ткань является крайне важным аспектом для извлечения биологически активных компонентов и сохранения их природной ценности. Особенности тканевого строения растительного сырья, а также локализация биологически ценных веществ в структуре сырья требуют тщательного исследования для извлечения их в растворимую форму.

Цель исследования. Разработка биотехнологического способа получения полуфабрикатов с повышенным содержанием пищевых и биологически активных веществ как основы для получения напитков сбалансированного состава.

Задачи исследования : исследовать биохимический состав ферментолизатов яблочного и черносмородинового сырья; зависимость биохимического состава ферментолизатов от степени концентрирования; оценить влияние степени концентрирования на выход биологически активных веществ.

Материалы и методы исследования. Количественный и качественный состав биологически активных компонентов в полученных ферментолизатах растительного сырья изучали следующими методами: редуцирующие вещества (РВ) – методом Шомоди-Нельсона [6]; содержание витамина С – титриметрическим методом согласно ГОСТ 24556-89 [7]; содержание общих фенольных веществ – методом Фолина-Чокаль-теу [8]; растворимых сухих веществ – рефрактометрическим методом [9]; содержание аминного азота – титриметрическим методом, описанным в ОФС.1.2.3.0022.15 [10].

Объектами исследований являлись фермен-толизаты яблочного (источники витаминов С, Bl, В2, Р, Е, бета-каротина, микро-, макроэлементов, пектиновых веществ, моно-, ди-, олигосахаридов, органических кислот, флавоноидов) и черносмородинового сырья (источник витаминов С, В, Р, провитамина А, органических кислот, моно-, ди-, олигосахаридов, гликозидов, флавоноидов, пектиновых, дубильных, антоциановых веществ, флавонолов и азотистых веществ, полиненасы-щенных жирных кислот в семенах).

Статистическую обработку экспериментальных данных, полученных в результате трехкратной повторности, проводили с применением стандартной программы MS Excel.

Результаты исследования и их обсуждение. На предыдущих этапах исследования нами было изучено влияние ферментативной обработки на степень деструкции полимеров плодово-ягодного сырья, выявлены наиболее эффективные мультиэнзимные композиции для биокатализа клеточных полимеров, состоящие из пектиназы, протеазы, β-глюканазы для яблочного сырья, а также пектиназы и β-глю-каназы для обработки сырья из черной смородины. В качестве ферментных препаратов использовались Пектофоетидин Г20Х – источник пектолитических ферментов, Целловиридин Г20Х – источник гемицеллюлолитических ферментов и Амилопротооризин Г20Х – источник протеолитических ферментов. Все ферментные препараты отечественного производства, получены на опытно-промышленной установке ООО «Биопрогресс» г. Щелково. Исследовано влияние технологических параметров ферментолиза плодово-ягодного сырья (температура, длительность) на выход биологически ценных компонентов, экспериментально выявлены оптимальные условия: температура процесса 48–52 °С и длительность 1,5–2,5 часа, обеспечивающие повышение выхода жидкой фракции гидролизата с сохранением нативного состояния биологически ценных компонентов.

С использованием подобранных ферментных препаратов и разработанных условий их каталитического воздействия на плодово-ягодное сырье наработана опытная партия ферментолиза-тов с повышенным содержанием БАВ, изучен их биохимический состав (табл. 1).

Таблица 1

Биохимический состав ферментолизатов плодово-ягодного сырья

Вид сырья	СВ, %	рН	Фенольные соединения, мг/100см³	РВ, мг/100см3	Витамин С, мг/дм3
Черная смородина	14,2 + 0,7	2,8 + 0,1	723,0 + 35,9	221,5 + 11,1	320,5 + 16,0
Яблоки	11,8 + 0,6	3,8 + 0,2	96,0 + 4,8	310,1 + 15,5	157,2 + 7,9

Полученные ферментолизаты различались в основном по содержанию фенольных веществ и витамина С. Ферментолизат черной смородины содержал в 7,5 раза больше фенольных веществ и в 2,0 раза витамина С (см. табл. 1).

Необходимым аспектом в технологическом процессе получения натуральных изделий на основе плодово-ягодного сырья является обеспечение сохранности пищевой и биологической ценности природных компонентов, а также стабильности коллоидного состояния используемых полуфабрикатов. Одним из наиболее эффективных способов, используемых для достижения этой цели, является концентрирование с применением мембранных процессов [11, 12].

В настоящих исследованиях с целью получения концентрированных форм обога- щенных ферментолизатов была изучена зависимость биохимического состава конечной формы полуфабриката от разрешающей способности фильтрующих материалов, а также режимов вакуум-выпаривания. В работе исследовали фильтрующие материалы отечественного производства: мембраны марки УПМ-10, УПМ-20, УПМ-100, УПМ-200, фильтр-картон марки DKF-3. В качестве критериев оценки эффективности процесса концентрирования рассматривали зависимость содержания биологически ценных компонентов в ультраконцентратах фер-ментолизатов плодово-ягодного сырья от конечной концентрации в них растворимых сухих веществ (РСВ) (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость биохимического состава концентрата из черной смородины от степени концентрирования ферментолизата

