CC BY
47
УДК 664.8.022.3
Е.В. Пастушкова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ ЛЕКАРСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
В последнее время приобретает популярность обогащение пищевых продуктов биологически активными веществами, в том числе антиоксидантами. Одним из перспективных направлений в пищевой промышленности можно назвать использование натурального лекарственно-технического сырья. Данная проблема остро встает для населения, подвергнутого техногенному воздействию. Среди современных методов, позволяющих сохранить полезные вещества, можно отметить обработку пищевых продуктов высоким давлением. Проведенные исследования известных ученых подтверждают, что обработка мяса и мясных продуктов высоким давлением позволяет увеличить сроки хранения продукта путем снижения спор, способствующих разложению и порче. Преимущество данного метода заключается в применении давления в диапазоне от 100 МПа до 3000 МПа при невысоких температурах (около 200С). В пищевой отрасли процесс обработки высоким давлением уже применяется в молочной, рыбной и мясоперерабатывающей отраслях промышленности, тогда как обработка высоким давлением продуктов растительного происхождения находится в процессе изучения. Целью исследования является изучение влияния обработки лекарственно-технического сырья (ЛТС) высоким давлением в условиях всестороннего сжатия, влияющего на выход БАВ при его экстракции. В статье представлены данные установления оптимальных параметров обработки лекарственно-технического сырья, подвергнутого нетепловой обработке высоким давлением. Обработка ЛТС проводилась в течение 60 и 90 с при давлении 100 МПа, 150 МПа и 200 МПа. Результаты содержания биологически активных веществ и антиоксидантной активности ЛТС послужили основанием для определения оптимальных режимов обработки. Установлено, что при использовании барометрического воздействия на ЛТС оптимальными параметрами являются 150 МПа в течение 90 с и 200 МПа в течение 60 с. Показана эффективность использования данного метода на выход БАВ в экстракт ЛТС.
Ключевые слова: метод обработки высоким давлением, барометрическое воздействие, антиокси-дантная активность, биологически активные вещества.
E.V. Pastushkova
STUDY ON EXTRACTION OF BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES FROM MEDICINAL-TECHNICAL RAW MATERIALS BY HIGH PRESSURE
Recently the enrichment of food products with biologically active substances, including antioxidants, has become popular. One of the promising directions in the food industry can be called the use of natural medicinal and technical raw materials. This problem is acute for the population exposed to anthropogenic impact. Among the modern methods to preserve nutrients, it is possible to note the treatment of food products with high pressure. Studies of well-known scientists confirm that treatment of meat and meat products with high pressure allows increasing the shelf life of the product by reducing spores that contribute to decomposition and spoilage. The advantage of this method is the use of pressure in the range from 100 MPa to 3000 MPa at low temperatures (about 20°Q. In food processing industry, high pressure treatment is applied in dairy, fish and meat processing industries, while high pressure treatment of plant products is in the process of studying. The research aims to study the effect of treatment of medicinal and technical raw materials with high pressure under conditions of comprehensive compression, affecting the yield of biologically active substances during the extraction. The article presents the data of establishing the optimal parameters of treatment of medicinal and technical raw materials subjected to non-thermal processing by high pressure. The treatment of medicinal and technical raw materials was performed for 60 and 90 s at the pressure of 100 MPa, 150 MPa and 200 MPa. The results of the content of biologically active substances and antioxi-dant activity of medicinal and technical raw materials have served as the basis for determining the optimal treatment regimes. It is found that using the barometric effects on medicinal and technical raw materials the optimum parameters are 150 MPa for 90 s and 200 MPa for 60 s. The efficiency of using this method on the yield of biologically active substances in the extract of medicinal and technical raw materials is shown.
Key words: high-pressure treatment method, barometric effect, antioxidant activity, biologically active substances.
DOI: 10.17217/2079-0333-2018-44-56-62
Введение
В последние годы в пищевой промышленности существует тенденция к использованию натуральных ингредиентов для производства продовольственных продуктов. К наиболее известным способам извлечения биологически активных веществ относят: использование сырья, имеющего богатый потенциал; оптимизацию и использование новых видов обработки.
Актуальность использования биологически активных веществ (далее БАВ) в пищевой промышленности заключается в положительном эффекте их воздействия на организм человека. Основными причинами необходимости обогащения пищевых продуктов БАВ являются физиологические свойства, отвечающие за задержку роста злокачественных опухолей, повышение антиоксидантной защиты организма, влияние на структурные компоненты клеточных мембран.
