автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.07, диссертация на тему:Разработка технологии пищевой добавки, обогащенной флавоноидами

На правах рукописи

Аралина Анна Александровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ, ОБОГАЩЕННОЙ ФЛАВОНОИДАМИ

Специальность 05.18.07 - биотехнология пищевых продуктов и

биологических активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Щ"

21 МОЯ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005539238

005539238

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный

университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Садовой Владимир Всеволодович

Официальные оппоненты: Никифорова Татьяна Алексеевна

доктор технических наук, профессор

ГНУ ВНИИ Пищевых ароматизаторов, кислот и

красителей Россельхозакадемии, директор

Баракова Надежда Васильевна кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

аграрный университет»

Защита диссертации состоится «№» аг^ссбр ^ 2013 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.09 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»/Институт холода и биотехнологий/ по адресу: 191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, тел./факс 315-30-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан иОЛ'Ур^ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета 1 Колодязная

Д 212.227.09 / / Валентина Степановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее десятилетие состояние здоровья населения России резко ухудшилось, что во многом объясняется снижением функциональной активности органов иммунной системы организма и дефицитом необходимых для человека биологически активных веществ (витаминов, микромакроэлементов и др.).

В настоящее время к наиболее приемлемому, быстрому и эффективному способу профилактики и лечения различных заболеваний относится использование пищевых добавок. Добавки растительного происхождения более доступны и менее аллергенны. Одним из перспективных направлений при производстве добавок является разработка технологии пищевой добавки профилактического назначения из выжимки винограда. С биологической точки зрения, самым ценным компонентом в составе виноградных выжимок являются флавоноиды. Эти полифенольные соединения положительно влияют на воспалительные и язвенные процессы, обладают антиоксидантными, кровоостанавливающими свойствами, оказывают эффективное терапевтическое действие на~ увеличение прочности сосудов, проявляя профилактические свойства против образования холестериновых бляшек на их стенках. Вторичные продукты винодельческой промышленности - это дешевое и доступное сырье.

Методы извлечения и использования биологически активных веществ из вторичных ресурсов винодельческой промышленности являлись предметом исследований многих отечественных и зарубежных ученых, в том числе: К. Ф. Блиновой, А. В. Бодяковой, В. П. Георгиевского, Л. В. Донченко, Н. И. Разуваевым, Е. И. Шкариной, Б.УеИсоую, Б. МсЫаНу, Ь. Тогтакжщаз и др. Но на основании ранее проведенных исследований проблема максимального извлечения полифенольных соединений остается актуальной.

Использование корня цикория в технологии производства пищевых добавок, оказывает благоприятное влияние на обмен веществ в организме людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями и сахарным диабетом. Инулин, входящий в его состав, способствует росту полезной микрофлоры кишечника, повышению иммунитета и улучшению липидного обмена. Организм становится более устойчивым к различным видам инфекций. Поскольку полифенольные соединения и инулин оказывают благоприятное действие на организм, имеется необходимость изучения их совместного использования.

В связи с вышеизложенным, разработка технологии пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка технологии пищевой добавки профилактической направленности. Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач:

• выявить источники растительного сырья для получения пищевой добавки профилактического назначения;

• изучить химический состав ягодной кожуры винограда сорта «Левокумский» и корня цикория, изготовленного по ТУ 9198-011-00364937-2011;

• исследовать структуру и основные квант-химические характеристики флавоноидов, холестерина и механизма их взаимодействия;

• определить оптимальные технологические режимы экстракции флавоноидов из виноградных выжимок;

• теоретически обосновать и разработать технологию получения пищевой добавки;

• изучить химический состав, физико-химические, органолептические и микробиологические показатели пищевой добавки;

• на экспериментальных животных исследовать биологическую ценность, безопасность и профилактические свойства полученной добавки;

• выполнить расчет основных технико-экономических показателей по разработанной технологии;

• апробировать разработанную технологию в производственно-лабораторных условиях;

• разработать и утвердить техническую документацию на пищевую добавку, обогащенную флавоноидами.

Научная новизна. Методами компьютерной химии изучены молекулярные свойства флавоноидов красного винограда, холестерина, инулина и продуктов их химического взаимодействия. Определены режимы извлечения флавоноидов из растительного сырья. Выявлены реакционные центры молекул флавоноидов и холестерина. Молекулярным докингом установлена целесообразность использования корня цикория для получения пищевой добавки, обогащенной флавоноидами. Научно обоснована технология пищевой добавки, обогащенной флавоноидами и исследованы ее основные качественные характеристики. Проведена оценка биологической ценности, безопасности и профилактических свойств пищевой добавки.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработана технология пищевой добавки из виноградных выжимок, обогащенная флавоноидами. Разработан и утвержден стандарт организации на «Пищевую добавку, обогащенную флавоноидами» СТО №1022603220573-001-2012. Апробация разработанной технологии пищевой добавки проведена в производственной лаборатории ЗАО «Заря» Ставропольского края.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на международных научно-практических конференциях: «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны», Пенза, 2012г; «Достижения и перспективы естественных и технических наук», Ставрополь, 2012г; «Шаг в будущее: теоретические и прикладные исследования современной науки», Санкт-Петербург, 2013г; «Актуальные вопросы науки», Москва, 2013г; «Наука в современном мире», Лодзь (Польша), 2013г; 13th International Conference "Functional and Medical Foods with Bioactive Compounds: Science and Practical Application", Kyoto, Japan, 2013.

