автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.01, диссертация на тему:Получение, изучение свойств и применение натуральных каротиноидно-антоциановых красителей

005061307

На правах рукописи

ШИЧКИНА Елена Сергеевна

ПОЛУЧЕНИЕ, ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ И ПРИМЕНЕНИЕ НАТУРАЛЬНЫХ КАРОТИНОИДНО-АНТОЦИАНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

18.01 - «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 !\СН 2013

Воронеж - 2013

005061307

Работа выпоппа п в ФГБОУ ВПО «Воронежский пхударсгеенньм универапег инженерных технологий».

Научшй руководитель: джіфтоав^каакінук,пра|)ессф

Батогов Владимир Михайлович (ФГБОУ ВПО «Воронокский пхуцарсгасиньй унивфапетинжЕнерньктехнсгогий»); Офифальнью сппоненгьп Агафонов Геннздй Вячеславович

доктор технических наук, профессор, (ФГБОУ ВПО «Воронокский государственный универсигег инженєрі тых тем юлогий», заведадший кафедрой); Котик Ольга Александровна кандвдагтехнических щк, профеосф (ФПЮУ ВПО <<Вороне.кск№і госушрственный аграрный универапег имени императора Петра I», профессор);

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университетпишевых производств», г.Москва

Зашита состоится« 14 »июня 2013 пда в^У часов-ЗО минут на заседании совета позашите диосергтаций на соискание ученой степени кащтидапа щк, га соискание ученой степени доктора тук Д212СВ5.04 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по ацзесу: 394036, г. Воронеж, проспект Революц ии, 19, ауц. 035. Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим грисылатъ в адрес оовега по защите диссертаций на соискание ученой степени кащцадгга щук, і и соисганте ученой степени доктора т нук Д212035М С диосертацей мсиою ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Всронвкжий государственный универапег инженерных технологий».

Автореферат размещгн в сети Интернет та официальном сайте Министерства образования и гаукиРФтеїак vakled.gcv.ru и го саше ФПЮУ ВПО ВГУИТ тууу.уадЗ-ги і/«14»мая2013 г.

Автореферат разослан «14» мая 2013 г.

Ученый секретарь совета го защите диссертац ий га соискание ученой степени кандцДЕпа наук,

на соискание ученой сгепеж доктора наук ^ ? ВіССгтобсаиник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Статистика современности выявила тесную связь между заболеваниями человеческого организма и нарушением питания, что связано с низким качеством многих продуктов и применением в технологии их производства методов переработки и хранения, снижающих пищевую и биологическую ценность. В большинстве продуктов выявлены высокие дозы консервантов и синтетических красителей.

Многочисленные исследования последних десятилетий свидетельствуют о дефиците антиоксидантов в пищевых продуктах, что служит причиной развития атеросклероза, образования злокачественных опухолей, вследствие протекания биохимических реакций в клетках организма с образованием и участием свободных радикалов. Таким образом, введение в окислительные процессы антиоксидантов приводит к подавлению или замедлению протекающих нежелательных процессов.

Источниками таких веществ могут быть натуральные каротиноидно-антоциановые красители, получаемые из отходов переработки отечественного растительного сырья (выжимки ягод черной смородины и моркови), сочетающие в своем составе провитаминную активность и пользу биофлавоноидов.

Применение натуральных каротиноидно-антоциановых красителей в технологии ликероводочных изделий позволяет не только достичь необходимых цветовых решений, но и повысить антиоксидантную активность.

Цель работы - разработка способа получения натуральных каротиноидно-антоциановых красителей из отходов окрашенного отечественного растительного сырья.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи: обоснование применения бескислотного способа экстрагирования антоциановых и каротиноидных пигментов в технологии каротиноидно-антоциановых красителей;

- изучение спектральных характеристик вырабатываемых красителей;

- изучение особенностей цветометрических характеристик каротиноидно-антоциановых красителей;

- изучение антиоксидантних свойств красителей;

изучение технологических свойств каротиноидно-антоциановых красителей;

- обоснование применения предварительной обработки ферментным препаратом гемицеллюлазного действия для повышения выхода красящих веществ из применяемого растительного окрашенного сырья;

применение красителей в технологии цветных ликероводочных изделий, изучение цветометрических, спектральных характеристик и показателей качества;

промышленная апробация экспериментальных исследований.

Научная новизна работы.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждена повышенная стабильность в водном растворе катионных форм антоцианов красного цвета в присутствии гидрофилизированных каротиноидов.

Предложено совместное экстрагирование из растительного сырья ассоциатов органических соединений с различными гидрофобно-гидрофильными свойствами.

Реализован эффективный способ ферментативной обработки препаратом гемицеллюлазного действия ВискоСтар 150 L каротиноидного сырья перед бескислотным экстрагированием этанолом, способствующий гидролизу некрахмалистых полисахаридов и повышению выхода красящих веществ изопреноидной природы из ферментированных и гидрофилизированных выжимок моркови практически в два раза по сравнению с необработанными.

Выявлено наличие антиоксидантных свойств у каротиноидно-антоциановые красителей, что позволяет их применять для повышения антиоксидантной активности ликероводочных изделий.

Практическая значимость.

Разработана технология каротиноидно-антоциановых красителей из отходов окрашенного отечественного растительного пищевого сырья путем предварительной подготовки и последующего бескислотного экстрагирования этиловым спиртом.

Предложен способ предварительной обработки каротиноидсодержащего сырья ферментным препаратом гемицеллюлолитического действия ВискоСтар 150L с целью повышения выхода красящих веществ при экстрагировании в два раза.

Исследована возможность применения каротиноидно-антоциановых красителей в технологии ликероводочных изделий для достижения необходимых цветовых решений, а также повышения антиоксидантной активности.

