Научное обоснование технологий функциональных продуктов питания с использованием растительных сапонинов

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНЫХ САПОНИНОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ЮДИНА Татьяна Павловна

Москва 2009

Работа выполнена в Тихоокеанском государственном экономическом университете (ГОУ ВПО ТГЭУ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Гореньков Эдуард Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РСФСР Нечаев Алексей Петрович

доктор технических наук, профессор, Малкина Валентина Даниловна

доктор технических наук, профессор дважды лауреат Государственной премии РФ Добровольский Виктор Францевич

Ведущая организация: Государственное учреждение Дальневосточного отделения «Всероссийский научно-исследовательский институт охраны природы»

Защита состоится 26 июня 2009 г. на заседании Диссертационного совета Д 212.122.02 при Московском государственном университете технологий и управления по адресу: 109803, г. Москва, ул. Талалихина, д.31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУТУ и на сайте Высшей аттестационной комиссии

Автореферат разослан

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Р.К. Еркинбаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возрастающая в последние годы потребность в продуктах повышенной биологической ценности требует поиска новых пищевых ингредиентов и разработки новых технологий пищевых продуктов на их основе. Особую актуальность приобретает подбор ингредиентов, которые одновременно с функциями по формированию технологических свойств выполняют задачу обеспечения организма биологически активными веществами. Предпосылкой для данных исследований послужило кардинальное изменение взгляда на роль сапонинов в питании человека, которое наглядно прослеживается на регулярно проводимых международных конференциях по структуре и функции сапонинов: «Использование сапонинов в пище и сельском хозяйстве» (“Saponins used in food and agriculture”, 1996) и “Сапонины в пищевых, кормовых и лекарственных растениях” (“Saponins in food, feedstuffs and medical plants”, 2000).

Для создания новых видов функциональных продуктов питания одними из перспективных являются пищевые эмульсии, поскольку технология их получения позволяет легко вносить различные биокорректоры с оптимальным сочетанием нутриентов. Среди эмульсионных продуктов направленного действия особое место занимают низкокалорийные с содержанием жировой фазы до 40%. В последние годы они постепенно вытесняют с потребительского рынка традиционные высококалорийные соусы, пасты, кремы. Однако производство этих продуктов связано с проблемой сохранения их структурных свойств, т.к. снижение жировой фазы приводит к значительному уменьшению вязкости и тенденции к расслоению эмульсионной системы. В связи с этим, при производстве низкокалорийных эмульсионных продуктов основные требования предъявляются к выбору эмульгатора, от мицеллярных характеристик и функциональных свойств которого существенно зависят реологические параметры и стабильность эмульсионной системы. Наиболее перспективными эмульгаторами для получения таких продуктов могут являться высокомолекулярные природные эмульгаторы - белки и растительные сапонины. Они способны на границе раздела фаз образовывать прочные эластичные двухслойные адсорбционные слои, которые обуславливают высокую устойчивость эмульсий, образованных на их основе.

Однако, если белки довольно широко используются для получения низкокалорийных эмульсионных продуктов, то применение растительных сапонинов в настоящее время весьма ограничено. Ранее сапонины, наряду с растительными и животными белками, использовали в качестве первых натуральных пищевых эмульгаторов, но затем, по нашему мнению, незаслуженно были вытеснены синтетическими или полусинтетическими эмульгаторами, промышленное производство которых интенсивно стало развиваться в середине прошлого века. Это обстоятельство вызвано тем, что сапонины в силу некоторых негативных свойств - способности раздражать слизистую оболочку, вызывать разрушение эритроцитов крови, были отнесены к антинутриентам, поэтому на их использование в пищевой промышленности было установлено ограничение. В настоящее время в экспериментах in vitro и in vivo убедительно доказано, что сапонины не только теряют токсичность в желудочно-кишечном тракте за счет связывания с жировыми компонентами пищи, но и обладают широким спектром биологического действия, что позволяет рассматривать их как многофункциональные пищевые добавки.

Цель и задачи исследований. Настоящие исследования посвящены комплексному научному подходу к обоснованию технологий функциональных пищевых продуктов с использованием в качестве природного пищевого эмульгатора растительных сапонинов, а также разработке технологий высококачественного растительного эмульгатора.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести поиск перспективного источника растительного эмульгатора (сапонинов) среди сапонинсодержащих растений семейств Caryphyllaceae, Araliaceae и Leguminosae;

- исследовать особенности химического состава и физико-химических свойств экстрактов корней выбранных растений - Acanthophyllum gypsophiloides R. (колючелистника качимовидного) и Saponaria officinalis L. (красного мыльного корня);

- определить в экспериментах in vivo предельно допустимые концентрации водных экстрактов корней A. gypsophiloides R. и S. оfficinalis L. с целью обоснования возможности использования их в пищевой промышленности;

- доказать возможность культивирования двух видов S. officinalis L. (обычного и махрового) в почвенно-климатических условиях Приморского края и обосновать сроки заготовки сырья в зависимости от фенологического цикла развития растения с целью создания сырьевой базы для получения коммерческих объемов сапонинов;

- изучить поверхностно активные свойства и мицеллярные параметры сапонинов S. officinalis L. и установить закономерности их изменения в зависимости от условий водной среды;

- исследовать особенности химического состава и физико-химические аспекты функциональности экстрактов двух видов S. officinalis L. в зависимости от сроков их культивирования;

- изучить антиоксидантную активность и гипохолестеринемическое действие экстрактов для использования их в качестве полифункциональных пищевых добавок;

- исследовать антифунгальную активность экстрактов для расширения области их применения;

- обосновать рациональные параметры на всех этапах технологического процесса получения высококачественного растительного эмульгатора - гидромеханической обработки, экстрагирования и концентрирования экстрактов корней S. officinalis L. и сушки;

