Оценка минерального профиля дикорастущего растительного сырья и продуктов его переработки для создания продуктов питания функциональной направленности

По данным официальной статистики, в последние годы большая часть населения России испытывает существенный недостаток в рационе кальция, магния, йода, цинка и других минеральных веществ, а также ряда витаминов [1–4]. Неадекватное поступление минеральных элементов с пищей оказывает негативное влияние на физиологическое состояние организма, способствует развитию нарушений обменных процессов и хронических заболеваний [5, 6]. Компенсация дефицита микро- и макроэлементов может быть обеспечена обогащением традиционных продуктов пищевого рациона эссенциальными веществами посредством внесения в рецептуру функциональных физиологически значимых компонентов с высоким минеральным профилем [7–11].

В последние годы активно ведется работа по профилактике дефицита микронутриентов пищи и возникновения алиментарно-зависимых заболеваний путем корректировки рациона питания и применения продуктов функциональной направленности созданных на основе принципов пищевой комбинаторики, физиологически адаптированных, биосовместимых и безопасных с точки зрения присутствия ксенобиотиков [12–13]. Растительное сырье, в том числе дикорастущее фитобиотическое сырье, и продукты его переработки являются источником необходимых биологически активных нутриентов и широко используются в пищевом производстве при создании продуктов функционального и специализированного питания [14–19]. При этом современное состояние перерабатывающей отрасли диктует необходимость рациональной и комплексной переработки сырья как животного, так и растительного происхождения, применения безотходных и ресурсосберегающих технологий с получением конечного продукта, обладающего высокой степенью биологической активности, с максимальным сохранением эссенциальных компонентов.

Цель работы – исследование влияния способов предварительной обработки свежих ягод клюквы обыкновенной дикорастущей ( Vaccinium oxycoccos ) на минеральный профиль продуктов переработки ягодного сырья и упаковочных съедобных пленок на их основе для применения в технологии продуктов функционального питания.

Материалы и методы

Для исследования минерального профиля использовались ягоды клюквы обыкновенной дикорастущей ( Vaccinium oxycoccos ), произрастающей в Республике Карелия, собранные в фазе технической спелости в сентябре 2021 года, хранившиеся в условиях холодильной камеры при температуре 4 ± 2ºС в течение 6 месяцев. Из ягодного сырья извлекали сок и исследовали продукты переработки ягод – сок и жмых.

Соки клюквы получали двумя способами: способ № 1 – прямой отжим прессованием без предварительной обработки ягод; способ № 2 – отжим прессованием с предварительной обработкой ягод паром в течение 10 минут и охлаждением ягод до комнатной температуры перед извлечением сока. Полученные соки концентрировали следующим образом: по 500 мл извлеченного прессованием сока концентрировали выпариванием в одинаковых условиях при атмосферном давлении по запатентованной технологии в течение 2 ч [20]. На основе концентрированных соков клюквы были изготовлены съедобные пленки с использованием растворов крахмала, желатина или агар-агара в качестве структурной матрицы при следующем соотношении компонентов:

– образец № 1: с добавлением 2%-ного раствора агар-агара с соком № 1 (без предварительной обработки ягод паром) в количестве 1 г на 100 мл раствора;

– образец № 2: с добавлением 2%-ного раствора агар-агара с соком № 2 (с предварительной обработкой ягод паром) в количестве 1 г на 100 мл раствора;

– образец № 3: с добавлением 25%-ного раствора пищевого желатина с соком № 1 (без предварительной обработки ягод паром) в количестве 1 г на 100 мл раствора;

– образец № 4: с добавлением 25%-ного раствора пищевого желатина с соком № 2 (с предварительной обработкой ягод паром) в количестве 1 г на 100 мл раствора;

– образец № 5: с добавлением 4,5% – ного раствора картофельного крахмала с соком № 1 (без предварительной обработки ягод паром) в количестве 1 г на 100 мл раствора;

– образец № 6: с добавлением 4,5% – ного раствора картофельного крахмала с соком № 2 (с предварительной обработкой ягод паром) в количестве 1 г на 100 мл раствора.

