Владивосток, Приморский край, Россия
Владивосток, Приморский край, Россия
Цель исследования – определение влияния ультразвуковой и микроволновой экстракции на выход и стабильность антоцианов, выделенных из ягод черной смородины в присутствии аскорбиновой кислоты.Ультразвуковое воздействие по-разному влияет на извлечение антоцианов из ягодного сырья, при этом существенную роль играет присутствие в растворе аскорбиновой кислоты. При экстрагировании антоцианов ультразвук положительно влиял на образцы без добавления аскорбиновой кислоты, увеличивая при температурах 25 и 75 °С за 20 мин степень их извлечения в 1,4 и 1,7 раза соответственно. Использование ультразвуковой экстракции для извлечения антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты приводит к падению выхода пигмента из ягодного сырья и его деградации. После 20 мин экстрагирования ультразвуком при температурах 25 и 75 °С выход антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты снижался на 20 и 11 % по сравнению с растворами антоцианов, экстрагированными при данных условиях без ее добавления. При хранении растворов антоцианов, экстрагированных без добавления аскорбиновой кислоты, наблюдается довольно высокая стабильность пигментов при хранении их растворов в течение 24 час. В экстрактах, содержащих аскорбиновую кислоту, стабильность антоцианов после суток хранения резко падает. Содержание антоцианов в растворах, экстрагированных в присутствии аскорбиновой кислоты при температурах 25 и 75 °С, после суток хранения уменьшается на 46 и 12 % соответственно. Использование метода микроволновой экстракции довольно эффективно для выделения антоцианов из ягодного сырья. Микроволновая экстракция в течение 2 мин благоприятно влияет на извлечение антоцианов из ягодного сырья в присутствии аскорбиновой кислоты, оказывая стабилизирующее действие на пигмент.
ягоды черной смородины, антоцианы, аскорбиновая кислота, ультразвуковая экстракция, микроволновая экстракция.
Введение. Антоцианы принадлежат к классу флавоноидов и представляют собой самую большую группу природных водорастворимых пигментов растений. Они обычно отвечают за красный, фиолетовый и синий цвета ягод, фруктов, овощей и цветов. Антоцианы обладают широким спектром биологической и фармакологической активности, включая противовоспалительную, антиоксидантную, противораковую, антидиабетическую и др. [1–3].
Однако существует множество коммерческих ограничений применения антоциановых экстрактов в пищевой промышленности, поскольку антоцианы являются нестабильными соединениями, на которые легко могут воздействовать такие факторы, как температура, кислород, pH, свет, ионы металлов, ферменты и окружающие пищевые компоненты [4]. Разложение антоцианов приводит к изменению их цвета или обесцвечиванию, что является нежелательной характеристикой для применения их в качестве красителей в пищевой промышленности.
Аскорбиновая кислота может быть найдена во многих пищевых продуктах как естественный компонент или введена в качестве антиоксидантной добавки для предотвращения потемнения или повышения питательной ценности продукта [5]. Однако аскорбиновая кислота также может являться ограничивающим фактором применения антоцианов в качестве красителей, поскольку присутствие аскорбиновой кислоты в пищевой системе отрицательно влияет на стабильность антоцианов, приводя к взаимному разложению этих соединений [6]. В связи с этим актуальным остается вопрос определения условий производства антоциановых красителей, способствующих максимальному выделению антоцианов и сохранению их стабильности в присутствии аскорбиновой кислоты.
Цель исследования – изучение влияния ультразвуковой и микроволновой экстракции на выход и стабильность антоцианов, выделенных из ягод черной смородины в присутствии аскорбиновой кислоты.
Задачи: определение оптимальных условий экстрагирования антоцианового пигмента из ягодного сырья в присутствии аскорбиновой кислоты.
Объекты и методы. Объектом исследования являются антоцианы, экстрагированные из ягод черной смородины (Ríbes nígrum). Выделение антоцианов в присутствии 1 % раствора аскорбиновой кислоты и без ее добавления проводили с помощью ультразвуковой и микроволновой экстракции. Ультразвуковое воздействие осуществлялось на приборе Sonorex Super RK 100 H (Bandelin, Германия) с рабочей частотой 35 кГц и мощностью 80 Вт. Длительность ультразвукового воздействия составляла 10–30 мин при температурах 25 и 75 °С.
Воздействие микроволнового излучения (СВЧ-излучения) проводили в микроволновой печи Samsung MC28H51CK c рабочей частотой 2450 мГц и мощностью 800 Вт в течение 20–180 секунд.
