Полипотентные свойства пищевых волокон из вторичного яблочного сырья производства снеков

DOI:

*Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина, г. Краснодар, Россия; e-mail: , ORCID:

Донченко Л. В. и др. Полипотентные свойства пищевых волокон из вторичного яблочного сырья производства снеков. Вестник МГТУ. 2025. Т. 28, № 4/2. С. 663–672. DOI: 10.21443/1560-9278-2025-28-4/2-663-672.

e-mail: , ORCID:

Donchenko, L. V. et al. 2025. Polypotent properties of dietary fiber from recycled apple raw materials for snack production. Vestnik of MSTU, 28(4/2), pp. 663–672. (In Russ.) DOI:

Ключевым драйвером эволюции современного социума выступает стремление к пролонгации активного долголетия посредством повышения качества жизни. В этом контексте экологический аспект играет важную и многогранную роль, существенно влияя на здоровье и благополучие людей.

Повсеместное ухудшение экологической ситуации является одним из ведущих факторов, способствующих росту социально значимых заболеваний. Среди них выделяются онкологические и сердечно-сосудистые заболевания, сахарный диабет, кожные патологии и аллергические реакции, которые согласно эпидемиологическим исследованиям становятся все более распространенными.

Рост числа заболеваний в значительной степени обусловлен воздействием канцерогенов, представляющих собой физические, химические и биологические агенты, которые способствуют развитию злокачественных новообразований или инициируют их формирование. В современной экосистеме идентифицировано более 500 различных канцерогенов, большинство из которых одновременно обладают мутагенными свойствами. Однако согласно оценочной шкале токсичности Корте – Дубинина, рекомендованной Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), токсичные металлы занимают лидирующую позицию по степени негативного воздействия на организм человека, набирая 135 баллов по данной шкале ( Дубинин, 1997 ).

Следует также отметить неблагоприятную ситуацию с нутритивным статусом жителей промышленно развитых стран. Рационы этого контингента характеризуются избыточным потреблением насыщенных жиров и легкоусвояемых углеводов, в то время как наблюдается дефицит эссенциальных нутриентов, таких как пищевые волокна, включая пектиновые вещества.

В связи с этим организация рационального питания становится актуальной задачей для современного общества. Решение этой проблемы возможно через расширение ассортимента и увеличение объемов производства функциональных продуктов питания, которые могут компенсировать дефицит эссенциальных нутриентов и поддерживать оптимальный гомеостаз организма.

Пищевые волокна являются одним из наиболее значимых функциональных нутриентов, способных целенаправленно модифицировать физико-химические и биологические свойства пищевых продуктов, что приводит к повышению их нутритивной ценности и благоприятному воздействию на здоровье ( Ефимцева и др., 2020 ). Накопленные научные данные свидетельствуют о наличии достоверной корреляции между уровнем потребления пищевых волокон и снижением концентрации холестерина в сыворотке крови, что является важным фактором риска развития сердечно-сосудистых патологий. Установлено, что адекватное включение растворимых пищевых волокон в рацион питания способствует снижению вероятности развития атеросклероза и ишемической болезни сердца ( Кобец и др., 2016 ).

В рамках современных тенденций в области диетологии и пищевой промышленности использование пищевых волокон, полученных из натуральных источников, приобретает все большее значение.

Функциональные пищевые продукты, обогащенные пищевыми волокнами, способствуют снижению гликемического индекса потребляемой пищи и стимулируют рост полезной микрофлоры кишечника, улучшая микробиомный баланс и повышая иммунитет. Кроме того, они способствуют замедлению скорости всасывания питательных веществ, что позволяет поддерживать стабильный уровень энергии и предотвращать резкие колебания уровня сахара в крови ( Ibrahim et al., 2022 ).

Пищевые волокна (ПВ) подразделяются на растворимые (РПВ) и нерастворимые (НПВ) в зависимости от их способности растворяться в воде ( Compaore-Sereme et al., 2023 ). В контексте анализа вторичного яблочного сырья, генерируемого в процессе производства яблочных чипсов, к растворимым пищевым волокнам можно отнести пектиновые вещества, определенные растворимые фракции гемицеллюлоз и другие некрахмальные полисахариды (НПС).

Важно отметить, что РПВ обладают уникальными характеристиками, такими как способность к гидратации – они набухают и удерживают воду. При этом благодаря наличию гидроксильных и карбоксильных групп в их молекулах они могут образовывать вязкие растворы или гели ( Miehle et al., 2022 ).