- разработать аппаратурно-технологическую схему получения высокоактивного растительного эмульгатора;

- научно обосновать технологии и разработать ассортимент эмульсионных продуктов различной функциональной направленности на основе водных экстрактов корней A. gypsophiloides R. и S. officinalis L.;

- разработать многокомпонентные низкокалорийные кондитерские кремы на основе растительного масла с использованием экстракта корней S. officinalis L.;

- исследовать пищевую и биологическую ценность разработанных эмульсионных продуктов и изменения, происходящие в процессе их хранения; эмульгатор растительный сапонинсодержащий продукт

- исследовать структурно-механические свойства низкокалорийных эмульсионных продуктов различной консистенции на основе растительного эмульгатора и изучить механизмы их старения;

- разработать и утвердить нормативную документацию на сырье, растительный эмульгатор из S. officinalis L. и эмульсионную продукцию функционального назначения.

Достоверность результатов базируется на интеграции взаимосвязанных физико-химических показателей качества обеспеченных достоверной воспроизводимостью экспериментальных результатов, полученных в лабораторных и производственных условиях, применением современных физико-химических методов анализа, а также методов математической обработки экспериментальных данных. Профилактический эффект разработанных продуктов подтвержден исследованиями на экспериментальных животных, клиническими и валеологическими испытаниями.

Научная новизна работы

Получены экспериментальные данные о высокой функциональной активности водных экстрактов корней A. gypsophiloides R. и S. officinalis L., в опытах in vivo установлено отсутствие токсичности, что позволяет рекомендовать исследованные растительные сапонины в качестве природных пищевых эмульгаторов.

Доказана перспективность культивирования S. officinalis L. в почвенно-климатических условиях Приморского края, а также научно обоснованы и экспериментально определены сроки заготовки корней, позволяющие получать сапонины с различной функциональной активностью и биологическим действием.

Впервые проведено систематическое исследование физико-химических, мицеллярных и функциональных свойств водных экстрактов двух видов корней культивированной S. officinalis L. Доказана перспективность использования сапонинов махрового вида в качестве эффективного природного эмульгатора.

Исследована биологическая активность экстрактов корней S. officinalis L. в экспериментах in vitro и in vivo. Выявленные антиоксидантная, антифунгальная активности и гипохолестеринемический эффект позволяют рассматривать водные экстракты в качестве функциональных пищевых добавок.

Создана научная концепция комплексной переработки корней S. officinalis L. Экспериментально подтверждены новые технологические решения сушки корней, а также разработаны подходы к получению и концентрированию растительных экстрактов с максимальным извлечением сапонинов и высокими функциональными свойствами.

Научно обоснованы рецептуры и технологии низкокалорийных эмульсионных продуктов различной функциональной направленности на основе водных экстрактов сапонинов. Установлено, что структурно-механические свойства эмульсионных продуктов различной консистенции сопоставимы со свойствами подобного типа продуктов, полученных на основе традиционных эмульгаторов.

Основные положения, вынесенные на защиту.

Обоснование перспективности появления на рынке нового коммерческого источника сапонинов - культивированных корней махрового вида S. officinalis L., экспериментальные доказательства оптимальных сроков заготовки сырья в зависимости от накопления сапонинов c различной биологической активностью для расширения возможности их практического использования.

Концептуальные подходы к научному обоснованию использования растительных сапонинов в качестве натуральных пищевых эмульгаторов.

Новые технологические решения и параметры процесса производства растительного эмульгатора на основе корней махрового вида S. officinalis L. и разработка аппаратурно-технологической схемы его получения.

Научно обоснованные технологии низкокалорийных эмульсионных продуктов различной консистенции - соусов, закусочных овощных паст, кондитерских кремов с соответствующими структурно-механическими свойствами, на основе растительного эмульгатора - экстрактов сапонинов.

Практическая значимость работы.

Доказана перспективность появления на рынке нового источника сапонинов - корней S. officinalis L. и эффективного природного эмульгатора на его основе. Короткий срок выращивания и высокая урожайность по сравнению с корнями колючелистника A. gypsophiloides R. и корой дерева Quillaja saponaria, позволяют отнести корни махрового вида S. officinalis L. к перспективным коммерческим источникам сапонинов. Различная биологическая активность экстрактов корней, собранных в различные периоды вегетации, значительно расширяет области применения сапонинов корней S. officinalis L.

Разработана аппаратурно-технологическая схема комплексной безотходной переработки корней S. officinalis L., позволяющая получить растительный эмульгатор в жидком, концентрированном и сухом виде. Данная установка может обеспечить экологически чистое безотходное производство с выпуском побочного продукта в виде органо-минерального гранулированного удобрения. Небольшие габариты установки позволяют использовать ее на предприятиях малого и среднего бизнеса.

На основе растительного эмульгатора разработаны технологии широкого ассортимента эмульсионной продукции: овощных соусов, десертных паст и кондитерских кремов (более 40 наименований). Продукция высоко оценена на выставках «Приморские продукты питания 2005-2008», «Дальагропродовольствие», Международной выставке «Технологии и продукты здорового питания 2007». По результатам апробации отмечено, что все представленные образцы отличались высокими органолептическими показателями качества и широким видовым разнообразием, позволяющим удовлетворять различные вкусы потребителей.

Разработана нормативная документация: ТУ 9143-085-02067936-2000 «Крем-пасты десертные»; № 9143-125-02067936-2005 «Кремы на растительных эмульгаторах»; ТУ 9372-001-77415036-2007 «Корень мыльнянки культивируемый высушенный»; ТУ 9168-002-77415036-2007 «Экстракт корня мыльнянки консервированный»; ТУ 9168-003-77415036-2007 «Экстракт корня мыльнянки замороженный»; ТУ 9168-004-77415036-2007 «Экстракт корня мыльнянки сушеный»; ТУ 9168-005-77415036-2007 «Экстракт корня мыльнянки комплексный сушеный».