Интенсивность окраски растворов определяли по величине оптической плотности на спектрофотометре «SHIMADZU UV-1800» (Япония). Содержание антоцианов в растворе рассчитывали согласно методике, предложенной в работе Ivanova et al. [7].
Результаты и их обсуждение. Ввиду того, что условия извлечения антоцианов из ягодного сырья могут оказывать различное влияние на выход и устойчивость биологически активных соединений [8–10], в работе было определено влияние ультразвуковой и микроволновой экстракции на выход и стабильность антоцианов, выделенных из ягод черной смородины в присутствии аскорбиновой кислоты.
Поскольку ультразвуковое воздействие благоприятно влияет на экстрагирование антоцианов из ягодного сырья [11], в работе была определена зависимость выхода антоцианов при ультразвуковой экстракции от продолжительности, температуры и присутствия в растворе аскорбиновой кислоты (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость выхода антоцианов при ультразвуковой экстракции от продолжительности, температуры и присутствия в растворе аскорбиновой кислоты
Из представленных результатов видно, что применение ультразвука положительно влияет на извлечение антоцианов, при этом существенную роль играет время и температура экстрагирования, а также присутствие в растворе аскорбиновой кислоты. При экстрагировании антоцианов как при температуре 25 °С, так и 75 °С ультразвук положительно влиял на образцы без добавления аскорбиновой кислоты, увеличивая за 20 мин степень извлечения антоцианов в 1,4 и 1,7 раза соответственно. При дальнейшем увеличении времени выход антоцианов из растительного сырья при данных условиях экстрагирования не изменялся.
Ультразвуковая экстракция в присутствии аскорбиновой кислоты приводила к деградации антоцианов. Так, после 20 мин экстрагирования ультразвуком при температурах 25 и 75 °С выход антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты уменьшался. Выход антоцианов снижался на 20 и 11 % по сравнению с растворами антоцианов, экстрагированными при данных условиях без добавления аскорбиновой кислоты.
Вероятно, деградация антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты может быть связана с тем, что под воздействием ультразвука в жидкостях образуются пустоты – кавитационные пузырьки, происходит ультразвуковая гомогенизация, то есть перемешивание жидкости. В результате чего внутри пузырька может происходить термолиз и горение либо реакции с гидроксильными радикалами, приводящими к образованию продуктов окисления аскорбиновой кислоты, которые вступают в реакцию с антоцианами, приводя к взаимной деградации этих соединений. Полученные данные согласуются с работами О.Ю. Кузнецовой с соавт. [12], B.K. Tiwari et al. [13].
Кроме того, снижение выхода антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты может объясняться конденсацией аскорбиновой кислоты на четвертом атоме углерода в молекуле антоцианов, вызывая потерю как самой аскорбиновой кислоты, так и стабильности антоцианов. С другой стороны, потеря антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты, возможно, связана с окислительным расщеплением пиронового кольца молекулы антоцианов по свободнорадикальному механизму, в котором аскорбиновая кислота действует как активатор кислорода и производит разрушающие свободные радикалы [14].
Таким образом, ультразвуковая экстракция антоцианов из ягод черной смородины может значительно повышать степень их извлечения. Однако присутствие аскорбиновой кислоты в растворе антоцианов при 20 мин воздействия ультразвуком при 25 и 75 °С приводит к деградации антоцианов и снижает их выход.
Поскольку на экстрагирование антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты оказывает большое влияние время их контактирования, в работе было определено изменение содержания антоцианов в растворе в процессе хранения. Влияние продолжительности хранения растворов антоцианов, экстрагированных с помощью ультразвука в присутствии аскорбиновой кислоты, на их стабильность представлено на рисунке 2. Хранение растворов антоцианов, экстрагированных ультразвуком при 25 и 75 °С в течение 20 мин, осуществлялось при температуре 4 °С в течение 24 час.
Рис. 2. Влияние продолжительности хранения растворов антоцианов, экстрагированных с помощью ультразвука в присутствии аскорбиновой кислоты, на их стабильность
Из представленных результатов видно, что существенное влияние на стабильность антоцианов в растворе оказывает присутствующая в нем аскорбиновая кислота. При хранении растворов антоцианов, экстрагированных без добавления аскорбиновой кислоты, наблюдается довольно высокая стабильность пигментов при хранении их растворов в течение 24 часов. В экстрактах, содержащих аскорбиновую кислоту, стабильность антоцианов после суток хранения резко падает. Содержание антоцианов в растворах, экстрагированных в присутствии аскорбиновой кислоты при температурах 25 и 75 °С, после суток хранения уменьшается на 46 и 12 % соответственно. В литературных источниках отмечено, что аскорбиновая кислота, независимо от температуры хранения, подвержена быстрому разложению [15]. Видимо, продукты окисления аскорбиновой кислоты, вступая в реакцию с антоцианами, приводят к быстрой их деградации.
