CC BY
68
УДК 664.3.033.1
Эмульгирующие свойства
экстракта корней Saponaria officinalis L.
Г.М. Фролова, канд. хим. наук, С.А. Новак, Г.Х. Кудрякова, канд. хим. наук, Фан Куинь Чам, аспирант, В.В. Колпакова, д-р техн. наук, профессор, Т.П. Юдина, д-р техн. наук, профессор, Д.А. Еделев, д-р мед. наук, д-р экон. наук, профессор Московский государственный университет пищевых производств
В связи с наблюдаемой мировой тенденцией отказа от синтетических эмульгаторов и заменой их натуральными возрастает потребность в высокоэффективных природных ПАВ. К классу натуральных ПАВ наряду с белками и фосфолипидами относят сапонины - тритерпеновые гликозиды, которые благодаря ам-фифильной структуре молекулы обладают высокой поверхностной активностью. В настоящее время сапонины находят широкое применение в различных отраслях промышленности как природные добавки, формирующие структуру продуктов [1, 2].
Согласно общепринятой классификации, белки и сапонины относят к высокомолекулярным коллоидным эмульгаторам, отличительный признак которых - способность образовывать прочные адсорбционные слои на границе раздела фаз [3, 4].
Ключевые слова: сапонины; корни Saponaria officinalis; растительный эмульгатор; эмульгирующая способность.
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Эмульгатор
Рис. 1. Сравнительная оценка эмульгирующих свойств сапонинсодержащего эмульгатора и коммерческих пищевых эмульгаторов белковой и липидной природы: ЕС - эмульгирующая способность; Е5 -стабильность эмульсии; 1 - сапонинсодержащий экстракт; 2 - соевый изолят Ардекс; 3 - соевая мука 200/80; 4 - яичный порошок; 5 - соевый изолят Супро; 6 - казеинат натрия; 7 - белковая мука; 8 -белковый концентрат; 9 - моноглицериды М-1; 10 -стеароил-лактилат натрия; 11 - соевый лецитин; 12 -фосфатидный концентрат
Key words: saponins; roots of Saponaria officinalis; vegetable emulsifier; emulsifying capacity.
Необратимый характер адсорбции, высокая степень упругости и механическая прочность межфазных адсорбционных слоев способствуют формированию стабильных эмульсий масло - вода, что обеспечивает белкам и сапонинам широкое практическое использование при производстве эмульсионных продуктов [5, 6]. В то время как на протяжении многих лет проводятся систематические научные исследования, характеризующие эмульгирующие свойства различных пищевых растительных и животных белков, эмульгирующая способность сапонинов до сих пор не изучена, несмотря на возрастающий интерес к ним как перспективным природным эмульгаторам [2].
Цели данной работы - исследование эмульгирующих свойств растительного эмульгатора - сапонинсодержащего экстракта корней Saponaria officinalis L., проведение сравнительной оценки его способности формировать и стабилизировать эмульсии в сравнении с эмульгаторами белковой и липидной природы. Также определена эмульгирующая емкость сапонинсодержащего эмульгатора и найдены оптимальные условия для проявления максимальной эффективности.
Анализ относительной эффективности эмульгаторов был проведен стандартным методом определения эмульгирующей способности (amulsification capacity, ЕС) для характеристики эмульгирующих свойств различных пищевых белков [7]. Метод, определяющий количе-
ство эмульсии, стабилизированное эмульгатором при заданных условиях, заключается в диспергировании равных объемов масла и 7 %-ного водного раствора эмульгатора (50:50 v/v) с последующим отделением эмульсии центрифугированием (6000 мин-1, 15 мин). Значение ЕС рассчитывали как процент эмульсионного слоя от общего объема/высоты (мл/см) системы. Существуют различные вариации метода, которые в основном касаются изменения соотношения объемов фаз, концентрации белка и скорости гомогенизации [8-11]. Модификация метода (ЕС 24), в котором центрифугирование заменено выдерживанием системы в течение 24 ч, в основном используется для характеристики био-сурфактантов - природных эмульгаторов микробиального биосинтеза [12].
