Влияние СВЧ-нагрева на оптические характеристики ягодных экстрактов

Ягоды являются ценным сырьевым ресурсом, содержащим биологически активные вещества (БАВ) антиоксидантного действия. Однако в ягодах, как и в плодах, БАВ распределены неравномерно с преобладанием их в кожице [1–5]. После отжима соков фактически ценные компоненты уходят в отходы, а их утилизация из-за высокой кислотности может привести к загрязнению окружающей среды. Выжимки, образующиеся после отжима соков, содержат комплекс БАВ, обусловливающий антиоксидантные и антимикробные свойства [6–10]. Традиционно выжимки используют только в технологии морсов, которые повышают их антиоксидантную активность (АОА) по сравнению с соками [11].

В последние годы началось массовое исследование химического состава и АОА выжимок ягод с целью их использования в медицине, биотехнологии и пищевой промышленности [6–8, 12, 13]. Из выжимок получают порошки и экстракты в сухом или жидком виде. Получение экстрактов и их дальнейшее использование зависит от вида экстрагентов, способа экстрагирования и дальнейшей обработки. Экстрагирование БАВ из выжимок осуществляют как методом настаивания, так и более эффективными для извлечения БАВ методами – ультразвуком, СВЧ, токами высокой частоты, ИК-облучением, ферментными препаратами [7, 8, 12, 14–16]. Все инновационные методы экстракции позволяют увеличить выход БАВ, в частности фенольных соединений, флавоноидов, антоцианов, что повышает АОА полученных экстрактов по сравнению с использованием традиционных методов. Эффективность метода определяется гидромодулем, режимами воздействия при условии использования одинакового экстрагента [12, 15, 16]. При использовании жидких экстрактов в пищевых целях в качестве экстрагента должна выступать вода, что обычно проигрывает по сравнению с водно-спиртовыми экстрагентами. В работах [12, 15, 17, 18] показано, что СВЧ-энергия позволяет увеличить выход экстрактивных веществ, БАВ, обеспечить микробиологическую безопасность экстракта. При этом возможна деструкция исходного материала с образованием низкомолекулярных веществ, что облегчает их экстрагирование [18]. Хорошая растворимость в воде гликозидных форм флавоноидов и антоцианов способствует их переходу в водные экстракты, а положительный заряд молекул антоцианов повышает их растворимость в кислых водных экстрактах [4]. Комплекс БАВ и их природный синергизм позволяют затормозить деградацию антоцианов при переработке ягод, что было исследовано Roidoung [19]. Галловая кислота и витамин С в обогащенных соках предотвращали потерю антоцианов и изменение интенсивности окраски.

Эффективность экстрагирования и переход БАВ в водный экстракт можно охарактеризовать по оптическим спектрам, что используют в виноделии, а также для оценки подлинности вин, соков, нектаров и сокосодержащих напитков [20, 21]. Червяк С.Н. с соавторами [21, 22] установили, что значения оптической плотности D420 и D520 тесно взаимосвязаны с количеством антоцианов, с коэффициентами корреляции 0,89 и 0,90 соответственно. Диапазон оттенка в пределах от 0,4 до 0,7, измеряемый отношением значений оптической плотности D420/D520, также свидетельствует о преобладающей роли антоцианов в формировании цвета.

Цель работы – изучение влияния СВЧ-нагрева на переход растительных пигментов в экстракт из выжимок ягод по их оптическим характеристикам.

Материалы и методы

Объектами исследований были сок и экстракты дикорастущих ягод семейства вересковых – брусника, клюква, черника и голубика, произрастающих в условиях северо-западного региона. Ягоды были собраны на территории Выборгского района Ленинградской области. Из ягод получали сок с использованием электромеханической машины для отжима сока «ЭКМ-3», АО «Электросила» (Санкт-Петербург). Полученный сок отфильтровывали для отделения мякоти. Экстракты получали из выжимок ягод в микроволновой печи мощностью 800 Вт, частотой генерации 2450 мГц при разных режимах воздействия от 288 до 800 Вт. Гидромодуль 1:10. Продолжительность СВЧ-нагрева 60 с. Контролем служили экстракты, полученные с использованием горячей воды и настаиванием в течение 10 мин.

Оптические характеристики соков и экстрактов из выжимок ягод определяли спектрофотометрически в диапазоне длин волн 410–630 нм, используя в качестве раствора сравнения дистиллированную воду [23]. Перед проведением исследований соки и экстракты цетрифугиро-вали в течение 10 мин при 3500 об/мин. Интенсивность окраски (И 520 ) объектов рассчитывали как сумму оптической плотности при длинах волн D 420 и D 520 ; оттенок (Т) – как отношение значений оптической плотности D 420 /D 520 .

Для расчета координат цвета Х, Y, Z использовали метод Сюдро–Марека–Кортеса с целью приведения их в соответствие с международной колориметрической системой ХYZ [23]. Расчет координат проводили с учетом значений оптической плотности при длинах волн 445, 495, 550 и 625 нм по следующим формулам:

Х = 0,42D 625 + 0,3 5D 550 + 0,2 Ю^ ,

Y = 0,20D 6₂5 + 0,63D 550 + 0,17D ₄95 ,

Z = 0,24D 495 + 0,94D 445 .

