Publication text
(PDF):
Read
Download
Введение Свежие фрукты и овощи, а также побочные продукты их переработки богаты антиоксидантами, такими как аскорбиновая кислота, токоферолы, каротиноиды и полифенолы [1]. Полифенолы в плодах и овощах в основном включают в себя фенольные кислоты, флавоноиды. Антиоксиданты являются веществами, которые способны предотвратить или замедлить окисление липидов, белков и ДНК и защитить ткани от повреждений, вызванных действием кислорода или свободных радикалов. Получение антиоксидантов из полуфабрикатов и отходов переработки пищевых предприятий приобретает все большее значение [2]. Именно натуральные антиоксиданты становятся заменой синтетических аналогов и имеют преимущество из-за благоприятного действия на здоровье человека и способности растворяться в пищевых системах, не обладая побочным действием. Черноплодная рябина (арония черноплодная) принадлежит к семейству розоцветных. Черноплодная рябина использовалась в традиционной медицине, но в последние годы к ней все больше увеличивается интерес из-за возможного использования не только в качестве пищевого красителя, но и в качестве источника ценных фитонутриентов [3]. Было установлено [1], что черноплодная рябина является одним из самых богатых растительных источников фенольных соединений; также высоко содержание проантоцианидинов, антоцианов и фенольных кислот. Плоды аронии являются одним из самых богатых источников растительных антоцианов (класс флавоноидов): цианидин-3-O-галактозид, цианидин-3-O-арабинозид, цианидин-3-O-ксилозид и цианидин-3-О-глюкозид, отвечающие за темно-красный, синий и фиолетовый окрас плодов [4]. Из-за их высокой антиоксидантной активности и возможного положительного воздействия на здоровье человека проантоцианидины могут находить применение в питании и медицине [5]. По сравнению с другими плодами и ягодами антиоксидантная активность черноплодной рябины значительно выше. Положительный эффект на здоровье человека от аронии стал предметом многочисленных исследований, одно из которых показало благоприятное влияние в профилактике сахарного диабета II типа [6]. В другом исследовании было подтверждено гепатопротекторное действие черноплодной рябины у крыс, получавших острое отравление четыреххлористым углеродом [7]. Арония оказывает положительное воздействие на профилактику и лечение сердечно-сосудистых заболеваний. Экстракция растворителем является хорошим методом извлечения полифенолов [8], однако имеет несколько недостатков, таких как использование большого количества органических растворителей, длительное время экстракции, ограничение в выборе растворителя из-за влияния на здоровье человека и способности деградации целевых соединений. Есть много альтернативных методов, которые способны либо устранить, либо уменьшить эти недостатки [9]. К таким способам можно отнести надкритическую флюидную экстракцию [10]. Надкритическая экстракция и экстракция под давлением находят все большее применение в пищевой промышленности и родственных индустриях. Надкритические жидкости обладают полезными физическими свойствами, такими как низкая вязкость и высокий коэффициент диффузии в матрице образца. Это позволяет значительно быстрее протекать процессам экстракции, чем в обычных органических растворителях. Кроме того, надкритическая флюидная экстракция способна работать при низких температурах, что делает ее возможной для экстракции термолабильных соединений, таких как антиоксиданты. Сообщалось [11], что экстракты, полученные методом надкритической флюидной экстракции, как правило, обладают более высоким уровнем антиокислительной силы, чем те, которые получены путем экстракции растворителем, вероятно, вследствие меньшей деструкции соединений. Самым экологически чистым растворителем, который может быть использован для извлечения антиоксидантов, является вода. Однако, поскольку чистая вода при нормальных условиях является полярным растворителем, для хорошего извлечения антиоксидантов диэлектрическую постоянную воды можно значительно уменьшить, это происходит вследствие того, что температура воды в надкритических условиях выше температуры кипения при атмосферном давлении [12]. Малополярные соединения, такие как антиоксидантные соединения, могут быть успешно извлечены из различных растительных образцов с использованием надкритической воды при температуре между 100 и 374 °С [13]. Объекты и методы исследований Исходя из этого целью работы является подбор оптимальных условий при получении экстрактов в надкритических условиях. В качестве объекта исследования была выбрана черноплодная рябина, произрастающая на территории Самарской области. Экстракция проводилась при давлении 40 МПа и температурах 120, 150 и 200 °С при использовании в качестве воды и спирта. Контрольной группой выступали экстракты (водный, спиртовой и 50%-ный