Изменение показателей полученных концентратов из ферментолизата черной смородины в отношении биологически активных компонентов от степени концентрирования показало линейную зависимость сохранения БАВ в ферментоли-зате. В качестве оптимальных условий выбрана степень концентрирования в 10,25 раза (до концентрации РСВ 64,8 %). Концентрирование до более высоких значений РСВ приводит к снижению эффективности работы мембраны, а также ухудшает реологические свойства получаемого полуфабриката. В связи с тем, что значение рН продукта отражается на его органолептической оценке, экспериментально подтверждено, что использование выбранных режимов фильтрации существенно не влияет на изменение вкусовых показателей продукта: рН ультраконцентрата Аналогичные исследования были проведе-практически не изменялось.                    ны с ферментолизатом, полученным на основе яблочного сырья (рис. 2).

Рис. 2. Влияние степени концентрирования ферментолизата яблочного сырья на выход БАВ из яблок

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о рациональности концентрирования яблочного ферментолизата до концентрации РСВ = 58,2 %, при этом рН ультраконцентрата находилось в пределах допустимых значений 3,0–3,5 усл. ед., что соответствует кисло-сладкому вкусу и не будет влиять на органолептические показатели получаемых продуктов.

Наработана экспериментальная партия концентрированной формы ферментолизатов плодово-ягодного сырья в качестве основы для создания образцов напитков сбалансированного состава, а также в качестве корректирующих компонентов биологической полноценности получаемых продуктов и изучен их биохимический состав (табл. 2).

Таблица 2

Биохимический состав полученных концентрированных форм ингредиентов

Вид сырья	СВ, %	рН	Аминный азот, мг%	Фенольные соединения, мг/100 см³	РВ, мг/100 см³	Витамин С, мг/дм³
Черная смородина	64,8 + 3,2	2,6 + 0,1	7420,0 + 371,0	7035,2 + 351,8	2265,7 + 113,3	283,2 + 14,2
Яблоки	58,5 + 2,9	3,2 + 0,2	80,5 + 4,0	958,8 + 47,9	2998,8 + 149,9	482,2 + 24,1

Выводы. Исследован биохимический состав ферментолизатов из яблок и черной смородины. С применением современных мембранных процессов получены концентрированные формы полуфабрикатов для напитков. Напитки, получаемые на основе концентрированных форм ингреди- ентов из плодово-ягодного сырья, будут перспективны для употребления всех групп населения, так как в них идеально сочетается вкусо-ароматическая составляющая и широкий спектр необходимых биологически активных веществ.

Технология продовольственных продуктов Литература

• 1.    Домарецкий В.А. Технология экстрактов, концентратов и напитков из растительного сырья: учеб. пособие. М.: Форум, 2011. 448 с. (Высшее образование).

• 2.    Тутельян В.А. Пищевые ингредиенты в создании современных продуктов питания / под ред. В.А. Тутельяна, А.П. Нечаева . М.: ДеЛи плюс, 2014. 520 с.

• 3.    Быстрова Е.А. Исследование компонентного состава фенольных соединений и антиоксидантной активности брусничного сока // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. № 3 (22). С. 19–26.

• 4.    Корулькин Д.Ю., Абилов Ж.А., Музычки-на Р.А. и др. Природные флавоноиды / Рос. акад. наук, Сиб. отд., Новосиб. ин-т органической химии. Новосибирск: Тео, 2007. 232 с.

• 5.    Тынянина И.И. Разделение, концентрирование и анализ антоцианов и бетацианинов в экстрактах растительного сырья с применением оптических и хроматографических методов: дис. … канд. хим. наук: 02.00.02. Белгород, 2015. 147 с.

• 6.    ОФС.1.2.3.0022.15. Определение аминного азота методами формольного и йодометрического титрования. М., 2015.

• 7.    Синицын А.П., Черноглазов В.М., Гусаков А.В. Методы исследования и свойства целлюлолитических ферментов. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 25. С. 30–37.

• 8.    Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. М.: Советская школа, 2005. 608 с.

• 9.    ГОСТ ISO 2173-2013. Продукты переработки фруктов и овощей. Рефрактометрический метод определения растворимых сухих веществ. Введ. 01.07.2015. М.: Стандартин-форм, 2014. 14 с.

• 10.    Латыпова Г.М., Романова З.Р., Бубенчико-ва В.Н. и др. Исследование качественного и количественного состава флавоноидных соединений густого экстракта первоцвета лекарственного // Химия растительного сырья. 2009. № 4. С. 113–116.

• 11.    Кудряшов В.Л., Рабинович А.З., Павлова Е.С. и др. Разработка способа производства вы-сокоочищенных яблочных соков на основе мембранных и биотехнологических процес-

  сов // Теоретические и практические аспекты развития спиртовой, ликероводочной, ферментной, дрожжевой и уксусной отраслей промышленности. М.: ВНИИПБТ, 2011. С. 263–270.

• 12.    Кудряшов В.Л., Погоржельская Н.С., Лемтю-гин А.И. и др. Использование экстракта шиповника в безалкогольных и алкогольных напитках и его производство с применением баромембранных процессов // Пиво и напитки. 2018. № 2. С. 70–75.