Таким образом, хранение растворов антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты оказывает отрицательное влияние на стабильность пигмента, вызывая его деградацию.
Поскольку микроволновое излучение способствует довольно быстрому извлечению биологически активных соединений из растительных клеток [16–18], в работе было определено влияние действия микроволн на экстрагирование антоцианов из ягод черной смородины в присутствии аскорбиновой кислоты.
Зависимость выхода антоцианов при микроволновой экстракции от продолжительности экстрагирования и присутствия в растворе аскорбиновой кислоты представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость выхода антоцианов при микроволновой экстракции от продолжительности экстрагирования и присутствия в растворе аскорбиновой кислоты
Из представленных результатов видно, что микроволновое излучение оказывает положительное влияние на выход антоцианов из ягод черной смородины как в присутствии аскорбиновой кислоты, так и без нее, при этом время экстрагирования существенно сокращается. Максимальное извлечение антоцианов из ягод черной смородины наблюдается уже после 2-минутного воздействия микроволнового излучения. Количество антоцианов в растворе за 120 секунд в образцах антоцианов, выделенных в присутствии аскорбиновой кислоты и без нее, увеличивается в 2,1 и 1,7 раза соответственно. При воздействии микроволн более 120 секунд увеличение количества антоцианов в обоих образцах не наблюдается.
Таким образом, использование метода микроволновой экстракции довольно эффективно для выделения антоцианов из ягодного сырья. Под действием микроволн и объемного нагрева, вызывающего быстрое разрушение клеточных стенок, удается сократить время экстрагирования антоцианов из ягод черной смородины до 2 мин. Кроме того, микроволновая экстракция благоприятно влияет на извлечение антоцианов из ягодного сырья в присутствии аскорбиновой кислоты. Видимо, время экстрагирования антоцианов в течение 2 мин не приводит к окислительным процессам в молекуле аскорбиновой кислоты, а, наоборот, подкисление ею растворов антоцианов оказывает стабилизирующее действие на пигмент.
Заключение. Присутствие аскорбиновой кислоты в растворе антоцианов при 20 мин воздействия ультразвуком при 25 и 75 °С приводит к деградации антоцианов и снижает их выход. Хранение растворов антоцианов в присутствии аскорбиновой кислоты оказывает отрицательное влияние на стабильность пигмента, вызывая его деградацию. Содержание антоцианов в растворах, экстрагированных в присутствии аскорбиновой кислоты при температурах 25 и 75 °С, после суток хранения уменьшается на 46 и 12 % соответственно. Использование метода микроволновой экстракции довольно эффективно для выделения антоцианов из ягодного сырья. Микроволновая экстракция в течение 2 мин благоприятно влияет на извлечение антоцианов из ягодного сырья в присутствии аскорбиновой кислоты, оказывая стабилизирующее действие на пигмент.
1. Kim J. Vaccinium myrtillus extract prevents or delays the onset of diabetes–induced blood–retinal barrier breakdown. International / J. Kim, C. S. Kim, Y. M. Lee, E. Sohn, K. Jo, J. S. Kim // Journal of Food Sciences and Nutrition. 2015. 66(2). P. 236–242. DOI:https://doi.org/10.3109/09637486.2014.979319.
2. You Y. Cyanidin-3-glucoside attenuates high-fat and high-fructose diet-induced obesity by promoting the thermogenic capacity of brown adipose tissue / Y. You, X. Han, J. Guo, Y. Guo, M. Yin, G. Liu, J. Zhan // Journal of Functiomal Foods. 2018. 41. P. 62-71. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jff.2017.12.025.
3. Leong H.Y. Natural redpigments from plants and their health benefits: A review / H.Y. Leong, P.L. Show, M.H. Lim, C.W. Ooi, T.C. Ling // Food Reviews International. 2018. 34 (5). P. 463-482. DOI:https://doi.org/10.1080/87559129.2017.1326935.
4. Delgado-Vargas F. Natural pigments: carotenoids, anthocyanins, and betalains—characteristics, biosynthesis, processing, and stability / F. Delgado-Vargas, A.R. Jiménez, O. Paredes-López // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2000. 40(3). P. 173-289. DOI:https://doi.org/10.1080/10408690091189257.