Разработаны проекты нормативно-технической документации на «Краситель пищевой «Каротиноидно-антоциановый» ТУ 9169189-02068108, ТИ 189-02068108-2013, «Бальзам «Лесная сказка» ТУ 9181-187-02068108 и «Аперитив «Летнее настроение» ТУ 9181-18802068108. Возможность использования каротиноидно-антоциановых красителей в технологии цветных ликероводочных изделий подтверждена актами промышленных испытаний на ООО «БрянскСпиртПром» (г.Брянск).

Положения, выносимые на защиту:

1. теоретические аспекты бескислотного экстрагирования этиловым спиртом пигментов каротиноидного и антоцианового сырья;

2. особенности спектральных и цветометрических характеристик вырабатываемых каротиноидно-антоциановых красителей;

3. функционально-технологические свойства вырабатываемых красителей;

4. влияние предварительной обработки ферментными препаратами гемицеллюлазного действия используемого растительного сырья на выход красящих веществ в экстрактах

5. технология получения натуральных красителей и напитков, окрашенных данными колорантами (бальзам, аперитив). Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование соответствует пп. 2, 3, 5, 8 и 9 паспорта специальности 05.18.01 - «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства»

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены в период с 2009 по 2013 г. на ежегодных отчетных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий, всероссийских, международных научно-технических и научно-практических конференциях в г. Барнауле, г. Кемерово, г. Магнитогорске, г. Могилеве, г. Москве,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 9 статей в материалах внутривузовских, всероссийских и международных научных конференций, проект ТД (ТУ, ТИ, РЦ).

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста и включает введение, обзор литературы, характеристику объектов и методов исследований, экспериментальную часть, выводы, список использованной литературы из 107 источников, из них 22 - иностранные и 15 приложений. Иллюстрационный материал представлен 46 рисунками, 14 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и определены основные направления исследований.

Глава 1. «Обзор литературы». Описано современное состояние мирового и отечественного рынка натуральных пищевых красителей желтой и красной гаммы. Выявлена актуальность производства колорантов из натурального окрашенного сырья и отходов его переработки, обладающих легко усвояемыми макро - и микронутриентами, обеспечивающие противоокислительные

свойства, способствующие защите и укреплению неспецифического иммунитета человека.

Приведена классификация синтетических и натуральных красителей, способы получения, области применения, дозировки, методы введения в продукты питания. Освещен вопрос, посвященный строению растительной клетки и технологическим приемам, способствующим интенсификации экстрагирования пигментов из соответствующего сырьевого источника.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Глава 2. «Объекты и методы исследования». Объектами исследования служили этанольные экстракты натуральных каротиноидно-антоциановых красителей, полученные путем бескислотного экстрагирования из выжимок ягод черной смородины (Ribes nigrum) и каротиноидсодержащего сырья (выжимки моркови посевной Daucus Sativus Roehl). Предварительно сырье подвергали высушиванию до влажности 5 - 8 % (для антоцианового сырья) и гидрофилизации (для каротиноидного).

Спектральные характеристики полученных экстрактов красителей фиксировали, записывая спектры электронного поглощения пигментов на спектрофотометре UV-mini 1240 (Shimadzu, Япония) при длинах волн 375 - 600 нм в кварцевых кюветах с толщиной оптического слоя 10 мм

Анализ окраски исследуемых образцов проводили после сканирования растворов красителей на планшетном сканере HP ScanJet 3400С с применением компьютерной обработки изображений в цветовом режиме RGB с помощью приставки к сканеру, позволяющей использовать стандартные кюветы для колометрии (цветовой режим True Color, оптическое разрешение 300 dpi).

Измерения антиоксидантной активности (АОА) экстрактов каротиноидно-антоциановых красителей проводили на анализаторе «ЦветЯуза-01-AA» (НПО «Химавтоматика» г. Москва).

Содержание красящих веществ в получаемых после отгонки этанола под вакуумом красителях измеряли по стандартным фотометрическим методикам.

Предварительную обработку сырьевых источников проводили путем внесения ферментного препарата ВискоСтар 150L (активности: ксиланазная КС/см3 - 5000 ед, ß-глюканазная ß -ГкС/см3 - 140 ед, целлюлазная КМЦ/см3- 1900ед), энзиматическии комплекс которого гидролизует некрахмалистые полисахариды сырья до моносахаров.

Органолептические и физико-химические показатели спиртных напитков, окрашенных каротиноидно-антоциановыми красителями, определяли согласно методикам ГОСТ Р 51135-2010.

Построение оптимизационной модели совместного экстрагирования антоциановых и каротиноидных пигментов из смеси специально подготовленного сырья проводили в программе Microsoft Excel 12.0.

Применение в технологии спиртных напитков

чн

Концентрирование под вакуумом

Аперитив —|

Бальзам

/р

Объединенный экстракт

к

я

л я

ч •х

о н

н о

X ю

е. я

я с.

о «э

ч о

о

С.

В

С

/ч

я а. н

и *

СП

а

я с.

Й х

(Т)

/ч

я

а. &

<Т)

— ш

2 I а

2 £ 3

о 5 о

о « у

и о. у

я Й В.

V

л н

5 е

а о

3

4

= § в 3

« 8* у

І & І

¡- 5 С ас.; м я я я х «

0

а «

1 ч

« а я

я и

я а

о 2

О е-» Ч

о В" 5

" Ё а 5

ч о

я и с. о

я и о в

я

св со о ч

О) Ч о и

а

X!