Результаты апробации технологии путем выпуска опытных партий продукции с применением растительных эмульгаторов были использованы предприятиями ООО «Биолайф» и ООО «Дальпико» (г. Владивосток) для выпуска кондитерских изделий - кремов «Лакомка», «Фантазия», «Сладкоежка» и соусов в производстве пресервов.

Новизна научных и технических решений подтверждена полученными патентами и авторскими свидетельствами.

Апробация работы. Основные материалы диссертации в период с 1994 по 2008 гг. были представлены на 21 Международной и 9 Всероссийских и Региональных научно- практических конференциях и симпозиумах.

Публикации результатов работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 77 печатных работ, в том числе 2 монографии и 24 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ; получено 13 патентов в соавторстве.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, обзора литературы (глава 1), описания объектов, методик и методов исследования (глава 2), экспериментальной части (главы 3-5), выводов, списка использованной литературы, включающего 244 отечественных и 28 иностранных источников и приложений. Текст диссертации изложен на 316 страницах, иллюстрирован 53 таблицами и 51 рисунком.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и сформулированы цель и задачи исследований.

Глава 1. Обзор литературы. Анализ литературных данных доказал перспективность использования растительных сапонинов в качестве полифункциональных пищевых добавок, формирующих структуру эмульсионных продуктов питания, и необходимость комплексного подхода к технологии высококачественного природного эмульгатора.

Глава 2. Объекты, задачи и методология исследований.

Объектами исследования служили растения, являющиеся коммерческими источниками сапонинов:

1. Acanthophyllum gypsophiloides B ((колючелистника качимовидного, туркестанского мыльного корня), заготовленных в Средней Азии;

2. Saponaria officinalis L. (мыльнянки лекарственной, красного мыльного корня), заготовленных в Приморском крае;

3. Saponaria officinalis L, культивируемой на территории Приморского края;

4. Aralia mandshurica Max. (аралии маньчжурской), заготовленной в Приморском крае;

5. Glycyrrhiza glabra L. (солодки голой), заготовленной в Западной Сибири.

В работе использовали современные химические, физико-химические, биохимические, микробиологические, медико-биологические, органолептические методы анализа и статистические методы обработки экспериментальных данных.

Основная часть работы проводилась в НИИ экономических исследований и наукоемких технологий Тихоокеанского государственного экономического университета (ТГЭУ, Владивосток). Биохимические, физико-химические и медико-биологические исследования осуществлялись в лабораториях Тихоокеанского института биоорганической химии (ТИБОХ, Владивосток), Тихоокеанского института рыбного хозяйства и океанографии (ФГУП ТИНРО-ЦЕНТР, Владивосток), Дальневосточного медицинского института, Владивосток.

Общая схема исследований представлена на рисунке 1.

Глава 3 Научное обоснование возможности использования сапонинов в качестве растительного эмульгатора

Поиск перспективного источника сапонинов среди сапонинсодержащих растений в качестве сырья для получения натурального эмульгатора был осуществлен среди растений с высоким содержанием сапонинов установленной химической структуры:

- Acanthophyllum gypsophiloides R., колючелистник качимовидный - белый мыльный корень, содержание сапонинов в корнях которого составляет 18-20%. Основными сапонинами являются акантофиллозиды - гликозиды гипсогенина и квиллаевой кислоты, содержащие от 9 до 11 моносахаридных остатков;

- Saponaria officinalis L., мыльнянка лекарственная - красный мыльный корень. содержащий 20-30% сапонинов. В состав корней входят 13 тритерпеновых гликозидов, доминирующими среди которых являются полярные сапонариозиды - гликозиды гипсогеновой и квиллаевой кислот с разветвленными углеводными цепями из 8-9 моносахаридных остатков;

- Aralia mandshurica Rupr. et Maxim, аралия маньчжурская, основными гликозидами которой являются три- и тетрозиды олеаноловой кислоты (от 5 до 9% в зависимости от срока вегетации);

- Glycyrrhiza glabra L., солодка голая, в состав корней которой входит глицирризин - калиевая и натриевая соли трехосновной глицерризиновой кислоты.

Функциональные свойства водных экстрактов корней сапонинсодержащих растений были оценены нами по основным показателям, предъявляемым к эмульгаторам как к функциональным пищевым добавкам: пенообразующей способности; предельно допустимому количеству вводимого масла, соответствующему точке инверсии; эмульгирующей способности, которая характеризуется соотношением объемов дисперсной фазы к дисперсионной среде; стойкостью эмульсии. Результаты исследования позволили отнести экстракты корней A. gypsophiloides и S. officinalis к перспективным натуральным эмульгаторам (рисунок 2). В отличие от них использование экстрактов корней A. mandshurica и G. glabra нецелесообразно из-за низкой функциональной активности последних.

Изучение влияния массовой доли растворимых сухих веществ на прочность эмульсии позволило экспериментально найти наилучшие условия, при которых эмульсия оставалась стабильной. Они соответствуют массовой доли растворимых сухих веществ в экстракте 5-7% и эмульгирующей способности, равной 13.



