Разработка технологических решений для создания нутритивной поддержки организма

*Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова, г. Саратов, Россия; e-mail: , ORCID:

Simakova, I. V. et al. 2022. Development of technological solutions for creating nutritional support for the body. Vestnik of MSTU, 25(3), pp. 239–247. (In Russ.) DOI:

В настоящее время состояние здоровья населения ухудшается; растет число заболеваний, вызванных алиментарными факторами. Особое место в структуре заболеваемости занимает ожирение, вызывающее широкий спектр осложнений и обусловливающее риск раннего развития диабета, сердечно-сосудистых и других заболеваний.

Развитию алиментарно-зависимых заболеваний способствуют изменение пищеварительного статуса (плохая усвояемость, недостаток питательных веществ), обилие рафинированных продуктов питания в рационе современного человека, недостаток сна, вредные привычки (курение, алкоголь), а также чрезмерная физическая активность, стресс, эндокринные заболевания (диабет, гипофункция надпочечников, гипертиреоз), этические и эстетические проблемы ("идеальная фигура", религия, мировоззрение), наследственность, микроэлементозы.

У детей сахарный диабет, ожирение, микроэлементозы обусловлены дисбалансом эссенциальных пищевых веществ в организме.

Данные статистического сборника "Здравоохранение в России. 2021 г."¹ ( Нутрициология…, 2017 ) свидетельствуют о росте заболеваний эндокринной системы, вызванных расстройством питания, нарушениями обмена веществ, ожирением, дефицитом массы тела (табл. 1).

Таблица 1. Данные статистического сборника "Здравоохранение в России. 2021 г." Table 1. Data from the "Statistical compendium of health in Russia – 2021"

Название болезни	Взрослое население (на 100 тыс. человек)					Дети в возрасте от 0 до 14 лет (на 100 тыс. человек)
	о о СЧ	О. О СЧ	2 о к	о СЧ СЧ	2 ^ ” 8	о СЧ	О СЧ	2 ” 8	о	2 ” 8
Болезни эндокринной системы, расстройства питания, нарушения обмена веществ и дефицит массы тела	5 946,4	8 744,1	+47	8 242,2	+38	1 648,3	1 600,9	–2,9	1 331,3	–19,2
Из них сахарный диабет	2 364,7	3 481,8	+47	3 486,6	+47	14,4	24	+66	24	+66
Ожирение	813,2	1498,2	+84	1 303,9	+60	319,2	432,1	+35	350	+9,6
Болезни крови, кроветворных органов; нарушения, вовлекающие иммунный механизм	1 219,1	1 259,8	+3	1 102,8	–9,5	1 798,8	1 104,3	–38	897	–50
Из них анемии	1 099,4	1 103,8	+0,4	960,5	–12,6	1 691,2	1 002,5	–59	828,2	–49

Анализ данных табл. 1 показывает увеличение количества заболеваний, связанных с потреблением рафинированной пищи, перекусами. В период 2010–2019 гг. существенно изменилось количество людей с ожирением (рост на 84 % для взрослых и 35 % для детей), а также заболеваний сахарным диабетом (рост на 47 % для взрослых и 66 % для детей). Общее снижение наметилось в период пандемии, что можно связать с выравниванием режима питания, разнообразием рациона питания и сокращением перекусов из-за вынужденного нахождения на дистанционном режиме работы и обучении. При этом сахарный диабет у детей остался на прежнем уровне. При анализе статистических данных следует учесть, что люди с ожирением и диабетом в период пандемии находились в зоне повышенного риска, поэтому сокращение заболеваний может также быть связано со смертностью.

Замена традиционных продуктов на промышленно вырабатываемые пищевые продукты с рафинированными компонентами привела к формированию у современного человека устойчивого (практически круглогодичного) дефицита минорных компонентов пищи.

Недостаток овощей, фруктов, масел и других продуктов, способных привести баланс питательных веществ к физиологической норме, является острой проблемой системы здорового питания населения Российской Федерации ( Абаскалова и др., 2016 ). Следует отметить, что уровень потребления овощей в большинстве регионов России ниже рекомендуемой медицинской нормы. Наименьшее количество потребления фруктов и овощей наблюдается в Сибири и на Дальнем Востоке ( Борисова и др., 2019; Косинский, 2007 ). Дефицит пищевых веществ и биологически активных компонентов в рационе приводит к снижению резистентности организма к неблагоприятным факторам окружающей среды (малоадаптации), формированию иммунодефицитных состояний, нарушению функции антиоксидантной защиты, хронизации болезней, повышению риска развития распространенных заболеваний, снижению качества жизни.