В работах [1-3] представлены данные, свидетельствующие о возможности коррекции уровня заболеваемости населения за счет обогащения рациона питания человека веществами, осуществляющими функцию «здоровых» ингредиентов пищи. Например, сердечно-сосудистым заболеваниям противостоят такие антиоксиданты, как витамины С и Е, каротиноиды, флавоноиды, некоторые неорганические элементы, пищевые волокна. Известно, что употребление витамина С позволяет защитить организм от рака желудка, а Р-каротина - от рака легких [ 1-3].
Приоритетным направлением в области пищевой промышленности является разработка новых пищевых продуктов общего и функционального назначения, оказывающих положительное влияние на организм человека.
Стоит отметить, что в современных условиях рацион питания человека не позволяет обеспечить организм оптимальным количеством БАВ за счет традиционных пищевых продуктов, поэтому в последнее время возрастает популярность потребительских предпочтений в отношении пищевых продуктов на основе натурального растительного сырья в своем рационе.
На современном этапе развития пищевой промышленности приобретают большое значение инновационные технологии обработки растительного сырья с целью интенсификации извлечения БАВ. Современные методы извлечения БАВ из растительного сырья можно разделить на традиционные способы, такие как экстракция, и инновационные с применением современных технологий. Из базовых положений закона Фика, известно, что увеличение перехода растворимых БАВ достигается за счет степени измельченности продукта, повышения температуры, давления, продолжительности технологического процесса и гидродинамических условий [2-6]. Перечисленные условия позволяют интенсифицировать переход БАВ в экстракт.
К одному из перспективных методов можно отнести обработку пищевых продуктов высоким давлением «High Pressure Processing» (НРР). Достоинством метода является не только сохранение химического состава и пищевой ценности растительного сырья, но и его потребительских свойств, в том числе требуемого срока хранения за счет инактивации высоким давлением патогенных микроорганизмов. С точки зрения производства достоинством метода НРР является и экономическая составляющая, так как применение данного метода позволяет исключить из технологического процесса стадию внесения консервантов или бактерицидную обработку сырья [7-12].
На сегодняшний день существует альтернативный метод барометрического воздействия -метод всестороннего сжатия с помощью высокого давления при температуре окружающей среды 20°С. Достоинством данного метода является не только инактивация патогенных микроорганизмов, но и разрушение внутриклеточных вакуолей, клеточных стенок и цитоплазматических мембран клеток растительного сырья, что позволяет увеличить выход БАВ при экстракции растительного сырья, обработанного данным методом.
Оборудование, использующее метод всестороннего сжатия, способно обеспечить обработку до четырех тонн материала в час. Таким образом, основными преимуществами метода НРР перед другими методами обработки являются: изостатическое воздействие, равномерное распределение давления по продукту, инактивация растительных микробных клеток.
Целью данной работы является исследование влияния обработки лекарственно-технического сырья (далее ЛТС) высоким давлением в условиях всестороннего сжатия на выход БАВ при его экстракции.
Материалы и методы исследования
Материалом для исследования являлось высушенное ЛТС: крапива двудомная (лат. Urtica dióica), мята перечная (лат. Mentha piperita L.), душица обыкновенная (лат. Oríganum vulgáre), шалфей лекарственный (лат. Salvia officinalis), тысячелистник обыкновенный (лат. Achilléa millefólium), зверобой продырявленный (лат. Hypéricum perforátum), чабрец (лат. Thymus serpyllum L), лист брусники (лат. Vitis idaeae folia), лист черной смородины (лат. Nigrum ribes
folia) и лист вишни (лат. Cerasus folia). Сбор урожая 2015-2016 гг. осуществлялся в экологически благоприятных районах: Нижнесергинском, Шалинском. Основным критерием при выборе сырья служило содержание в ЛТС антиоксидантов: Р-активных полифенолов, аскорбиновой кислоты, аминокислот, повышающих сопротивляемость организма человека [5].
Исследования химического состава ЛТС проводили после естественной теневой сушки в атмосферном воздухе при температуре 25-30°С (рис. 1). Окончание сушки определяли по следующим признакам: черешки листьев и стебли травы, листья должны быть без излишней хрупкости, массовая доля влаги не более 14%.
Высушенное ЛТС должно быть сухим на ощупь и не слипаться в комок при сжимании в руке. Далее сырье доводили до соответствующего стандарту состояния: удаляли части, утратившие естественную окраску, измельченные части, случайно попавшие посторонние примеси [5, 6, 13].