я

-с

н я и

Я

о

<и

с

о

ЬЙ п (Я

Й

Щ

X

и

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 3. Получение, свойства и состав каротнноидно-антоциановых красителей. Глава посвящена технологии получения натуральных каротиноидно-антоциановых красителей из подготовленного окрашенного сырья (выжимок ягод черной смородины и моркови посевной) бескислотным экстрагированием этиловым спиртом и путем смешения растворов, приготовленных из антоцианового и каротиноидного красителей.

Применение бескислотного способа выделения антоциановых пигментов позволяет выделить не только окрашенные формы этих пигментов, но и бесцветные менее полярные карбинольные соединения и флавонолы, которые при попадании в кислую среду превращаются в антоцианы. Мягкий режим экстрагирования, а именно 55 - 60°С способствует сохранению пигментов. Наличие в экстрагируемом сырье каротиноидных гидрофилизированных пигментов позволяет извлекать их в спирто-водорастворимой форме, что расширяет область применения таких колорантов в пищевой промышленности, а в смеси с антоцианами способствует образованию устойчивых ассоциативных форм.

Разработанный на кафедре органической химии ФГБОУ ВПО ВГУИТ способ получения натурального каротиноидно-антоцианового красителя характеризуется тем, что сырьем для получения красителя является смесь каротиноидного, в качестве которого применяют измельченную гидрофилизированную морковь (выжимки), и антоцианового сырья, которым является высушенные и измельченные выжимки ягод черной смородины. При этом морковь измельчают до мелкой стружки и подвергают ступенчато-градиентной термообработке при температурах 40, 60, 80°С с выдержкой в каждом случае по 2 ч. Выжимки ягод черной смородины термообрабатывают при температуре 55 — 60°С и измельчают. Подготовленное сырье смешивают в необходимом соотношении и экстрагируют 4-х кратным объемом этилового спирта с объемной долей этанола 96%, периодически перемешивая. Экстрагирование проводят трижды при температуре 55 -60°С, варьируя продолжительность от 45 до 90 мин. Получаемый с

последующим объединением экстрактов, объединенный экстракт отстаивают в течение 2ч, фильтруют и концентрируют под вакуумом до содержания сухих веществ не менее 68%.

Спектральный анализ этанольных экстрактов получаемых каротиноидно-антоциановых красителей в диапазоне 375 - 600 нм выявил смещение максимумов светопоглощения относительно индивидуальных колорантов. Максимумы светопоглощения спиртовых растворов каротиноидов соответствуют длинам волн 420, 460 и 480 нм, антоцианов 549 нм, а каротиноидно-антоциановых красителей 424, 445, 473 и 542 нм. Смещение максимумов в растворах красителей наблюдается как в случае получения их путем смешения растворов красителей из антоцианового и каротиноидного сырья, так и при совместном бескислотным экстрагировании каротиноид-и антоциансодержащего (рис.2).

В

цветометрического образцов

полученных при экстрагировании каротиноидного антоцианового

различном массовом соотношении, выявлено высокое содержание красной компоненты (К), при довольно низких значениях зеленой (О и синей (В) (рис.3). При вторичном (рис. 4) экстрагировании происходит увеличение зеленой и синей составляющей, что может свидетельствовать о более полном

сырья

ходе анализа красителей, совместном

0.9 0.8

а

Л 0.' 1 0.6 I од

¡0.4

|о,з 0.1

сырья

и в

У"

и/

375

<75 52! Дина юлки, ки

575

Рис. 2. Спектральные характеристики каротиноидно-антоциановых красителей (1:1, 1-2, 13 - массовые соотношения антоцианового и каротиноидного сырья

соответственно)

извлечении желтых каротиноидных пигментов.

45 45 60 1:2 1:3 1:1

60 60 75 75 75 90 90 90 1:2 1:3 1:1 1:2 1:3 1:1 1:2 1:3

Рис. 3. Цветовые характеристики экстрактов каротиноидно-антоциановых красителей при кратности экстрагирования 1 45, 60, 75 и 90 — продолжительность экстрагирования, мин 1:1, 1:2, 1:3 - соотношения масс навесок антоцианового и каротиноидного сырья

250

З 200

5

2 ISO

S loo

J -!- --Г ! — і I

і 1 а

1 1

1 L — і \i 1 £ 1:

MR

□G вав

45 45 45 60 60 60 73 75 75 90 90 90 1:1 1:2 1:3 1:1 1:2 1:3 1:1 1:2 1:3 1:1 1:2 1:3

Рис. 4. Цветовые характеристики экстрактов каротиноидно-антоциановых красителей при кратности экстрагирования 2 45, 60, 75 и 90 - продолжительность экстрагирования, мин 1:1, 1:2, 1:3 - соотношения масс навесок антоцианового и каротиноидного сырья

Результаты анализа цветности после обработки в программе Microsoft Excel 12.0 использовали для нахождения оптимальных параметров совместного экстрагирования и получения уравнений для нелинейной модели в виде полинома 2-й степени, адекватно описывающих данный процесс. В качестве входных параметров х, и х2 принимали массовые концентрации антоцианового и каротиноидного сырья соответственно, выходными параметрами служили параметры z, (значение компонента R, усл.ед.) и z2

(значение антиоксидантной активности образцов, мг/дм1), у: -продолжительность экстрагирования, мин.

Я = 569,4808 - 22,3612-х, + 1,987475 -у, + 0,32034 • х," 0,007697 • у,2 - 0,099181» х, «у,;

АОА = -0,63842 + 4,283372« х, - 0,65003 -у, - 0,03879

х,20,0 5 2 85 « у,2 - 0,017224» х, • у,.

Выявлен оптимум процесса совместного извлечения каротиноидных и антоциановых пигментов по двум выходным параметрам, при этом Х| = 48, 5 г, х2 = 51,5 г при продолжительности У1 = 90 мин.

