Оценка антиоксидантной, антимикробной активности растительного сырья и применение в пищевой промышленности

На сегодняшний день в пищевой промышленности активно используют пищевые добавки для улучшения разных характеристик продукта, таких как текстура, запах, цвет, вкус, а также для предотвращения порчи, слеживания, прогоркания и других нежелательных процессов. Очень важной добавкой является консервант, который не позволяет вредным микроорганизмам распространяться в продукте, а также ингибирует процессы окисления жиров и белков, а в мясных продуктах иногда используется для создания и удержания красного цвета. Консервант должен иметь высокую антиоксидантную, антимикробную активность, не влиять на органолептические показатели продукции и на естественные микробиологические процессы, протекающие внутри неё, быть безопасным для человека [1].

Физические способы консервации (пастеризация, заморозка, стерилизация и другие) используются повсеместно, но не всегда достаточно только их для продолжительного и безопасного хранения пищевых продуктов, помимо этого не всегда возможно их применение. Также имеют место быть биологические методы, заключающиеся в добавлении определённых культур микроорганизмов, например, в кисломолочные продукты. Таким образом, они подавляют рост патогенных бактерий, производя в ходе своей жизнедеятельности органические кислоты [2]. Но наиболее распространённый способ консервации – химический, где широко используют как природные вещества (сахар, соль), так и пищевые добавки.

В настоящее время в пищевой промышленности чаще всего применяются синтетические консерванты. Их довольно легко и недорого производить, а при добавлении в продукт требуется небольшая концентрация. Но они помимо своей эффективности против порчи продукта имеют оборотную сторону медали – могут быть токсичным и вызывать аллергические реакции [3].

В раннем исследовании о влиянии синтетических добавок на организм выяснили, что бензонат натрия и бензонат калия вызывают нарушение развития плода во время беременности у мышей [4]. Среди других синтетических консервантов нитрит натрия, добавляемый в мясные продукты, способен вызывать рак, в частности рак головного мозга, лейкемию, опухоли носоглотки вследствие злоупотребления [5]. В другой работе описаны эффекты от употребления BHA (бутилированный гидроксианизол) и BHT (бутилированный гидрокситолуол), которые считаются очень токсичными добавками. К таким воздействиям от употребления относятся: возникновение неврологических проблем, эндокринные заболевания, метаболические дисфункции [6].

Вследствие этого потребители стали скептично относиться к продукции с «химией», и появилась необходимость создания натуральных добавок, в частности консервантов. Помимо этого, преимуществом использования таких добавок является повторное применение отходов после производства овощной, фруктовой продукции, специй. Семена, кожура, листья также включают в себя фенольные соединения, эфирные масла, органические кислоты, фитостеролы, что делает их не менее ценным сырьём по биологическим показателям [7–9].

Также такие натуральные консерванты могут, наоборот, оказывать положительный эффект на здоровье за счёт активных природных соединений, органических кислот, полифенолов, витаминов-антиоксидантов. В ряде исследований выявили их противовоспалительное, противогрибковое, антибактериальное, антикороновирусное действия, они способствуют здоровью коже, защите от нейрозаболеваний и возникновения рака [10, 11]. Также есть перспективы применения антиоксидантов в лечении бесплодия женищн [12].

Для создания натурального консерванта помимо высокого содержания полифенольных соединений в растительном сырье нужно ещё учитывать методы и условия их экстрагирования, растворители [13]. Традиционные способы экстракции (отваривание, перколяция, Сокслета) уже не так эффективны, как современные. На данный момент лучшими и перспективными методами являются экстракция жидкостью повышенным давлением, в частности сверхкритическая флюидная; ультразвуковой метод; микроволновая и ферментативная экстракции. Они требуют меньше затрат энергии и растворителя, повышают выход необходимого выделяемого компонента, а также они более экологичные [14].

В текущем обзоре обсуждаются биологиче-ски-активные соединения растительного происхождения и их антиоксидантная и антимикробная активность, которые могут быть полезны при разработке натуральных пищевых консервантов.