Публикации. Основные результаты проведенных диссертационных исследований, изложены в 13 научных работах, в том числе - 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 3 - в зарубежных изданиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

- квантово-химические характеристики молекул флавоноидов, холестерина, инулина и продуктов их взаимодействия;

- обоснование режимов экстракции флавоноидов из ягодной кожуры винограда;

- технология получения пищевой добавки, обогащенной флавоноидами;

- результаты исследований химического состава, биологической ценности, безопасности и профилактических свойств пищевой добавки.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы, включающего 159 источников, из них 55 - иностранных и 4 приложений. Основной текст работы изложен на 106 страницах машинописного текста, включает 23 таблицы, 19 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В актуальности дано обоснование выбранного направления исследований, показана его научная и практическая значимость.

В аналитическом обзоре научной, технической и патентной литературы представлены сырьевые источники для получения биологически активных веществ (инулина и флавоноидов), обладающих профилактическими свойствами. Рассмотрены основные характеристики и свойства флавоноидов. Особое внимание уделено проблеме переработки виноградных выжимок. Обоснована необходимость создания пищевой добавки, обогащенной флавоноидами. На основании анализа и обобщения собранной информации определены цель и задачи исследований.

Организация эксперимента. Материалы и методы исследований. В качестве объектов исследований использовали следующие ингредиенты: ягодная кожура винограда сорта «Левокумский», выработанная ЗАО «Заря» Левокумского района Ставропольского края; препарат «Цикорий натуральный, жаренный в кусочках», изготовленный ЗАО «Еремеевское» ТУ 9198-011-00364937-2011 и другие материалы, разрешенные к применению органами Госсанэпиднадзора.

Для проведения диссертационных исследований применялись стандартные и специальные методы анализа. В результате полученных данных проводился комплекс химических, органолептических и микробиологических изучений.

С целью получения достоверных математических моделей и эффективной оптимизации полученных результатов использовали математические методы планирования и обработки экспериментальных данных. Все опыты проводили в трех-, пятикратной повторности. Достоверность полученных результатов определяли в пределах допустимой ошибки (q<0,05). Для оптимизации полученных результатов использовали кластерный анализ. Анализ межфакторных взаимодействий и оптимизацию технологических режимов проводили в программах пакетах Statistica v. 8, 10, Statistic Neural Networks (SNN) v.4 и Statistic Automatically Neural Networks Code Generator (SANN) v.8. Моделирование взаимодействия химических соединений и исследование их молекулярных

свойств осуществляли в приложении НурегСЬеш у.8 и АгйоБоск V. 1.4. Общая схема эксперимента приведена на рис. 1.

Рисунок 1 - Схема проведения экспериментальных исследований

Обоснование использования флавоноидов в профилактическом питании

В Ставропольском крае значительные площади заняты под возделывание технического сорта винограда «Левокумский», после переработки которого

остается большое количество отходов в виде выжимок. Известно, что ягоды винограда содержат флавоноиды, оказывающие положительное влияние на организм человека. В связи с этим был изучен химический состав ягодной кожуры винограда сорта «Левокумский» (табл. 1) и исследованы квантово-химические характеристики флавоноидов.

Для обоснования использования полифенольных соединений в профилактическом питании были определены реакционные центры молекул флавоноидов, холестерина и изучены механизмы их взаимодействия. При исследовании возможности протекания реакции между флавоноидами и холестерином в организме человека при температуре 36,6°С методом Монте Карло были проанализированы статистические характеристики молекулярных систем. Также была исследована вероятность образования комплексных соединений флавоноидов с холестерином методом молекулярного докинга. Полученные

При анализе данных табл. 2 было установлено, что реакции ресвератрола и эпикатехин галлата с холестерином (табл. 2) являются экзотермическими, так как сумма энергий изолированных молекул реагентов больше (88,25 и 94,37), чем потенциальная энергия продуктов их реакции (86,44 и 91,99 ккал/моль соответственно). Поскольку изменение потенциальной энергии (ДЕО по сравнению с исходными реагентами (1ЕМ0Л). незначительно (-1,81 при взаимодействии ресвератрола с холестерином и -2,38 ккал/моль для эпикатехин галлата с холестерином) полученные продукты являются недостаточно стойкими соединениями. Реакции между рутином, катехином, кверцетином, эпикатехином и холестерином являются эндотермическими и следовательно неосуществимыми, поскольку изменение потенциальной энергии (ДЕ^ относительно суммы исходных компонентов (ЕЕМ0Л) равно 0,23; 1,00; 0,98; 6,42 ккал/моль, соответственно.

Результат анализа взаимодействия молекул показал, что флавоноиды рутин, катехин, ресвератрол, эпикатехин и эпикатехин галлат образуют прочные комплексные соединения с холестерином с изменением суммы потенциальной энергии (ДЕ2) -183,64; -154,89; -127,24; -152,14; -188,40 ккал/моль, соответственно, что показывает возможность употребления флавоноидов в пищу для профилактики отложения холестерина в организме.

Таблица 1 - Химический состав ягодной кожуры винограда я<0,05

Показатели Содержание

% % на сухой остаток

Влага 50,7 -

Белок 6,1 12,4

Сахара 11,2 22,7

Жир 4,6 9,3

Флавоноиды 2,7 5,5

Клетчатка 13,6 27,6

Титруемые кислоты 0,7 1,4

Зола 4,3 8,7

Пектиновые вещества 5,6 11,4

результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Квантово-химические характеристики флавоноидов винограда, холестерина и продуктов их взаимодействия

Характеристики Флавоноиды Холестерин (I)

Рутин (А) Катехин (В) Кверцетин (С) Ресвератрол (О) Эпикатехин (Р) И ё в к 3 В 1 о 1-1

1 2 3 4 5 6 7 8

Потенциальная энергия изолированных молекул, ккал/моль 43,01 1,99 20,36 12,91 2,09 5,19 47,17