Долю цвета рассчитывали как отношение значений отдельных координат Х, Y, Z к их сумме, принимая во внимание, что сумма всех цветов равна единице, характерной для белого цвета.

Исследования проводились в трехкратной повторности. Достоверность экспериментальных данных оценивали методами математической статистики с помощью приложения Microsoft Excel для Windows 2010. Полученные данные приведены с доверительной вероятностью Р < 0,02.

Результаты и обсуждение

Цвет соков и экстрактов ягод формируют растительные пигменты, в большей степени

Оптические характеристики соков антоцианы, которых в настоящее время насчитывают более 500 [4]. Максимум оптической плотности приходится на 520 нм с изменением интенсивности пика в зависимости от значений рН [21, 22]. Исследуемые соки и экстракты характеризовались различными значениями оптической плотности в зависимости от использованных ягод и мощности СВЧ-нагрева (таблица 1).

Таблица 1.

экстрактов из дикорастущих ягод

Table 1.

Optical characteristics of juices and extracts from wild berries

Показатели Indicators	Сок Juiсе	Экстракты | Extracts
		Контроль Сontrol	Полученные при разных СВЧ-режимах, Вт Obtained at different microwave modes, W
			288       1	464       1	648       1	800
Брусника | Lingonberry
D 420	8,39	0,76	0,50	0,52	0,77	1,52
D 520	19,46	1,87	1,20	1,25	1,89	3,64
И 520	27,85	2,63	1,70	1,77	2,66	5,16
Т	0,43	0,41	0,42	0,42	0,41	0,42
Клюква | Cranberry
D 420	4,09	0,81	0,47	0,60	0,78	1,26
D 520	8,71	1,99	1,17	1,48	1,85	3,10
И 520	12,8	2,80	1,64	2,08	2,63	4,36
Т	0,47	0,41	0,40	0,41	0,42	0,41
Черника | Вilbеrrу
D 420	9,01	1,02	0,96	1,22	1,75	3,33
D 520	17,42	1,96	1,85	2,29	3,18	5,94
И 520	26,43	2,98	2,81	3,51	4,93	6,27
Т	0,52	0,52	0,52	0,53	0,55	0,56
Голубика | Blueberry
D 420	9,28	0,89	0,84	1,09	1,59	2,58
D 520	17,07	1,76	1,61	2,09	3,05	4,93
И 520	26,15	2,65	2,45	3,18	4,64	7,51
Т	0,54	0,51	0,52	0,52	0,52	0,52

Соки из ягод имели насыщенный густой цвет, характерный для использованного вида ягод. Значения оптической плотности соков темно-синефиолетовой окраски из ягод черники и голубики находились в близких пределах, формируя близкую интенсивность цвета. Но оттенок (Т) у сока голубики имел более высокие значения. Это не оказало влияния на формирование оттенка экстрактов из выжимок ягод, значения которого преобладали для экстрактов из ягод черники независимо от мощности СВЧ. Соки с окраской красноватых оттенков из ягод брусники и клюквы имели насыщенный густой цвет разных оттенков, но значения оптической плотности сильно различались с преобладанием в соке брусники. Интенсивность сока брусники была выше, чем клюквы, более чем в 2 раза и приближалась к значениям соков черники и голубики. Но значения оттенка сока брусники были самыми низкими среди всех исследованных соков.

Экстракция выжимок как горячей водой, так и СВЧ-нагревом, резко изменила значения оптической плотности, не изменив при этом характер оптического спектра с максимумом при D520, что подтверждает влияние антоцианов на формирование окраски экстрактов. Увеличение мощности СВЧ-нагрева приводило к получению экстрактов с более высокими значениями оптической плотности. При этом вид ягод оказывал влияние на оптические характеристики цвета при использовании одинакового гидромодуля и режима экстрагирования. Максимальные значения оптической плотности D420 и D520 имели экстракты из выжимок ягод черники при всех режимах экстракции. Их значения постепенно возрастали, достигая максимума, при СВЧ-нагреве мощностью 800 Вт за 60 с. При мощности 464 Вт значения оптической плотности экстрактов черники достигли значений контроля. В результате интенсивность цвета превысила значения контрольного экстракта в 1,2 раза, но значения оттенка (Т) не имели статистически значимых различий. Только при СВЧ-нагреве мощностью 648 Вт различия в оттенке достигли статистической значимости. Для экстрактов голубики значения оттенка не изменялись при возрастании интенсивности цвета и оптических характеристик. При мощности СВЧ-нагрева 464 Вт оптические характеристики экстракта голубики превысили значения контроля. Независимо от этого оттенок экстрактов не изменялся, но попадал в диапазон 0,4–0,7, свидетельствующий о преобладающей роли антоцианов в формировании окраски экстрактов и об отсутствии влияния продуктов конденсации фенольных соединений [22].