Исследование минерального состава образцов свежих ягод клюквы, клюквенных соков и съедобных пленок на основе концентрированных соков клюквы проводили на атомноэмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой ICAP-6300 после пробоподго-товки, которую проводили согласно методическим указаниям к прибору.

Результаты и обсуждение

Подвергнутое предварительной обработке паром при извлечении сока ягодное сырье приобрело более мягкую консистенцию за счет деструкции клеточных стенок, частичной денатурации белковых веществ и снижения механической прочности тканей. При этом выход сока составил 68,5%, что ниже на 3,8% в сравнении с первым способом извлечения сока без предварительной тепловой обработки ягодное сырье (выход сока 72,3%). Массовая доля растворимых сухих веществ в соке, полученном способом № 1, составила 8,24%, способом № 2– 10,34%. Влажность жмыхов, полученных после извлечения сока, составила 25,81 и 28,18% при извлечении сока без предварительной тепловой обработки ягодного сырья и с обработкой ягод паром. Полученные результаты объясняются различной степенью деструкции нецеллюлозных полисахаридов, в результате чего образуются продукты, обладающие различной растворимостью, часть из которых переходит в извлеченный сок, придавая ему большую вязкость. При этом одновременно происходит образование гидрофильных полисахаридов, удерживающих воду в клеточных стенках жмыха, препятствующих наиболее полному извлечению сока из ягодного сырья.

Результаты исследования содержания массовой доли золы в продуктах переработки ягодного сырья (рис. 1) показали, большее содержание золы в соке и жмыхе 1 способа переработки ягод. Анализируя данные рисунка 1, можно сделать вывод, что предварительная обработка ягод клюквы паром в течение 10 минут приводит к снижению зольности продуктов переработки ягод: сока – в 1,4 раза или в 1,8 раза (в зависимости от содержания сухих веществ) и жмыха – в 1,2 раза.

Массовая доля общей золы. % (Mass fraction of total ash. %)

Массовая доля общей золы в пересчете на сухое вещество. % (Mass fraction of total ash in terms of dry matter. %)

■ Сок №1 (Juice №1) ■ Сок №2 (Juice №2)

■ Жмых №1 (Cake №1) ■ Жмых №2 (Cake №2)

Рисунок 1. Содержание золы в продуктах переработки ягод клюквы, полученных различными способами

Figure 1. Ash content in cranberry berry processing products obtained by various methods

Исследования минерального состава свежих ягод клюквы обыкновенной и продуктов их переработки, полученных разными способами, показали высокое содержание эссенциальных макро- и микроэлементов в свежих ягодах, соках и жмыхах и позволили установить закономерность миграции и распределения микронутрентов в зависимости от способа предварительной обработки сырья (таблица 1).

Таблица 1.

Минеральный состав клюквы обыкновенной дикорастущей ( Vaccinium oxycoccos ) и продуктов ее переработки

Table 1.

Mineral composition of wild cranberry (Vaccinium oxycoccos) and its processed products

Элемент Element	Соде		ржание в 100 г. | Content
	Ягоды клюквы	Сок № 1	Сок № 2	Жмых № 1	Жмых № 2
Кальций, мг | Calcium, mg	16,088	18,587	16,294	31,459	47,588
Железо, мг | Iron, mg	0,764	0,215	0,197	0,302	0,975
Калий, мг | Potassium, mg	88,875	49,820	44,415	105,640	107,313
Литий, мкг | Lithium, mg	8,546	5,426	4,549	9,675	10,279
Магний, мг | Magnesium, mg	42,683	41,112	37,733	75,152	86,385
Марганец, мг | Manganese, mg	0,755	2,851	1,313	1,798	2,049
Натрий, мг | Sodium, mg	1,360	0,742	0,935	1,401	1,059
Фосфор, мг | Phosphorus, mg	20,987	8,631	9,053	112,363	129,313
Цинк, мг | Zinc, mg	1,753	4,783	3,108	4,148	5,291
Алюминий, мкг | Aluminum, mg	*	0,2856	0,0755	*	*
Ртуть, мкг | Mercury, mg	*	*	*	*	*
Кадмий, мкг | Cadmium, µg	0,591	0,493	1,282	0,009	0,008
Мышьяк мкг | Arsenic µg	*	*	*	*	*
Свинец, мкг | Lead, µg	*	*	*	*	*
Примечание: * – Не обнаружено в пределах определяемого метода | Note: * – Not detected within the defined method

