ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ СОХРАНЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАПИТКОВ В ПЭТ-УПАКОВКЕ БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНСЕРВАНТОВ

АННОТАЦИЯ

Предметом исследования являются технологии производства функциональных напитков. Цель исследования – сравнительный анализ технологий производства, позволяющих отказаться от использования консервантов с сохранением потребительских свойств напитков. Работа опирается на данные исследований российских и зарубежных экспертов пищевой индустрии, диетологов, научные-популярные и научно-исследовательские статьи в профильных журналах, отчеты ВОЗ и патентную документацию. Описана проблема использования консервантов в функциональных напитках. Выявлена актуальность поиска новых технологий, позволяющих от них отказаться. Определен круг возможных термических и нетермических технологий обработки; рассмотрены технологии пастеризации, асептического розлива, обработки высоким давлением, ультразвуком, импульсным электрическим током, ультрафиолетом - выделены их преимущества и ограничения. Установлено, что описываемые технологии имеют свои ограничения в части сохранения стабильности витаминов и микроэлементов в водном растворе. Рассмотрена технология раздельного хранения ингредиентов функциональных напитков до момента их потребления. Выявлены такие преимущества данной технологии, как снятие проблемы гидролиза, окисления, воздействия УФ и ограничение взаимных реакций компонентов. Доказано, что раздельное хранение ингредиентов позволяет максимально сохранить органолептические свойства и состав функционального напитка. Перспективность исследования – возможность разработки новых функциональных напитков с уникальными комбинациями нестойких в водных растворах витаминов, пробиотиков и микроэлементов.

ABSTRACT

The subject of the study is the technologies of production functional beverages. The purpose of the study is a comparative analysis of technologies without using of preservatives and with preserving the consumer properties of beverages. The work is based on researching of Russian and foreign experts of food industry, nutritionists, popular scientific and research articles in specialized journals, etc. The problem of using preservatives in functional beverages is described. The relevance of the searching new technologies without them is revealed. The range of possible thermal and non-thermal processing technologies is determined; the technologies of pasteurization, aseptic filling, high-pressure treatment, ultrasound, pulsed electric current, ultraviolet are considered - their advantages and limitations are highlighted. It is established that the described technologies have their limitations for maintaining the stability of vitamins. The technology of separate storage of ingredients of functional drinks until the moment of their consumption is considered. The advantages of this technology, such as removing the problem of hydrolysis, oxidation, UV exposure and limiting the mutual reactions of components, are revealed. It is proved that the separate storage of ingredients allows to preserve the organoleptic properties and composition of a functional drink as much as possible. The prospects of the research are the possibility of developing new functional drinks with unique combinations of vitamins, probiotics and trace elements that are unstable in aqueous solutions.

Ключевые слова: функциональные напитки, консерванты, система раздельного хранения ингредиентов.

Keywords: functional drinks, preservatives, separate storage system of ingredients.

Исследование было выполнено при поддержке Фонда содействия инновациям.

Актуальность. Концепция государственной политики Российской Федерации в области здорового питания, одобренная Постановлением Правительства РФ на период до 2020 года, включает в себя посыл по созданию и поддержке технологий производства качественно новых пищевых продуктов направленного воздействия на организм человека. Согласно ключевым требованиям Концепции, функциональные продукты должны быть основаны на веществах природного происхождения; должны являться продуктами массового спроса, составляющими часть ежедневного питания; должны легко усваиваться организмом и не обладать побочными эффектами; должны быть изготовлены по современным технологиям, позволяющим добиваться больших сроков хранения, быстрого и комфортного приготовления. Одной из самых подходящих и перспективных пищевых систем являются напитки, как максимально технологичная основа для создания новых видов функциональных продуктов: это продукт массового спроса, составляющий ежедневное питание человека, который удобно употреблять, просто транспортировать и хранить.

В состав функциональных напитков могут входить: витамины, минеральные вещества, пробиотики, аминокислоты, незаменимые жирные кислоты, фосфолипиды, пищевые волокна, экстракты различных растений и другие компоненты [3; 9]. Многие ингредиенты не стабильны в водных растворах, чувствительны к температурным изменениям и свету, они могут взаимодействовать между собой, меняя свою структуру и ухудшая качество напитков [6]. Органическое сырьё, в том числе растительное, склонно к поражению различными микроорганизмами и легко теряет свои свойства во время обработки [2].