Нерастворимые пищевые волокна, такие как целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин, характеризуются уникальной капиллярно-пористой структурой, обеспечивающей их способность к абсорбции воды и последующему набуханию. Эти свойства обусловлены их молекулярной структурой, которая позволяет им эффективно взаимодействовать с водной средой. В отличие от растворимых пищевых волокон, нерастворимые волокна не образуют гелеобразных структур в процессе взаимодействия с водой ( Донченко и др., 2024; Perry et al., 2016 ).

Полипотентные свойства пищевых волокон (ПВ) обусловлены их многогранным физиологическим воздействием на организм человека. Они играют ключевую роль в регуляции углеводного и липидного обмена, что подтверждается рядом научных исследований. В частности, ПВ способствуют нормализации уровня глюкозы и инсулина в крови путем замедления всасывания углеводов в тонком кишечнике ( Li et al., 2025 ). Это достигается за счет увеличения времени транзита пищевого болюса по желудочно-кишечному тракту, что приводит к снижению пиковых концентраций глюкозы в крови после приема пищи.

Не менее значимым аспектом их функционального профиля является антиканцерогенная активность ( Fiorucci et al., 2015 ). Они проявляют выраженное локальное противовоспалительное ( Capuano, 2017 ) и антиоксидантное действие ( Angulo-López et al., 2023 ).

Значимым свойством пектиновых веществ является их детоксикационная и радиопротекторная способность, обусловленная их комплексообразующей способностью ( Загрязнение…, 2023; Донченко и др., 2018; Саидова, 2021 ).

Применительно потребления ПВ установлены различные нормативные рекомендации. Согласно физиологическим нормам потребления, утвержденным Методическими рекомендациями 2.3.1.0253-21¹, потребность взрослого человека в ПВ составляет от 20 до 25 г в сутки. Зарубежные исследователи, такие как Yusuf K. и его коллеги ( 2022 ), а также Deehan E. C . и соавторы ( 2024 ), предлагают более детализированные нормативы, утверждая, что для рациона, обеспечивающего 2 000 килокалорий в день, оптимальным является потребление 25–38 г ПВ, из которых 10 % должны составлять растворимые пищевые волокна (РПВ).

При разработке рационов питания необходимо тщательно анализировать соотношение растворимых пищевых волокон к нерастворимым. Согласно современным научным данным оптимальным считается соотношение РПВ к НПВ равное 1 : 2 ( Gorinstein et al., 2001; Zademohammadi et al., 2024 ). Однако существует альтернативная точка зрения, утверждающая, что ключевым фактором функциональной эффективности пищевых продуктов является не столько соотношение РПВ и НПВ, сколько водопоглотительная способность пищевых волокон ( Sang et al., 2021 ).

Эта концепция основывается на том, что водопоглотительная способность волокон оказывает значительное влияние на их способность модифицировать структуру пищевого матрикса, что, в свою очередь, может существенно изменять биодоступность питательных веществ и функциональность продуктов питания. Таким образом, при оптимизации питания необходимо учитывать не только количественное соотношение РПВ и НПВ, но и их физико-химические свойства, включая способность связывать воду, что позволяет более точно прогнозировать влияние пищевых продуктов на физиологические процессы в организме.

Одним из основных промышленных источников пектиновых веществ выступают яблочные выжимки ( Williams et al., 2017 ). Тем не менее в нашей стране вторичное яблочное сырье используют недостаточно эффективно ( Донченко, 2025 ).

В рамках данного исследования анализируется вторичное яблочное сырье, генерируемое в процессе производства чипсов. Важно подчеркнуть, что отечественный рынок этой продукции демонстрирует стремительное развитие, что делает вопрос эффективного использования данного сырья особенно актуальным.

При переработке яблок ключевым фактором, определяющим качество получаемых чипсов, является их твердость. Биохимический маркер, позволяющий оценить текстуру плодов, – это количественное содержание галактуроновой кислоты, как было установлено в исследовании Zhao Y. W . и др. ( 2025 ).

Пищевая ценность яблочного сырья также обусловлена высоким содержанием полифенольных соединений, обладающих выраженными антиоксидантными свойствами ( Kruczek et al., 2023 ). В частности, пектины с высокой степенью метоксилирования демонстрируют высокую эффективность в абсорбции кверцетина, что существенно повышает антиоксидантную активность продуктов питания ( Nishijima et al., 2015 ).