Исследовано влияние срока хранения и продолжительности экстрагирования на

70 60 §50 140 = 30

I» = 10 1 О

ЯгЗ □|3

■ьз

стабильность цветности красителей. Увеличение продолжительности процесса повышает содержание

каротиноидов в составе первичного экстракта (в отличие от первичного экстракта при минимальной 45 мин продолжительности процесса), что способствует стабилизации красной

окраски раствора. Было выявлено, что вторичные и

третичные экстракты имеют большую устойчивость красного цвета в ходе хранения из-за стабилизирующего влияния электродонорных каротиноидных соединений на антоцианы в катионной форме красного цвета (рис.5).

Отмечено, что повышение продолжительности экстрагирования приводит к снижению яркости образцов красителей при всех кратностях экстрагирования.

0 3 б 9 12 15 18 Я 24 27 30 Продолжшвльиостъ хранения, сут.

Рис. 5. Динамика изменения цветовых характеристик экстракта красителя при 45 мин экстрагировании и кратности 3 (массовое соотношение сырья антоцианы : каротиноиды 1:3)

Выявлено также влияние массовой концентрации каротиноидного сырья, продолжительности экстрагирования и продолжительности хранения на стабильность интенсивности цвета получаемых красителей. При возрастании доли каротиноидов в сырье, увеличении продолжительности экстрагирования при хранении в течение 30 дней наблюдается падение интенсивности окраски за счет снижения в составе экстракта концентрации сопутствующих веществ из антоциансодержащего сырья (рис.6).

Рис. 6. Динамика изменения интенсивности цвета экстрактов каротиноидно-антоциановых красителей на четвертую неделю хранения

45, 60 - продолжительность экстрагирования, мин

Установлено, что вырабатываемые по указанному способу каротиноидно-антоциановые красители обладают антиоксидантной активностью (АОА). При этом максимальные значения данного показателя соответствуют оптимальному времени экстрагирования 45 мин и кратности 1, что связано с преимущественным извлечением флавоноидов (антоцианов и флавонолов). Возрастание доли каротиноидов во вторичном и третичном экстрактах приводит также к увеличению АОА при продолжительности экстрагирования 60 мин с 17 мг/дм3 (для смеси каротиноиды : антоцианы 1:1) до 46 мг/дм3 (для смеси 2:!) и 50 мг/дм3 (для смеси 3:1) (рис. 7).

70

60

Щ 50 4—........ " ...... ................"i ..........—*— кратность

■g 40 i------i----экстрагирован»* 1

,-f 30 ¡¿¡г'------Г NST............. (....... " -"-кратность

20-----f—^^XN.............|--j кс трл г 11 ро и л ккх 2

10--------1----^^ .........< 1 краткость.

0 -—---j—_-¡_Г" -т—* экстрагирования 3

45 55 65 75 85

Продолжительность экстрагирования, мин

Рис. 7. Динамика изменения антиоксидантной активности для экстрактов каротинодно-антоциановых красителей при массовом соотношении антоцианы :каротиноиды 1:3

Изучено влияние предварительной ферментативной обработки препаратом гемицеллюлазного действия ВискоСтар 150 L (ксиланазная КС/см3 -5000ед, р-глюканазная р - ГкС/см3 - НОед, целлюлазная КМ1Д/см3- !900ед активности) антоциан- и каротиноидсодержащего сырья на выход красящих веществ в получаемых спиртовых экстрактах. Установлено, что действие биологических катализаторов на морковные выжимки положительно сказывается на выходе красящих веществ при получении этанольных экстрактов из гидрофилизированной моркови, при этом значения оптической плотности увеличиваются в 2 раза по сравнению с необработанным каротиноидным сырьем (рис.8).

Действие фермента на выжимку черной смородины в данном случае снижает значения оптической плотности, вследствие более глубокого

гидролиза компонентов сырья и переходом красящих веществ в сок после отжима обработанной мезги.

О I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 Дошрояка ФП ВискоСтар 150Ц см1

-*-морко*ь -«-черим смородина

Рис. 8. График зависимости оптической плотности спиртовых экстрактов от дозировки ФП

По результатам исследований подана заявка на изобретение № 2012144747 «Способ получения натурального каротиноидно-антоцианового красителя» (авторы В.М. Болотов, Е.С. Шичкина, Е.В. Комарова, П.Н. Саввин), приоритет от 22.10.2012 г.

Глава 4. Применение каротиноидно-антоциановых красителей в технологии ликероводочных изделий.Глава посвящена рассмотрению возможности применения каротиноидно-антоциановых красителей в технологии ликероводочных изделий (бальзамов и аперитивов).

Рецептуры напитков разрабатывали совместно с кафедрой Технологии бродильных производств и виноделия ФГБОУ ВПО ВГУИТ. Красители вносили в соответствии с правилами сбора купажа ликероводочных изделий, в количестве 0,2 г/дм3 для бальзама и 0,8 г/дм3 для аперитива.

В ходе эксперимента оценивали органолептические, цветометрические и спектральные характеристики напитков. Анализ кривых цветности для бальзама и аперитива показал, что внесение красителя способствует повышению значений показателей R, G, В -характеристик по сравнению с контрольным образцом. В течение исследуемого периода хранения окраска бальзама не изменилась, незначительные изменения претерпел цвет аперитива, выраженный в его потемнении (рис.9).