Проблему сохранения потребительских свойств функциональных напитков производители решают за счет использования консервантов натурального и искусственного происхождения. Однако главное назначение функциональных напитков связано с профилактикой заболеваний, а потому, использование в их составах опасных пищевых добавок – консервантов - идет вразрез с концепцией «полезности». Консерванты способны убивать пробиотики и деградировать витамины, они вступают в реакции с другими ингредиентами и образовывают канцерогены, вызывают потребность в «перезакладке» витаминов, не защищают нестабильные элементы от гидролиза и других реакций [10; 11]. Более того, они вредны и даже юридически запрещены во многих странах. К примеру, витамин С приводит к окислению сорбата калия (натурального или искусственного происхождения), и продукты этого окисления могут действовать мутагенно и наносить ущерб ДНК (Бюллетень Всемирной организации здравоохранения, 2014; 92:780-781). Есть исследования, свидетельствующие о прямой связи между химическими соединениями, входящими в состав консервантов, и серьезными патологиями умственного развития детей.

Ежегодно в России появляются десятки если не сотни разработок напитков, обогащенных витаминами и микроэлементами на растительной основе с подтвержденной пользой. Однако им не удается выйти за пределы исследовательских лабораторий и институтов по причине несоответствия существующих традиционных технологий розлива и хранения напитков с требованиями к их потребительским свойствам на протяжении всего срока годности [3; 5]. Актуальность исследованию задает потребность в новых технологиях, позволяющих отказаться от консервантов и сохранить «полезность» напитков на заявленном уровне.

Объект и метод исследования. Популярность объекта исследования - функциональных напитков и разработанность направления «здоровых напитков» позволяют опираться на уже доказанные данные лабораторных исследований и выводы экспертов пищевой индустрии. В качестве источников были использованы работы российских и зарубежных ученых, диетологов, научные-популярные и научно-исследовательские статьи в профильных журналах, отчеты ВОЗ, обзоры производителей функциональных напитков, патентная документация и пр.

Отказ от использования консервантов приводит производителей функциональных напитков к необходимости пересмотра технологий их розлива и хранения. Это технологии термической (стерилизация, пастеризация и асептический розлив) и нетермической (альтернативные виды) обработок [15]. Поскольку технология стерилизации разрушает все полезные ингредиенты функциональных напитков, то в данном исследовании не рассматривается. Из альтернативных нетермических технологий обработки наиболее перспективны и интересны асептический розлив, обработка высоким давлением (HPP), обработка импульсным электрическим полем (PEF), обработка импульсным рентгеновским, ультрафиолетовым и комбинированным светом, омический нагрев, индуктивный нагрев, обработка перекисью водорода низкой концентрации, обработка ультразвуком, фильтрация нескольких типов, обработка магнитными полями [14]. Однако из вышеперечисленных технологий рассмотрим только те, по которым уже имеются практически реализованные решения и они конкретно применимы к инактивации бактерий: обработка высоким давлением, обработка импульсным электрическим полем, обработка ультразвуком и ультрафиолетом.

Для сравнительного анализа технологий выделим показатели: эффективность биологической стабилизации; сохранение органолептического профиля напитка; сохранность витаминов и микроэлементов; защита от взаимного воздействия ингредиентов; стабильность в водных растворах витаминов, пробиотиков и микроэлементов; необходимость «перезакладки» ингредиентов; негативное воздействие на организм человека.