Не разрешает данной ситуации потребление консервированных фруктов и овощей, поскольку при консервировании и замораживании значительно изменяются органолептические показатели качества и снижается биологическая ценность продукта. Согласно современным исследованиям потребление овощей, консервированных посредством соления и маринования, повышает риск развития онкологических заболеваний ( Lowe, 2021 ).

Многие минорные компоненты пищи нужны для сохранения здоровья и снижения риска хронических заболеваний. Эти компоненты – хемопротекторы и хемопревенторы – играют исключительно важную роль в обеспечении защитно-адаптационных возможностей организма ( Нутрициология..., 2017 ).

В качестве эссенциальных нутриентов, обладающих биологическим и терапевтическим действием, изучаются аминокислоты (глутамин, аргинин, аминокислоты с разветвленной цепью), нутрицевтики липидной природы (ω 3 -жирные кислоты, длинно- и среднецепочечные жирные кислоты), различные антиоксиданты (витамины С, Е, β-каротин), убихинон, биофлавоноиды, пектин и пищевые волокна².

Рекомендации по потреблению пищевых волокон и минорных компонентов пищи, утвержденные Научно-исследовательским институтом питания Российской академии медицинских наук, представлены в табл. 2.

Таблица 2. Потребность в пищевых волокнах и некоторых эссенциальных веществах2 Table 2. The need for dietary fiber and some essential substances according to Norms of physiological energy and nutritional requirements for various population groups of the Russian Federation

Незаменимые вещества	Дети от 3 лет до 18 лет	Все возрастные группы с 18 лет
Пищевые волокна, г	10–22	20–25
Витамин С, мг	30–90	100
Витамин А, мкг рет. экв.	400–1 000	800–900
Бета-каротин, мг	–	5,0
Витамин К, мкг	30–120	120
Флавоноиды, мг	150–250 (с 7 лет)	250 (в том числе катехинов – 100)
Изофлавоны, изофлавонгликозиды, мг	–	50

Потребность в пищевых волокнах определена в 20–25 г в сутки для взрослых и от 10–22 г для детей (табл. 2); существуют также рекомендации с более высокими показателями (20–40 г/сут для взрослых) ( Ардатская, 2011 ).

Достаточное количество поступающих в организм углеводов оказывает "белоксберегающий" эффект, т. е. экзогенные аминокислоты используются в основном на пластические, а не на энергетические нужды. При резком снижении углеводов в диете происходят усиление окисления липидов, сопряженное с интенсивным кетогенезом, и увеличение катаболизма белка. Избыток поступления углеводов приводит к интенсификации липогенеза с возможным развитием ожирения. В Российской Федерации оптимальным для здорового человека считается потребление углеводов в количестве 50–65 % от энергетической ценности рациона. В зависимости от эволюционных особенностей питания пища должна содержать большее или меньшее количество балластных структур, непосредственно не участвующих в обмене веществ организма. Пищевые волокна и гипогликемические вещества способны снижать сахар крови; многие из них являются дериватами гуанидина. Сахароснижающее действие оказывают капуста белокочанная и брюссельская, грейпфруты, лимоны, апельсины, лук, чеснок, грибы, шпинат, сельдерей, овес, черника, земляника.

В настоящее время большое значение в диетотерапии сахарного диабета придается неперевариваемым полисахаридам (целлюлозе, гемицеллюлозе, пектину). Пищевые волокна стимулируют перистальтику кишечника, уменьшают всасывание холестерина и жирных кислот, адсорбируют в кишечнике токсические продукты. По некоторым данным, пищевые волокна улучшают гликемию, инсулинемию, липемию, снижают содержание глюкагона, иммунореактивного инсулина в крови, повышают чувствительность тканевых рецепторов к инсулину и толерантность к углеводам. Но позитивный эффект пищевых волокон, согласно данным авторов ( Петеркова и др., 2017) , проявляется при поступлении его в больших количествах (более 50 г в день вместо 20–25 г), поэтому диета больных сахарным диабетом должна содержать овощи и фрукты, богатые пищевой клетчаткой (яблоки, смородину, капусту, морковь, свеклу, малину, землянику, грибы и др.), хлеб из муки грубого помола и с отрубями, овсяную крупу.

Основные исследования современных ученых направлены на разработку БАД (или специализированных продуктов питания с БАД), а не на концентрацию и сохранение природных нутриентов. Для производства продуктов питания функционального назначения применяются различные способы.