В отличие от исследуемых экстрактов из черники и голубики экстракты из выжимок брусники и клюквы имели меньшие значения оптических характеристик в спектре. Значения D 420 и D 520 достигли значений контрольного экстракта, полученного экстрагированием горячей водой, только при максимальной мощности СВЧ 800 Вт. Различия между значениями D 420 и D 520 этих экстрактов были близкими, несмотря на то что в соках они существенно отличались. Для получения экстрактов из выжимок брусники и клюквы необходимо использовать другой гидромодуль, увеличив количество навески выжимок при таком же количестве воды.

В целом оптические спектры экстрактов из выжимок ягод носили одинаковый характер с максимальными значениями при D 520 (рисунок 1).

Рисунок 1. Оптические спектры экстрактов из выжимок ягод, полученных при СВЧ-нагреве мощностью 800 Вт

Figure 1. Optical spectra of extracts from marc berries obtained by microwave heating with a power of 800 W

Спектры экстрактов из выжимок черники и голубики имели небольшое смещение в область более 520 нм, а для экстрактов голубики – более изогнутый вид в области 410–430 нм, что отразилось в значениях координат цвета (таблица 2).

Таблица 2.

Координаты цвета соков и экстрактов из дикорастущих ягод

Table 2.

Color coordinates of juices and extracts from wild berries

Ягоды Berries	Вид Type	Координаты цвета Color coordinates
		X	Y	Z
Брусника Lingonberry	Сок Juice	5,73	9,25	13,53
	Экстракт Extract	0,96	1,62	2,37
Клюква Cranberry	Сок Juice	3,27	4,86	6,18
	Экстракт Extract	0,73	1,27	1,85
Черника Вilbеrrу	Сок Juice	5,96	9,41	11,54
	Экстракт Extract	2,21	3,21	5,19
Голубика Blueberry	Сок Juice	8,43	9,35	10,79
	Экстракт Extract	2,01	3,11	3,26

Координаты цвета соков благодаря своей насыщенности могут составлять десятки, а иногда сотни единиц, например, для сока ягод бузины. Разбавление соков, как при приготовлении коктейлей, уменьшает их значения в 5–6 раз и более в зависимости от вида сока [24]. При экстрагировании выжимок в экстракт переходит незначительная часть экстрактивных сухих веществ по сравнению с их содержанием в соках.

В результате значения координат цвета экстрактов уменьшаются. Если в соках они составляют от 3,27 до 13,53, варьируя в этом диапазоне в зависимости от вида ягодных соков и координат XYZ, то в экстрактах уменьшаются от 2 и более 5 раз. Координаты цвета экстрактов черники были наиболее приближены к координатам цвета соков, значения которых были меньше всего лишь в 2–3 раза.

Причем координата Z, которая условно может быть отнесена к координате, ответственной за синий цвет, у экстракта черники меньше в 2,2 раза по сравнению с соком. Можно предположить, что при СВЧ-нагреве происходит более интенсивный переход антоцианов, чем других растительных пигментов. Изменение координат X и Y происходит более значительно – в 2,69 и 2,93 раза соответственно.

Формирование координат цвета в экстрактах из выжимок голубики происходит по-другому, что может быть связано с отличиями в качественном составе антоциановых пигментов [1]. Координаты цвета имеют другое соотношение, хотя преобладают значения координаты Z как в соках, так и экстрактах голубики. Но доля координаты Х в 1,3 раза больше в соке и в 1,14 раз – в экстракте, что уменьшает долю цвета, обусловленного координатой Z. При экстрагировании происходит уменьшение значений координат, в большей степени координаты Х – в 4,2 раза, что почти в 2 раза превышает изменение координаты в экстракте из выжимок черники.

Координаты цвета соков и экстрактов брусники и клюквы, несмотря на схожесть окраски, имеют различные значения и соотношения. В соке бруснике координаты XYZ имеют значения, превышающие их в соке клюквы в среднем в 2 раза. Но при экстрагировании происходит сближение их значений и отличия не превышают 30%. Уменьшение значений координат XYZ в экстрактах брусники по сравнению с соками происходит в среднем в 5 раз, а в экстрактах клюквы – от 3,3 до 4,5 раз. Наибольшее сокращение значений происходит для координаты Х и наименьшее – для координаты Z. В совокупности белого цвета координаты XYZ составляют одинаковую долю для экстрактов из выжимок брусники и клюквы. Это говорит о том, что из выжимок брусники экстракция растительных пигментов происходит менее интенсивно, чем из выжимок клюквы. По сравнению с экстрактами из выжимок голубики и черники СВЧ-экстрагирование оказывает меньшую эффективность на формирование окраски экстрактов из выжимок брусники и клюквы. Вероятно, используемый гидромодуль недостаточен для получения экстрактов с оптимальным количеством растительных пигментов.

Заключение

Экстракты из выжимок дикорастущих ягод можно получить, используя СВЧ-нагрев