Установлено, что ягоды и продукты переработки клюквы дикорастущей богаты эссенциальными макроэлементами магнием, калием, кальцием, фосфором, из микроэлементов в существенном количестве содержится марганец и железо, причем в зависимости от способа предварительной обработки количественное содержание минеральных веществ существенно варьирует. В зависимости от способа переработки сырья меняется степень миграции микронутриентов в сок и минеральный состав конечных продуктов переработки ягод.

Отмечено, что в соке прямого отжима без предварительной обработки ягод паром выше содержание кальция (на 2,293 мг/100г), железа (на 0,018 мг/100г), калия (на 5,405 мг/100г), магния (на 3,379 мг/100г), марганца (на 1,538 мг/100г) и цинка (на 1,675 мг/100г) в сравнении с соком, полученным с предварительной обработкой ягод паром. Причем содержание калия в соках № 1 и № 2 снижается в 1,78 раза и в 2 раза соответственно в сравнении с ягодой, наряду с увеличением его содержания в жмыхах № 1 и № 2 – в 1,19 раза и 1,21 раза соответственно.

В продуктах переработки ягодного сырья содержится значительно больше марганца (в 3,78 раза и в 1,07 раза соответственно – в соках и в 2,38 и 2,71 раза – в жмыхах). При этом содержание марганца в ягодах и продуктах переработки в количестве от 0,755 до 2,851 мг/100г достаточно высоко при норме его потребления от 2 до 5 мг/сутки. Содержание фосфора в соках снижается более чем в 2 раза в сравнении с исходной ягодой, однако жмыхи содержат его в 5,35 и 6,16 раз больше, чем ягоды. По содержанию железа свежие ягоды превосходит только жмых № 2 (в 1,28 раза), в остальных продуктах переработки содержание железа снижается. Количество магния в соках близко к значениям ягодного сырья, что способно обеспечить около 10% суточной потребности в макроэлементе, однако в жмыхах его содержание возрастает примерно в 2 раза, что составит примерно 18–22% от суточной потребности (в зависимости от способа переработки сырья). При этом содержание минеральных элементов в жмыхах возрастает прямо пропорционально их снижению в соках, полученных разными способами. Это объясняется образованием комплексных соединений металлов с полисахаридами (в частности, пектином) в процессе набухания и перехода части минеральных элементов в ягодный жмых.

Исследование элементного состава позволило установить также присутствие в ягодах клюквы дикорастущей висмута (0,116 мкг/100 г.), никеля (1,449 мкг/100 г.), ванадия (5,095 мкг/100 г.), серебра (0,710 мкг/100 г.) и сурьмы (0,003 мкг/100 г.). Однако существенно низкие значения содержания, а также отсутствие эссенциальной значимости указанных элементов в пищевом рационе объяснили отсутствие необходимости их количественного определения в продуктах переработки ягодного сырья.

Полученные данные свидетельствуют о том, что предварительная обработка ягод паром способствует накоплению в полученном соке кадмия, при этом в жмыхах вне зависимости от способа получения содержится предельно низкое количество этого элемента.

Содержания кадмия, который относится к токсичным элементам и контролируется как показатель безопасности в ягодах и продуктах их переработки не превышает значений, установленных Техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции» (норма – не более 3 мкг/100 г.). В ходе исследований образцов ягод и продуктов их переработки свинца, мышьяка и ртути не обнаружено, что объясняется местом произрастания ягодного сырья в экологически чистом регионе России.

Полученные данные позволяют судить о высоком минеральном профиле ягод клюквы дикорастущей и продуктов ее переработки и содержании некоторых элементов (в частности фосфора и марганца) в физиологически значимом количестве, что объясняет перспективу применения продуктов переработки дикорастущего ягодного сырья для обогащения продуктов питания микронутриентами.

