ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ И ПАСТЕРИЗАЦИИ НА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА В СОКАХ БУЗИНЫ И ОБЛЕПИХИ
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ И ПАСТЕРИЗАЦИИ НА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА В СОКАХ БУЗИНЫ И ОБЛЕПИХИ
Аннотация
Ягоды бузины чёрной (Sambucus nigra L.) и облепихи (Hippophae rhamnoides L.) являются ценным сырьём для пищевой промышленности благодаря высокому содержанию фенольных соединений, антоцианов, каротиноидов и аскорбиновой кислоты. Цель исследования — оценка влияния пастеризации и ультразвуковой обработки на биологически активные соединения и физико-химические свойства соков из ягод бузины сорта «Кладезь» и облепихи сорта «Пламенная», произрастающих в Республике Беларусь. Объектом исследования служили свежеотжатые соки, полученные в лабораторных условиях. Пастеризацию проводили при температуре 85 °C с выдержкой 40 секунд. Ультразвуковую обработку выполняли при амплитуде 15% (36 мкм) в течение 10 минут с контролем температуры (не выше 23 °C). В образцах определяли pH, содержание сухих веществ (СВ) рефрактометрическим методом, сумму фенольных соединений (СФС) по методу Фолина-Чокальтеу, антиоксидантную активность (АОА) с использованием реактива DPPH•, содержание каротиноидов спектрофотометрически при 440 нм, а также мономерные антоцианы pH-дифференциальным методом. Статистическую обработку выполняли с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) и критерия Тьюки (p < 0,05). Установлено, что ультразвуковая обработка не повлияла на содержание полифенолов в соке облепихи, но снизила их в соке бузины на 9,8%, тогда как пастеризация — на 42,9%. Наибольший уровень каротиноидов отмечен в пастеризованном соке облепихи (137,4 мг / 100 г), а антоцианов — в необработанном и обработанном ультразвуком соке бузины (93,1 и 98,9 мг Ц-3-ГЭ / 100 г соответственно). Антиоксидантная активность сока бузины снизилась после пастеризации на 7,6%, тогда как ультразвук не изменил этот показатель. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что ультразвуковая обработка в щадящем режиме (15% амплитуды, 10 минут, t ≤ 23 °C) может рассматриваться как эффективная альтернатива традиционной пастеризации для производства соков из сырья, богатого термолабильными биоактивными соединениями — антоцианами и фенольными веществами.
1. Введение
Фруктовые соки — востребованные напитки, поставляющие в организм человека ценные нутриенты и биологически активные вещества, обладающие выраженным оздоровительным потенциалом. Соки облепихи (Hippophae rhamnoides L.) и бузины черной Sambucus nigra L.) отличаются особенно высоким содержанием фенольных соединений, флавоноидов и аскорбиновой кислоты, что обусловливает их способность эффективно нейтрализовать свободные радикалы , . Вместе с тем классический способ тепловой обработки — пастеризация, применяемый для подавления микрофлоры и удлинения сроков хранения, способен негативно влиять на биологически активные компоненты натуральных соков . Как показывают результаты научных исследований, пастеризация нередко приводит к снижению уровней флавоноидов и антоцианов , . Помимо этого, обработка ультразвуком может уменьшать содержание ряда летучих соединений в плодово-ягодных соках — терпеновых спиртов, сложных эфиров, альдегидов, кетонов и сесквитерпенов, — что способно изменить сенсорные характеристики продукта . Ультразвуковая обработка рассматривается сегодня как многообещающая нетермическая альтернатива традиционной пастеризации применительно к фруктовым и ягодным сокам , . Данный технологический приём доказал свою эффективность в отношении повышения выхода биологически активных соединений, улучшения качественных показателей сока и сохранения его питательной ценности , , . Важное преимущество ультразвуковой обработки состоит в увеличении биодоступности биологически активных компонентов. Благодаря разрушению клеточных структур и уменьшению размера частиц этот метод способствует росту растворимости и усвояемости активных молекул, что ведёт к более эффективному их поступлению в организм человека. Кроме того, ультразвук способен снижать молекулярную массу полифенолов и полисахаридов, облегчая тем самым их переваривание и всасывание . Цель исследования — сравнительная оценка воздействия ультразвуковой обработки и пастеризации на комплекс биоактивных соединений и физико-химические параметры соков облепихи сорта «Пламенная» и бузины черной сорт «Кладезь», произрастающих в Республике Беларусь.