в 9 12 IS 1» 21 2-1 Продолжительность хранения, су г. R —М-О I-. В —КО —GO —-

Рис. 9. Изменение цветометрических характеристик аперитива

Я0, СО, ВО - значения цветометрических показателей контрольного образца

Анализ антиоксидантной активности приготовленных напитков показал, что использование каротиноидно-антоциановых красителей позволяет не только окрасить изделие, но и заметно повысить антиоксидантную активность:

Таблица 1. Антиоксидантная активность напитков

Наименование Значение АОА, мг/дм3

Аперитив «Летнее настроение» с красителем 13,80

Аперитив «Летнее настроение» без красителя 8,30

Бальзам «Лесная сказка» с красителем 68,00

Бальзам «Лесная сказка» (без красителя) 51,50

Рассчитана плановая калькуляция и определена стоимость натурального каротиноидно-антоцианового красителя.

ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден бескислотный способ экстрагирования каротиноидных и антоциановых пигментов из отходов переработки окрашенного растительного сырья для получения натуральных каротиноидно-антоциановых красителей.

2. В электронных спектрах поглощения спиртовых экстрактов красителей выявлено смещение максимумов светопоглощения относительно индивидуальных колорантов, что подтверждает факт межмолекулярной ассоциации пигментов.

3. На основании анализа RGB - характеристик каротиноидно-антоциановых красителей определены оптимальные условия их получения. Сделан вывод о стабилизирующем действии каротиноидных пигментов на цветометрические характеристики красителей в процессе хранения.

4. Установлено, что вырабатываемые по указанному способу каротиноидно-антоциановые красители обладают

антиоксидантной активностью (АОА) и определены условия получения красителей с максимальной АОА.

5. Показано, что предварительная ферментативная обработка препаратом гемицеллюлолитического действия ВискоСтар 150 L каротиноидсодержащего сырья увеличивает выход каротиноидных пигментов в спиртовых экстрактах из гидрофилизированной моркови в 2 раза по сравнению с необработанным сырьем.

6. Выявлено, что применение натуральных каротиноидно-антоциановых красителей в технологии ликероводочных изделий позволяет достигнуть стойких цветовых решений и повысить антиоксидантную активность

7. Разработаны проекты технической документации (ТУ, ТИ, РЦ) на «Краситель пищевой «Каротиноидно-антоциановый», «Бальзам «Лесная сказка» и «Аперитив «Летнее настроение».

8. Результаты экспериментальных исследований подтверждены актами промышленной апробации на ООО «БрянскСпиртПром», г. Брянск.

Основные результаты диссертации опубликованы

в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Саввин, П.Н. Исследование натуральных каротиноидно-антоциановых красителей / П.Н. Саввин, Е.В. Комарова, В.М. Болотов, Е.С. Шичкина // Химия растительного сырья. -2011. -№4.-с. 135 - 138

2. Шичкина, Е.С. Получение натурального смесевого красителя при производстве функциональных напитков / Е.С. Шичкина, А.Е. Чусова, В.М. Болотов, Е.В. Комарова // Пиво и напитки. - 2011. - №6. - с. 22 - 24

3. Болотов, В.М. Особенности технологии совместного извлечения каротиноидных и антоциановых пигментов / В. М.Болотов, Е.С. Шичкина, П.Н. Саввин, В.В. Хрипушин // Вестник ВГУИТ. - 2012. №2. - с. 110- 112

4. Шичкина, Е.С. Влияние ферментных препаратов гемицеллюлазного действия на выход красящих веществ при получении натуральных красителей / Е.С. Шичкина, В.М. Болотов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2013. - №1

Статьи и тезисы в материалах конференций

1. Комарова, Е.В. Оптимизация условий получения каротиноидно-антоциановых красителей [Текст]/ Е.В. Комарова, В.М. Болотов, Е.С. Шичкина // Материалы ХЬУШ отчетной научной конференции за 2009: в 3 ч. - Воронеж: ГОУВПО ВГТА. 2010 - 4.1.

— с.258

2. Комарова, Е.В. Изучение свойств смесевых каротиноидно-антоциановых красителей из растительного сырья [Текст] / Е.В. Комарова, Е.С. Шичкина, В.М. Болотов // Материалы ХЫХ отчетной научной конференции за 2010: в 3 ч. - Воронеж: ГОУВПО ВГТА. 2011 - Ч. 1. - с. 197

3. Саввин, П.Н. Особенности совместного экстрагирования каротиноидных и антоциановых пигментов из растительного сырья [Текст] / П.Н. Саввин, Е.В. Комарова, Е.С. Шичкина // Каталог докладов IV Международной конференции «Экстракция органических соединений» / Воронеж, гос. технол. акад. - Воронеж : ВГТА, 2010. - с. 384

4. Болотов, В.М. Определение оптимальных параметров экстрагирования каротиноидно-антоциановых красителей [Текст] / В.М. Болотов, Е.С. Шичкина // Материалы Ь отчетной научной конференции за 2011: в 3 ч. - Воронеж: ФГБОУ ВПО ВГУИТ. 2012

— 4.1. - с. 146 - 149

5. Болотов, В.М. Особенности спектральных и цвегометрических характеристик экстрактов смесевых красителей [Текст] / В.М. Болотов, Е.С. Шичкина, П.Н. Саввин, Е.В. Комарова // Матер. V Всерос. науч.- практ. конф. Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: - Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та, 2012. - С. 337 - 339

6. Шичкина, Е.С. Изучение антиоксидантной активности экстрактов смесевых красителей [Текст] / Е.С. Шичкина // Матер. V Межд. науч.- практ. конф. Современное состояние

естественных и технических наук. - М.: изд-во «Спутник+», 2012. -С. 179-183

7. Шичкина, Е.С. Получение натурального смесевого красителя при производстве функциональных напитков [Текст] / Е.С. Шичкина И Матер. Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: Пищевые продукты и здоровье человека. -Кемерово, 2012. - С. 51