В частности, ранее разработана технология получения составов съедобных пленок с концентрированными ягодными соками, позволяющая повысить минеральный профиль продуктов питания, выработанных с их использованием [21]. Концентрирование соков прямого отжима позволяет существенно повысить пищевую ценность соков и снизить количество вносимого сока в съедобную пленку, необходимого для адекватного содержания в ней минеральных веществ, позволяющего придать функциональные свойства упакованному в нее продукту. Аналогичным образом были получены съедобные пленки с концентрированным соком клюквы. Исследования минерального состава съедобных упаковочных пленок на основе концентрированного сока клюквы, полученных различными способами (таблица 2) показали более высокий минеральный профиль всех образцов пленок с добавлением сока, полученного 2 способом вне зависимости от вида структурообразующей матрицы, что обусловлено более высоким содержанием сухих веществ концентрированного сока.

Таблица 2.

Макро- и микроэлементный состав съедобных упаковочных пленок на основе концентрированного сока клюквы

Table 2.

Macro- and microelement composition of edible packaging films based on concentrated cranberry juice

Элемент Element	Образец | Sample
	1	2	3	4	5	6
Кальций, мг | Calcium, mg	11,869	15,916	11,095	20,683	14,169	15,001
Кадмий, мкг/г | Cadmium, mg/g	1,487	0,966	0,733	1,721	1,686	1,276
Железо, мг | Iron, mg	0,045	0,213	0,029	0,120	0,051	0,089
Калий, мг | Potassium, mg	38,268	50,081	39,001	92,839	70,306	91,922
Литий, мкг | Lithium, mcg	23,541	31,140	24,166	58,003	43,976	57,314
Магний, мг | Magnesium, mg	20,208	29,211	12,649	24,453	16,617	21,378
Марганец, мг | Manganese, mg	0,349	0,531	0,220	0,379	0,236	0,369
Натрий, мг | Sodium, mg	0,362	0,475	0,382	0,867	0,641	0,832
Фосфор, мг | Phosphorus, mg	18,587	19,063	8,116	8,985	8,954	9,605
Цинк, мг | Zinc, mg	2,734	3,108	2,537	3,959	4,907	4,987

Причем установлено существенное содержание фосфора в пленках на основе агар-агара, близкое к значениям исходного ягодного сырья, что объясняется присутствием соединений фосфора в агар-агаре, полученном их морских водорослей, богатых этим элементом.

Содержание кадмия, который был обнаружен в продуктах переработки ягодного сырья, в съедобных пленках не превышает значений, установленных Техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции».

Заключение

Проведенные исследования позволили установить зависимость минерального профиля продуктов переработки дикорастущего ягодного сырья и съедобных упаковочных пленок от способа предварительной обработки ягод перед извлечением сока. Установлено, что предварительная обработка ягодного сырья паром перед извлечением сока, а также последующее его концентрирование позволяет переработать сырье с максимальным сохранением эссенциальных компонентов, обладающих высокой степенью биологической активности. Богатый минеральный профиль продуктов переработки дикорастущего ягодного сырья объясняет перспективы его использования для обогащения продуктов питания макро- и микроэлементами.

На основании полученных результатов в дальнейшем будет оптимизирована дозировка внесения сока в пленку, а также подобран оптимальный расход съедобной пленки в зависимости от вида упаковываемого продукта с целью обеспечения физиологически значимого содержания макро-и микроэлементов в конечном продукте для придания функциональных свойств. Проведенные исследования позволяют обозначить перспективу применения и рассмотреть направления использования ягодных жмыхов, полученных после извлечения сока, в качестве ценного сырьевого ресурса с богатым минеральными профилем для обогащения продуктов питания эссенциальными микронутриентами.

Работа выполнена по заказу Минсельхоза России за счет средств федерального бюджета в 2022 году «Разработка упаковочных решений, обеспечивающих увеличение срока годности продукта».