А В

C D

Рисунок 2 Зависимость функциональных свойств экстрактов сапонинсодержащих растений от массовой доли растворимых сухих веществ Acanthophyllum gypsophiloides Saponaria officinalis Aralia mandshurica Glycyrrhiza glabra А - пенообразующая способность В - устойчивость пены С - предельно допустимое количество масла D - устойчивость эмульсии F - эмульгирующая способность

Высокая функциональная активность экстрактов корней A. gypsophiloides и S. оfficinalis обусловлены доминирующим содержанием в них сапонинов. Анализ химического состава показал (таблица 1), что в экстракте A. gypsophiloides основная часть сапонинов представлена высоко полярными сапонинами (ВПС), в то время как в экстрактах S. оfficinalis наряду с полярными присутствовали незначительные количества низкополярных сапонинов (НПС).

Таблица 1

Анализ химического состава водных экстрактов корней A. gypsophiloides и S. officinalis

Водные экстракты корней	ПС, %	ВПС, %	НПС, %	ФС, %	ДК50 мкг/мл
Колючелистника (ЭКК)	3,2	77,3	5,7	1,8	250
Мыльнянки (ЭКМ)	15,0	55,0	17,0	3,4	250
Мыльнянки (стебли)	20,0	34,5	5,4	1,3	1100
Мыльнянки (листья)	17,0	25,8	7,6	2,1	5600

ПС - полисахариды; ВПС - высокополярные сапонины; НПС - низкополярные сапонины; ФС - фенольные соединения; ДК₅₀ - гемолитическая активность - концентрация, необходимая для достижения 50% лизиса эритроцитов.

Наблюдаемые различия в соотношении сапонинов различной степени полярности не оказывали существенного влияния на физико-химические свойства и гемолитическую активность экстрактов. Они проявляли одинаковую тенденцию в изменении поверхностного натяжения на границе вода/воздух. Способность понижать поверхностное натяжение в области начальных концентраций и снижать его до минимальных значений 54-58 мН/м позволили отнести экстракты корней A. gypsophiloides и S. officinalis к высокоактивным ПАВ (рисунок 3).

Для возможного создания безотходной технологии производства растительного эмульгатора нами были исследованы водные экстракты других вегетативных частей растения. По сравнению с экстрактами корней, водные экстракты стеблей и листьев практически не содержали сапонинов, обладали низкой пенообразующей способностью и не образовывали устойчивой эмульсии.

Рисунок 3 Изотермы поверхностного натяжения экстрактов A. gypsophiloides (ЭКК) и S. officinalis (ЭКМ) от массовой доли растворимых сухих веществ

Характерный специфический слабый травянистый вкус и запах не ограничивает использование водных экстрактов корней A. gypsophiloides и S. officinalis в пищевой промышленности и позволяет рекомендовать их в качестве пенообразователей при производстве шипучих напитков, кондитерских кремов и муссов; эмульгаторов при производстве различных соусов, паст; солюбилизаторов для введения различных видов пищевых липидов (жирорастворимых витаминов и эфирных масел) в безалкогольные напитки. Присутствие полисахаридов и фенольных соединений позволяет рассматривать растительные экстракты, как многофункциональные пищевые добавки.

Определение предельно допустимых концентраций водных экстрактов корней A. gypsophiloides и S. officinalis в экспериментах in vivo. Несмотря на то, что исследованные экстракты проявляют слабую гемолитическую активность, поскольку значения их ДК₅₀ составляли 250 мкг/мл (таблица 1), согласно Закону РФ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» к ним должны быть предъявлены требования по их безопасному использованию. Определение предельно допустимых концентраций, безопасных для организма человека, осуществлялось нами в экспериментах in vivo - исследована острая и подострая токсичность водных экстрактов.

По результатам проведенных исследований была проведена оценка токсичности экстрактов согласно доклиническим исследованиям биологически активных добавок, включая биохимические, гематологические и патогистологические показатели. Исследования были выполнены на белых беспородных мышах и крысах. При выборе вида лабораторных животных учитывали всеядность грызунов, что дает возможность исследовать любые пищевые объекты. Кроме того, характер их метаболизма позволял экстраполировать полученные результаты на организм человека.

Острую токсичность определяли на мышах путем однократного введения в желудок возрастающих доз (0,1-0,5 мл) 7%-ых экстрактов корней A. gypsophiloides и S. officinalis. Было установлено, что доза 0,5 мл (35 мг растворимых сухих веществ) на мышь (20 г) не вызывала гибели животных в течение 7 суток. Следовательно, исследуемые экстракты можно отнести к группе малотоксичных веществ, поскольку в дозе 1,75 г/кг веса они не обладали токсичностью. В расчете на среднюю массу тела человека (70 кг) это доза составляет 122 г одновременного попадания экстракта в желудочно-кишечный тракт.

Подострую токсичность экстрактов проверяли на крысах - самках и самцах, которые ежедневно в течение одного месяца получали в виде корма экстракты колючелистника/мыльнянки в дозах 5 мл 7%-ых растворов на 100 г стандартного рациона питания. В течение времени эксперимента наблюдалась равномерная прибавка веса животных и не было обнаружено отклонений по следующим показателям:

- биохимические показатели крови (АлАТ, АсАТ, общий, прямой, непрямой биллирубин, общий белок, мочевина), а также показатели периферической крови (клеточный состав крови, гемоглобин, цветной показатель) подопытных крыс не отличались от контрольных;

- не наблюдалось отклонений от массы внутренних органов контрольных животных (печени, почек, сердца, селезенки, надпочечников, тимуса, половых органов);

- гистологическая картина внутренних органов (печени, почек, сердца, надпочечников, тимуса, селезенки, половых органов) соответствовала нормальному их гистологическому строению.

Проведенные исследования позволили исключить токсичное действие экстрактов A. gypsophiloides и S. officinalis при однократном пироральном введении животным препарата в количестве 1,75 г/кг веса. Длительное введение экстрактов не вызывало изменений показателей периферической крови и морфологических изменений внутренних органов.