Потенциальная энергия При Зб,6°С (Епот), ккал/моль 57,10 20,55 26,14 24,87 21,61 30,98 63,38

Сумма энергии изолированных молекул реагентов (ЕЕМол), ккал/моль А+1 В+1 С+1 Б+1 Р+1 Н+1 -

120,48 83,94 89,53 88,25 84,99 94,37

Потенциальная энергия продуктов реакции при 36,6° С (Ещхм), ккал/моль А1 В1 С1 01 Н1 -

120,71 84,94 90,51 86,44 91,41 91,99

Изменение потенциальной энергии относительно исходных компонентов (ДЕ]), ккал/моль 0,23 1,00 0,98 -1,81 6,42 -2,38 -

Изменение суммы потенциальной энергии изолированных молекул, методом молекулярного докинга (ДЕг), ккал/моль -183,64 -154,89 компоненты не локируются -127,24 -152,14 -188,40 -

Разработка технологии пищевой добавки, обогащенной флавоноидами

В результате проведения серии экспериментов с использованием методов компьютерной химии было установлено, что экстракцию флавоноидов из ягодной кожуры винограда наиболее эффективно проводить водно-спиртовым раствором с добавлением хлороводородной кислоты. На процесс экстракции изучалось влияние температуры (1эКС1р), концентрации этилового спирта (Ссп) и хлороводородной кислоты (С Нс|) в растворе, длительности обработки (т^,). Крайние границы действующих факторов в матрице планирования (табл. 3) определяли с помощью многофакторного эксперимента, с применением греко-латинских квадратов.

Количественное содержание флавоноидов в экстрактах определяли спектрофотометрическим методом. По входным переменным матрицы планирования был создан массив данных, в котором для каждого опыта с помощью разработанной нейронной сети рассчитан выход флавоноидов (% от их общего содержания в исходном сырье) из ягодной кожуры.

Таблица 3 - Границы действующих факторов

Безразмерный показатель Концентрация этилового спирта, % объемной доли (Ссп) Температура экстракции, °С (t3KCip) Длительность процесса, МИН (Т„р) Содержание хлороводородной кислоты в растворе, % объемной доли (Сна)

+1 90 90 30 2

0 75 75 20 1

-1 60 60 10 0

Методом кластерного анализа (рис. 2) были определены диапазоны технологических режимов извлечения флавоноидов из ягодной кожуры винограда: концентрация этилового спирта 57-62 об. %, концентрация хлороводородной кислоты 2,9-3,1 об. %; температура - 73-78°С; длительность процесса - 43-47 мин. Установлено, что при таких параметрах технологической обработки выход флавоноидов до 91,3 % от их общего содержания в исходном сырье.

Ссп

(экстр

Тпр Переменные

С KCl

Выход

-0- Cluster 1 -0- Clusler 2 Cluster 3 -a- Cluster 4 -*• Cluster 5 -« - Cluster G -*- Cluster 7 : •sie Cluster 8 •-+•• Cluster 9

•-o- Cluster 39 -o- Cluster 40

Рисунок 2

- Оптимизация технологических режимов извлечения флавоноидов из ягодной кожуры винограда

Согласно установленным режимам технологической обработки ягодной кожуры винограда был получен экстракт, который имел насыщенный темно-вишневый цвет. В табл. 4 приведен его химический состав.

Таблица 4 - Химический состав Количество флавоноидов в

экстракте составило 28,62% относительно сухого вещества. В качестве сорбента для выделения полифенольных соединений из полученной фракции использовали корень цикория, содержащий инулин.

Методами ■ компьютерной химии обосновано использование инулина, для получения пищевой добавки, обогащенной флавоноидами. Исследованы молекулярные свойства, структура, распределение плотности заряда и общий заряд молекулы

инулина (табл. 5). Определена вероятность взаимодействия инулина с флавоноидами (рис. 3).

Таблица 5 - Изменение потенциальной энергии молекулярных систем

экстракта из виноградных выжимок Ч < 0,05

Содержание,

№ Показатели % % в сухом

веществе

1 Сухие вещества 2,90 -

2 Флавоноиды 0,83 28,62

3 Винные кислоты 0,18 6,21

4 Углеводы 1,10 37,93

Вещества Потенциальная энергия молекул, ккал/моль Сумма потенциальной энергии молекул флавоноидов с инулином ккал/моль Изменение потенциальной энергии молекул, ккал/моль Потенциальная энергия комплексных соединений, ккал/моль

Инулин 104,45 - - -

Рутин 43,01 147,46 -366,75 -219,30

Катехин 1,99 106,44 -282.87 -176,43

Кверцетин 20,36 124,81 -310,55 -185,74

Ресвератрол 12,91 117,36 -269,27 -151,92

Эпикатехин 2,09 106,54 -271,65 -165,12

Эпикатехин галлат 5,19 109,64 -322,98 -213,34

При анализе данных табл. 5 установлено, что при взаимодействии инулина с флавоноидами образуется прочное комплексное соединение, о чем свидетельствует снижение суммы потенциальной энергии двух молекул (со 147,46 до -219,30 ккал/моль). Полученные результаты показали целесообразность использования корня цикория для сорбции флавоноидов из экстракта, полученного при обработке ягодной кожуры винограда.

Извлечение флавоноидов из экстракта корнем цикория, изготовленного по ТУ 9198-011-00364937-2011, проводили по матрице планирования греко-латинских квадратов на пяти уровнях. Соотношение измельченного корня цикория и экстракта составляло 1:4 массовых долей соответственно. Полученные растворы тщательно перемешивали, подогревали на водяной бане до заданной температуры и центрифугировали.