Полипотентные свойства яблочного сырья определяются синергетическим взаимодействием полифенольных соединений с пектинами ( Popov et al., 2022; 2023 ). Такой синергетический эффект способствует модуляции воспалительных и иммунных реакций, предотвращению избыточного перекисного окисления липидов, ингибированию пролиферации раковых клеток, а также влияет на экспрессию генов, участвующих в метаболизме ксенобиотиков ( Picot-Allain et al., 2023; Çelik et al., 2015; Samout et al., 2016 ).

Таким образом, на основании ранее проведенных исследований различными учеными представляется актуальным и целесообразным разработка продукта из вторичного яблочного сырья. Этот продукт должен содержать полифенольные соединения, нерастворимые и растворимые пищевые волокна с высокой метоксильной составляющей, а также полигалактуроновую кислоту. Данный продукт должен обладать высокой антиоксидантной активностью и водопоглощающей способностью, что обусловит его полипотентные свойства и перспективы применения в пищевой промышленности.

Материалы и методы

В рамках исследования в качестве объекта изучения было выбрано вторичное яблочное сырье, возникающее в процессе производства чипсов на предприятии ООО "Биодинамика", являющегося индустриальным партнером коллектива грантодержателей. Сырье представляет собой смесь кожуры с прилегающим слоем паренхимы (95 %), семена и семенную паренхиму (5 %). Объектом исследования выбрано сырье, полученное в процессе переработки яблок сортов Валентин, Голден Граймз, Грив Руж, Пармен зимний золотой, Ренет Ламбергский и Женева Эрли блейз.

Метод количественного определения пектиновых веществ в растительном сырье основан на извлечении пектина из растительного сырья и переводе его в растворенное состояние. В основе исследования экстрактов гидратопектина и протопектина лежит кальций-пектатный метод и осаждение этиловым спиртом. Также изучалось содержание в пектиновых препаратах карбоксильных групп (свободных и тарифицированных), меток сильных и ацетильных групп, степень этерификации кондуктометрическим методом ( Нелина и др., 1992 ).

Для определения массовой доли сырой клетчатки в образцах применяли метод Геннесберга и Штомана (признанным стандартом в данной области) по ГОСТ 31675–20122, позволяющий оценить содержание неперевариваемой клетчатки в образцах растительного происхождения как общую сумму нерастворимых веществ, остающихся в пробе продукта после кислотной и щелочной обработки с последующим промыванием, сушкой, взвешиванием нерастворимого остатка и определением потери массы при прокаливании.

Определение полифенольных соединений проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) по методике, предложенной в работе ( Темердашев и др., 2011 ).

Определение общей антиоксидантной активности устанавливали спектрофотометрически с хлоридом алюминия и тритоном X100 методом FRAP.

Антиокислительную активность (АОА) образцов определяли в системе линолевой кислоты ( Mathew et al., 2006 ), основанной на способности антиоксидантов изучаемого сырья ингибировать процессы окисления линолевой кислоты при условиях, приближенных к состоянию живой клетки, – при температуре 40 °С и рН 7,0 в течение 120 ч.

Определение водопоглотительной способности пищевых волокон осуществляли методом полного погружения.

Эксперименты проводились в трех повторностях. Статистическую обработку результатов измерений проводили методом однофакторного дисперсионного анализа с использованием Microsoft Excel 2017 и методом Тьюки.

Результаты и обсуждение

На первом этапе исследований было проведено изучение содержания и фракционного состава пектинов во вторичном сырье, образуемом при переработке на снеки различных сортов яблок, выращиваемых на юге России. Результаты исследований приведены на рис. 1. Эксперименты проводились в трех повторностях.

Рис. 1. Содержание и фракционный состав пектиновых веществ вторичного сырья, образуемого при переработке различных сортов яблок в производстве снеков, %: 1 – Валентин; 2 – Голден Граймз;

3 – Грив Руж; 4 – Пармен зимний золотой; 5 – Ренет Ламбергский; 6 – Женева Эрли блейз

Fig. 1. Content and fractional composition of pectin substances of secondary raw materials formed during the processing of various varieties of apples in the production of snacks, %: 1 – Valentine; 2 – Golden Grimes;

3 – Grive Rouge; 4 – Winter golden Parmen; 5 – Reinet Lamberg; 6 – Geneva Early Blaze

Исследование содержания пектиновых соединений в различных сортах яблок доказало влияние сортовой принадлежности на этот показатель. В частности, растворимая фракция пектина (РП) варьируется от 0,16 ± 0,02 % в сорте Женева Эрли блейз до 0,31 ± 0,04 % в сорте Голден Граймз. Нерастворимая фракция пектиновых веществ (ПП) также имеет широкий диапазон значений: от 2,38 % ± 0,12 % в сорте Женева Эрли блейз до 4,05 ± 0,18 % в сорте Валентин. Однофакторный дисперсионный анализ экспериментальных данных показал статистически значимую зависимость содержания пектиновых веществ в яблочном сырье от сортовых характеристик перерабатываемых плодов. Этот вывод подкрепляется высоким значением критерия Фишера (Fэксп > Fкрит), что указывает на существенное влияние сортового фактора на изменчивость исследуемого параметра.

