Получение пектина из столовой свёклы как сырья для продуктов функционального назначения

Задача обеспечения населения страны необходимым количеством биологически полноценных продуктов питания для массового потребления является одной из первоочередных в развитии пищевых отраслей АПК.

Пектиновые вещества связывают нитраты, радиоактивные и токсичные металлы в нерастворимые, безвредные комплексы, которые не всасываются и выводятся из организма. Таким образом, пектин обладает способностью очищать организм от вредных веществ, не нарушая при этом бактериологический баланс организма. Кроме того, пектиновые вещества обладают антимикробными, противовоспалительными, обволакивающими и защитными свойствами. Пектины способны проявлять лечебные и профилактические свойства при ряде заболеваний, не уступая по эффективности некоторым лекарственным препаратам.

Комплексообразующие свойства пектинов выдвигают их на роль важнейшего профилактического средства при угрозах интоксикации, загрязнения территорий или повышенной радиации. По рекомендации ВОЗ, пектины должны дополнительно применяться, как профилактическое средство в экологически загрязненных территориях.

Комплексообразующие свойства пектинов из свёклы рассматриваются в контексте их применения в пищевых продуктах. В качестве загустителей и стабилизаторов пектин из свёклы может быть использован для приготовления джемов, повидел, конфет, пирогов и других продуктов. Например, пектин из свёклы может использоваться в качестве стабилизатора при производстве масляных эмульсий, таких как майонез и салатный соус.

Кроме того, пектин из свёклы может использоваться в качестве функциональных ингредиентов для улучшения характеристик продуктов, таких как текстура и вязкость. Например, при добавлении пектина из свёклы в качестве загустителя к молочным продуктам, таким как йогурт, можно повысить вязкость и улучшить текстуру продукта.

Учитывая большую значимость пектина для пищевой, фармацевтической и медицинской промышленностей, с целью снижения зависимости экономики России от импортных поставок и внедрения инновационных технологий проблема производства пектина приобретает чрезвычайную актуальность. Продолжительная ориентация на импортные поставки пектина негативно повлияла на развитие его производства в России. Одной из главных причин, тормозящих развитие производства пектина, является отсутствие экологически безопасной технологии комплексной переработки вторичных

• –    применение в больших объемах химически агрессивных сред, требующее их экологической регенерации и обусловливающее высокие требования к коррозионной стойкости основного технологического оборудования;

• –    необходимость использования токсичных, взрывоопасных и легковоспламеняющихся реагентов;

• –    длительность, многостадийность и трудоемкость технологического процесса;

• –    высокая себестоимость целевого продукта;

  – «жесткие» условия гидролиза-экстрагирования, приводящие к деструкции молекул пектина и снижению его качества.

Значительная потребность в пектиновых веществах определяет целесообразность изучения их различных источников. Большой интерес с точки зрения сырья для получения пектина представляет столовая свекла. Эта сельскохозяйственная культура отличается высокой урожайностью, способностью к длительному хранению, высоким содержанием пектиновых веществ. В качестве сырья для получения пектина использовали отжимы столовой свеклы, полученные после извлечения из корнеплодов сока.

Извлечение пектиновых веществ из растительного сырья производят в процессе гидролиза-экстрагирования. Режим проведения этой стадии во многом определяет выход готового продукта и его показатели качества. Исследования были направлены на изучение влияния параметров проведения процесса гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ из столовой свеклы на их выход с использованием в качестве гидролизующего агента электрохимически активированного (ЭХА) раствора. Эффективность и преимущества использования ЭХА растворов в сравнении с классическими аналогами обоснованы и доказаны рядом авторов [1, 2].

Метериалы и методы

Пектиновые вещества в клеточных стенках растений связываются межмолекулярными и водородными связями через гидроксильные и карбоксильные группы, посредством мостиков из поливалентных металлов и эфирными связями. Цепочки пектиновых веществ связываются с нейтральными полисахаридами клеточной стенки или же между собой, образуя сетчатую структуру. Чтобы выделить пектин, необходимо разрушить эти связи в таких условиях, которые не привели бы к понижению молекулярной массы макромолекулы. При температурах выше 50 °С и понижении рН от 2,5 до 1,0 происходит значительный гидролиз гликозидных связей, что приводит к разрыву полигалактуро-новой цепочки и отщеплению боковых цепей арабанов и галактанов, то есть происходит резкое уменьшение молекулярного веса пектина, а это влечет за собой снижение желирующей способности. С целью получения высокого выхода пектиновых веществ при максимальном сохранении их качества и дополнительного извлечения пищевых волокон процесс гидролиза-экстрагирования проводили с использованием ЭХА воды, как более мягкого и эффективного гидролизующего агента.