8. Шичкина, Е.С. Натуральные каротиноидно-антоциановые красители — источники природных антиоксидантов [Текст] / Е.С. Шичкина // Материалы VII Всероссийской науч,-практ.конф. с международным участием: Качество продукции, технологий и образования,- Магнитогорск, 2012. - С. 438 - 441

9. Шичкина, Е.С. Исследование антиоксидантных свойств каротиноидно-антоциановых красителей [Текст] / Е.С. Шичкина, В.М. Болотов, Е.В. Комарова, П.Н. Саввин // Тезисы докладов VIII Междунар. науч. конф.в 2 ч: Техника и технология пищевых производств.- Могилев, 2012. -4.1. -С. 71

Подписано в печать 29.04.2013 Формат 60x84/16 Усл. п. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ № 109

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий». Отдел полиграфии ФГБОУ ВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ПОЛУЧЕНИЕ, ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ И ПРИМЕНЕНИЕ НАТУРАЛЬНЫХ КАРОТИНОИДНО-АНТОЦИАНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

Специальность: 05.18.01 - «Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и

виноградарства»

На правах рукописи

04201360620

Шичкина Елена Сергеевна

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Болотов В.М.

Воронеж

2013

Содержание

Условные сокращения 7

Введение 9

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПИЩЕВЫЕ КРАСИТЕЛИ 13

1.1 Тенденции развития рынка натуральных пищевых красителей 13

1.2 Классификация красителей и требования к ним 15

1.3 Синтетические красители 17

1.3.1 Азокрасители 18

1.3.1.1 Тартразин - Е 102 18

1.3.1.2 Желтый «Солнечный закат» - Е 110 20

1.3.1.3 Кармуазин (Азорубин) 21

1.3.1.4 Понсо 4R - Е 124 22

1.3.1.5 «Черный блестящий BN» - Е 151 23

1.3.2 Триарилметановые красители 24

1.3.2.1 Синий патентованный V - Е 131 24

1.3.2.2 Синий блестящий FCF - Е 133 25

1.3.2.3 Зеленый S-Е 142 27

1.3.3 Хинолиновые красители 27 1.3.3.1 Желтый хинолиновый Е 104 28

1.3.4 Индигоидные красители 29 1.3.4.1 Индигокармин Е 132 29

1.4 Натуральные (природные) красители 30

1.4.1 Сырье для получения красителей 31

1.4.2 Классификация натуральных красителей 32

1.4.2.1 Флавоноиды 32 1.4.2.1.1 Антоциановые красители 34

1.4.2.2 Беталаины 36

1.4.2.3 Каротиноиды и полиены 38

1.4.2.3.1 (3 - каротин Е 160 а 39

1.4.2.3.2 Модифицированные каротиноидные

красители 40

1.4.2.4 Хиноновые красители 42

1.4.2.5 Индигоидные красители 43

1.4.2.6 Рибофлавины 44

1.4.2.7 Порфириновые красители 44 1.5 Строение клетки ткани растительного сырья 45

1.5.1 Способы интенсификации процесса экстрагирования

растительного сырья 48

1.5.1.1 Измельчение сырья 48

1.5.1.2 Перемешивание экстрагента 49

1.5.1.3 Изменение температурного режима 49

1.5.1.4 Создание вакуума 50

1.5.1.5 Лазерное излучение 50

1.5.1.6 Обработка ультразвуком 50

1.5.1.7 Применение гемицеллюлолитических ферментных препаратов 51

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 54

2.1 Характеристика антоциансодержащего и каротиноидного сырья, используемого в производстве каротиноидно-антоциановых красителей ' 54

2.2 Подготовка сырья для извлечения каротиноидно-антоциановых красителей 57

2.2.1 Подготовка каротиноидного сырья 57

2.2.2 Подготовка антоциансодержащего сырья 57

2.3 Схема экспериментальных исследований 58

2.4 Проведение совместного экстрагирования каротиноидных и антоциановых пигментов 59

2.5 Фотометрический анализ содержания каротина в растворах каротиноидно-антоциановых красителей 59

2.6 Анализ содержания сухих веществ каротиноидно-антоциановых

красителей 60

2.7 Фотометрический анализ содержания антоцианов в растворах каротиноидно-антоциановых красителей 61

2.8 Исследование спектральных характеристик каротиноидно-антоциановых красителей 61

2.9 Оценка цвета красителей в системе RGB 62

2.10 Исследование антиоксидантной активности 62

2.11 Проведение ферментативной обработки антоцианового и каротиноидного сырья 63

2.12 Оценка качества ликероводочных изделий, приготовленных с использованием каротиноидно-антоциановых красителей 64

2.12.1 Полуфабрикаты, используемые для приготовления ликероводочных изделий 65

2.12.2 Оценка органолептических показателей изделий 66

2.12.3 Анализ цветности напитков 66

2.12.4 Определение антиоксидантной активности напитков 66

2.12.5 Анализ спектральных характеристик напитков 66

2.12.6 Определение содержания этилового спирта, сухих веществ, Сахаров и кислотность ликероводочных изделий 67

2.13 Статистическая обработка результатов эксперимента 67 ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И СОСТАВ КАРОТИНОИДНО-АНТОЦИАНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ 71 3.1 Особенности и преимущества бескислотного выделения антоцианов в

технологии производства каротиноидно-антоциановых красителей 71

3.1.1 Бескислотный способ извлечения антоциановых пигментов в технологии получения каротиноидно-антоциановых красителей 71

3.1.2 Аппаратурно-технологическая схема получения каротиноидно-антоциановых красителей 73

3.2 Получение каротиноидно-антоциановых красителей путем смешения экстрактов из каротиноидных и антоциановых красителей 74