водно-спиртовой) [14, 15], полученные при атмосферном давлении и температуре 37 °С в течение 2 часов. Несмотря на то что в промышленных условиях часто используется метанол, нами этот растворитель не был рассмотрен из-за его высокой токсичности, которая представляет собой резкую опасность для окружающей среды. Эксперименты по изучению процесса жидкостной экстракции под давлением в динамическом (проточном) режиме проводили с использованием установки, схема которой представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема установки для жидкостной экстракции под давлением: 1 - сосуд с экстрагентом; 2 - насос высокого давления; 3 - капилляр предварительного нагрева экстрагента; 4 - экстрактор; 5 - термостат; 6 - охлаждаемый капилляр; 7 - манометр; 8 - регулятор давления В данной установке экстрагент из сосуда 1 подается в насос высокого давления 2, обеспечивающий расход Fс в системе от 0,1 до 10,0 см3/мин при давлении Р до 40,0 МПа. Из насоса 2 экстрагент поступает в капилляр предварительного нагрева экстрагента 3 и экстрактор 4, помещенные в термостат 5. Экстрактор 4 выполнен в виде колонки из нержавеющей стали длиной 250 мм и внутренним диаметром 10 мм. На выходе из экстрактора 4 установлен капилляр 6, охлаждаемый до температуры 20 °С. Для контроля давления в системе установлен образцовый манометр 7 и регулятор давления 8. Для определения содержания фенольных веществ, флавоноидов и антоцианов, а также антирадикальной, антиокислительной и восстанавливающей способностей исследуемых объектов использовали специальные методики, описанные ниже. Общее содержание фенольных веществ (ФВ) определяли при помощи реактива Folin-Ciocalteu’s [16]. Метод основан на окислении фенольных групп исследуемого спиртового экстракта плодов черноплодной рябины реактивом Folin-Ciocalteu’s в среде насыщенного карбоната натрия. Реакция проходит при температуре 20-25 °С. Спустя 30 мин определяется коэффициент пропускания при 725 нм. Применяя калибровочную кривую, определяется общее содержание фенольных веществ, которое выражается в мг галловой кислоты на 1000 см3 экстракта. Общее содержание флавоноидов (Фл) определяется по интенсивности протекания реакции с растворами нитрита натрия и хлорида алюминия [17]. Коэффициент пропускания определяли в фотокалориметре при длине волны 510 нм. Применяя калибровочную кривую, определяется общее содержание флавоноидов, которое выражается в мг катехина на 1000 см3 экстракта. Общее содержание антоцианов осуществлялось методом дифференциала pH фактора [18], основанном на добавлении к экстракту буферов рН = 1,0 и рН = 4,5 и измерении поглощения при 510 и 700 нм. Суммарное содержание антоцианов выражено как эквивалент мг цианидин-3-гликозида/1000 см3 экстракта. Антирадикальную активность определяли по методу DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил) [19]. Метод основан на способности антиоксидантов исходного сырья связывать стабильный хромоген-радикал 2,2-дифенил-1-пикрилгидразил (DPPH). В течение 30 мин в темноте при комнатной температуре протекает реакция, после чего определяется коэффициент пропускания при 517 нм. Антирадикальная активность выражается в виде концентрации исходного экстракта в мг/мл, при которой происходило 50%-ное связывание радикалов. Восстанавливающую силу изучаемых объектов определяли по методу FRAP (ferric reducing antioxidant power) 2,4,6-трипиридил-s-триазином [20]. Метод основан на способности активных веществ исходного экстракта восстанавливать трехвалентное железо. Исходный спиртовой экстракт с FRAP-реагентом (2,4,6-трипиридил-s-триазином) выдерживается при 37 °С в течение 4 мин. Коэффициент пропускания измеряется при длине волны 593 нм. Восстанавливающую силу определяли по калибровочному графику и выражали в ммоль Fe2+/1 кг исходного сырья. Антиокислительную активность образцов определяли в системе линолевой кислоты [21]. Метод основан на способности антиоксидантов изучаемого сырья ингибировать процессы окисления линолевой кислоты при условиях, приближенных к состоянию живой клетки. Процесс проводится в модельной системе при температуре 40 °С при рН 7,0 в течение 120 ч, после чего проводится измерение степени окисления по образованию гидроперекисей, реагирующих с растворами NH4SCN и FeCl2 в НС1. Антиоксидантная активность выражается в процентах ингибирования окисления линолевой кислоты. Работы выполнялись на базе Самарского государственного технического университета, кафедра технологии и организации общественного питания, и Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева, кафедра химии. Результаты и их обсуждение Результаты определения общего содержания фенольных соединений выражали в мг галловой кислоты на 100 г исходного сырья по калибровочной кривой. Как видно из рис. 2, наибольшим содержанием фенольных соединений обладает надкритический водный