В процессе производства снеков высокого качества предпочтение отдается плодам с плотной мякотью. Для оценки этого показателя был введен параметр соотношения ПП/РП. Результаты этого анализа представлены на рис. 2.

Рис. 2. Соотношение протопектина (ПП) и растворимого пектина (РП) в изучаемом сырье для различных сортов яблок: 1 – Валентин; 2 – Голден Граймз; 3 – Грив Руж;

4 – Пармен зимний золотой; 5 – Ренет Ламбергский; 6 – Женева Эрли блейз

Fig. 2. The ratio of protopectin (PP) and soluble pectin (SP) in the studied raw materials for various apple varieties: 1 – Valentine; 2 – Golden Grimes; 3 – Grive Rouge; 4 – Winter golden Parmen;

5 – Reinet Lamberg; 6 – Geneva Early Blaze

Результаты однофакторного дисперсионного анализа показали, что исследуемый параметр варьируется в диапазоне от 7,7 до 16,9 единиц в зависимости от конкретного сорта яблок.

По результатам статистического анализа данных с применением метода Тьюки установлено, что исследуемые сорта яблок можно разделить на четыре группы. В первую группу отнесли сорт Валентин, который отличается высоким уровнем пектиновых соединений и плотной мякотью. Во вторую группу входят сорта Пармен зимний золотой и Ренет Ламбергский, имеющие среднее содержание пектиновых веществ. Третья группа представлена сортами Голден Граймз, Грив Руж, четвертая – Женева Эрли блейз, которые характеризуются относительно низким уровнем пектиновых соединений. Полученные результаты рекомендуется учитывать в практической деятельности индустриального партнера: предпочтительнее при производстве чипсов стабильного качества применять сорта яблок, относящихся к первым трем группам.

Для получения целевого продукта с выраженными детоксикационными и радиопротекторными свойствами вторичное яблочное сырье подвергалось кислотно-термической обработке: 0,1%-м раствором лимонной кислоты при температуре 70–75 °С в течение 2 ч. По окончании процесса смесь подвергали сушке на вакуумно-импульсной сушилке при температуре 35–40 °С до влажности 10 %.

Данный метод обработки позволил увеличить содержание растворимых пектинов в конечном продукте (табл. 1). Данные приведены для вторичного сырья яблок, отнесенных ко второй группе (сорт Ренет Ламбергский).

Таблица 1. Количественные и качественные характеристики пектиновых веществ в изучаемом вторичном яблочном сырье

Table 1. Quantitative and qualitative characteristics of pectin substances in the studied secondary apple raw materials

Показатель	Значение
Содержание влаги, %	10,2 ± 0,5
Содержание растворимой фракции (РП), %	13,7 ± 1,3
Содержание протопектина (ПП), %	2,1 ± 0,2
Общее содержание пектиновых веществ (Пв), %	15,8 ± 1,6
Содержание свободных карбоксильных групп, %	3,0 ± 0,3
Содержание этерифицированных карбоксильных групп, %	10,9 ± 1,1
Общее содержание карбоксильных групп, %	13,9 ± 1,3
Степень этерификации, %	62,0 ± 0,6
Полиуронидная составляющая, %	57,7 ± 2,8
Метоксильная составляющая, %	7,5 ± 0,8
Ацетильная составляющая, %	0,3 ± 0,1
Комплексообразующая способность, мг Рв2+/ г пектина	220,0 ± 0,5

После проведенной обработки содержание растворимой фракции (РП) составило 13,7 %. Количественное содержание этерифицированных и свободных карбоксильных групп в пектиновых веществах напрямую коррелирует с их степенью этерификации и комплексообразующей способностью. Проведенные исследования показали, что пектиновые вещества обладают высокой аффинностью к связыванию токсичных металлов, что позволяет сделать вывод о выраженной детоксикационной активности полученного сухого яблочного порошка, что подтверждается данными ранних исследований (Загрязнение…, 2023; Донченко и др., 2024).

Следует подчеркнуть, что процесс формирования комплексов находится под влиянием степени этерификации, которая, в свою очередь, определяет прямолинейную устойчивость макромолекулярного заряда. Вид и скорость связывания катионов также играют ключевую роль в этом процессе ( Загрязнение…, 2023 ).