Анализ химического состава высушенного ЛТС показал, что все отобранные образцы содержат БАВ, а, следовательно, могут являться источниками антиоксидантов. При выборе ЛТС, представленного на рис. 2, немаловажную роль сыграли его органолептические показатели, в том числе высокая ароматичность и комплексный флейвор.
Рис. 1. Технологическая схема сушки ЛТС
Вишня (лист) Черная смородина (лист) Брусника (лист) Чабрец (тимьян ползучий)
ШЖЕ
Зверобой продырявленный ИТ Тысячелистник обыкновенный Шалфей лекарственный Душица обыкновенная Мята перечная Крапива двудомная
□ Витамин Е
□ Витамин В1
□ Витамин В2
□ Полифенолы
□ Витамин В6
□ Бета-каротин
□ Витамин С
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Рис. 2. Содержание витаминов ЛТС естественной теневой сушки (год сбора 2016) мг/100 г
Высушенное ЛТС обрабатывали высоким давлением при температуре 20°С в системе МиШуас следующим образом: на подготовительном этапе пробу ЛТС массой 50 г подвергали порционному вакуумированию под пленку и помещали в загрузочный контейнер. Далее контейнер направляли в камеру высокого давления, которую герметично закрывали и наполняли маслом. За счет камерных насосов генерировали давление 100 МПа, 150 МПа, и 200 МПа в течение 60 с и 90 с. После окончания фиксированного времени камеру разгерметизировали и опустошали, после чего загрузочные контейнеры вынимали [7].
В работе использовались следующие общепринятые и специальные методы исследований:
- антиоксидантную активность определяли с помощью оценки изменения окислительно-восстановительного потенциала до и после введения анализируемого вещества в специальный раствор, содержащий медиаторную пару [6];
- содержание аскорбиновой кислоты определяли в соответствии с ГОСТ 24556-89 с учетом окрашенности экстракта; использовались методы титриметрический с потенциометрическим титрованием или фотометрический;
- общее содержание биофлавоноидов определяли в пересчете на рутин при помощи спек-трофотометрического метода на приборе после проведения реакции комплексообразования с хлоридом алюминия при X = 410 нм [4, 8, 13].
Результаты и их обсуждение
На начальном этапе было проведено исследование антиоксидантной активности ЛТС (далее АОА) (рис. 3). АОА обуславливается присутствием сложного комплекса БАВ. Наибольшую роль в АОА играют вещества полифенольной природы, витамин С, органические кислоты, дубильные вещества, некоторые аминокислоты. Большое значение имеет также присутствие веществ-синергистов. Вещества-синергисты являются донорами электронов для антиоксидантов, утративших электроны при взаимодействии со свободными радикалами [5, 6, 13]. 1
0,9
3 0,8 ^ 0,7
I 0,6
п
| 0,5 о
^ 0,4 £ 0,3 ^ 0,2 0,1 0
2,47 2,13
3,18 3,78
4,22
5,63
4,26
I 5,12
5,29
6,23
6,73
7,65
8,56
9,64
8,96
□ Крапива двудомная
□ Тысячелистник обыкновенный
□ Мята перечная
□ Лист брусники
□ Душица обыкновенная
□ Зверобой продырявленный Лист черной смородины
□ Шалфей лекарственный
□ Чебрец Лист вишни
Рис. 3. Антиоксидантная активность ЛТС, обработанного высоким давлением
Определение АОА в ЛТС, обработанного высоким давлением, проводилось в водном экстракте (гидромодуль 1:20). Показано, что в зависимости от повышения давления и времени обработки антиоксидантная активность исследуемого ЛТС после обработки высоким давлением возрастает.
Известно, что антиоксидантным эффектом обладают крапива двудомная (0,18%), лист смородины (0,12%); душица обыкновенная (0,25%), зверобой продырявленный (3,09%), тысячелистник обыкновенный (2,52%) и чабрец (0,6%) за счет высокого содержания витамина С [5, 7, 14].
Далее было исследовано содержание аскорбиновой кислоты, биофлавоноидов в ЛТС. Определение БАВ проводилось в контрольном образце (без обработки НРР) и образцах ЛТС с разными технологическими режимами обработки, указанными в таблице.