Материалы и методы

В исследовании применялись методы анализа, систематизации, сравнения, обобщения.

Объектом исследования является оценка антиоксидантной и антимикробной активности биохимических соединений источников растительного сырья

Глубина поиска источников: 25 лет.

Аль-Сухайми С.А. и др. Вестник ВГУИТ, 2025, Т. 87, №. 3, С. 187-195

Результаты и обсуждения

Фенольных соединений и флавоноидов. «Как указано в учебнике: фенольные соединения – вещества ароматической природы, содержащие одну или несколько гидроксильных групп. Именно благодаря ароматической группе фенольные соединения являются прекрасными антиоксидантами, нейтрализуя свободные радикалы. Окисление продуктов может происходить под воздействием кислорода, металлов, освещения или радиации. Вступая в реакцию, фенольные антиоксиданты становятся донорами водорода или электрона и тем самым ингибируют процесс. В отличие от свободных радикалов, радикал фенола в дальнейшем не продолжает участие в окислении из-за того, что заместители в ароматическом кольце создают кинетическую стабильность [15].

Ранее были написаны исследования по изучению структуры фенольных соединений, а также была произведена их оценка антиоксидантной, антимикробной активности у разных растений в качестве пищевых добавок [16,17]. Их вторичные метаболиты, отвечающие за окислительно-восстановительные процессы, привлечение насекомых-опылителей, защиту от вредителей, ингибирование или усиление

Антиоксиданты входят в состав не только фруктов, овощей и ягод, а также специй и зерна. Исследования химического состава цельнозерновых культур показало, что ценность их состоит не только в клетчатке, крахмале и минералах, но они содержат и органические кислоты, фенольные соединения, причем в отрубях их намного выше, чем в эндосперме [19]. В состав цельнозерновых риса и пшеницы входят такие органические соединения, как ферулловая, синаповая, сиринговая, кофейная, галловая, p-гидрок-сибензойная кислоты [20].

Исходя из анализа содержания фенольных соединений в некоторых плодах, их продуктах переработки и других частей растений из ранних исследований, можно сделать вывод, что наибольшее содержание, как фенольных соединений, так и флаваноидов у облепихового сока и водного экстракта розмарина (таблица 1).

Таблица 1.

Содержание фенолов и флавоноидов в растительном сырье

Table 1.

The content of phenols and flavonoids in plant materials

Сырье Raw material		Растворители Solvents	Общее содержание фенолов в мг GAE*/г Total phenol content in mg GAE*/g	Общее содержание флаваноидов в мг QE**/г Total flavanoid content in mg QE**/g	Источники Sources
Розмарин | Rosemary		Вода | Wаtеr	271,66	112,71	[22]
Имбирь | Ginger		Этанол 70% Ethanol 70%	201,31	44,06	[22]
Сок облепихи | Sea buckthorn juice		–	283,58	118,42	[23]
Жмых облепихи | Sea buckthorn cake		Этанол 50% Ethanol 50%	32,55	50,52	[9]
Листья годжи (садовые) |	Goji leaves (garden)	–	1,68	-	[24]
Кожура апельсина | Orange peel		Вода Wаtеr	2,56	0,52	[21]
Кожура апельсина | Orange peel		Этанол 70% Ethanol 70%	3,45	0,80	[21]
Кожура лимона | Lemon peel		Вода Wаtеr	2,10	0,37	[21]
Кожура грейпфрута | Grapefruit peel		Этанол 70% Ethanol 70%	2,13	0,39	[21]
Кожура персика | Peach peel			5,84	1,02		[7]
Кожура сливы |	Plum peel		4,81	0,96		[7]
Кожура нектарина |	Nectarine peel		1,53	0,09		[7]
Кожура абрикоса	| Apricot peel		5,60	1,22		[7]
Семена сливы | Plum seeds			0,94	0,34		[8]
Семена персика | Peach Seeds			0,47	0,18		[8]
Семена нектарина | Nectarine seeds			0,31	0,16		[8]
Семена абрикоса | Apricot Seeds			0,65	0,23		[8]

* – эквивалент в галловой кислоте. the equivalent in gallic acid.

