Биотехнологические аспекты производства комбинированных напитков с использованием каррагинанов из водорослей российского тихоокеанско

Примечание: Выход полисахаридов приведен в пересчете на сухой вес растительного сырья;

символ МС означает моносахариды, SO₄^2- - сульфаты, Мол.м – молекулярная масса.

Определение моносахаридного  состава всех трех фракций показало, что основным моносахаридом является галактоза. 

По данным ИК-Фурье-спектроскопии  полисахариды были идентифицированы как  каррагинаны. ИК-спектры KC1-нерастворимых фракций имели интенсивные полосы поглощения в областях 930 см^-1 и 845 см^-1 и были идентичны спектрам, полученным для k-каррагинанов типа 111 фирмы «Sigma». По данным ИК-спектроскопии КС1-растворимые фракции полисахаридов были отнесены к λ-типу каррагинана (фирмы «Sigma»).

Выделенные полисахариды – каррагинаны имели высокие молекулярные массы от 300 до  1000 кДа,  что подтверждало возможность их использования в производстве пищевых продуктов.

1.2. Физико-химические  свойства каррагинанов.

Физико-химические свойства каррагинанов определяют главное направление  их практического использования.

1.2.1. Растворимость  и вязкость каррагинанов. Была изучена растворимость различных типов каррагинанов в диапазоне температур от 20 до 80⁰ С. Скорость растворения k-каррагинана ниже, чем суммарного (нефракционированного) и l-каррагинана, при этом l-каррагинан достаточно быстро растворялся как в холодной, так и в теплой воде.

Для выбора оптимальных  условий приготовления водных растворов  каррагинанов, используемых при приготовлении  напитков, было изучено влияние различных  факторов (концентрации полисахарида, температуры, рН раствора) на вязкость растворов суммарного и l-каррагинана (рис. 2, а, б, в). Наибольшей вязкостью обладают растворы l-каррагинана. Увеличение вязкости их растворов наблюдается при концентрации полимера свыше 0,05%, в то время как для суммарного каррагинана - свыше 0,1% (рис. 2 а). Как видно, для получения растворов одинаковой вязкости l-каррагинана требуется в 2 раза меньше, чем суммарного.               

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а     б    в

Рис. 2.  Зависимость вязкости растворов каррагинанов от концентрации полисахарида (а), температуры (б), рН среды (в): 1- суммарный каррагинан;

2- l-каррагинан; 3-k-каррагинан

Незначительное снижение вязкости растворов каррагинанов наблюдалось  в интервале температур от 20 до 50⁰ С, в то время как увеличение температуры от 50 до 60⁰ С приводило к двукратному уменьшению вязкости растворов (рис. 2, б). Возможность получения высоковязких растворов данного полисахарида в широком интервале температур (от 20 до 50⁰ С) представляется особо важным для технологического процесса, который использовался в дальнейшем при приготовления напитков. Как видно из рис. 2 в, рН среды в диапазоне от 3 до 8 незначительно влияет на вязкость всех типов каррагинанов. Диапазон рН от 4 до 7 представляется наиболее оптимальным для суммарного и l-каррагинана, рН от 4 до 6 - для k-каррагинана. Полученные данные указывают на возможность использования k-каррагинана при производстве кисломолочных напитков, в которых рН среды составляет 4,3 - 4,5, а суммарного и l- каррагинанов - при производстве белковых и безалкогольных напитков, в которых рН среды составляет 6,5 - 6,9.

  1.2.2. Реологические свойства каррагинанов. Одним из наиболее важных свойств каррагинана, с точки зрения  его практического применения, является способность образовывать гели в водных растворах. Известно, что  гелеоб-разующая или желирующая способность каррагинанов зависит от типа полисахарида, его концентрации, концентрации ионов солей, присутствующих в растворе, и температуры. Было изучено влияние ионов калия и кальция на желирующие свойства 1% растворов суммарного и k- каррагинанов (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.  Влияние концентрации соли (KCl, CaCl₂)    Рис. 4. Влияние концентрации каррагинана

на прочность геля 1% раствора каррагинана:    на силу геля: 1 - суммарный каррагинан;

1 - суммарный каррагинан (+К),        2 - k-каррагинан

2 - k-каррагинан (+Са), 3 - k-каррагинан (+К)

Для оценки реологических  свойств исследованных систем была измерена прочность геля. Как видно, с добавлением ионов калия сила геля исследуемых каррагинанов вначале увеличивалась, достигая максимума при концентрации КС1, равной 1,5%,  а затем падала при дальнейшем увеличении концентрации соли. Такой характер зависимости можно объяснить тем, что в диапазоне концентрации соли от 0,5 до 1,5 % ионы К⁺ являются промоторами межмолекулярного взаимодействия и способствуют созданию трехмерной сетки в виде прочного геля. Избыток соли (при концентрации > 1,5%) вызывает растворение геля. В то же время ионы Са⁺⁺ оказывают незначительное действие на прочность геля k-каррагинана (рис. 3), что можно объяснить его избирательным действием на различные типы каррагинанов. Так известно, что ионы Са⁺⁺ более специфичны к ι-типам каррагинанов.