Содержание биологически активных компонентов в ЛТС, обработанном высоким давлением в течение 60 с (п = 3)
Название сырья Аскорбиновая кислота, мг/100г Общее содержание био( шавоноидов*, мг/100г
Контроль 100 Па 150 Па 200 Па Контроль 100 Па 150 Па 200 Па
Крапива двудомная 185,3±0,2 195,3±0,3 215,8±0,4 254,7±0,8 1821,4±0,2 1913,4±0,3 1956,5±0,6 2015,8±0,8
Мята перечная 0,4±0,02 0,6±0,03 0,8±0,04 1,2±0,06 1924,1±0,6 1948,7±0,8 1984,1±0,7 1994,1±1,1
Окончание табл. 1
Название сырья Аскорбиновая кислота, мг/100г Общее содержание био( шавоноидов*, мг/100г
Контроль 100 Па 150 Па 200 Па Контроль 100 Па 150 Па 200 Па
Душица обыкновенная 140,2±0,5 158,2±0,5 165,7±0,7 178,4±0,9 7514,8±0,3 7548,6±0,4 7565,8±0,5 7760,2±0,7
Шалфей лекарственный 5,34 ±0,01 6,58 ±0,03 7,48 ±0,06 8,15 ±0,08 0,12±0,01 0,24±0,013 0,32±0,016 0,43±0,017
Тысячелистник обыкновенный 89,3±0,3 94,5,3±0,4 95,63±0,8 97,48±1,2 1659,8±0,1 1698,1±0,4 1701,8±0,5 1702,4±0,5
Зверобой продырявленный 6,58 ±0,03 7,38 ±0,06 8,81 ±0,08 9,13 ±0,18 3,09±0,02 4,23±0,02 5,13±0,03 6,54±0,07
Чабрец (тимьян ползучий) 164,7±0,4 172,7±0,5 179,7±0,7 184,3±0,9 2019,6±0,4 2139,6±0,8 2235,6±0,8 2365,6±0,9
Брусника (лист) 1,41±0,03 1,79 ±0,03 2,09±0,05 2,31±0,07 0,11±0,02 0,25±0,02 0,3±0,01 0,34±0,015
Черная смородина) 3,2±0,01 3,7±0,02 4,2±0,02 5,21 ±0,04 0,5±0,03 0,59±0,048 0,68±0,052 1,23±0,063
Вишня (лист гипо) 2,1±0,05 2,9±0,05 3,61±0,07 4,16±0,08 0,1±0,03 0,18±0,04 0,24±0,07 0,37±0,09
* В пересчете на рутин.
Анализ данных, представленных в табл. 1, свидетельствует, что проведение обработки высоким давлением влияет на разрушение межклеточных мембран и, как следствие, положительно сказывается на извлечении БАВ в экстракт, что приводит к констатации их количественного увеличения в обработанном ЛТС. Так, наблюдалось увеличение количества аскорбиновой кислоты в высушенном листе брусники на 63%, а в крапиве двудомной на 72%; общее содержание флавоноидов в высушенном листе вишни на 37%, а в душице обыкновенной на 3% в сравнении с контрольными образцами.
На основании результатов исследования БАВ и АОА были подобраны оптимальные технологические параметры обработки ЛТС методом высокого давления в условиях всестороннего сжатия.
Результаты зависимости содержания БАВ и АОА в ЛТС, обработанном методом воздействия высоким давлением в условиях всестороннего сжатия в течение 60 с и 90 с, представлены на рис. 4 и 5. Они позволяют сделать вывод о том, что при обработке давлением 200 МПа оптимальное время выдержки составляет 60 с, а при 150 МПа - 90 с. Следует отметить, что при обработке давлением 100 МПа количественный прирост содержания БАВ в экстракте был незначительным (не более 10%)
□ Общее содержание биофлавоноидов
200 □ Содержание аскорбиновой
§ ■ кислоты
I 150
5 □ АОА
а 100
20
40 60 %
80
100
Рис. 4. Зависимость выхода БАВ и АОА в ЛТС, обработанном высоким давлением в течение 60 с
80 60 5? 40 20 0
50
100 150 Давление, мПа
200
250
-АОА
Содержание аскорбиновой кислоты
Общее содержание биофлавоноидов
Рис. 5. Зависимость выхода БАВ и АОА в ЛТС, обработанном высоким давлением в течение 90 с
Таким образом, установлено, что оптимальными параметрами обработки ЛТС высоким давлением являются 150 МПа в течение 90 с, при 200 МПа - 60 с. Указанные параметры воздейст-
0
0
вия высоким давлением обуславливают разрушение молекул и межклеточной ткани, что положительно сказывается на извлечении БАВ в экстракте ЛТС.