** – эквивалент в катехине. the equivalent in catechin

Можно заметить, что не всегда экстрагирование этанолом имело лучшие результаты по сравнению с водой. Например, в лимоне и розмарине общее количество фенолов больше экстрагируется в воде, чем в этаноле на 61,05 мг GAE/г экстракта розмарина и 11,34 мг GAE/100 г. кожуры лимона [20, 21]. Но сравнивая результаты по другим плодам и растениям, этанол является лучшим растворителем. Так, разница между количеством фенолов в растворе этанола и воды у имбиря составляет больше 100 мг GAE/г экстракта, у кожуры апельсина в 0,89 мг GAE/г сухого вещества [21, 22]. В целом, самые большие показатели по обоим значениям у сока облепихи, розмарина, перечной мяты и имбиря.

Антиоксидантная активность фенольных соединений растительного сырья. Антиоксидантная и антимикробная активность обусловлена высокими показателями содержания общего количества фенольных соединений и флаваноидов, а также их состава. Особенно большое количество их находится в растительномсырье и продуктах их переработки (кожуре, семенах) в качестве вторичных метаболитов.

Антиоксидантная активность используемых консервантов показывает, насколько долго продукты не будут становиться прогорклыми, как долго они будут сохранять свой естественный цвет. В ходе окисления жиров и белков образуются вторичные продукты, такие как кетоны, альдегиды, спирты и карбонильные соединения. Они могут проявлять себя в качестве мутагенов и негативно влиять на здоровье. Именно за счёт содержания фенольных соединений, витаминов A, С и Е, ликопинов в продуктах, свободные радикалы меньше влияют на структуру белков и жиров в пищевом сырье [25].

Для определения данного показателя чаще всего используется метод DPPH, основанный на нейтрализации устойчивых свободных радикалов 1,1 – дифенил-2-пикрилгидразила при взаимодействии с веществом, обладающим антиоксидантной активностью. FRAP используется при оценке антиоксидантной способности восстанавливать ионы трёхвалентного железа [26]. В данной работе будут сравниваться два этих показателя (таблица 2).

Можно заметить из работ по исследованию антиоксидантной активности разных растений, что, например, результаты кожуры цитрусовых не сильно отличались друг от друга в зависимости от растворителя, но результаты экстракта жмыха облепихи имели большую разницу в зависимости от методы экстрагирования био-логически-активных соединений [9, 21]. При сравнении данного показателя у зеленого чая антиоксидантная способность была выше, чем у облепихового сока и экстрактов кожуры цитрусовых. Сами показатели среди разных сортов чая варьировались от 18% у черного чая до 90% у зеленого. В основном результаты зависели от сорта чая, но важным фактором являлся регион произрастания [27].

Проанализировав антиоксидантную среди продуктов переработки фруктов оказалось, что большее значение было у кожуры абрикоса, сливы и персика (3,73 мг ААЕ/г, 1,01 мг ААЕ/г, 1,33 мг ААЕ/г) чем у семян (1,47 мг ААЕ/г, 0,94 мг ААЕ/г, 0,98 мг ААЕ/г). Показатели семян и кожуры нектарина сильно не отличались (1,42 мг ААЕ/г и 1,29 мг AAE/г соответственно). У облепихового же жмыха она равнялась значениям 89 (мг Trolox/г) и 101 (мг/г Fе2+), определенных методами CURRAC и FRAP II (таблица 2). Ещё одним нетрадиционным источником биологически активных веществ являются почки растений. Они проявляют и антиоксидантную и антимикробную активность. Так, экстракт почек малины с растворителем глицерол-вода, показали способность нейтрализовать радикал DPPH в значении 0,60 мкмоль trolox [29].

Таблица 2.

Антиоксидантная активность растительного сырья

Table 2.