Было изучено влияние  концентрации полисахарида на гелеобразование  различных типов каррагинана  в присутствии 1%-ного КС1 (рис.4). Гели высокой прочности (1237 дин/см²) образуют k-каррагинаны с концентрацией 2,5%. Прочность гелей суммарного каррагинана при той же концентрации полисахарида в 1,5 раза меньше. Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые каррагинаны могут быть использованы в малых концентрациях при производстве молочных и соевых напитков, консистенция которых не требует образования прочных гелей.

Эти результаты согласуются  с реологическими данными, полученными  методами динамической вискозиметрии  и реолометрии. Как показали измерения  частотных зависимостей модуля упругости, k-каррагинан образует  прочные гели при концентрации полимера больше 2%. Как видно из графика (рис. 5, а), во всей области частот модуль накопления имеет более высокие значения, чем модуль потерь, а вязкость пропорционально уменьшается с увеличение частоты.  Такой характер приведенных зависимостей характерен для систем, испытывающих золь-гель переход. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температурные зависимости  реологических параметров позволили  определить температуру плавления 2% геля k-каррагинана (рис. 5, б). Гель вначале охлаждали до 5 ⁰С, а затем постепенно нагревали. При нагревании происходило отчетливое уменьшение как модуля накопления (G^’), так и модуля  потерь (G^’’), при этом G^’ уменьшалось с большей скоростью, чем G^’’. С увеличением температуры скорость уменьшения нарастала, и модули пересекались, при этом гель плавился и переходил в маловязкий раствор. Точку пересечения можно соотнести с точкой плавления геля или точкой золь-гель перехода. Для данной системы эта точка соответствует температуре 31⁰ С. Определенная таким образом температура перехода золя в гель, является важным для технологического процесса параметром, используемым для получения продукта с заданной структурой. Зная температуру плавления, можно изменять технологическую схему производства пищевых продуктов (подбирать параметры термической обработки, температуру розлива и т.д.).

1.2.3. Реологические свойства смесей каррагинана с соевыми и молочными белками. Способность каррагинана взаимодействовать  с различными белками является одной из важных характеристик полимера, что обеспечивает его  разнообразное использование в молочной промышленности.

Такое взаимодействие осуществляется за счет ионного взаимодействия сульфатных групп каррагинана с заряженными группами белка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В связи с этим были изучены реологические свойства смесей каррагинана с белками  соевого и коровьего молока (рис. 6) методами вискозиметрии и реолометрии.  Как видно из графика,   вязкость растворов смесей  каррагинана с молочными белками значительно выше, чем чистого полисахарида. С увеличением концентрации полисахарида в растворе чистого каррагинана, наблюдается монотонный рост стационарной вязкости (ή₀)  в диапазоне концентраций от 0,5 до 1,5%. Концентрация 1,5% каррагинана отвечает порогу перекрывания, при котором начинаются взаимодействия между молекулами полисахарида в растворе, что обнаруживается по резкому увеличению ή₀ и переходу системы в гелевое состояние. Это согласуется с результатами, представленными выше. В случае смеси каррагинана с  белками коровьего  молока этот переход наблюдается при меньшей концентрации полисахарида (свыше 0,5%). В то же время, для системы каррагинан - соевый белок точки перехода системы золь-гель не наблюдается в заданном интервале концентраций. Однако значение стационарной вязкости этой смеси также значительно выше, чем чистого каррагинана.

Характер кривых зависимостей комплексной вязкости (h^*), модулей накопления (G^’) и потерь (G^’’) от частоты гармонических осцилляций (рис. 7, 8) указывает на различные состояния системы каррагинан – белок в зависимости от природы белка. Так, в системе каррагинан – соевый белок наблюдается типичная реологическая картина для ньютоновской жидкости (рис.7), тогда как смесь каррагинана с молочным белком представляет собой вязкоупругое тело (рис. 8). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, полученные результаты, а именно: низкая температура перехода золь-гель, получение вязких растворов и гелей при низких концентрациях полисахаридов - открывают возможности использования  каррагинана, что позволит существенно модифицировать структуру и свойства пищевых продуктов, сохраняя их биологическую ценность.