3.2.1 Особенности спектральных характеристик каротиноидно-антоциановых красителей 75

3.2.2 Цветометрические характеристики каротиноидно-антоциановых красителей 76

3.2.3 Изучение антиоксидантной активности красителей 78

3.3 Получение каротиноидно-антоциановых красителей путем совместного экстрагирования смеси сырья 79

3.3.1 Спектральные характеристики экстрактов каротиноидно-антоциановых красителей 79

3.3.2 Цветометрические характеристики каротиноидно-антоциановых красителей 80

3.3.2.1 Исследование влияния срока хранения на цветометрический состав каротиноидно-антоциановых 83 красителей

3.3.2.2 Оценка интенсивности цвета экстрактов каротиноидно-антоциановых красителей 91

3.3.2.3 Антиоксидантная активность каротиноидно-антоциановых красителей 96

3.3.3 Построение модели оптимизации получения натурального каротиноидно-антоцианового красителя 99

3.3.4 Влияние ферментативной обработки сырья на содержание красящих веществ в экстрактах красителей 106

Выводы 110

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ КАРОТИНОИДНО-АНТОЦИАНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ В ТЕХНОЛОГИИ ЛИКЕРОВ О ДОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ 114

4.1 Использование каротиноидно-антоциановых красителей в технологиях

производства бальзамов и аперитивов 114

4.2 Определение оптимальной дозировки красителя для приготовления

напитков 120

4.3 Исследование цветометрических характеристик напитков 121

4.4 Результаты анализа спектральных характеристик напитков 123

4.5 Результаты антиоксидантной активности напитков 125

4.6 Экономические расчеты 126 Выводы 128 Общие выводы 130 Список использованных источников 132 Приложение 144

Условные сокращения ADI - Acceptable Daily Intake - см. ДСП C.I. - Colour Index - индекс цвета

CAS № - номер в международном химическом регистре Chemical Abstracts Services

Codex - Codex Alimentarius. Volume XIV / Food Additives

FDA - Food & Drug Administration - Федеральное управление по вопросам

качества продовольствия и медикаментов (США)

GMP - Good manufacturing practice - достаточное по технологическим

соображениям количество - QS

pH - водородный показатель

англ. - английский

АОА - антиоксидантная активность

долл. - доллар

ДСП - допустимое суточное потребление

ЕС - Европейское сообщество

нем. - немецкий

ед.акт. - единица активности

ед.цвет. - единица цветности

КС - ксиланазная активность

КМЦ - целлюлазная активность

ß - ГкС - ß - глюконазная активность

À^ax - длина волны максимума светопоглощения раствора

ООН - Организация Объединенных Наций

ПДК - предельно допустимая концентрация

РБК - информационное агентство «РосБизнесКонсалтинг»

РЦ - рецептура

СВ - сухие вещества

СКО - средне квадратичное отклонение ТИ - технологическая инструкция ТУ - технические условия усл. ед. - условная единица

ФАО - Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН фр. - французский ФП - ферментный препарат х. ч. - химически чистый

Х^ах - длина волны максимума светопоглощения раствора

Введение

Актуальность работы

Статистика современности выявила тесную связь между заболеваниями человеческого организма и нарушением питания, что связано с низким качеством многих продуктов и применением в технологии их производства методов переработки и хранения, снижающих пищевую и биологическую ценность. В большинстве продуктов выявлены высокие дозы консервантов и синтетических красителей.

Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о дефиците антиоксидантов в пищевых продуктах, что служит причиной развития атеросклероза, образования злокачественных опухолей, вследствие протекания биохимических реакций в клетках организма с образованием и участием свободных радикалов. Таким образом, введение в окислительные процессы антиоксидантов приводит к подавлению или замедлению протекающих нежелательных процессов. Источниками таких веществ могут быть натуральные каротиноидно-антоциановые красители, получаемые из отходов переработки отечественного растительного сырья (выжимки ягод черной смородины и моркови), сочетающие в своем составе провитаминную активность и пользу биофлавоноидов.

Применение натуральных каротиноидно-антоциановых красителей в технологии ликероводочных изделий позволяет не только достичь необходимых цветовых решений, но и повысить антиоксидантную активность.

Цель работы - разработка способа получения натуральных каротиноидно-антоциановых красителей из отходов окрашенного отечественного растительного сырья.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

- обоснование применения бескислотного способа экстрагирования антоциановых и каротиноидных пигментов в технологии каротиноидно-антоциановых красителей;

- изучение спектральных характеристик вырабатываемых красителей;

- изучение особенностей цветометрических характеристик каротиноидно-антоциановых красителей;

- изучение антиоксидантных свойств красителей;

изучение технологических свойств каротиноидно-антоциановых красителей;

- обоснование применения предварительной обработки ферментным препаратом гемицеллюлазного действия для повышения выхода красящих веществ из применяемого растительного окрашенного сырья;

- применение красителей в технологии цветных ликероводочных изделий, изучение цветометрических, спектральных характеристик и показателей качества;

- промышленная апробация экспериментальных исследований.

Научная новизна

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждена повышенная стабильность в водном растворе катионных форм антоцианов красного цвета в присутствии гидрофилизированных каротиноидов.

Предложено совместное экстрагирование из растительного сырья ассоциатов органических соединений с различными гидрофобно-гидрофильными свойствами.

Реализован эффективный способ ферментативной обработки препаратом гемицеллюлазного действия ВискоСтар 150 L каротиноидного сырья перед бескислотным экстрагированием этанолом, способствущий гидролизу некрахмалистых полисахаридов и повышению выхода красящих веществ изопреноидной природы из ферментированных и гидрофилизированных выжимок моркови практически в два раза по сравнению с необработанными.