5. Freedman L. Effect of Ascorbic Acid on Color of Jellies / L. Freedman, F.J. Francis // Journal of Food Science. 1984. 49.(4) P. 1212–1213. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1365-2621.1984.tb10435.x.
6. Чеснокова Н.Ю., Ашихмин Е.А. Влияние аскорбиновой кислоты на интенсивность извлечения антоцианового пигмента из ягод черной смородины и его стабильность // Индустрия питания. 2020. № 5(4). С. 68–73. DOI:https://doi.org/10.29141/2500-1922-2020-5-4-10.
7. Ivanova V. Polyphenolic content of Vranec wines produced by different vinification conditions / V. Ivanova, A. Dornyei, L. Mark, B. Vojnoski, T. Stafilov, V. Stefova, F. Kilar // Food Chemistry. 2011. 124. P. 316–325. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2010.06.039
8. Натуральный концентрированный краситель, содержащий комплекс антоциановый пигментов и пектиновых веществ / Н.Ю. Чеснокова [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2019. 12. С. 160–168. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2019-12-160-168.
9. Ochoa S. Techno-economic evaluation of the extraction of anthocyanins from purple yam (Dioscorea alata) using ultrasound-assisted extraction and conventional extraction processes / S. Ochoa, M.M. Durango-Zuleta, J.F. Osorio-Tobón // Food and Bioproducts Processing. 2020. Vol. 122. P. 111–123. DOI:https://doi.org/10.1007/s13399-021-01935-7.
10. Backes Ei. Recovery of bioactive anthocyanin pigments from Ficus carica L. peel by heat, microwave, and ultrasound-based extraction techniques / Ei Backes, C. Pereira, L. Barrosa, M.A. Prieto, A.K. Genena, M.F. Barreiro, I.C.F.R. Ferreira // Food Research International. 2018. Vol. 113. P. 197–209. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.07.016.
11. Чеснокова Н.Ю., Левочкина Л.В., Ермоленко Т.С. В лияние природы экстрагента и ультразвука на степень извлечения антоцианового пигмента и использование его в производстве сладких блюд // Вестник Бурятской государственной сельскохозяйственной академии им. В.Р. Филиппова. 2018. № 3 (52). С. 149–155.
12. Исследование экстрактивных веществ березовых почек, полученных экстракцией с использованием ультразвука / О.Ю. Кузнецова [и др.]// Разработка и регистрация лекарственных средств. 2017. № 1. С. 134–137.
13. Tiwari B.K. Anthocyanin and Ascorbic Acid Degradation in Sonicated Strawberry / B.K. Juice, C.P. Tiwari, A. OʼDonnell et al // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2008. 56 (21). P. 10071-10077. DOI:https://doi.org/10.1021/jf801824v.
14. Farr J.E. Investigating the interaction of ascorbic acid with anthocyanins and pyranoanthocyanins / J. E. Farr, M.M Giusti // Molecules. 2018. 23(4). A. 744. DOI:https://doi.org/10.3390/molecules23040744.
15. Aaby K. Polyphenol composition and antioxidant activity in strawberry purees; impact of achene level and storage / K. Aaby, R.E. Wrolstad, D. Ekeberg, G. Skrede // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2007. 55. P. 5156–5166. DOI:https://doi.org/10.1021/jf070467u.
16. Backes, Ei. Recovery of bioactive anthocyanin pigments from Ficus carica L. peel by heat, microwave, and ultrasound-based extraction techniques / Ei Backes, C. Pereira, L. Barrosa, M.A. Prieto, A.K. Genena, M.F. Barreiro, I.C.F.R. Ferreira // Food Research International. 2018. 113. P. 197-209. DOI:https://doi.org/10.1016/j.foodres.2018.07.016.
17. Ferreira, L.F. Citric acid water-based solution for blueberry bagasse anthocyanins recovery: Optimization and comparisons with microwave-assisted extraction (MAE) / L.F. Ferreira, N.M. Minuzzi, R.F. Rodrigues, R. Pauletto, E. Rodrigues, T. Emanuelli, V.C. Bochi // LWT. 2020. 133. A. 110064. DOI:https://doi.org/10.1016/j.lwt.2020.110064.
18. Liu, W. An improved microwave-assisted extraction of anthocyanins from purple sweet potato in favor of subsequent comprehensive utilization of pomace / W. Liu, C. Yang, C. Zhou, Z. Wen, X. Dong // Food and Bioproducts Processing. 2019. Vol. 115 P. 1-9. DOI:https://doi.org/10.1016/j.fbp.2019.02.003.