Общая энергия межмолекулярного взаимодействия

Ей)Ш! -184,06 ЕаЬаие: -134.05

Молекула эпшсзтехина

Рисунок 3 -Молекулярный докинг инулина и эпикатехина

По проведенным исследованиям был создан массив данных с последующей оптимизацией и определены режимы сорбции флавоноидов цикорием: температура - 75-80°С, время - 10—15 минут, скорость седиментации - 0,2450,293 м/с. Установлено, что повышение температуры (выше 80°С) и продолжительности центрифугирования (более 15 мин.) не способствует увеличению степени сорбирования флавоноидов из раствора. По всей вероятности, это обусловлено гидролизом инулина и образованием растворимых комплексных соединений.

Полученную в ходе эксперимента смесь разделяли на фракции центрифугированием. В результате был получен осадок темно-коричневого цвета с бордовым оттенком, который высушивали при температуре не выше 80°С до влажности не более 8%. Активная кислотность (рН) высушенной массы составляла 3,4.

Проведенные исследования послужили основой для разработки технологической схемы производства пищевой добавки (рис. 4).

Рисунок 4 - Технологическая схема производства пищевой добавки В сухом порошкообразном образце определяли химический (табл. 6), минеральный составы, органолептические (табл. 7) и микробиологические показатели.

Таблица 6 - Химический состав ПРИ анализе минерального

добавки (я<0,05) состава добавки установлено, что

содержание лимитируемых элементов не превышало допустимых норм. Микробиологические исследования показали, что в исходном образце и после рекомендуемого срока хранения (6 мес.) количество микроорганизмов находилось в пределах допустимых норм, предусмотренных СанПиН 2.3.2.1078-01.

Полученный образец не имел ярко выраженного запаха и обладал нейтральным вкусом (табл. 7),

Показатели Содержание

% %на сухой остаток

Влага 7,4 -

Углеводы 67,6 73,0

в том числе инулин 47,6 51,4

Флавоноиды 2,7 2,9

Минеральные вещества 9,3 10,0

Белок 11,2 12,1

Таблица 7 - Органолептические показатели образца

Наименование Показатели -

Цвет коричневый с бордовым оггенком

Запах слабый кофейно-виноградный

Вкус нейтральный с незначительным сладким привкусом

Внешний вид сухой порошок однородной консистенции, допускается наличие комочков, легко рассыпающихся при физическом воздействии

Структура рассыпчатая

Добавку апробировали при приготовлении каш гречневой и «5 злаков». По результатам сенсорного анализа установлено, что пищевая добавка не ухудшает качество готового продукта и может быть использована в технологии его приготовления.

Расчет калькуляции себестоимости «Пищевой добавки, обогащенной флавоноидами», показал, что оптовая цена препарата составляет 144 руб/кг при уровне рентабельности 15 %.

Оценка биологической ценности и безопасности пищевой добавки

Оценка биологической ценности, безопасности и профилактических свойств разработанной пищевой добавки, обогащенной флавоноидами проводилась на лабораторных животных. Эксперимент проводили путем имитации ожирения у экспериментальных животных (морских свинок), повышая калорийность пищи за счет введения в рацион избыточного количества липидов (говяжий жир). Животные были разбиты на 5 групп. 2 недели 4 группы животных получали корм, содержащий животные жиры. Затем 3 группам вместе с кормом, богатым липидами, давали пищевую добавку, обогащенную флавоноидами, которую вводили вместе с водой 1 раз в сутки в следующих дозировках: группа 1 (опыт 1) - 70 мг; группа 2 (опыт 2) - 140 мг; группа 3 (опыт 3) - 210 мг на 1кг живой массы; группа 4 (контроль 2) - на протяжении всего эксперимента получала обогащенный говяжьим жиром корм; группа 5 (контроль 1) - интактные животные, которые получали стандартный рацион вивария для данного вида.

После скармливания морским свинкам рациона, обогащённого говяжьим жиром, их живая масса в разных группах подверглась изменению. У животных группы «Контроль 1» живая масса увеличилась за 14 дней на 3,14%. В группах «Контроль 2» и опыты 1, 2 и 3 живая масса увеличилась на 3,8 - 4,2%. Абсолютной прирост живой массы в этих группах был больше на 25-38,9%, чем у группы «Контроль 1». Введение в рацион животным опытных групп пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, оказало снижение прироста их живой массы в сравнении с «Контролем 2» на 12,8-15,0 %. Таким образом, данный образец добавки положительно влияет на физиологические процессы лабораторных животных, снижая риск ожирения.

По окончании эксперимента изучали влияние пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, на биохимические показатели и про-антиоксидантное равновесие крови опытных животных. Полученные данные представлены в табл. 8.

Таблица 8 ^Биохимические показатели и про- антиоксидантное равновесие крови у морских свинок, после введения в рацион пищевой добавки ^<0,05)