Выявлено наличие антиоксидантных свойств у каротиноидно-антоциановые красителей, что позволяет их применять для повышения антиоксидантной активности ликероводочных изделий.

Практическая значимость

Разработана технология каротиноидно-антоциановых красителей из отходов окрашенного отечественного растительного пищевого сырья путем предварительной подготовки и последующим бескислотным экстрагированием этиловым спиртом, позволяющим одновременно выделить антоциановые и каротиноидные пигменты. Разработан режим извлечения, гарантирующий высокое выделение компонентов. Изучены спектральные и цветометрические характеристики вырабатываемых красителей.

Предложен способ предварительной обработки используемого сырья ферментным препаратом гемицеллюлолитического действия, что повышает выход красящих веществ при экстрагировании в два раза.

Разработана технология получения функциональных напитков на натуральном растительном сырье, окрашенных каротиноидно-антоциановыми красителями.

Разработаны проекты технической документации: ТУ 9169-189-020681082013 «Краситель пищевой «Каротиноидно-антоциановый», ТИ; ТУ 9181-18702068108-2013, «Бальзам «Лесная сказка», ТИ, РЦ; ТУ 9181-188-02068108-2013 «Аперитив «Летнее настроение», ТИ, РЦ.

Возможность использования каротиноидно-антоциановых красителей в технологии цветных ликероводочных изделий подтверждена актом промышленных испытаний на ООО «Брянскспиртпром», г. Брянск.

Научные положения, выносимые на защиту

Теоретические аспекты совместного бескислотного экстрагирования пигментов из смесевого каротиноидного и антоцианового сырья. Особенности спектральных и цветометрических характеристик вырабатываемых каротиноидно-антоциановых красителей, влияние срока хранения на устойчивость колорантов.

Функционально-технологические свойства вырабатываемых красителей при помощи спиртового бескислотного экстрагирования, влияние предварительной

ферментативной обработки используемого сырья на выход красящих веществ в получаемых экстрактах.

Способы производства спиртосодержащих напитков, окрашенных натуральными каротиноидно-антоциановыми красителями, и проекты технической документации на краситель пищевой «Каротиноидно-антоциановый», бальзам «Лесная сказка», аперитив «Летнее настроение».

Технология получения вырабатываемых натуральных красителей и изделий, окрашенных данными колорантами (бальзам, аперитив).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены в период с 2009 по 2012 г. на ежегодных отчетных научных конференциях в Воронежском государственном университете инженерных технологий, всероссийских, международных научно-технических и научно-практических конференциях в г. Барнауле, г. Кемерово, г. Магнитогорске, г. Могилеве, г. Москве,

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 9 статей в материалах внутривузовских, всероссийских и международных научных конференций.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста и включает введение, обзор литературы, характеристику объектов и методов исследований, экспериментальную часть, выводы, список использованной литературы из 107 источников, из них 22 -иностранные, и 15 приложений. Иллюстрационный материал представлен 46 рисунками, 14 таблицами.

ГЛАВА 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПИЩЕВЫЕ КРАСИТЕЛИ 1.1. Тенденции развития рынка натуральных пищевых красителей

Мировые тенденции развития производства и потребления пищевых ингредиентов тесно связаны с разнообразием их применения в производстве нового поколения продуктов питания [1].

Традиционными потребителями пищевых ингредиентов являются мясоперерабатывающая, кондитерская, хлебопекарная, молочная, масложировая отрасли пищевой промышленности, а также производство пищевых концентратов, безалкогольных и алкогольных напитков, лекарственных препаратов и косметики.

В последние годы наблюдается тенденция по расширению ассортимента пищевых продуктов для здорового питания, что обеспечивает рост предложений по безопасным и качественным пищевым добавкам, которые получили широкое применение, как за рубежом, так и в России. Использование пищевых и биологически активных добавок, физиологически функциональных компонентов, ароматизаторов и красителей является одним из важнейших факторов современного производства пищевых продуктов заданного состава, цвета, аромата, вкуса, текстуры, сохраняющих показатели качества в течение всего гарантированного срока хранения, условием интенсификации переработки пищевого сырья, совершенствования технологий и расширения ассортимента [2].

Развитие отрасли пищевых ингредиентов в нашей стране сдерживается низкой поддержкой со стороны государства и пока значительно уступает уровню развития этой отрасли в зарубежных странах. Рынок насыщен, в основном, импортной продукцией, а не товаром внутреннего производства. По оценке информационного агентства «РосБизнесКонсалтинг» (РБК), доля иностранных производителей является подавляющей и составляет 86%, тогда как отечественных - всего 14%. Тем не менее, несмотря на многие трудности, рынок

пищевых ингредиентов России развивается ускоренными темпами, как в качественном, так. и в количественном отношении. Катализатором данных процессов выступает концепция здорового питания [2].

В современных рыночных условиях и ускоряющемся ритме жизни человека продукты должны быть не только вкусными и полезными для здоровья, но и конкурентоспособными. Решению этих задач может способствовать только применение современных инновационных технологий и разработок.

Все это оказывает возрастающее давление на производителей пищевых добавок, требует от них использования натуральных ингредиентов и компонентов, что особенно заметно в отрасли по производству красителей, в которых натуральные ингредиенты начинают занимать все более значительную долю по сравнению с продуктами на искусственной основе.

При этом главная тенденция, которая сегодня наблюдается на европейском рынке желто-красных красителей - переход от искусственных добавок желто-оранжевого цвета к натуральным (идентичные натуральным). Основной движущей силой этого процесса стало вступление в июле 2010 года в силу регламента 1333/2008 Европейской Комиссии, ограничивающего производителей продуктов питания и напитков, применяющих синтетические пищевые колоранты

[3].

П