В процессе исследований определяли оптимальные режимы проведения гидролиза-экстрагирования, при этом варьировали основные факторы, влияющие на процесс: температуру (40–90 °С), рН ЭХА раствора (2,0–5,0), продолжительность (30–120 минут), гидромодуль (1:3–1:6). В качестве контрольных использовали образцы, получаемые при тех же параметрах с применением раствора соляной кислоты.

Результаты и обсуждение

Результаты эксперимента приведены на рисунках 1–2 и в таблице 1.

Как видно из экспериментальных данных при увеличении рН от 2,0 до 3,5 выход пектина повышается до максимального значения при рН 3,5 и составляет 9,64% к массе воздушно сухого жома при использовании ЭХА воды и 6,56% при использовании воды с НСl. Причем, наиболее заметно выход повышается в интервале рН 2,0–3,0. Следовательно, проведение процесса при рН менее 3,0 приводит к деполимеризации пектиновой молекулы, которая ведет к разрыву полигалактуроновой цепи на более короткие участки вплоть до разрыва на отдельные звенья и получения молекулярнорастворимой моногалактуроновой кислоты

С5Н9О5СООН. В результате глубокого гидролитического распада пектиновой молекулы ухудшается качество пектина.

Дальнейшее повышение рН от 3,5 до 5,0 снижает выход пектиновых веществ, так как химически связанные пектиновые вещества практически не извлекаются, а извлекаются лишь связанные механически либо водородными связями.

Применение в качестве гидролизующего агента ЭХА воды более эффективно, так как выход повышается на 2–3%. Это связано с тем, что ЭХА растворы обладают повышенной экстрагирующей способностью, так как при их использовании кислотный гидролиз протопектина протекает под действием активированных молекул воды, за счет присутствия в среде гидролизующего агента активных радикалов Н 3 О⁺.

Один из важнейших факторов, обусловливающих выход и физико-химические свойства пектина, – температура процесса. С ее повышением при гидролизе-экстрагировании в растительной ткани частично разрываются водородные связи между ассоциированными полимерными молекулами протопектина, солевые связи с белковыми молекулами; увеличивается проницаемость растительных клеток.

Было выявлено, что показатель температуры является важным технологическим параметром ведения процесса, с его помощью можно регулировать выход и качество пектинов. Установлено, что температура гидролиза ниже 70 °С негативно влияет на выход пектина, процесс идет медленно и не происходит полностью за 60 минут. Увеличение температуры гидролиза от 40 °С до 70 °С повышает выход пектина до максимума при применении ЭХА воды (10,23%). Гидролиз-экстрагирование на воде с НСl дает максимальный выход пектина при температуре 80 °С (7,06%). Дальнейшее повышение температуры до 90 °С приводит к термическому разложению пектиновых веществ, их выход уменьшается.

■ ПВ полученные на ЭХА дистиллированной воде

SPs obtained by ECA on distilled water

ПВ полученные на воде с HCl

SP obtained on water with HCl

40     50     60     70     80     90

t, °С

• ■ ПВ полученные на ЭХА дистиллированной воде SPs obtained by ECA on distilled water

ПВ полученные на воде с HCl

SP obtained on water with HCl

Рисунок 1. Зависимость выхода пектина столовой свёклы от рН

Рисунок 2. Зависимость выхода пектина столовой свёклы от температуры

Figure 1. Dependence of beet pectin yield on pH

Figure 2. Dependence of beet pectin yield on temperature

При исследовании влияния продолжительности гидролиза-экстрагирования на выход пектиновых веществ установлено, что при общей продолжительности процесса менее 60 минут не обеспечивается полнота выхода готового продукта. Максимальный выход пектина наблюдается при экстрагировании в течение 60 минут и составляет 10,27% с использованием в качестве гидролизующего агента ЭХА раствора. При проведении процесса на соляной кислоте требуется большее время с целью достижения максимума выхода готового продукта – 7,55%, что говорит об интенсификации процесса благодаря применению ЭХА воды. Увеличение продолжительности гидролиза-экстрагирования до 120 минут приводит к снижению выхода пектина до 7,94 и 5,61% при использовании активированной и неактивированной воды, соответственно. Это происходит за счет термоокислительногидролитической деструкции и увеличения вязкости, что уменьшает движущую силу процесса, поскольку при продолжительности процесса более 90 минут вследствие перемешивания сырья начинается механическое разрушение растительной ткани, что приводит к загрязнению пектинового экстракта коллоидными частицами сырья, а также затрудняет процесс разделения смеси после экстрагирования.