Показатели Контроль 1 Контроль 2 (ожирение) Опыт 1 Опыт 2 ОпытЗ

Общие липиды (г/л) 3,06 6,37 4,44 3,39 3,44

Липопротеины низкой плотности (г/л) 2,08 3,05 2,99 2,46 2,42

Холестерин (ммоль/л) 0,86 1,12 1,14 0,84 0,78

Триглицериды (ммоль/л) 0,88 1,39 0,90 0,85 0,83

Общий белок (г/л) 64,62 57,78 65,12 68,48 68,35

Мочевина (ммоль/л) 8,87 5,22 6,38 9,00 8,20

Глюкоза (ммоль/л) 6,50 11,20 8,90 7,30 6,30

МДА, (мкмоль/л) 10,4 7,90 5,30 6,50 7,10

Каталаза (мкмоль/млхмин) 17,9 46,40 75,50 54,20 61,80

Витамин Е, (мкг/мл) 21,40 24,10 45,90 29,50 35,40

Витамин А, (мкг/л) 15,50 24,00 36,80 34,30 32,30

Резистентность Эр, (% гемолиза) 60,40 73,70 75,10 59,70 59,60

Эритроциты (106/мкл) 7,51 8,52 8,01 7,89 7,51

Гемоглобин (г/л) 122,30 106,60 114,90 110,30 122,30

Цветной показатель 0,50 0,38 0,43 0,42 0,50

Гематокрит (%) 0,46 0,48 0,46 0,46 0,46

Лейкоциты (103/мкл) 7,69 8,25 8,25 8,00 7,69

В результате анализа данных табл. 8 установлено, что при введении в рацион пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, в дозе 70, 140 и 210 мг на кг массы снижает содержание общих липидов на 30,3-46,7%, ЛПНП на 1,9-20,7 %, холестерина на 1,8-34% и триглецеридов на 35,3-40,3%, таким образом нормализуется липидный обмен, что предотвращает развитие патологических состояний, связанных с ожирением. Состояние проантиоксидантного баланса в организме морских свинок при ожирении показывает снижение процесса перекисного окисления липидов (ПОЛ), о чем свидетельствует снижение образования в крови экспериментальных животных альдегидных продуктов ПОЛ (МДА на 32,9-10,1%) и повышение антиоксидантной защиты (витамины А на 34,6-53,3 % и Е - на 22,4-90,5%).

В результате проведенного эксперимента рекомендуется применение пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, в дозе 140 мг на 1 кг массы тела, что приблизительно соответствует суточным потребностям организма в веществах, входящих в состав разработанного препарата.

Выводы

1. Обоснована целесообразность разработки технологии получения пищевой добавки, обогащенной флавоноидами. Определены сырьевые ресурсы богатые полифенольными соединениями и инулином.

2. Определено, что ягодная кожура винограда сорта «Левокумский» содержит значительное количество флавоноидов (2,7%), а корень цикория, изготовленный по ТУ 9198-0Ц-00364937-2011, является богатым источником инулина (54,1 %).

3. Методами компьютерной химии изучены молекулярные характеристики флавоноидов красного винограда (рутин, катехин, кверцетин, ресвератрол, эпикатехин, эпикатехин галлат) и холестерина. На основе проведенных исследований определены реакционные центры молекул, в которых происходит соединение флавоноида с холестерином.

4. В результате квантово-химических исследований установлено, что при взаимодействии молекул флавоноидов с холестерином образуются прочные комплексные соединения (за исключением холестерина с кверцетином), которые в последствии выводятся из организма.

5. Установлены режимы технологической обработки ягодной кожуры винограда: температура - 73-78°С, время - 43-47 мин., концентрация этилового спирта 57-62 об. % и концентрация хлороводородной кислоты в растворе - 2,93,1 об. %, обеспечивающие максимальное извлечение флавоноидов с 84 0 до 91,3% от их общего содержания в исходном сырье.

6. Результатами молекулярного докинга инулина с флавоноидами были доказаны сорбционные свойства инулина в силу, образования прочных комплексных соединений с полифенольными соединениями.

7. Установлены режимы сорбции флавоноидов из полученного экстракта корнем цикория при температуре 75-80°С, с последующим разделением фракций в течение 10-15 мин при скорости седиментации 0,245-0,293 м/с.

8. Анализ химического состава полученной пищевой добавки показал, что содержание флавоноидов составило 2,9 % в сухом веществе, инулина - 51,4%. По минеральному составу и микробиологическим показателям пищевая добавка соответствует требованиям СанПин 2.3.2.1078-01. Обосновано использование разработанной добавки в технологии приготовления пищевых продуктов.

9. Исследование биологической ценности и безопасности разработанной пищевой добавки на лабораторных животных (морских свинках) показало, что использование ее в рационе питания нормализует физиологическое состояние организма и биохимические показатели крови.

10. Разработана технологическая схема производства пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, и утвержден стандарт организации №1022603220573001-2012 «Пищевая добавка, обогащенная флавоноидами». Апробация разработанной технологии проведена на предприятии ЗАО «Заря» Ставропольского края.

11. Рассчитана калькуляция себестоимости разработанной технологии. Оптовая цена пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, при уровне рентабельности 15% составила 144 руб.

16 ! Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Аралина, А. А. Получение пищевой добавки из виноградных выжимок / В. В. Садовой, М. А. Селимов, А. А. Аралина // Известия ВУЗов. Пищевая технология. - Краснодар, 2011. - № 5-6.-С. 41-43.

2. Аралина, А. А. Исследование молекулярных характеристик флавоноидов красного винограда и холестерина / А. А. Аралина, В. В. Садовой, Т. В. Щедрина // Сборник материалов II Международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы естественных и технических наук». - Ставрополь: «Логос», 2012. - С. 45-47.

3. Аралина, А. А. Изучение механизмов реакций и образования комплексных соединений флавоноидов красного винограда с холестерином / А. А. Аралина // Материалы II Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. -Пенза, 2012. - С. 413—418.

4. Аралина, А. А. Анализ и оптимизация технологического процесса извлечения флавоноидов из виноградньи выжимок / А. А. Аралина, М. А. Селимов, В. В. Садовой // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. - Москва, 2012. - №2. - С. 55-57.

5. Аралина, А. А. Оценка эффективности биологически активных добавок для профилактики ожирения / В. В. Садовой, А. А. Аралина, О. Ю. Бунина, Т. В. Щедрина // Известия вузов. Пищевая технология. - Краснодар, 2012. - № 5-6. - С. 86-89.