В табл. 2 приведены результаты исследования пищевого и технологического потенциала полученного продукта.

Таблица 2. Пищевой и технологический потенциал сухого пищевого продукта из вторичного яблочного сырья Table 2. Food and technological potential of a dry food product from recycled apple raw materials

Показатель	Значение
Содержание сырой клетчатки, %	34,9 ± 3,4
Содержание полифенольных соединений, мг/100 г	270,5 ± 27,1
Общая антиоксидантная активность, мг/100 г	308,4 ± 15,9
Антиокислительная активность (АОА), % инг±	55,6 ± 0,6
Водопоглотительная способность, г на 1 г сухого вещества	4,5 ± 0,1

Согласно данным таблицы содержание сырой клетчатки в рассматриваемом продукте составляет 34,9 %. Отсюда следует, что общее содержание пищевых волокон находится на уровне 50,7 % в пересчете на сухое вещество, из которых 15,8 % приходится на растворимые пищевые волокна. В результате соотношение растворимых пищевых волокон (РПВ) к нерастворимым (НПВ) составляет 1 : 3. Это соответствует современным рекомендациям по рациональному питанию, учитывая тенденцию к увеличению потребления рафинированных продуктов и снижение объемов потребления свежих овощей и фруктов.

Водопоглотительные характеристики исследуемого материала демонстрируют высокую степень сопоставимости с аналогичными параметрами микрокристаллической целлюлозы (МКЦ), которая широко используется в лечебно-профилактическом и диетическом питании. МКЦ, обладающая водопоглотительной способностью в диапазоне 4–10 г/г, эффективно оптимизирует функции желудочно-кишечного тракта, что подтверждается многочисленными научными исследованиями.

Следует также подчеркнуть высокую общую антиоксидантную и антиокислительную активность рассматриваемого продукта. Эта активность обусловлена наличием полифенольных соединений – мощных природных антиоксидантов, которые нейтрализуют свободные радикалы и предотвращают окислительный стресс. Данный механизм имеет критическое значение для поддержания гомеостаза и профилактики различных хронических заболеваний. Содержание полифенолов соответствует их адекватному уровню суточного потребления согласно утвержденным нормам физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации (MP 2.3.1.0253-21, 20213).

Таким образом, сочетание водопоглотительных свойств и антиоксидантной активности делает исследуемый материал перспективным для применения в лечебно-профилактической и диетической практике, что подтверждается его сравнением с широко используемыми в этой области веществами, такими как микрокристаллическая целлюлоза.

Заключение

В результате переработки вторичного яблочного сырья был получен продукт с высоким содержанием пищевых волокон, включающий как водонерастворимые (34,9 %), так и водорастворимые (15,8 %) фракции. При этом в составе растворимых пищевых волокон установлено высокое содержание свободных карбоксильных групп, что обусловливает их способность к комплексообразованию с токсичными катионами. Полиуронидная составляющая, являющаяся биохимическим маркером растворимых пищевых волокон (РНП), способствует повышению водопоглотительной способности целевого продукта, что свидетельствует о его выраженных функциональных свойствах и потенциальной перспективности применения в различных отраслях пищевой промышленности.

Полипотентные свойства полученных из вторичного яблочного сырья пищевых волокон обусловлены синергетическим взаимодействием полифенольных соединений с пектиновыми веществами. Этот синергетический эффект проявляется в модуляции воспалительных и иммунных процессов, ингибировании избыточного перекисного окисления липидов и пролиферации злокачественных клеток. Кроме того, он оказывает влияние на экспрессию генов, ответственных за метаболизм ксенобиотиков. Эти полипотентные свойства подтверждаются наличием полифенолов (270,5 мг/100 г), общей антиоксидантной (308,4 мг/100 г) и антиокислительной (55,6 % инг.) активностями.

Таким образом, пищевые волокна, полученные из вторичного сырья, образующегося в процессе производства яблочных снеков, представляют собой функциональный продукт с полипотентными свойствами, что делает его перспективным объектом для дальнейших исследований и практического применения в области пищевой промышленности.

Работа выполнена с использованием оборудования НИИ Биотехнологии и сертификации пищевой продукции Кубанского государственного аграрного университета им. И. Т. Трубилина. Исследование выполнено при финансовой поддержке Кубанского научного фонда, ООО "Биодинамика" в рамках проекта № НТИП-24.1/4 "Разработка технологии продуктов здорового питания из вторичных сырьевых ресурсов переработки яблок".

Конфликт интересов