Antioxidant activity of plant materials

Растение Plant	Метод оценки DPPH Evaluation method DPPH	Метод оценки FRAP Evaluation method FRAP	Источники Sources
Сок облепихи | Sea buckthorn juice	76%	–	[21]
Жмых облепихи | Sea buckthorn cake	–	mg/g Fе 2 +	[7]
Зеленый чай | Green tea	89,76%	–	[27]
Кожура апельсина | Orange peel	67,90%	–	[19]
Кожура лимона | Lemon peel	53,44%	–	[19]
Кожура грейпфрута | Grapefruit peel	60,83%	–	[19]
Ягоды годжи Goji berries	7,61 ммоль Trolox / 100 г. 7,61 mmol Trolox / 100 g	3,93 ммоль Trolox / 100 г. 3,93 mmol Trolox / 100 g	[22]
Листья годжи (садовые) Goji leaves (garden)	4,25 ммоль Trolox / 100 г. 4,25 mmol Trolox / 100 g	5,89 ммоль Trolox / 100 г. 5,89 mmol Trolox / 100 g	[22]
Кожура яблока | Apple peel	0,142 мг/мл | 0,142 mg/ml	95,99 мг/мл | 95,99 mg/ml	[26]
Кожура персика | Peach peel	1,33 мг AAE/г | 1,33 mg AAE/g	0,89 мг AAE/г | 0,89 mg AAE/g	[5]
Кожура сливы | Plum peel	1,01 мг AAE/г | 1,01 mg AAE/g	0,71 мг AAE/г | 0,71 mg AAE/g	[5]
Кожура нектарина | Nectarine peel	1,29 мг AAE/г | 1,29 mg AAE/g	0,91 мг AAE/г | 0,91 mg AAE/g	[5]
Кожура абрикоса | Apricot peel	3,73 мг AAE/г | 3,73 mg AAE/g	3,27 мг AAE/г | 3,27 mg AAE/g	[5]
Семена сливы | Plum seeds	0,94 мг AAE/г | 0,94 mg AAE/g	0,63 мг AAE/г | 0,63 mg AAE/g	[6]
Семена персика | Peach Seeds	0,98 мг AAE/г | 0,98 mg AAE/g	0,54 мг AAE/г | 0,54 mg AAE/g	[6]
Семена нектарина | Nectarine seeds	1,42 мг AAE/г | 1,42 mg AAE/g	0,98 мг AAE/г | 0,98 mg AAE/g	[6]
Семена абрикоса | Apricot Seeds	1,47 мг AAE/г | 1,47 mg AAE/g	0,93 мг AAE/г | 0,93 mg AAE/g	[6]

Антимикробной активность фенольных соединений растительного сырья. Наличие фенольных соединений, таких как простые фенолы, хиноны, флавоны, флавононы, флаваноиды танины и другие, предотвращает не только окисление продукта, но и рост патогенных микроорганизмов [30]. Антимикробная активность биологически активных соединений также зависит от типа микроорганизма, питательной среды. Антимикробные растительные агенты влияют на жизнедеятельность клетки микроорганизма, нарушая её мембрану, лишая субстрата, связываясь с ней, взаимодействуя с ДНК [31].

Для сравнения использовались данные антимикробной активности экстракта кожуры апельсина, розмарина, листьев годжи и облепиховый сок, влияющие на такие микроорганизмы, как Bacillus cereus, Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Yersinia entero-colitica, Salmonella senftenberg, Bacillus subtilis, Staphylococcus pyogenes, Klebsiella pneumoniae, Candida albicans. Экстракт кожуры апельсина проявил лучшую антимикробную активность, чем облепиховый сок в отношении всех штаммов, особенно большая зона ингибирования была у образца с Bacillus cereus (22,33 мм). Самый низкий показатель был у образца облепихового сока с Listeria monocytogenes (9,13 мм). Тем не менее, все растения показали хорошую способность к защите от пищевых патогенов (таблица 3). Также антибактериальным эффектом обладают абрикосы, персики, сливы против L. monocytogenes, E. coli и S. Gaminara в ингибирующей концентрации 2,6% за счёт содержания в основном яблочной кислоты. Этой способностью обладает большинство ягод (клюква, брусника, голубика, ежевика, малина, черноплодная рябина, красная смородина) против S. Typhimurium в минимальной ингибирующей концентрации 0,312–1,25% [32].