Эмульгирующая стабильность
(emulsión stability, ES) - скорость процессов флокуляции, коалисцен-ции и расслоения, приводящих к разделению масляной и водной фаз, определяли согласно методу [7]. Измеряли количество масла, отделяемого от эмульсии после нагревания (80 0С в течение 30 мин) и под действием гравитационной силы (6000 мин-1, 15 мин). Значение ES выражали как процент высоты оставшегося слоя эмульсии к первоначальной высоте системы.
Исследована эмульгирующая способность растительного сапонинсодержащего эмульгатора, полученного по разработанной технологии путем водной экстракции корней S. officinalis L. (ТУ 9145-002-020686342013 Экстракт из мыльнянки лекарственной Saponaria officinalis L. сапонинсодержащий сухой). Эффективность экстракта и стабильность формированных эмульсий изучали в сравнении с данными параметрами для широко используемых пищевых эмульгаторов белковой и липидной природы: казеината натрия (ОАО «Молоко», Беларусь); белковой муки и белкового концентрата из пшеничных отрубей (ТУ 8 РФ 18-15595); соевых изолятов Супро 760 (PTI, США) и Ардекс Ф (Linyi Shansong Biological Products CO., LTD, Китай); обезжиренной соевой муки 200/80 (Cargill, Бельгия); соевого лецитина (Linyi Shansong Biological Products CO., LTD, Китай); яичного порошка (ГОСТ 2858-82); фосфатидного концентрата; моноглицеридов дистиллированных (МГД) марки М-1 (ТУ 10-1197-95, ОАО «НМК», Россия), стеароила-2-лактилата натрия (Е481). Поскольку эмульгирующая способность белков зависит от вели-
RAW MATERIALS AND ADDITIVES
11500 14500 20500
Скорость гомогенизации, мин-1
Рис. 2. Влияние скорости диспергирования на эмульгирующую способность сапонинсодержащего эмульгатора
Концентрация, %
Рис. 3. Влияние концентрации сапонинсодержащего эмульгатора на эмульгирующую способность (ЕС) и стабильность эмульсий (ЕБ)
чины рН среды [10, 13], для создания равноценных условий исследования проводили в дистиллированной воде (рН 5,5).
Результаты анализа, представленные на рис. 1, свидетельствуют о сопоставимой активности сапонинсодержащего эмульгатора и коммерческих пищевых эмульгаторов белковой природы, но меньшей активностью по сравнению с эмульгаторами липидной природы.
Так, в данных условиях сапонины и белковые эмульгаторы способны образовывать эмульсию в пределах 48-58 %, в то время как у эмульгаторов липидной природы - моно-глицеридов, лецитина и фосфатид-ного концентрата - доля эмульсии составляет 70-98 %. Важный факт -способность растительного эмульгатора формировать стабильные эмульсии, устойчивость к нагреванию которых выше некоторых белковых эмульгаторов.
Эмульгирующая емкость (emulsifying capacity max, ЕС max) используется для характеристики эмульсионного потенциала/мощности эмульгатора и выражается в максимальном объеме/массе масла (мл/г), способном стабилизироваться 1 г эмульгатором в точке инверсии. Метод включает непрерывное добавление масла к раствору эмульгатора при перемешивании до визуально наблюдаемого разделения масла и воды [14]. Оптимальная скорость гомогенизации не должна превышать 8000-12000 мин-1, более высокие скорости смешивания дают снижение величины ECmax, что, по-видимому, обусловлено низкой степенью связывания эмульгатора с поверхностью раздела фаз при больших оборотах в условиях высокой вязкости эмульсии [15]. Последую-
щие модификации метода, в основном, касаются подходов, обеспечивающих получение объективных показателей точки инверсии [16, 17].
Нами установлено, что 10 мл 7 %-ного раствора в вышеуказанных условиях способно связывать 110 мл масла, что свидетельствует о высоком эмульсионном потенциале растительного эмульгатора, равного 157 мл/г. Сравнение с данным параметром для белков затруднено, поскольку величина ЕС max зависит от многих факторов: от скорости гомогенизатора, скорости добавления масла, концентрации, и, в основном, от рН среды - снижение растворимости белков в области изоэлектри-ческой точки приводит к их минимальной эмульгирующей эффективности. Тем не менее, в заданных условиях (рН 5.5) данное значение сопоставимо с показателями для белков соевой муки и зародышей кукурузы [16, 17].