Экструзионные продукты питания, содержащие преимущественно крахмал, могут иметь изотропную и анизотропную микроструктуры, а продукты, основным компонентом которых являются белки, характеризуются анизотропной микроструктурой. Такой способ позволяет повысить усвояемость зерновых и бобовых, но не актуален для овоще-фруктовых композиций ( Способы производства., 2018 ).

В настоящее время популярны комбинированные разработки зерновых и фруктовых батончиков и других продуктов. Особенностью этих технологических решений является формование фруктов, высушенных различными способами, и зерновых в различных формах (мука, хлопья, экструдированные зерновые и т. д.) на разных основах: жировой (для когезии применяются различные растительные жиры), углеводной (применяются сиропы фруктозо-глюкозные, крахмальная патока), комбинированной углеводно-жировой или жировой с сахарозаменителями. Некоторые разработчики в качестве основы предлагают использовать глицерин. Общими недостатками известных технологий являются повторности и многоступенчатость обработки пищевого сырья, при которых водорастворимые витамины и БАВ не могут быть максимально сохранены. Не предусмотрены возможные окислительные изменения жирового компонента в процессе термической обработки и дальнейшего хранения. Применение углеводных основ существенно увеличивает калорийность продукции ( Фруктово-ягодные снэки..., 2015 ).

Предлагаемые способы обезвоживания овощей и фруктов имеют некоторые особенности и недостатки. При конвективном нагреве велика вероятность перегрева продукта в разных слоях и появления других пороков, вызванных ферментативным окислением и реакцией меланоидинообразования ( Способ производства…, 2020 ).

Комбинированный способ может включать четыре этапа обезвоживания: на первом этапе продукт нагревается токами низкой частоты до температуры 55-65 °С (при этом происходит его электролитическое обеззараживание); на последующих трех этапах фрукты и ягоды сушатся энергией ИК-излучения и СВЧ-энергией с плотностью потока мощности не более 0,2, 0,3 и 0,4 Вт/см² соответственно. Недостатками этого процесса являются его многоэтапность, большая продолжительность сушки, невысокие качественные показатели конечного продукта ( Способ сушки., 2002; Способ сушки., 2003 ).

Одним из направлений развития диетотерапии является создание комбинированных продуктов питания с оптимальным содержанием эссенциальных веществ. При построении лечебно-профилактических рационов питания современная диетология сталкивается с дилеммой: с одной стороны, необходимо ограничить объем потребляемой пищи с целью достижения соответствия между калорийностью рациона питания и энерготратами организма, а с другой - значительно расширить ассортимент потребляемых пищевых продуктов для ликвидации существующего дефицита пищевых нутриентов. Одним из эффективных путей оптимизации является применение принципов пищевой комбинаторики при разработке метаболически направленных продуктов питания.

По мнению авторов, в качестве нутритивной поддержки в превентивной медицине должны выступать продукты с высокой концентрацией питательных и эссенциальных компонентов и низким содержанием влаги.

Целью исследования являлась разработка технологических решений, сохраняющих нативный потенциал овощей и фруктов, обеспечивающих максимальную концентрацию веществ для создания нутритивной поддержки организма человека в различных состояниях. В ходе разработки было необходимо:

• 1)    обосновать выбор региональных овощей и фруктов, максимально стабильных при технологическом воздействии и способных обеспечить нутритивную поддержку. В качестве критериев выбора региональных овощей и фруктов применялись их химический состав, структурно-механические свойства, доступность, экономическая целесообразность, возможность максимальной унификации технологических характеристик в процессе производства продукции;

• 2)    найти оптимальные технологические решения для производства новых продуктов питания.

Материалы и методы

Исследование проводилось в Институте биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН и Саратовском государственном аграрном университете им. Н. И. Вавилова.

Предмет исследования – медико-биологическое обоснование технологических решений при разработке новых продуктов, предназначенных для применения в превентивной медицине.

В качестве объектов исследования использовались дегидрированные продукты из овощей и фруктов, предназначенные для перекуса (табл. 3):

• 1    вариант – монокомпонентные слайсы (тыквенный, дынный и яблочный);

• 2    вариант – многокомпонентные снэки: фруктово-овощной (свекла и яблоко) и овощной (томат, лук и смесь зелени).

Пищевую ценность определяли расчетным методом по таблицам химического состава3; водопоглощение – при гидромодуле 1 : 10 и стандартных условиях.

Анализ биологически активных веществ (флавоноидов) осуществляли методом методом обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на хроматографе Dionex Ultimate 3000 (Thermo Scientific, США) c использованием колонки Luna 5u С18(2) 100A, 5 мкм, 4,6 мм × 150 мм

(Phenomenex, США) (серийный номер 125617-12). Детектирование осуществлялось при длинах волн А и Е, равных 265 нм. Время анализа составляло 15 минут (для витаминов) и 25 минут (для флавоноидов).