Литература
1. Разработка овощного соуса методом гидромеханического диспергирования / О.В. Голуб, О.К. Мотовилов, С.Ю. Глебова, Е.С. Удалая // Техника и технология пищевых производств. -2016. - Т. 41, № 2. - С. 28-33.
2. Гореликова Г.А. Научное обоснование и практические аспекты разработки и оценки потребительских свойств функциональных безалкогольных напитков: автореф. ... д-ра техн. наук. -Кемерово. - 2008. - С. 32.
3. Пастушкова Е.В. Формирование потребительских свойств чая с добавками растительного сырья антиоксидантной направленности: автореф. ... канд. техн. наук. - Кемерово, 2011. - С. 16.
4. Исследование процесса извлечения БАВ из растительного сырья в условиях ультразвуковой экстракции / Е.В. Аверьянова, В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, В.А. Шакура // 18 Международная конференция - семинар молодых специалистов по микро- и нанотехнологиям и электронным устройствам EDM. - Новосибирск, 2017. - С. 416.
5. Патент № 2235998 Способ определения оксидантной/антиоксидантной активности растворов / Брайнина Х.З., Иванова А.В. Патентообладатель (Уральский государственный экономический университет, Общество с ограниченной ответственностью научно-производственное внедренческое предприятие «ИВА»; дата публ. 10.09.2004 г.
6. Кретова Ю.И. Научное обоснование и практическая реализация использования сверхвысокочастотного и ультразвукового воздействия в обеспечении качества пива // Современные тенденции развития науки и производства: IV Междунар. науч.-практ. конф.: сб. в 2-х томах. -2016.- С. 207-209.
7. Тихонов С.Л., Смирнова А.В., Волков А.Ю. Разработка новой бесконсервантной технологии сохранения пищевой продукции на примере охлажденного мясного сырья / // Пища. Экология. Качество: тр. XIII междунар. науч.-практ. конф. / отв. за вып.: О.К. Мотовилов, Н.И. Пыжи-коваи др. - 2016.- С. 307-312.
8. Чугунова О.В., Пастушкова Е.В., Вяткин А.В. Практические аспекты использования плодово-ягодного сырья при создании продуктов, способствующих снижению уровня оксида-тивного стресса // Индустрия питания. - 2017. - № 2 (3). - С. 57-63.
9. Фозилова В.В. Разработка и исследование потребительских свойств чайных напитков на основе кипрея узколистного: автореф. дис. ... канд. техн наук. - Кемерово. - 2014. - С. 16.
10. Drake S.L., DePaola A., Jaykus L. An overview of Vibrio vulnificus and Vibrio parahaemolyticus // Comp. Rev. Food Sci. Saf. - 2007. № 6. - Р. 120-144.
11. High hydrostatic pressure treatment for the inactivation of Staphylococcus aureus in human blood plasma / Rivalain N., Roquain J., Boiron J.M., Maurel J.P., Largeteau A., Ivanovic Z., Demazeau G. // New Biotechnol. - 2012. - № 29. - Р. 409-414.
12. Suzuki H. Susceptibility of different mice strains to okadaic acid, a diarrhetic shellfish poisoning toxin // Food Addit. Contam. A Chem. Anal. Control Expo. Risk Assess. - 2012. - № 29. -Р.1307-1310.
13. Толмачев О.А., Тихонов С.Л., Тихонова Н.В. Влияние обработки высоким давлением растительного сырья на эктрагирование биологически активных веществ и сохранность экстракта // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. - 2016. - № 5 (40). - С. 53-57.
14. Чехани Н.Р., Павлова Л.А., Павлов В.М. Разработка технологии получения сухого экстракта из сбора растительного сырья методом водной экстракции [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 5. - URL: https://science-education.ru/ru/issue/view?id=119
15. Чугунова О.В. Теоретическое обоснование и практическое использование дескрипторно-профильного метода при разработке продуктов с заданными потребительскими свойствами: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Кемерово. - 2012. - С. 32.
Информация об авторе Information about authors
Пастушкова Екатерина Владимировна - Уральский государственный экономический университет; 620144, Россия, Екатеринбург; кандидат технических наук, доцент кафедры товароведения и экспертизы; [email protected]
Pastushkova Ekaterina Vladimirovna - Ural State University of Economics; 620144, Russia, Yekaterinburg; Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Commodity Science and Expertise Chair; [email protected]