Влияние значений гидромодуля на стадии гидролиза-экстрагирования на выход пектина свидетельствует о том, что процесс целесообразно вести при разведении 1:4–1:5, так как наблюдается наибольший выход пектина (10,33% для ЭХА и 7,34% для воды с НСl). Снижение модуля до значения 1:3 нетехнологично, так как реакционная масса густая, затрудняется перемешивание, кроме того, значительно уменьшается выход пектина. Увеличение гидромодуля до 1:6 не приводит к значительному изменению выхода пектина, хотя этот показатель несколько уменьшается, это так же ведет к значительному повышению расхода химических реагентов и энергоемкости производства, поэтому является экономически нерентабельным.

Согласно вышеизложенному, рациональными условиями процесса гидролиза-экстрагирования пектина из отжимов столовой свеклы с точки зрения выхода готового продукта являются: рН = 3,5, температура 70 °С, продолжительность 60 минут, гидромодуль 1:4–1:5. Пектин, полученный по предлагаемому режиму, анализировали с определением количества свободных (Кс,%), этерифицированных (Ке,%) и общих (Ко,%) карбоксильных групп, степени этерификации и массовой доли полигалактуро-новой кислоты (таблица 1).

Таблица 1.

Свойства пектина из столовой свеклы

Table 1.

Properties of beet pectin

Кс, %	Ке, %	Ко, %	Степень этерификации, Degree of esterification, °	Полигалактуроновая кислота, % Polygalacturonic acid, %
7,86	10,96	18,82	58,24	77,02

Из таблицы видно, что пектин, полученный по данной технологии, обладает высоким качеством, характеризующим его как комплек-сообразователь.

На основе пектина столовой свеклы возможно получение различных продуктов функционального и профилактического назначения: напитков, соусов, пюре. В настоящее время разрабатываются рецептуры функциональных напитков, содержащих пектиновые вещества столовой свеклы.

Полученный пектин может быть использован для создания широкого спектра продуктов функционального назначения. Он отличается высокой способностью связывать жидкости и образовывать гелеобразную массу, что делает его незаменимым компонентом в производстве конфитюров и джемов. Кроме того, пектин используется в качестве загустителя в мыльных пенах и других косметических продуктах, а также в производстве мороженого, где он улучшает консистенцию и структуру.

Одним из главных преимуществ получения пектина из столовой свеклы является его низкая стоимость по сравнению с другими источниками пектина. Кроме того, столовая свекла является относительно недорогим и доступным продуктом для многих регионов и стран.

Таким образом, получение пектина из столовой свеклы имеет множество преимуществ и может быть широко использовано в производстве продуктов функционального назначения. Это дешевый и доступный источник пектина, который дает возможность создавать высококачественные продукты с улучшенными текстурой и консистенцией [3, 4].

Пектины столовой свёклы обладают рядом полезных свойств, которые могут оказывать положительные эффекты на здоровье человека. Некоторые из них включают в себя:

– снижение уровня холестерина в крови. Пектин способен связывать и выводить из организма лишний холестерин, что в свою очередь может улучшить функционирование сердечной системы и снизить риск сердечно-сосудистых заболеваний;

– поддержание здорового уровня сахара в крови. Пектин способен замедлять усвоение углеводов, что позволяет сохранять стабильный уровень сахара в крови. Это может быть особенно полезно для людей, которые страдают от диабета или предрасположены к данному заболеванию;

– содержание пищевых волокон. Пектины столовой свеклы, как правило, богаты пищевыми волокнами, которые являются необходимыми для здоровья пищеварительной системы. Они могут помочь улучшить усвоение пищи и предотвратить различные проблемы пищеварительной системы;

– поддержание здоровья кожи. Пектин может помочь сохранить здоровье кожи, улучшить ее текстуру и увлажнение. Он может также помочь осветлить пигментные пятна и уменьшить глубину морщин.

Заключение

Комплексообразующие свойства пектинов из столовой свёклы представляют широкий спектр применений в пищевой и других отраслях, а также имеют потенциал для медицинского использования. Дальнейшие исследования могут раскрыть ещё больше возможностей использования пектинов из свёклы в различных областях.