Экстракты исследовались методом хроматографии в условиях изократического элюирования [растворитель А – метанол квалификации (Ultra) gradient HPLC grade ("J. T. Baker", Нидерланды), растворитель В – ацетонитрил квалификации HPLC grade (Panreac, Испания)] в соотношении 80 : 20; скорость протока 1 мл/мин; объем вводимого образца 20 мкл. Управление хроматографом и анализ данных выполнялся с помощью программы Chromeleon версии 7.1.2.1478 (Thermo Scientific, Dionex, США) ( Водяник и др., 2008; Harborne et al., 1992 ).

При расчете пищевой ценности учитывали массовую долю сухих веществ в снэке; она составила 10 % (100 г свежего овоща или фрукта эквивалентно 10 г сушеного фрукта или овоща).

Для разработки оптимальных рецептурных и технологических решений выбрали стандартную гидромеханическую подготовку сырья (мойка, очистка), остальные приемы и способы предложены исходя из обеспечения максимальной сохранности пищевых веществ.

Расчет нутрициологического состава снэков с прогнозированием сохранности на готовое изделие представлен в табл. 3.

Таблица 3. Пищевая и энергетическая ценность рецептурных композиций Table 3. Nutritional and energy value of the afternoon snack

Нутриент	Слайс (1 порция – 40 г)			Снэк (1 порция – 40 г)		Среднее значение реком. суточной потребности
	Яблоко	Дыня	Тыква	"Томатный с луком и зеленью" (овощной)	"Яблочносвекольный" (фруктовоовощной)
Калорийность, кКал	101,2	136,4	27,2	84	102	2150
Белки, г	0,9	0,3	1,2	4,2	2,2	90
Жиры, г	0	0	0	2	0,1	100
Общее количество углеводов, г	23,6	32,9	5,6	11,8	23,1	435
Усвояемые углеводы
Крахмал и декстрины, г	1,36	0,04	0,16	0,46	0,8	–
Моно- и дисахариды (сахара), г	22,2	2,9	5,6	9,4	22,3	–
Глюкоза (декстроза), г	5	0,5	2,4	4,3	4,3	–
Сахароза, г	7	1,7	0,4	2,2	15	–
Фруктоза, г	9	0,7	2,8	2,8	14,1	–
Органические кислоты, г	0,9	0	0,1	1,3	0,5	–
Пищевые волокна, г	6	0,4	2,4	2,5	4,1	25

Витамины
Витамин А, РЭ, мкг	1,2	26,8	308,4	197	1,9	900
Бета-каротин, мг	0,008	0,16	1,84	1,2	1,2	5
Витамин C, мг	0,8	8	10	38,2	2,4	100
Витамин Е, альфа токоферол, ТЭ, мг	0,9	0,04	0,5	1,2	0,2	15
Витамин РР, НЭ, мг	0,48	0,2	0,86	1,23	0,48	20
Макроэлементы
Калий, мг	232	47,2	251,6	535	462	3 500
Магний Mg, мг	12	5,2	17,2	38	32,4	420
Микроэлементы
Железо Fe, мг	2,4	0,4	0,5	1,8	2,8	18
Кобальт Co, мкг	0,47	0,8	1,2	9	0	10
Медь Cu, мкг	75	18,8	222	205	38,2	1 мг

Приведенные результаты показывают, что снэк фруктово-овощной "Яблочно-свекольный" обеспечивает суточную потребность в пищевых волокнах и железе на 16 %. Слайс из тыквы обеспечивает суточную потребность в витамине А на 32 %, меди – на 96 %, бета-каротине – на 37 %. Снэк овощной "Томатный с луком и зеленью" обеспечивает суточную потребность в витамине С на 38 %, калии – на 15 %, кобальте – на 90 %. Оба снэка обеспечивают потребность в бета-каротине на 24 % (исходя из рекомендованной потребности в сутки). Полученные данные позволяют предположить, что такой продукт обладает функциональными свойствами, способными оказывать нутритивную поддержку организма.

Принятые технологические решения включают гидромеханическую подготовку и обезвоживание сырья.

Механическая обработка яблока, дыни и тыквы – нарезка пластинками толщиной 3–4 мм с сохранением природной конфигурации; для изготовления многокомпонентных снэковых изделий (снэков овощного и фруктово-овощного) предложены различные формы нарезки (свекла и яблоко – соломкой; томат – мелким кубиком; лук и смесь зелени – крошкой) с последующим формованием перед обезвоживанием.