Интродукция S. officinalis в почвенно-климатических условиях Приморского края. Предпосылкой для интродукции S. officinalis в почвенно-климатических условиях Приморского края послужило высокое структурное подобие его основных сапонинов (сапонариозидов) с quillaja сапонинами коры дерева Quillaja saponaria, которые в настоящее время являются единственными коммерческими сапонинами, официально разрешенными в Японии, Америке и ряде стран Европы к использованию в пищевой промышленности в качестве эмульгатора, пенообразователя и солюбилизатора.

Фенологические наблюдения и биометрические учеты подтвердили возможность и перспективность разведения в почвенно-климатических условиях края двух видов S. officinalis (рисунок 4).



Рисунок 4 Плантации мыльнянки S. officinalis L. махрового вида второго года культивирования (июнь) на Приморской плодово-ягодной опытной станции в районе г. Владивостока

Для обоснования оптимальных сроков заготовки сырья нами была исследована динамика накопления корневой массы обычного и махрового видов в зависимости от фенологического цикла развития растений. Было установлено, что интенсивное накопление корневой массы наблюдалось уже на 2-ой год культивирования, дальнейшее увеличение сроков не приводило к ее значительному накоплению за счет сильного разрастания боковых отростков. Содержание сапонинов в корнях растений колебалось в пределах 23-35% и зависело в большей степени от растения того или иного, вида чем от его возраста. Так, корни обычной мыльнянки 2-го года культивирования содержали 23% сапонинов, корни махровой - 30%. Дальнейшее культивирование практически не сопровождалось увеличением содержания сапонинов (26 и 32% соответственно), что дает основание для возможного ограничения срока выращивания S. officinalis в течение двух лет.

Целесообразность сокращения сроков выращивания подтверждена также сравнительным изучением химического состава экстрактов и результатами исследования их функциональных свойств. Так, экстракты корней 2-го и 3-го годов культивирования обладали подобной функциональной активностью (рисунок 5), высокие пенообразующие и эмульгирующие характеристики которых обусловлены доминирующим содержанием в них сапонинов. Найдено, что в экстрактах корней 2-го и 3-го годов культивирования содержание сапонинов колебалось незначительно и составляет 67-73 и 58-59% для махрового и обычного видов соответственно.

A B

C

Рисунок 5 Функциональные свойства экстрактов корней S. officinalis: А-устойчивость эмульсии; В- пенообразующая способность; С- точка инверсии (ТИ). 1, 2 - корней махрового вида; 3, 4 - корней обычного вида (1, 3 - 3-й год; 2, 4 - 2-й год)

Однако пенообразующая способность и эмульгирующие свойства экстрактов корней махрового вида существенно превышали данные показатели по сравнению с экстрактами обычного вида. Несмотря на то, что точка инверсии для всех исследуемых экстрактов находилась в пропорциональной зависимости от массовой доли растворимых сухих веществ, экстракты корней махрового вида способны были связывать на 25% больше масла.

Соизмеримо высокие функциональные характеристики исследуемых экстрактов позволяют сделать окончательный вывод о возможности сокращения срока культивирования, что приводит к значительному экономическому эффекту. Максимально короткие сроки культивирования, высокая урожайность корней (10т. с 1 га.), содержащих до 35% сапонинов, позволяют отнести оба вида S. officinalis к перспективным коммерческим источникам сапонинов. Ранние результаты по культивированию A. gypsophiloides R. в Туркменистане показали, что максимальное накопление сапонинов в корнях колючелистника качимовидного (до 20%) наблюдалось только к 5-ому году вегетации; при этом урожайность корней была почти в 2 раза ниже урожайности S. officinalis.

Влияние фазы вегетации растения на оптимальные сроки заготовки сырья было определено на экстрактах двухлетних корней, собранных в основные периоды накопления сапонинов - в фазах бутонизации (07) и плодоношения (09). Установлено, что фаза вегетации существенно не влияла на общее содержание сапонинов в экстрактах, поскольку в зависимости от сроков сбора оно колебалось незначительно - 58-59% и 67-73% для мыльнянки обычного и махрового видов соответственно (таблица 2).

Таблица 2

Влияние фазы вегетации растения на состав и свойства водных экстрактов корней S. officinalis обычного и махрового видов

Водные экстракты корней	ПС, %	СП, %	ФС, %	ДК50 мкг/мл
Мыльнянки обычной (ЭМО) 06	11,9	58,6	1,7	80
Мыльнянки обычной (ЭМО) 09	12,3	57,6	1,0	250
Мыльнянки махровой (ЭММ) 06	4,6	73,1	1,5	50
Мыльнянки махровой (ЭММ) 09	9,1	66,6	1,1	150

ПС - полисахариды; СП - суммарная фракция сапонинов; ФС - фенольные соединения; ДК₅₀ - гемолитическая активность - концентрация, необходимая для достижения 50% лизиса эритроцитов.

Нами выявлено существенное изменение токсичности экстрактов - экстракты летних корней обладали большей гемолитической активностью (50-80 мкг/мл) по сравнению с активностью осенних экстрактов (250 мкг/мл). Различная токсичность экстрактов, собранных в разные фазы развития растений, значительно расширяет возможную область их применения. Для получения растительного эмульгатора целесообразно использовать корни осеннего сбора, поскольку их экстракты обладают очень слабой токсичностью. При использовании в косметических целях (например, для получения препаратов против кожных грибков) или в качестве биопестицидов в сельском хозяйстве, необходимо использовать корни периода наибольшей токсичности - фазы бутонизации.