6. Aralina, A. Dietary supplements and their role in obesity prevention / Vladimir Sadovoy, Atcady Silantyev, Olga Bunina, Tatiana Shchedrina, Anna Aralina // IOSR Journal of Pharmacy, 2012. - e-ISSN: 2250-3013, p-ISSN: 2319-4219, Vol. 2, Issue 6, Nov-Dec. - P. 23-28.

7. Aralina, A. Analysis and Optimization of the Technological Process of Extracting Flavonoids from Grape Pomace / A. A. Aralina, M. A. Selimov, and V. V. Sadovoy II Russian Agricultural Sciences, 2012. - Vol. 38, №2. - P. 157-159.

8. Аралина, А. А. Обоснование использования корня цикория для получения пищевой биологически активной добавки, обогащенной флавоноидами / А. А. Аралина, В. В. Садовой // Материалы международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее: теоретические и прикладные исследования современной науки». - Санкт-Петербург, 2013. - С. 8-16.

9. Аралина, А. А. Компьютерное моделирование механизма взаимодействия флавоноидов красного винограда с холестерином / В. В. Садовой, А. А. Аралина, Т. В. Щедрина // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. - Москва, 2013. - №3. - С. 60-62.

10. Аралина, А. А. Алгоритмизация технологического процесса извлечения флавоноидов из виноградных выжимок ! А. А. Аралина, В. В. Садовой // Материалы Международной Научной конференции «Наука в современном мире». - Лодзь, Польша, 2013. - С. 27-29.

11. Аралина, А. А. Обоснование химического взаимодействия инулина с флавоноидами / В. В. Садовой, А. А. Аралина // Материалы Международной Научной конференции «Наука в современном мире». - Лодзь, Польша, 2013. - С. 30-32.

12. Аралина, А. А. Виноградные выжимки, как источник флавоноидов / А. А. Аралина, В. В. Садовой // Материалы IX Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки». - Москва, 2013. - С. 45-47.

13. Aralina, A. A study of interaction mechanism between red grape flavonoids and cholesterol / V. Sadovoy, A Silantyev, A. Aralina, T. Shchedrina // Proceedings of the 13th international conference «Functional and Medical Foods with Bioactive Conpounds: Science and Practical Application». - Kyoto Japan, 2013.-P. 255.

Подписано в печать 2.+.10. И, формат60x84 1/16.

Усл. печ.л. Печ.л. 1.0. Тираж 80 Экз. Заказ №39?..

НИУ ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49

ИИК ИХиБТ. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет»

На правах рукописи

04201 451 381

Аралина Анна Александровна

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ, ОБОГАЩЕННОЙ ФЛАВОНОИДАМИ

Специальность 05.18.07 - биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., доцент Садовой В. В.

Ставрополь - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.............................................................. 4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ДОБАВОК С ПРОФИЛАКТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ............................. 6

1.1. Биологически активные добавки, их классификация и роль в

питании........................................................................................ 6

1.2. Состав виноградных выжимок..................................................... 11

1.3. Основные виды и функции флавоноидов........................................ 13

1.4. Методы извлечения флавоноидов из растительного сырья..................... 23

1.5. Способы переработки виноградных выжимок................................. 27

1.6. Заключение к аналитическому обзору, цель и задачи

исследований........................................................................... 3 ^

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................ 34

2.1. Характеристика объектов исследования и условия проведения эксперимента............................................................................... 34

2.2. Методы исследований..................................................................................................................36

2.3. Математическое планирование и обработка экспериментальных

данных....................................................................................... 41

3. ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФЛАВОНОИДОВ В ПРОФИЛАКТИЧЕСКОМ ПИТАНИИ................................................ 42

3.1. Изучение химического состава ягодной кожуры винограда................. 42

3.2. Исследование молекулярных характеристик флавоноидов красного винограда и холестерина........................................................................ 43

3.3. Изучение механизмов реакций и образования комплексных соединений флавоноидов с холестерином............................................................................47

3.4. Заключение..............................................................................................................................................52

4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ, ОБОГАЩЕННОЙ ФЛАВОНОИДАМИ............................................................. 53

4.1. Исследование режимов извлечения флавоноидов из ягодной кожуры винограда........................................................................................................................................................................53

4.2. Обоснование использования корня цикория для получения пищевой добавки..............................................................................................................................................................................60

4.3. Разработка технологии пищевой добавки, обогащенной флавоноидами..............................................................................................................................................................63

4.4. Состав и свойства добавки, обогащенной флавоноидами............................................71

4.5. Технологическая схема производства пищевой добавки........................................75

4.6. Обоснование использования добавки, обогащенной флавоноидами, в технологии приготовления пищевых продуктов........................................................................77

4.7. Заключение..........................................................................................................................................................79

5. ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ

ПИЩЕВОЙ ДОБАВКИ....................................................................................................................................81

ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................................91

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................................93

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................................................................................................................107

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ 3....................................................................................................................................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ 4....................................................................................................................................................129

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Экологическая ситуация, малоподвижный образ жизни, стрессовые ситуации, злоупотребление вредными привычками - все это приводит к тому, что с каждым годом в мире увеличивается количество людей, страдающих различными болезнями. Наиболее распространенными являются заболевания сердечно-сосудистой системы, которые возникают из-за нарушения деятельности кровеносных сосудов и сердца. В последнее десятилетие состояние здоровья населения России резко ухудшилось, что во многом объясняется снижением функциональной активности органов иммунной системы организма и дефицитом необходимых для человека биологически активных веществ (витаминов, микро-, макроэлементов и др.) [113].

В настоящее время среди специалистов в области рационального и профилактического питания бытует мнение, что наиболее приемлемым, быстрым и эффективным (с точки зрения безопасности и побочных эффектов) способом профилактики и лечения различных заболеваний является использование пищевых и биологически активных добавок (БАДов). Они способствуют улучшению общего состояния организма, восполняют недостающие в рационе вещества, а также поставляют в организм соединения, которые повышают устойчивость его к действиям различных неблагоприятных факторов.