Формование производилось на разработанной авторами пресс-форме, в результате формования осуществлялись подпрессовывание составляющих и их когезия за счет капиллярной влаги и выделенных с ней веществ. Данный способ формования позволяет избежать использования основы в виде жира, патоки, глицерина, применяемых в аналоговых технологических решениях.

Для приготовления обезвоженной продукции предложено применение энергоэффективной и деликатной технологии с использованием длинноволнового резонансного ИК-излучения.

Выбранный способ обезвоживания отвечал требованиям сохранности биологически активных веществ: сокращение времени процесса обезвоживания; минимальные потери активных компонентов; неизменность нативных свойств сырья (сохранность структуры клеточной мембраны; органолептических показателей, свойственных сырью); приемлемых для потребителя структурно-механических характеристик. Некоторые вещества, такие как хлорофилл, сложно сохранить в неизменном виде при обработке. Хлорофилл улучшает детоксикацию организма человека посредством быстрого выведения отходов, регуляции уровня жидкости. Помимо этого, предварительные исследования показали преимущество хлорофилла в ускорении обмена веществ, что ведет к снижению веса.

Для сохранения полезных веществ в неизменном виде предложено применение ступенчатого способа ИК-дегидрирования, обеспечивающего поэтапное удаление влаги с разной энергией связи. Таким образом достигается не только сохранение сенсорных, физических и химических свойств, но и возможность повышения доступности субстрата для микроорганизмов кишечника.

Результаты и обсуждение

Сохранность эссенциальных компонентов обоснована на примере комбинированного продукта – снэка овощного – по методике, изложенной в работах ( Водяник и др., 2008; Harborne et al., 1992 ). В ходе исследования обнаружен широкий спектр фенольных соединений, в том числе флавонол кверцетин (его содержание невелико по сравнению с остальными компонентами) (рис. 1). Однако суммарно они представляют достаточное количество для восполнения дневной нормы, соответствующей 30 мг. Наиболее выражен пик хлорофилла.

В экстракте из влажного (необработанного) сырья концентрация указанных соединений существенно ниже. Это позволило прогнозировать возможность концентрации эссенциальных компонентов в готовом продукте. На примере образца, состоящего из томата, лука и зелени, доказана сохранность кверцетина в дегидрированной пряной смеси (74 %) и других фенольных соединений (83,3 %) (рис. 2).

В готовых изделиях наблюдается максимальная концентрация веществ за счет удаления свободной и связанной воды, что позволяет рекомендовать эквивалентную замену 8–9 кг свежего сырья на 1 кг сухого.

Рис. 1. Снэк многокомпонентный на основе томата. Образец хроматограммы пика хлорофилла Fig. 1. Chromatogram sample of chlorophyll peak, multicomponent tomato-based snack

Содержание кварцетина (1) и общего количества флавоноидов (2)

• □ В свежем сырье, %   □ В обезвоженном продукте, %

Рис. 2. Содержание флавоноидов в галетах овощных после обезвоживания

• Fig. 2. The content of flavonoids in vegetable biscuits after dehydration

В ходе экспериментов доказана сохранность наиболее лабильных в технологической обработке компонентов, таких как флавоноиды, хлорофилл, что позволяет рекомендовать данные технологические решения как деликатные. В большинстве технологий, предлагаемых к разработке и применяемых в настоящее время, отсутствуют обоснованный нутритивный подход и объяснение влияния выбранной обработки на трансформацию веществ в технологическом процессе. Предлагаемые технологические решения отличаются рациональным выбором сырья и щадящих режимов воздействия на всех стадиях процесса производства, а также отказом от вспомогательных компонентов, формирующих структуру; они актуальны для продукции, обеспечивающей нутритивную поддержку.

Заключение

Разработанные технологические решения способствуют сохранению нутрициологического потенциала овощей и фруктов и могут быть применены для выработки продукции, обеспечивающей максимальную концентрацию веществ и создающей нутритивную поддержку организма человека в различных состояниях.

Применение энергоэффективной и деликатной технологии с использованием длинноволнового резонансного ИК-излучения позволяет:

• –    выбирать способ обезвоживания, который соответствует требованиям по сохранности биологически активных веществ; вести контроль скорости обезвоживания;

• –    минимизировать потери активных компонентов;

• –    сохранять неизменность нативных свойств сырья (структуры клеточной мембраны, присущей органолептическим характеристикам сырья), конструктивных и физико-химических свойств продукта, приемлемых для потребителя.