Физико-химические аспекты функциональности сапонинов корней S. оfficinalis. Для обоснования возможности использования экстрактов корней культивированной S. officinalis в качестве высоко активных природных эмульгаторов необходимо изучение основных физико-химических и мицеллярных свойств, которые являются основой их функционального действия. К таким свойствам относятся поверхностная активность, определяющая способность экстрактов образовывать мелкодисперсные двухфазные системы, и критическая концентрация миццеллообразования (ККМ), являющаяся количественной характеристикой их функциональной эффективности. Физико-химические и мицеллярные параметры экстрактов были оценены по отношению к сапонинам, выделенным из корней растений стандартным методом.

Поверхностная активность. Изменение поверхностного натяжения воды на границе вода/воздух в зависимости от концентрации сапонинов корней обычного и махрового видов представлено на рисунке 6 А.



A B

Рисунок 6 Изотермы поверхностного натяжения сапонинов (А) и экстрактов корней S. officinalis (В) обычного (1) и махрового (2) видов, определенные методом подсчета капель

Вид изотерм поверхностного натяжения свидетельствует о том, что по мере увеличения концентрации сапонинов поверхностное натяжение снижалось, достигая минимальной величины 41-43 мН/м в зависимости от вида мыльнянки. Поверхностная активность сапонинов корней S. officinalis соизмерима с активностью коммерческого quillaja сапонина, способного снижать поверхностное натяжение воды до значения 36-37 мН/м.

Наблюдаемый характер кривых - переход через минимум, связан с различной скоростью диффузии компонентов сложной смеси исследуемых сапонинов.

Исследуемые водные экстракты корней имели практически идентичный с сапонинами характер изотерм поверхностного натяжения (рис. 6 В), что свидетельствует об их высокой поверхностной активности. Незначительное увеличение величин минимального снижения поверхностного натяжения - 55-58 мН/м, по-видимому, вызвана присутствием сопутствующих растительных компонентов (полисахаридов и фенольных соединений).

Мицеллярные параметры. Определение ККМ проводили двумя принципиально различными методами - методом равновесного поверхностного натяжения и методом флуоресцентных зондов. Использование двух методов позволило установить надежность полученных значений, исключив индивидуальные погрешности каждого метода. На примере экстракта корней S. officinalis махрового вида мы показали, что величины ККМ, определенные выше названными методами, имели близкие значения и составляли 1.75 и 1.24 мг/мл (рисунок 7). Сопоставимость результатов позволила нам в дальнейших исследованиях использовать один метод - метод встраивания зонда.

Рисунок 7 Изотерма поверхностного натяжения экстракта корней S. officinalis махрового вида, определенная методом отрыва кольца на приборе фирмы "Маркада"; влияние концентрации экстракта мыльнянки махрового вида на встраивание в мицеллы 8-анилиннафтолсульфокислоты (ANS, Sigma)



Рисунок 8 Влияние концентрации на встраивание ANS в мицеллы сапонинов корней обычного (1) и махрового (2) видов S. officinalis

Мицеллярные параметры сапонинов. Влияние концентрации сапонинов на встраивание зонда показано на рисунке 8. Сапонины корней обычного и махрового видов имели различные значения ККМ, поскольку линейное увеличение флуоресценции, свидетельствующее о начале формирования мицелл, наблюдалось после достижения концентрации 1,20 и 0,68 мг/мл, соответственно. Наклон кривых флуоресценции, определяемый количеством включенного зонда, указывал на большую степень гидрофобности мицелл, образованных сапонинами корней махрового вида.

Мицеллярные параметры сапонинов корней махрового вида совпадали с параметрами коммерческого quillaja сапонина (0,51- 0,72 мг/мл в зависимости от фирмы изготовителя). Сравнение со свойствами традиционно используемых пищевых эмульгаторов, таких, как лецитин, моно- и диглицериды, по-видимому, не корректно, поскольку последние не растворимы в воде и имеют другой механизм адсорбции углеводородных радикалов на поверхности раздела фаз. Тем не менее, коллоидные свойства сапонинов существенно отличаются от свойств ионного детергента додецилсульфата натрия, ККМ которого на порядок ниже и составляет 28-29 мкг/мл.

Экспериментально доказано, что сапонины S. officinalis, в структуре которых присутствуют карбоксильные группы, проявляли характерную для всех ионных ПАВ закономерность в изменении величины ККМ от значений рН среды и концентрации NaCl. Так, в кислой среде (рН 3-5), в результате протонизации карбоксильных групп, сапонины имели самые низкие значения ККМ (рисунок 9), в то время как в щелочной среде (рН 8), в результате усиления электростатических сил отталкивания за счет ионизации карбоксильных групп, формирование мицелл наблюдалось при более высокой концентрации сапонинов. В растворах слабой ионной силы (0,12 М) формирование мицелл происходило при самой высокой концентрации сапонинов. С увеличением концентрации соли (в интервале 0,12 - 1М) наблюдалось значительное уменьшение величины ККМ.

A B

Рисунок 9 Влияние величины рН среды (А) и концентрации соли (В) на ККМ сапонинов S. officinalis: 1 - обычного; 2 - махрового видов

Мицеллярные параметры экстрактов. Мицеллярные параметры водных экстрактов, так же как параметры фракций сапонинов, зависели от вида растений - у экстрактов корней махрового вида возрастание флуоресценции наблюдалось при более низкой концентрации (1,24 мг/мл) по сравнению с экстрактами обычной популяции (3,64 мг/мл). Увеличение значений ККМ экстрактов по сравнению с сапонинами, по-видимому, связано с присутствием сопутствующих примесей. Наклон кривых флуоресценции, определяемый количеством включенного зонда, также указывает на большую степень гидрофобности мицелл, образованных экстрактом махрового вида (рисунок 10).