Таким образом, пищевые и биологически активные добавки, при их правильном применении являются средствами, способствующими повышению устойчивости к различным заболеваниям, эффективности лекарственной терапии, оздоровления организма и долголетия. Отличительной особенностью пищевых и биологически активных добавок от лекарственных препаратов является их достаточная эффективность из-за отсутствия токсичных компонентов, поскольку в их состав преимущественно входят вещества природного происхождения.

Пищевые добавки растительного происхождения являются более доступными и менее аллергенными. Более того, производство добавок из

растительного сырья менее трудоемко и экономически выгоднее. Одним из перспективных направлений при производстве добавок является разработка технологии пищевой добавки профилактического назначения из выжимки винограда. С биологической точки зрения, самым ценным компонентом в составе виноградных выжимок являются флавоноиды. Эти полифенольные соединения положительно влияют на воспалительные и язвенные процессы, обладают антиоксидантными, кровоостанавливающими свойствами, оказывают эффективное терапевтическое действие на увеличение прочности сосудов, проявляя профилактические свойства против образования холестериновых бляшек на их стенках. Вторичные продукты винодельческой промышленности -это дешевое и доступное сырье.

Методы извлечения и использования биологически активных веществ из вторичных ресурсов винодельческой промышленности являлись предметом исследований многих отечественных и зарубежных ученых, в том числе: К. Ф. Блиновой, А. В. Бодяковой, В. П. Георгиевского, Л. В. Донченко, Н. И. Разуваевым, Е. И. Шкариной, О.УеНсоУю, Б. Мс№11у, Ь. Тогтакж^аБ и др. Но на основании ранее проведенных исследований проблема максимального извлечения полифенольных соединений остается актуальной.

Использование корня цикория в технологии производства пищевых добавок, оказывает благоприятное влияние на обмен веществ в организме людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями и сахарным диабетом. Инулин, входящий в его состав, способствует росту полезной микрофлоры кишечника, повышению иммунитета и улучшению липидного обмена. Организм становится более устойчивым к различным видам инфекций. Поскольку полифенольные соединения и инулин оказывают благоприятное действие на организм, имеется необходимость изучения их совместного использования.

В связи с вышеизложенным, разработка технологии пищевой добавки, обогащенной флавоноидами, является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПИЩЕВЫХ ДОБАВОК С ПРОФИЛАКТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

В настоящее время большое внимание уделяется взаимосвязи между здоровьем человека и особенностями его питания, которое является фактором нормального функционирования всех систем организма, а также повышения сопротивляемости его к различным неблагоприятным воздействиям внешней среды. Структура питания современного человека характеризуется недостаточным потреблением незаменимых компонентов пищи. Отклонение от сбалансированного питания часто приводит к нарушениям в работе организма и, следовательно, к развитию различных заболеваний [131].

Рекомендуемое потребление незаменимых веществ в рационе питания не может быть достигнуто простым увеличением употребления натуральных продуктов, в связи с этим требуются новые подходы и решения данной проблемы. В этой ситуации большинство ученых - нутрициологов приходят к выводу о необходимости широкого применения пищевых и биологически активных добавок, которые наряду с лекарственными препаратами и витаминно-минеральными комплексами приобретают все большую популярность [152].

1.1. Биологически активные добавки, их классификация и роль в питании

Биологически активные добавки (БАД) к пище - это концентраты биологически активных веществ, предназначенные для непосредственного приёма с пищей или введения в состав пищевых продуктов, с целью обогащения рациона питания человека отдельными биологически активными веществами или их комплексами [133].

БАДы являются настоящим и будущим профилактического и диетического питания. На основании опыта практикующих врачей, все большее количество клинических наблюдений свидетельствуют об эффективности БАДов. Данные средства являются универсальными, так как их действие не является

специфическим, как у большинства лекарственных препаратов, то есть они не направлены на какой-то патологический процесс или конкретный возбудитель, а комплексно воздействуют на механизмы обмена веществ, регуляторные системы и нарушения функциональной активности органов и систем организма, которые приводят к развитию большинства заболеваний человека [153].

БАДы получают из растительного, животного, минерального сырья, химическими или биотехнологическими способами. Делят их на три основные группы.

1. Нутрицевтики - это биологически активные добавки, которые применяются для пополнения эссенциальных веществ в организме [121]. Их подразделяют на несколько подгрупп:

- нутрицевтики для функционального питания (витамины, минералы, пищевые волокна, ферменты);

- нутрицевтики, используемые для восполнения дефицита незаменимых пищевых веществ, повышения неспецифической резистентности организма к действию неблагоприятных факторов окружающей среды и повышения уровня иммунитета (эссенциальные жирные и аминокислоты);

- нутрицевтики, действие которых направлено на изменение обмена веществ, связывание и выведение ксенобиотиков [141, 121, 126].

2. Парафармацевтики - это БАДы, применяемые для профилактики заболеваний, вспомогательной терапии и поддержки функциональной активности органов и систем [141, 144]. Их подразделяют на следующие подгруппы:

- БАДы на растительной основе (сухие, жидкие, таблетированные, капсулированные, порошкообразные, смеси высушенных лекарственных растений);

- БАДы на основе переработки животного сырья (мясомолочного, субпродуктов, рыбы, морепродуктов);

- БАДы на основе продуктов пчеловодства (маточное молочко, пыльца, мед, воск и др.) [141].

3. Эубиотики (пробиотики) - биологические препараты, содержащие живые, ослабленные штаммы, оказывающие нормализующее воздействие на состав и биологическую активность микрофлоры пищеварительного тракта [144,139, 132].