2. Методы и принципы исследования
2.1. Объекты исследования и подготовка образцов
Ягоды бузины (Sambucus nigra L.) сорта «Кладезь» и облепихи (Hippophae rhamnoides L.) сорта «Пламенная» были приобретены в Республиканском унитарном предприятии «Институт плодоводства» Республики Беларусь. В лабораторных условиях из свежих ягод получали соки. Сразу после получения сок разливали в стеклянные бутылки объёмом 500 мл. Часть образцов направляли на пастеризацию, часть — на ультразвуковую обработку. Все анализы проводили непосредственно после обработки при комнатной температуре 20 ± 2 °C. Пастеризованный сок получали сразу после отжима путём нагревания до 85 °C с выдержкой 40 секунд. После нагрева сок охлаждали до комнатной температуры 20 ± 2 °C, затем разливали в стеклянные бутылки объёмом 200 мл и направляли на анализ. Перед ультразвуковой обработкой свежеприготовленный сок доводили до температуры 18 ± 2 °C. Обработку проводили с использованием ультразвукового гомогенизатора Sonopuls HD4200 (Bandelin Electronics GmbH & Co., Германия), оснащённого зондом TS 104 диаметром 4,5 мм. Образцы сока объёмом 100 мл помещали в химические стаканы, которые располагали в холодной водяной бане. Ультразвуковую обработку проводили при амплитуде 15% (что соответствует 36 мкм) в течение 10 минут. Температура образцов в процессе обработки не превышала 23 ± 2 °C. По окончании обработки образцы охлаждали до комнатной температуры (20 ± 2 °C) и использовали для дальнейших анализов.
2.2. Определение содержания растворимых сухих веществ (СВ)
Содержание СВ анализировали с использованием рефрактометра Atago PAL-1 (Япония) по ГОСТ 34128-2017 «Продукция соковая. Рефрактометрический метод определения массовой доли растворимых сухих веществ». Измерения проводили при температуре 20 ± 2 °C. Результаты выражали в градусах Брикса (°Bx). Измерения выполняли в трёх повторностях для каждого образца.
2.3. Определение pH
Значения pH определяли с помощью цифрового pH-метра HI 83141 (HANNA Instruments Германия) по ГОСТ 26188-2016 «Продукты переработки плодов и овощей, консервы мясные и мясорастительные. Метод определения pH». Измерения проводили при температуре 20 ± 2 °C. Каждый образец измеряли в трёх повторностях.
2.4. Приготовление экстракта для анализа общего содержания фенольных соединений и антиоксидантной (антирадикальной) активности (DPPH)
К 1 мл образца, термостатированного при 20 ± 2 °C, добавляли 40 мл водно-этанольного раствора (80% этанола по объёму). Смесь фильтровали через бумажный фильтр в мерную колбу объёмом 50 мл. После фильтрования объём в колбе доводили до метки тем же водно-этанольным раствором . Все операции проводили при комнатной температуре 20 ± 2 °C.
2.5. Определение общего содержания фенольных соединений (СФC)
Количественное определение СФС проводили по модифицированному методу Фолина-Чокальтеу с незначительными изменениями , . К 0,5 мл приготовленного экстракта добавляли 2,5 мл десятикратно разбавленного реактива Фолина- Чокальтеу. Через 5 минут вносили 2 мл 7,5% раствора карбоната натрия и перемешивали. Смесь выдерживали для реакции в течение 30 минут при температуре 20 ± 2 °C. Измерение оптической плотности проводили при длине волны 765 нм на спектрофотометре МС-124 (SOL Instrumens GmbH, Аугсбург, Германия). Результаты выражали в граммах галловой кислоты на 100 г сырой массы (г ГКЭ / 100 г). Анализ каждого образца сока выполняли в трёх повторностях.