Установлено, что возраст корней не оказывал существенного влияния на характер кривых флуоресценции, что еще раз подтверждает целесообразность сокращения сроков культивирования S. officinalis. Экстракты корней 2-го и 3-го годов имели подобный наклон кривых флуоресценции и начало образования мицелл наблюдалось при одинаковой концентрации растворимых сухих веществ (рисунок 10).

Рисунок 10 Влияние сроков культивирования S. officinalis на величины ККМ экстрактов: 1, 2 - корней махрового вида; 3, 4 - корней обычного вида. 1, 3 - 3-й год; 2, 4 - 2-й год

Проведенные исследования показали, что высокая поверхностная активность и низкие значения ККМ сапонинов обычного и махрового видов S. officinalis позволяет рекомендовать их в качестве перспективных природных эмульгаторов. Более высокие мицеллярные параметры экстрактов корней махрового вида позволяют рекомендовать этот вид S. officinalis как самый перспективный источник высокоактивных сапонинов, не уступающий по мицеллярным параметрам коммерческим quillaja сапонинам. Снижение ККМ в кислой среде и в присутствии соли позволяет модифицировать технологию приготовления эмульсии путем варьирования кислотности среды и концентрации соли.

Биологическая активность экстрактов S. officinalis в экспериментах in vitro и in vivo.

В работе исследовали следующие аспекты биологической активности экстрактов: антиоксидантную, антифунгальную активности и гиперхолестеринемический эффект.

Обнаруженные в водных экстрактах S. officinalis фенольные соединения (таблица 2) позволяют рассматривать экстракты как потенциальные природные антиоксиданты. Определение антиоксидантной активности проводили с использованием двух модельных систем: антирадикальную активность (АРА) по способности экстрактов гасить радикал дифенилпикрилгидрозила (ДФПГ^*), антиокислительную активность (АОА) - тормозить реакцию термического окисления ленитола. Применение простого и высоко чувствительного хроматографического экспресс-метода позволило обнаружить в исследуемых экстрактах два интенсивных пятна, указывающих на присутствие соединений, обладающих антиоксидантной активностью. Значения их подвижности соответствовали значениям веществ фенольной природы.

Количественную оценку АРА экстрактов проводили в сравнении с активностью галловой кислоты, которая, как известно, является одним из наиболее активных растительных антиоксидантов. В расчете на галловую кислоту массовая доля активных веществ, способных гасить свободный радикал, в экстрактах составляла 2•10 ^-3 %.

Относительную АОА экстрактов сравнивали с активностью кверцетина - наиболее распространенного природного антиоксиданта. Ингибирование реакции термического окисления ленитола проводили при 55^оС в течение 150 час, анализируя линейные участки кривых ингибирования и рассчитывали, как отношение периодов индукции окисления ленитола исследуемыми экстрактами и 10 мМ кверцетина. В экстракте массовая доля активных веществ, способных предотвращать окисление липидов, составила 6•10^-3 %.

Обнаруженные антирадикальная и антиоксидантная активности дают основание для использования водных экстракта корней красного мыльного корня в качестве полифункциональной пищевой добавки, способной одновременно выполнять роль эмульгатора и антиоксиданта.

Антифунгальная активность - способность ингибировать рост патогенных грибов, была исследована на фракциях низко полярных (НПС) и высоко полярных (ВПС) сапонинов, выделенных из корней S. officinalis махрового вида. В тест-культуре использовали патогенные для человека и растений грибы и дрожжи: Candida albicans - патогенные для человека дрожжи, вызывающие поверхностные микозы; Aspergillus niger - условно-патогенные мицелиальные (споровые) грибы, вызывающие глубинные внутренние микозы; Fusarium oxysporum - фитопатогенные споровые грибы.

Полученные данные показали, что фракция НПС проявляет высокую ингибирующую активность против патогенных для человека грибов и дрожжей, но слабо активна против растительных патогенов. В отличие от них фракция ВПС, в структуре которых присутствует большее число моносахаридных остатков, практически не влияют на рост данных микроорганизмов. Полученные результаты согласуются с литературными данными, свидетельствующими о том, что антифунгальная активность зависит от величины ГЛБ сапонинов.

Таким образом, низко полярные сапонины корней S. officinalis могут рассматриваться в качестве потенциальных антигрибковых и антидрожжевых препаратов.

Гиперхолестеринемический эффект - способность экстрактов корней S. officinalis и A.gypsophiloides нормализовать уровень холестерина в крови, был исследован на модели экспериментальной гиперлипопротеинемии (ГЛП), которую вызывали с помощью диеты, обогащенной холестерином и животными жирами.

После 16 дней приема жирной пищи вместе с водным экстрактом корней (5 мл 7% экстракта на 100 г пищи) исследовали морфологические изменения печени и рассчитывали липидный спектр крови, определяя содержание общего холестерина (ХС), триглицеридов (ТГ), липопротеидов высокой плотности (ЛВП). В основе гиперхолестеринемического действия сапонинов лежит их способность образовывать прочные комплексы с холестерином и желчными кислотами с последующей их экскрецией из организма.

В условиях ГЛП у животных наблюдались все признаки воспалительного и деструктивного процесса, характерные для гиперлипопротеинемии: увеличение массы печени, морфологические изменения печени в виде пылевидной и мелкокапельной жировой дистрофии гепатоцитов, а также расширение синусоидов и вен. К концу наблюдения увеличивалось содержание атерогенных липопротеидов (ЛНП и ЛОНП) и уменьшалось содержание антиатерогенных липопротеидов (ЛВП). Увеличение коэффициента атерогенности КА (6,22) по сравнению с контрольной группой животных (0,84) явно свидетельствовало о развитии гиперхолестеринемии и гипертриглицеридемии.