Известно, что процесс формирования эмульсии, включающий дробление дисперсной фазы, адсорбцию эмульгатора на поверхности раздела фаз и стабилизацию образованных частиц, зависит от многих переменных факторов, основные из которых - скорость гомогенизации, концентрация эмульгатора и соотношение объемов дисперсной и дисперсионной фаз. Исследование влияния данных параметров на эмульгирующую способность сапонинсодержащего эмульгатора было проведено с целью оптимизации процесса эмульгирования и достижения его максимальной эффективности.
Влияние скорости гомогенизации исследовали в диапазоне скоростей 8000-30000 мин-1. Наблюдаемое увеличение объема эмульсии с увеличением скорости гомогениза-
ции (рис. 2) свидетельствует о том, что предельное значение степени дисперсности масла с использованием сапонинсодержащего эмульгатора достигается в условиях высокой скорости сдвига 25000-30000 мин-1 в течение 1 мин.
Дальнейшее увеличение времени гомогенизации не приводит к существенному увеличению объема эмульсии. Таким образом, сапонины, подобно белкам, способны образовывать мелкодисперсные стабильные частицы при высоких скоростях эмульгирования.
Данные о влиянии концентрации на эмульгирующую способность сапонинсодержащего эмульгатора и устойчивость образованных эмульсий представлены на рис. 3. В дан-
Согласно общепринятой классификации, белки и сапонины относят к высокомолекулярным коллоидным эмульгаторам, отличительный признак которых -способность образовывать прочные адсорбционные слои на границе раздела фаз.
ных условиях (соотношении фаз 50:50) активность эмульгатора прямо пропорциональна концентрации, достигая максимального значения при концентрации 5 % сухих веществ. При дальнейшем увеличении концентрации наблюдается тенденция, характерная для белков, - избыток концентрации в системе приводит к снижению объема эмульсии [10].
Сапонинсодержащий эмульгатор способен образовывать стабильные эмульсии при всех исследуемых концентрациях, хотя при низких концентрациях (1-2 %) наблюдалось частичное разрушение системы (53 %).
Влияние соотношения дисперсной фазы на объем формированной эмульсии проводили с целью обоснования практических рекомендаций при разработке рецептурной формулы эмульсионного продукта. Выбор концентрации (2 %) обусловлен установленными допустимыми
Растительный эмульгатор обладает подобной эмульгирующей способностью, имеет сопоставимый высокий эмульсионный потенциал и способен формировать стабильные эмульсии, что служит основным критерием его успешного применения в различных областях промышленности.
нормами использования растительного сапонинсодержащего эмульгатора в производстве продуктов питания [2]. Исследование проводили при следующих условиях: к 30 мл 2 %-ного раствора эмульгатора добавляли различное количество масла (7,5-30 мл) и смесь гомогенизировали при скорости 20000 мин-1 в течение 1 мин. Стабильность эмульсии определяли методом, описанным выше. Как видно из рис. 4, увеличение доли дисперсной фазы пропорционально увеличивает объем
эмульсии. Однако, начиная с соотношения фаз, равным 40 % (0.4), наблюдается полное насыщение сапонином поверхности раздела фаз(адсорбционного межфазного слоя), что подтверждается появлением избытка масла в системе и отсутствием пенообразования в водной фазе. Известно, что пенообразование - самый чувствительный метод качественного определения сапонинов. Таким образом, при использовании концентрации растительного эмульгатора, равной 2 %, оптимальные условия эмульгирования- объем дисперсной фазы 40 % и скорость гомогенизации не ниже 20000 мин-1.
Таким образом, эмульгирующие свойства сапонинсодержащего растительного эмульгатора корней S. officinalis сопоставимы со свойствами растительных и животных белков. Растительный эмульгатор обладает подобной эмульгирующей способностью, имеет сопоставимый высокий эмульсионный потенциал и способен формировать стабильные эмульсии, что служит основным критерием его успешного применения в различных областях промышленности. Подобно белкам, эффективность растительного эмульгатора проявляется при высоких скоростях эмульгирования. Найденные оптимальные условия эмульгирования сапонинсо-держащего растительного эмульгатора из корней S. officinalis позволяют использовать его в производстве широкого ассортимента эмульсионной продукции.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации за счет средств Государственного контракта № 16.522.12.2018.