экстракт, полученный при 150 °С, что превышает содержание фенолов в контрольном образце почти в 1,5 раза. При температуре 200 °С содержание фенольных веществ низкое, что свидетельствует о деструкции соединений. Рис. 2. Общее содержание фенольных соединений и флавоноидов в надкритических экстрактах черноплодной рябины: 1 - спирт/вода (контроль); 2 - спирт (контроль); 3 - вода (контроль); 4 - вода надкритика 120 °C; 5 - вода надкритика 150 °C; 6 - вода надкритика 200 °C; 7 - спирт 10%-ный надкритика 120 °C Как и фенольные соединения, флавоноиды обладают хорошим антиоксидантным действием. Определение содержания флавоноидов показало (рис. 2), что наилучшими условиями для экстракции этих соединений является надкритическая экстракция водой при 200 °С (936 мг/100 г), что в 4,6 раза превышает контрольную группу. Основным пигментом черноплодной рябины являются антоцианы, которые, как известно, проявляют антиоксидантные свойства. Однако применение надкритической экстракции для получения экстракта с высоким содержанием антоцианов оказалось неприменимым, так как при увеличении температуры происходит их уменьшение по сравнению с контрольными образцами, связанное с нестабильностью структуры антоцианов при высоких температурах, что видно из табл. 1. Одним из основных показателей, характеризующих антирадикальную активность по методу DPPH, является Ес50 - концентрация экстракта антиоксиданта, при которой наблюдается 50%-ное ингибирование радикалов DPPH. Из рис. 3 видно, что среди исследуемых экстрактов наилучшую антирадикальную активность проявляют спиртовой и водно-спиртовой контрольные экстракты (1,3 и 1,2 Ес50, мг/см3). Для водных экстрактов антирадикальная активность при применении надкритических условий вне зависимости от температуры в 2 раза выше, чем в спиртовых. Таблица 1 Общее содержание антоцианов в надкритических экстрактах черноплодной рябины Экстракты Общее содержание антоцианов, мг цианидин-3-гликозида/ 1000 см3 экстракта Спирт/вода - контроль 790,89 Спирт - контроль 510,60 Вода - контроль 353,99 Вода, 120 °С 567,43 Вода, 150 °С 194,88 Вода, 200 °С 103,29 Спирт 10 %, 120 °С 270,76 Рис. 3. Антирадикальная активность надкритических экстрактов черноплодной рябины, Ес50: 1 - спирт/вода (контроль); 2 - спирт (контроль); 3 - вода (контроль); 4 - вода надкритика 120 °C; 5 - вода надкритика 150 °C; 6 - вода надкритика 200 °C; 7 - спирт 10%-ный надкритика 120 °C Таблица 2 Восстанавливающая сила по методу FRAP и антиоксидантная активность надкритических экстрактов черноплодной рябины Экстракты FRAP значение, ммоль Fe2+/1 кг сырья Антиоксидантная активность в системе линолевая кислота, % ингибирования окисления линолевой кислоты Спирт/вода - контроль 18,36 27,60 Спирт - контроль 19,08 Не обнаружено Вода - контроль 17,28 37,50 Вода, 120 °С 17,46 29,40 Вода, 150 °С 10,44 40,40 Вода, 200 °С 10,89 50,80 Спирт 10 %, 120 °С 16,02 26,30 По восстанавливающей силе по методу FRAP (ferric reducing antioxidant power) [22] согласно данным табл. 2 наилучшие результаты показала контрольная группа экстрактов. Восстанавливающая сила для водного экстракта, полученного в надкритических условиях при 120 °С, равна антиоксидантной активности водного экстракта из контрольной группы, а при увеличении температуры этот показатель падает с 17,46 ммоль Fe2+/1 кг до 10,44 ммоль Fe2+/1 кг. Антиоксидантная активность в системе линолевая кислота [23] была исследована по известному методу. Как видно из табл. 2, наибольшей ингибирующей силой в системе линолевая кислота обладает водный экстракт, полученный при 200 °С (50,8 %), превышающий ингибирование контрольной группы более чем в 1,5 раза. Наблюдается следующая тенденция: при увеличении температуры экстракции увеличивается и процент ингибирования окисления линолевой кислоты для рассмотренных экстрактов. Таким образом, из полученных результатов можно сделать следующие выводы: 1) использование надкритических экстрактов при температуре 150 °С (вода) позволяет увеличить содержание фенольных веществ в 1,5 раза по сравнению с контрольной группой; для флавоноидов наиболее оптимальными условиями являются 200 °С (вода), однако такая высокая температура приводит к деструкции антоцианов; 2) антирадикальная активность по методу DPPH наиболее высокая в спиртовом и водно-спиртовом экстрактах контрольной группы, при экстрагировании водой надкритические условия (150 °С) позволяют увеличить антирадикальную активность по методу DPPH в 2,3 раза; восстанавливающая сила по методу FRAP при использовании надкритической экстракции падает, наиболее щадящими условиями будут 120 °С (вода); антиоксидантная активность в системе линолевая кислота, напротив, увеличивается с увеличением температуры экстракции. По совокупности результатов можно рекомендовать условия надкритической экстракции со следующими параметрами: вода, 150 °С.