2.6. Определение антиоксидантной активности (DPPH)
Антиоксидантную активность оценивали с использованием реактива DPPH• (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил) аналогично методике предыдущего исследования . Измерение оптической плотности раствора проводили на спектрофотометре МС-124 (SOL Instrumens GmbH, Аугсбург, Германия) при длине волны 517 нм. Все измерения выполняли при температуре 20 ± 2 °C. Результаты активности выражали в пересчёте на сырую массу и представляли в микромолях тролоксового эквивалента на грамм образца (мкмоль ТЭ / г). Для обеспечения достоверности каждый образец сока анализировали в трёх повторностях.
2.7. Определение содержания каротиноидов
Содержание каротиноидов определяли спектрофотометрическим методом с использованием спектрофотометре МС-124 (SOL Instrumens GmbH,Аугсбург, Германия). Измерения проводили при длине волны 440 нм и температуре 20 ± 2 °C в соответствии с ГОСТ ISO 6558-2-2019 «Фрукты, овощи и продукты их переработки. Определение содержания каротина спектрофотометрическим методом». Результаты выражали в миллиграммах на 100 г сырой массы (мг / 100 г).
2.8. Определение общего содержания мономерных антоцианов (MAC)
Содержание мономерных антоцианов определяли спектрофотометрическим методом, основанным на pH-дифференциальном подходе. Измерения оптической плотности проводили при длинах волн 520 и 700 нм на спектрофотометре МС-124 (SOL Instrumens GmbH, Аугсбург, Германия) при температуре 20 ± 2 °C. Пробоподготовку выполняли по методике с незначительными модификациями. Образец сока объёмом 2 мл, термостатированный при 20 ± 2 °C, разбавляли 30 мл смеси растворителей (85% этанол и 15% 1,5 N HCl). Смесь обрабатывали на вортексе и экстрагировали в течение 30 минут при комнатной температуре. Затем смесь центрифугировали и фильтровали. Содержание мономерных антоцианов выражали в мг эквивалента цианидин-3-глюкозида на 100 г сырой массы (мг Ц-3-ГЭ / 100 г). Анализ проводили в трёх повторностях.
2.9. Статистическая обработка данных
Для всех измерений рассчитывали среднее значение и стандартное отклонение. Статистическую оценку данных проводили с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) при уровне значимости p < 0,05. Для последующего анализа результатов применяли критерий Тьюки (Tukey's HSD test). Статистическую обработку данных выполняли с использованием пакета прикладных программ STATISTICA.
3. Основные результаты
3.1. pH и содержание сухих веществ (СВ)
Кислотность сока характеризуется величиной pH, тогда как содержание сухих веществ (СВ) отражает уровень сахаров и других растворённых компонентов, формирующих вкус ягодного сока. В ходе эксперимента не выявлено статистически значимых различий (p > 0,05) по показателям pH и СВ между необработанными, пастеризованными и обработанными ультразвуком образцами как облепихового, так и бузинного соков. Для сока облепихи значения СВ находились в интервале 8,5–8,7 °Bx, для сока чёрной бузины — 9,6–9,9 °Bx. Показатель pH во всех образцах облепихи составлял 2,6, тогда как у бузины он варьировал от 3,7 до 3,8. Данные других исследователей также свидетельствуют о том, что ультразвуковая обработка и пастеризация оказывают незначительное либо статистически незначимое влияние на pH и содержание сухих веществ в соках , , , .
3.2. Сумма фенольных соединений (СФС)
В таблице 1 представлены результаты анализа сока облепихи. Между свежим и обработанным ультразвуком образцами не обнаружено достоверных различий по сумме фенольных соединений (СФС) (p > 0,05). Пастеризация привела к небольшому, но статистически значимому снижению СФС на 7,4% по сравнению с контролем.