Производятся БАДы в виде экстрактов, бальзамов, настоев, сухих и жидких концентратов, порошков, сиропов, брикетов, сборов, растительных чаев, таблеток и капсулированных средств. Безгранично и число компонентов, которые используются при их изготовлении [131].

В связи с развитием множества заболеваний и возникновением проблем со здоровьем все большее количество людей склоняется к их профилактике, для проведения которой чаще всего используют различные биологически активные добавки. Все БАДы условно делятся на категории [7,145].

1. БАДы, влияющие на функции центральной нервной системы:

- БАДы мягкого успокаивающего действия («Амитон-Стресс Блок» (Аполлукс, Россия), «Формула сна» (Эвалар, Россия), «Триосон» (Парафарм, Россия), «Лотосонник» (Данафа, Вьетнам), «Милона 8» ((Эвалар, Россия) и др.);

- БАДы мягкого тонизирующего действия («Женьшень» (Парафарм, Россия) , чай «Гибискус» (№\уЬу, Англия), «Пантогематоген» сироп (МедФарм, Россия), «Элеутерококк плюс» (Биокор, Россия и др.);

- БАДы, способствующие улучшению метаболизма в тканях головного мозга («Гингко Билоба» (8о^аг, США), «Риколин» (Индустри Джаму, Индонезия), «Гинкоум» (Эвалар, Россия) и др.).

2. БАДы, влияющие на функции сердечно-сосудистой системы:

- БАДы для поддержания функции сердечно-сосудистой системы («Тинктал» (ЭлитМед, Россия), «Топинамбура чай» (Витацентр, Россия), «Атероклефит» (Эвалар, Россия) и др.);

- БАДы, способствующие нормализации липидного обмена («Омеганол» (ООО Вис, Россия), «Рыбий жир» (Омега Фарма, Норвегия), «Мослецитин» (НИИ Биомед. Химии, Россия), «Чистые сосуды» (Хорст, Россия) и др.);

- БАДы, способствующие нормализации венозного и капиллярного кровообращения, в том числе мозгового («Сосудистые травы» (Леовит нутрио, Россия), «Трансверол молодые сосуды» (В-Мин, Россия), «Асклезан» (Висмут, Россия), «Одуванчик П» (Хорст, Россия) и др.).

3. БАДы для лиц, контролирующих массу тела:

- БАДы, снижающие объем и калорийность принятой пищи, ускоряющие распад жиров в организме («Гарцинии экстракт» (Эвалар, Россия), «Диетон» (Эвалар, Россия), «Вилена Слиминг» (Eurokiss, ОАЭ) и др.);

- БАДы, способствующие очищению кишечника (чай «Золотой дракон» (Фора-Фарм Лоджик, Россия), чай «Летящая Ласточка» (Люйшаньцзю, Китай), «ЛедиС Цитримакс» (ФармаМед, Канада), чай «Похудей. Вишня»(Церера, Россия) и др.).

А также БАДы, источники минеральных, антиоксидантных и, влияющих на энергетический обмен веществ. БАДы, влияющие на процессы тканевого обмена, гуморальные факторы регуляции обмена веществ, детоксикации и способствующие выведению из организма чужеродных и токсических веществ, поддерживающие функции иммунной системы, органов дыхания, пищеварения, опорно-двигательного аппарата, мочеполовой системы и с иным преимущественным действием [7, 145, 154].

Наиболее распространены БАДы на растительной основе, способствующие общему укреплению организма и предотвращающие ряд заболеваний (сахарный диабет, заболевания сердечно-сосудистой системы, рак и др.). Так, например, одним из наиболее дешевых растительных препаратов является корень цикория, который способствует развитию полезной микрофлоры кишечника, улучшает обмен веществ, обладает общеукрепляющим, сахаропонижающим, противовоспалительным, противомикробным, мочегонным и желчегонным действием, а также является бифидостимулятором [122].

Корень цикория имеет богатый состав: витамин С, пектин, витамины группы В, смолы, макро- и микроэлементы, каротин, органические кислоты, белковые и дубильные вещества, углеводы (в том числе до 60 % инулина). В составе корня цикория содержится большое количество легкоусвояемых

веществ, благодаря чему он является ценнейшим продуктом питания, особенно для людей, страдающих сахарным диабетом и сердечно-сосудистыми заболеваниями [150, 151].

Инулин - ценный компонент в составе корня цикория, благоприятно влияющий на обмен веществ в организме. Под действием ферментов и соляной кислоты кишечника инулин расщепляется на отдельные молекулы фруктозы, которые проникают в кровеносное русло. Нерасщепленная часть инулина выводится из организма, увлекая за собой массу ненужных организму веществ (тяжелые металлы, холестерин, токсины и др.). При этом инулин способствует усвоению витаминов и минералов в организме и улучшает обмен липидов -холестерина, триглицеридов и фосфолипидов в крови, тем самым снижает риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, смягчает их последствия, укрепляет иммунную систему организма [148, 138].

Существует множество препаратов, в состав которых входит инулин в чистом виде. Так, например, БАД к пище «Инулин пищевой» и «Инулин-Лиавир» способствуют нормализации деятельности кишечника, эффективны при острых и хронических желудочно-кишечных инфекциях, дисбактериозе, гастритах, энтеритах, колитах, частых ОРЗ и ОРВИ, импотенции. Инулин обладает выраженными антагонистическими свойствами в отношении патогенных микроорганизмов, сдерживает развитие гнилостных процессов в кишечнике, обладает кровоочистительным, желчегонным действием, улучшает обмен веществ, укрепляет иммунную защиту, замедляет процессы старения. Инулин предупреждае