ЛИТЕРАТУРА
1. Guclu-Ustundag, O. Saponins: properties, applications and processing/O. Guclu-Ustundag, G. Mazza.//Crit. Rev. Food Sci. Nutr.-2007. - V. 47. - P. 231-258.
2. Растительные тритерпеновые гликозиды (сапонины) - натуральные пищевые эмульгаторы/Д.А. Еде-лев [и др.]//Пищевая промышленность. - 2012. - № 7. - С. 50-53.
3. Абрамзон, А.А. Некоторые особенности стабилизации эмульсий высокомолекулярными ПАВ/А.А. Абрамзон, И.В. Абрамова/Коллоидный журнал. - 1972. - Т. 34. -Вып. 3. - С. 444-446.
4. Ланге, К.Р. Поверхностно-активные вещества. Синтез, свойства, анализ, применение/К.Р. Ланге. - СПб.: Профессия, 2005. - 238 с.
5. Измайлова, В.Н. Структурообра-зование в белковых системах/В.Н. Измайлова, П.А. Ребиндер. - М.: Наука, 1974. - 267 с.
6. Трапезников, А.А. Механические свойства поверхностных слоев и поверхностного натяжения растворов сапонинов/А.А. Трапезников, К.В. Зотова, Н.В. Шамрова//Колло-идный журнал. - 1970. - Т. 32. -№ 3. - С. 437-443.
7. Whipping and emulsifying properties of soybean products/K. Yasumatsu [et al.]//Agric Biol Chem. -1972. - V. 36. - P. 719-727.
8. Колпакова, В.В. Белок из пшеничных отрубей. Функциональные свойства белковой муки: эмульгирующие и пенообразующие свой-ства/В.В. Колпакова, А.Е. Волкова, А.П. Нечаев//Изв. вузов. Пищ. технология. - 1995. - № 1-2. - С. 34-37.
9. Wu, Y.V. Emulsifying activity and emulsion stability of corn gluten meal/ Y. V. Wu//J. Sci. Food Agnic. - 2001. -V. 81. - P. 1223-1227 (online).
10. Lipase-Catalyzed Hydrolysis of Fish Oil in an Optimum Emulsion System/H-G. Byun [et a l. ] / / Biotechnol. Bioprocess Eng. - 2007. -V. 12. - P. 484-490.
11. Nutritional and Functional Properties of Defatted Wheat Protein Isolates/H.M.M. Hassan [et al.]//Aust. J. Basic Appl. Sci. - 2010. - V. 4. - N 2. - P. 348-358.
12. Structural and physicochemical characterization of crude biosurfactant produced by Pseudomonas aeruginosa SP4 isolated from petroleum-contaminated soil/ O. Pornsunthorntawee [et a l. ]// Bioresource Technology. - 2008. - V. 99. - P. 1589-1595.
13. Takeda, K. Emulsifying and Surface Properties of Wheat Gluten under Acidic Conditions/K. Takeda, Y. Matsumura, M. Shimizu//J. Food Science. - 2001. - V. 66. - No. 3. - P. 393-399.
14. Swift, C.E. Communited meat emulsions. The capacity of meats for emulsifying fat/C.E. Swift, C. Lockett, A.J. Fryar//Food Technol. - 1961. -V.15. - P. 468-473.
15. A comparison of the emulsification capacities of some protein concentrates/D.D. Crenwelge [et al.]//J. Food Sci. - 1974. - V. 39. -Р. 175-177.
16. Functional Properties of Low-Fat Soy Flour Produced by an Extrusion-Expelling System/A.A. Heywood [et al.]//J. Am. Oil Chem. Soc. - 2002. -V. 79. - № 12. - Р. 1249-1253.
17. Zayas, J.F. Emulsifying Properties of Corn Germ Proteins/J.F. Zayas, C.S. Lin//Cereal Chem. - 1989. - V. 66. -N 4. - P. 263-267.