Содержание биоактивных соединений и антиоксидантная активность сока облепихи в зависимости от способа обработки
СФС — сумма фенольных соединений; АОА — антиоксидантная активность; результаты представлены как среднее значение ± стандартное отклонение (n = 3); разные буквы в пределах одного столбца указывают на статистически значимые различия (p < 0,05, критерий Тьюки)
Образец | СФС, г ГКЭ / 100 г | АОА (DPPH•), мкмоль ТЭ / г | Каротиноиды, мг/100 г |
Свежеотжатый сок облепихи | 0,607 ± 0,016a | 7,91 ± 0,11a | 128,4 ± 5,2b |
Сок облепихи после ультразвуковой обработки | 0,589 ± 0,015a | 8,02 ± 0,20a | 125,8 ± 3,1b |
Сок из облепихи пастеризованный | 0,562 ± 0,006b | 7,83 ± 0,34a | 137,4 ± 1,3a |
Для сока чёрной бузины (таблица 2) максимальное значение СФС установлено в свежеотжатом соке. Под действием ультразвука СФС снизилось на 9,8%, тогда как пастеризация вызвала гораздо более выраженное падение — на 42,9%. Различия между всеми тремя образцами бузинного сока были статистически значимы (p < 0,05).
Содержание биоактивных соединений и антиоксидантная активность сока чёрной бузины в зависимости от способа обработки
СФС — сумма фенольных соединений; ГКЭ — галловая кислота; АОА — антиоксидантная активность; ТЭ — тролокс; Ц-3-ГЭ — цианидин-3-глюкозид; МА — мономерные антоцианы; результаты представлены как среднее значение ± стандартное отклонение (n = 3); разные буквы в пределах одного столбца указывают на статистически значимые различия (p < 0,05, критерий Тьюки)
Образец | СФС, г ГКЭ /100 г | АОА (DPPH•), мкмоль ТЭ / г | МА мг Ц-3-ГЭ / 100 г |
Свежеотжатый сок из черной бузины | 1,374 ± 0,003a | 13,73 ± 0,14a | 93,14 ± 1,75a |
Сок бузины после ультразвуковой обработки | 1,239 ± 0,004b | 13,92 ± 0,52a | 98,87 ± 7,35a |
Пастеризованный сок из бузины | 0,784 ± 0,01c | 12,69 ± 0,34b | 51,15 ± 1,07b |
Важно отметить, что ультразвуковая обработка не оказала существенного влияния на СФС облепихового сока, однако привела к значимому снижению этого показателя в соке бузины. Для обоих типов соков пастеризация сопровождалась уменьшением суммы фенольных соединений, но степень этого снижения сильно различалась. В литературе имеются противоречивые данные. Так, например, Wu et al. сообщают о возрастании СФС в соке голубики после пастеризации и ультразвуковой обработки . Напротив, Xu et al. наблюдали снижение СФС в клубничном соке при обоих видах обработки . В исследовании Bhutkar et al. установлено, что ни пастеризация, ни ультразвук значимо не изменили СФС киви . Таким образом, стабильность фенольного комплекса после обработки зависит от конкретного вида перерабатываемого сырья. Столь выраженная разница в реакции на пастеризацию между двумя изученными соками может объясняться различиями в составе фенольных соединений. У чёрной бузины основу СФС составляют цианидин-3-глюкозид и цианидин-3-самбубиозид, которые отличаются термолабильностью . В то же время многие фенольные соединения облепихи присутствуют в виде гликозидов (например, изорамнетин-3-О-рутинозид, изорамнетин-3-О-глюкозид), которые более устойчивы к нагреванию по сравнению с агликонами. Данные гликозиды лучше сохраняются при термическом воздействии .
3.3. Антиоксидантная активность (АОА)
По данным таблицы 1, антиоксидантная активность сока облепихи не претерпела статистически значимых изменений ни после ультразвуковой обработки, ни после пастеризации (p > 0,05). Все три образца показали близкие значения: от 7,83 до 8,02 мкмоль в эквиваленте тролокса на грамм. Для сока чёрной бузины (таблица 2) наблюдалась иная картина. АОА свежего и обработанного ультразвуком образцов не различалась (p > 0,05) и составляла 13,73 и 13,92 мкмоль в эквиваленте тролокса на грамм соответственно. Однако пастеризация привела к достоверному снижению АОА до 12,69 мкмоль в эквиваленте тролокса на грамм, что на 7,6% ниже контроля. Таким образом, антиоксидантная активность оказалась более устойчива к ультразвуковой обработке, чем к пастеризации, особенно в случае бузинного сока. Это согласуется с результатами исследования Xu et al., которые также отмечали лучшее сохранение антиоксидантных свойств при нетермической обработке .