Разные фенольные соединения проявляют себя по-разному к различным типам микроорганизмов. Так, танины, содержащиеся в большом количестве в чае, лучше ингибируют рост Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumonia ; антоцианы, которых много в смородине, хорошо защищают от Salmonella enteritidis, Listeria monocytogenes, Vibrio parahaemolyticus, Escherichia coli and Staphylococcus aureus ; а фенольные кислоты и стильбены проявляют высокую активность также против Escherichia coli, Staphylococcus aureus , and Salmonella typhi [33]

Таблица 3.

Диаметр зоны ингибирования патогенных микроорганизмов

Table 3.

Diameter of the inhibition zone of pathogenic microorganisms

Микроорганизм Microorganism	Облепиховый сок, мм Sea buckthorn juice, mm	Кожура апельсина, мм Orange peel, mm	Розмарин, мм Rosemary, mm	Листья годжи, мм Goji leaves, mm
Bacillus cereus	12,40	22,33	–	–
Bacillus subtilis	–	–	17,0	16,7
Escherichia coli	17,46	18,50	13,0	10,5
Listeria monocytogenes	9,13	16,50	–	10,9
Staphylococcus aureus	16,26	18,50	12,0	9,6
Yersinia enterocolitica	14,33	15,90	–	–
Salmonella senftenberg	15,13	16,76	–	–
Staphylococcus pyogenes	–	–	21,0	–
Klebsiella pneumoniae	9,66	–	–	–
Candida albicans	10,60	–	ND	–
Источники	[21]	[19]	[20]	[22]

Применение в пищевой промышленности в качестве натуральных консервантов. В пищевой промышленности редко используют все части растительного сырья для производства продуктов. После изготовления соков пюре из мякоти для детского питания, такой сладкой консервации, как варенье, конфитюры, желе, пищевые отходы после производства не используются и просто утилизируются. Тем не менее, продукты переработки также содержат множество биологически-активных веществ [7–9].

Наличие фенольных соединений, флавано-идов, показатели антиоксидантной активности не только в соке, но и кожуре, семян, жмыхе, предоставляют перспективы в изготовлении дешевых и безопасных натуральных консервантов из вторичных продуктов растительного происхождения. За счет содержания таких полифеноль-ных соединений, как органические кислоты (ку-маровая, аскорбиновая, хлорогеновая, галловая), катехины, кверцетины, дельфинидины и многие другие, они действуют как восстановители, доноры водорода и подавители кислорода, что проявляется в высокой противомикробной и противоокислительной способности и может применяться в пищевых продуктах [34].

Для выделения биологически-активных элементов и создания натурального консерванта необходимо правильно подобрать экстрагирующие смеси, чтобы их можно было использовать для дальнейшего изготовления пищевых продуктов, а также способы и условия экстракции. Помимо высокой антиоксидантной и антимикробной активности, растительные экстракты обладают полезными эффектами на здоровье человека и не являются такими опасными для частого употребления, как синтетические консерванты [35]. А использование отходов производства улучшает состояние экологии и не вредит окружающей среде.

Заключение

В текущем обзоре выяснили, что растительное сырьё, а именно фрукты, специи, травы, в особенности ягоды, в том числе продукты их переработки, – является отличным источником фенольных соединений, органических кислот, витаминов, проявляющих высокую способность против окисления жиров и белков и

Большое содержание фенольных соединений было установлено у специй (розмарин, мята, имбирь), облепихового сока и жмыха. Но фенолы и флаваноиды также в небольшом количестве обнаруживались в кожуре, семенах плодов, листьях апельсина, облепихи, годжи, лимона, грейпфрута, что означает перспективы в создании натурального консерванта, который будет безопасным для здоровья человека, недорогим в производстве и который не будет негативно влиять на окружающую среду. В дальнейшем можно продолжить исследование экономической и экологической выгоды от применения вторичных растительных продуктов в производстве консерванта.