При добавлении в пищевой рацион экстрактов корней S. officinalis и A. gypsophiloides отмечено снижение массы печени, на микропрепаратах печени отмечались менее выраженные признаки деструктивного процесса. Улучшение состояния липидного фона крови подтверждалось снижением уровня ХС, ТГ, ЛОНП и ЛНП по сравнению с группой животных с экспериментальной ГЛП.

Влияние экстрактов корней S. officinalis и A. gypsophiloides на общее состояние животных и нормализацию показателей липидного обмена крови при экспериментальной гиперлипопротеинемии позволяют рекомендовать их в качестве профилактического средства при нарушении липидного обмена и для снижения уровня холестерина в крови.

Глава 4. Научное обоснование технологий растительного эмульгатора из корней культивированной S. officinalis

Одной из важнейших задач настоящего исследования является разработка комплексной аппаратурно-технологической схемы производства растительного эмульгатора с заданными функциональными свойствами. Для решения этой задачи экспериментально найдены рациональные режимы на всех этапах комплексной переработки корней - гидромеханической обработки, сушки, экстрагирования и концентрирования. Выбор рациональных режимов технологического процесса основывался на морфологических, физико-химических и структурно-механических свойствах сырья.

Характеристика и гидромеханическая обработка корней S. officinalis

Морфология корней. В отличие от крупных корней A. gypsophiloides (10 - 12 см толщиной, 2 м длиной), корни махрового вида S. officinalis второго года вегетации имеют ветвистое корневище небольших размеров (рисунок 11). Корневище растения сформировано из мелких боковых отростков диаметром 1 - 10 мм и длиной 10 - 55 см, и его масса колеблется в пределах 0,166 - 0,200 кг.

Рисунок 11 Корень S. officinalis махрового вида второго года вегетации



Рисунок 12 Поперечный срез корня S. officinalis при 2 кратном увеличении. Оптический микроскоп МС 10 (MICROS, Австрия) с цифровой видеокамерой САМ 1800 (VISION, Австрия)

Особенности морфологического строения корней S. officinalis вызывают сложность при реализации гидромеханической обработки. В межкорневом пространстве удерживается большое количество грунта, являющегося балластным материалом и содержащим высокое количество гнилостной микрофлоры. В аппаратурно-технологической схеме гидромеханической обработки предусмотрена стадия тщательного промывания корней для удаления балласта.

Основную массу в корневище составляют корни с диаметром 2 - 6 мм (60%), в то время как более крупные корни с диаметром 8 - 10 мм содержатся в минимальном количестве (2 - 3%). Корни мягкие и легко поддаются измельчению, что имеет значение для получения качественных экстрактов из корней S. officinalis, так как основная часть сапонинов концентрируется в клеточном соке корней (рисунок 12).

С целью стандартизации сырья корни S. officinalis были измельчены на кусочки разных размеров - 5, 10 и 15 мм, была рассчитана суммарная и удельная площадь поверхности кусочков разного диаметра. Данные расчета показали, что удельная площадь поверхности в большей степени зависит от диаметра корня, чем от его длины. Увеличение площади поверхности крупных корней может быть достигнуто вальцеванием, которое в 1,3 раза увеличивает их удельную площадь. В связи с этим, для исключения из технологической схемы трудоемкого процесса сортировки корней по диаметру для обеспечения равномерного процесса сушки и экстракции, корни диаметром свыше 5 мм с целью выравнивания площадей контакта подвергали вальцеванию. Результаты проведенных исследований легли в основу разработки установки по гидромеханической переработке корней S. officinalis.

Плотность измельченных до размера 5 мм влажных (свежевыкопанных) корней составляет 1230 кг/м³, сухих - 800 кг/м³.

Насыпная масса корня - объемный насыпной вес является необходимым параметром для расчета производительности технологического оборудования. На ее величину оказывают влияние многие факторы, в том числе размер и влажность корня. Так, насыпная масса влажных корней размером 5 мм составила 456 кг/м³, сухих - 171 кг/м^3.

Особенности химического состава корней. Для исследования химического состава были выбраны двухлетние корни S. officinalis махрового вида, собранные в сентябре - период максимального накопления корневой массы растения. Было определено, что основными экстрактивными веществами корней S. officinalis махрового вида являлись сапонины. Их общее содержание составляло 37% от массы корня. В исследованных корнях присутствовало незначительное количество фенольных соединений (около 3%) и водорастворимых полисахаридов (6%). Содержание липидов и белковых веществ не превышало 0,1 и 0,9% соответственно, что характерно для растительного сырья. Корни содержали высокое количество минеральных веществ (5%), что, по-видимому, можно объяснить способностью S. officinalis накапливать микро- и макроэлементы. Известно, что многие лекарственные растения синтезирующие сапонины, являются «сверх» концентраторами отдельных микро- и макроэлементов. Установлено, что корни махрового вида S. officinalis, культивированной в почвенно-климатических условиях Приморского края, способны избирательно накапливать биологически важные для живого организма макро- (K, Ca, Mg, P) и микроэлементы (Al, Fe, Mn, Zn, Cu).

Технология сушки корней мыльнянки S. оfficinalis. Для обеспечения высокого качества корней S. officinalis, содержащих легко разрушающиеся под действием ферментов сапонины, выбор рациональных режимов сушки является одной из ключевых задач технологического процесса производства экстрактов. Для этой цели было исследовано влияние различных режимов сушки - в естественных условиях и при тепловом воздействии, на сохранение функциональной активности растительных сапонинов в высушенном сырье.

Сушка в естественных условиях. Сушку корней проводили в соответствии с нормативными требованиями, предъявляемыми к сухому лекарственно-техническому сырью (ГОСТ 24027.2), на сетчатой раме с высотой слоя сырья 10 мм при относительной влажности воздуха 74% - 83% и при температуре 23 - 24єС.