3.4. Содержание каротиноидов в соке облепихи
Как видно из таблицы 1, наибольшее содержание каротиноидов содержалось в пастеризованном образце облепихового сока (137,4 мг / 100 г), что достоверно выше, чем в свежем и обработанном ультразвуком соках (p < 0,05). Между свежим и ультразвуковым образцами различия отсутствовали (p > 0,05). Повышение содержания каротиноидов после пастеризации может быть связано с разрушением клеточных структур и высвобождением связанных пигментов, а также с частичной инактивацией липоксигеназ, которые способствуют окислению каротиноидов. Ультразвуковая обработка в данном случае не привела к значимому увеличению экстракции каротиноидов, что, вероятно, связано с недостаточной интенсивностью кавитационного воздействия при выбранных параметрах.
3.5. Содержание мономерных антоцианов в соке чёрной бузины
Согласно таблице 2, содержание мономерных антоцианов в свежем и обработанном ультразвуком соке бузины достоверно не различалось (p > 0,05) и составляло 93,14 и 98,87 мг в эквиваленте цианидин-3-глюкозида на 100 г соответственно. Пастеризация же привела к резкому снижению данного показателя почти вдвое — до 51,15 мг / 100 г (снижение на 45,1%, p < 0,05). Антоцианы хорошо известны своей термолабильностью. Полученные результаты согласуются с данными других исследований, которые показали, что основные антоцианы бузины быстро деградируют при нагревании выше 70 °C , . Ультразвуковая обработка в щадящем режиме (амплитуда 15%, 10 минут, температура не выше 23 °C) позволила полностью сохранить антоциановый профиль сока.
4. Заключение
1. Величина pH и содержание сухих веществ (СВ) в соках облепихи и чёрной бузины не претерпевают статистически значимых изменений ни после ультразвуковой обработки, ни после пастеризации. Оба метода не оказывают влияния на данные физико-химические параметры.
2. Чувствительность фенольного комплекса к термической обработке существенно варьирует в зависимости от вида сырья. В соке чёрной бузины ультразвуковая обработка обеспечила сохранность 90,2% суммы фенольных соединений (СФС), тогда как пастеризация — лишь 57,1%. В облепиховом соке пастеризация привела к снижению СФС на 7,4%, тогда как ультразвуковая обработка не вызвала достоверных изменений данного показателя.
3. Антиоксидантная активность (АОА), оценённая по методу DPPH•, в соке облепихи оставалась стабильной при всех изученных видах обработки. Для сока чёрной бузины пастеризация сопровождалась снижением АОА на 7,6% по сравнению с контролем, в то время как ультразвуковая обработка не оказала значимого влияния.
4. Содержание каротиноидов в облепиховом соке увеличилось после пастеризации, что, вероятно, обусловлено разрушением клеточных структур и более полным высвобождением пигментов из матрицы. Ультразвуковая обработка в выбранных условиях не изменила концентрацию каротиноидов.
5. Мономерные антоцианы сока чёрной бузины продемонстрировали высокую термолабильность: пастеризация вызвала разрушение 45,1% данных соединений. Ультразвуковая обработка, напротив, позволила полностью сохранить нативный антоциановый профиль.
6. Ультразвуковая обработка при амплитуде 15% (36 мкм), продолжительности 10 минут и контролируемой температуре, не превышающей 23 °C, может рассматриваться как эффективная щадящая альтернатива традиционной пастеризации. Данный метод особенно рекомендуется для производства соков из сырья, богатого термолабильными биоактивными соединениями — прежде всего антоцианами и фенольными веществами. Обеспечение микробиологической безопасности соков после ультразвуковой обработки требует дальнейших исследований.