 

2. Ферментативные  растительные экстракты как составляющие  компоненты комбинированных напитков

 

Для получения экстрактов из дикорастущего растительного  сырья были использованы ферментные препараты, что позволило повысить и стабилизировать выход биологически активных и экстрактивных веществ  растений, интенсифицировать технологический  процесс производства растительных экстрактов, стандартизировать их качество.

Совместно с сотрудниками ООО ПК "Лимонник" были разработаны  концентрированные основы серии "Уссурийская  тайга", представляющие собой сгущенную  смесь растительных экстрактов, полученных методом ферментативного гидролиза.  Для получения концентрированных основ были составлены фитокомпозиции («Элеутерококк с травами», «Брусника с травами», «Шиповник с травами», «Лимонник» и др.) с учетом биологической активности растительного сырья, в соответствии с данными государственной фармакопеи, вкусовых и ароматических свойств. Был проведен подбор ферментных комплексов и оптимальных режимов экстракции, позволяющих максимально извлечь экстрактивные и биологически активные вещества из растительного сырья. Для сравнения в работе использования использовали: 1) b-глюканазу из гриба Penicillium emersonii; 2) комплекс ферментов, состоящий из гемицеллюлазы (гриба Aspergillus niger), ксиланазы (гриба Aspergillus orysae и штамма Aspergillus acubatus), протеазы (гриба Bacillus subtilis), пектиназы (селекционного штамма Aspergillus niger) в равных пропорциях (соотношение 1:1:1:1); 3) b-глюканазу из гриба Penicillium emersonii в сочетании с комплексом  ферментов из гемицеллюлазы, ксиланазы, протеазы и пектиназы (2), при этом b-глюканазу вводили в экстрагент с начала процесса гидролиза, а комплекс ферментов к 4 часу гидролиза.

 Для определения каталитической активности выбранных ферментов изучали динамику накопления экстрактивных веществ в растительных экстрактах в зависимости от составленных ферментных комплексов  и продолжительности экстракции (рис. 9).

 

 

 Как видно, наибольший выход экстрактивных  веществ наблюдается при использовании b-глюканазы в сочетании с комплексом ферментов из гемицеллюлазы, ксиланазы, протеазы и пектиназы в соотношении 1:1:1:1, добавленного к 4 часу экстракции. По продолжительности экстрагирования динамика гидролиза была примерно одинаковой: количество экстрактивных веществ постепенно нарастало в течение 6 ч, и до 8 ч практически не изменялось. Увеличение продолжительности экстракции приводит к накоплению балластных веществ, снижению качества экстракта. Поэтому оптимальное время экстрагирования составило 6 ч.

Для выбора наиболее щадящих  и оптимальных условий экстракции была проведена сравнительная оценка экстрагирования растительного сырья различными  методами: настаиванием (температура воды 100⁰ С), водно-спиртовой экстракцией (крепость  40⁰), ферментативным гидролизом с использованием выбранного ферментного комплекса из b-глюканазы в сочетании с гемицеллюлазой, ксиланазой, протеазой и пектиназой. Критериями  эффективности экстракции являлись суммарный выход экстрактивных веществ и накопление в экстрактах биологически активных  веществ - элеутерозидов (рис. 10).

 

 

 

 

 

 

а       б

 

                                                     а               б

Рис.  10. Содержание экстрактивных веществ (а) и элеутерозидов (б) в растительном экстракте «Элеутерококк с травами» в зависимости от метода экстрагирования

 

Как видно, использование  ферментных препаратов более предпочтительно, так как выход элеутерозидов  при  ферментативном гидролизе увеличивается в 1,5 раза по сравнению с водно-спиртовой экстракцией и в 2,7 раза по сравнению с настаиванием. Кроме того, биотехнологический метод переработки растительного сырья позволяет осуществлять процесс при температуре, не превышающей 50^о С, что позволяет обеспечивать сохранность биологической активности экстрагируемых лекарственных веществ. 

На основании полученных данных были установлены оптимальные  параметры экстрагирования растительных экстрактов: использование ферментного  комплекса из b-глюканазы в сочетании с гемицеллюлазой, ксиланазой, протеазой и пектиназой в равных пропорциях; температура экстрагирования 45+2 ⁰С; время экстрагирования - 6 ч. Разработана технологическая схема  производства концентрированных основ и утверждена нормативная документация.