Результаты исследования и их обсуждение. Технология пастеризации как кратковременное температурное воздействие, является одной из самых надежных и проверенных технологий биологической стабилизации продуктов питания. В зависимости от пищевого сырья, может быть длительная (30—40 мин, Т 63—65 °C), короткая (до 1 мин, Т 82—85 °C) и мгновенная (несколько секунд, Т 92-98 °C) [8]. В результате пастеризации бактерии погибают, но пастеризация не обеспечивает 100% уничтожение спор, известных как представители рода Bacillus, Alycylobacillus. Эти спорообразующие почвенные бактерии могут пережить процесс пастеризации, прорасти, разрастись и вызвать порчу (в случае использования растительного сырья, соков) [8]. Длительная термообработка продукта может значительно уменьшить содержание питательных веществ и способствовать частичной потере вкуса и аромата, убивая и полезные бактерии. Согласно различным исследованиям при термообработке напитки могут терять до 70 процентов витаминов А, Д, К и Е. Что же касается потери витамина C - вплоть до 50 процентов. Помимо этого, температура также влияет на водорастворимые витамины: пастеризация полностью уничтожает витамины В6 и В12, разрушает энзимы и антитела, полезные ферменты; она изменяет компоненты минералов (хлор, кальций, магний, натрий, фосфор, калий и др.) [19]. Выходом из данной ситуации является использование «перезакладки» витаминов, что при систематическом употреблении является небезопасным для потребителя.

Технология асептического розлива в варианте «сухой дезинфекции» предполагает обработку преформ раствором перекиси водорода сразу после нагревательной печи. Для обеспечения асептики - выдув, розлив и упаковка проходят в стерильной зоне и преимуществом данной технологии является более мягкое воздействие температуры на ингредиенты (чем при пастеризации). Однако, в итоге, со временем происходит потеря органолептических качеств напитка, снижается содержание витаминов, меняется вкус [18]. Термические технологии в разной степени неизбежно разрушают ингредиенты функциональных напитков, что и обусловило необходимость разработки альтернативных технологий, оказывающих более мягкое воздействие на состав напитков. Использование термических технологий в сочетании с нетермическими позволяет снизить их разрушительный эффект и оказать синергетическое воздействие на конечный продукт.

Технология обработки высоким давлением (HPP) основана на обработке напитка изобарическим мгновенным давлением (100–1000 МПа) и инактивации патогенов пищевого происхождения, бактерий, дрожжей и плесени с минимальными изменениями текстуры, цвета и вкуса [7]. Давление оказывает бактерицидное действие, устраняет плесень и дрожжи, сохраняя при этом антиоксидантную активность ингредиентов, количество пробиотиков, и даже улучшает органолептические свойства напитков (цвет и аромат). Важно, что применение технологии HHP позволяет сохранить содержание витамина C.

Технология ультразвуковой обработки уже успела показать свою перспективность в пищевой промышленности. Ультразвук сам по себе не очень эффективен для уничтожения бактерий, однако использование его в сочетании с давлением и/или теплом является перспективным методом инактивации микробов. Ультразвук с частотой в диапазоне 20–100 кГц и интенсивностью 1–2 Вт/см2 вызывает кавитацию пузырьков в жидкость. Образующиеся микропузырьки разрушают клеточные стенки, разрушают клеточные мембраны и повреждает ДНК микроорганизмов [17].

Технология импульсного электрического поля (PEF) воздействует на напиток короткими импульсами, приводя к механическому разрушению клеточных мембран. Этот процесс инактивирует микроорганизмы и ферменты с небольшим повышением температуры, обеспечивая деградацию потенциальных патогенов с сохранением питательных веществ. Эта технология прекрасно сохраняет питательную ценность напитка и синхронизируется с другими методами обработки. Ее преимуществом выступает минимальный нагрев, сохранность витамина С, антиоксидантной способности и исходных концентраций отдельных фенольных соединений. Физико-химические изменения при этом минимальны, срок хранения итогового напитка увеличивается более, чем при традиционных температурных методах обработки. Недостатки технологии в том, что  ферменты инактивируются не полностью и ее стоимость сравнительно высока [12].

Технология УФ-обработки (UV) – применяется для дезинфекции различных продуктов питания и напитков: механизм действия основан на  разрушении нуклеиновых кислот, остановке основных клеточных процессов и гибели клеток. Параметры УФ-обработки – длина волны, которая варьируется от 200 до 280 нм. Доказано, что максимальный эффект достигается при длине волны в 250–280 нм. Анализ влияния УФ-излучения на фенольные соединения и антиоксидантную способность напитков показал увеличение концентрации каротиноидов, флавоноидов и антиоксидантную способность [13]. Физико-химические параметры напитка изменяются незначительно. Деградация витамина С составляет примерно 11–22%, что значительно ниже, чем при термической обработки [19].

Если говорить о проблеме сохранения в функциональных напитках витаминов и полезных микроэлементов, методы термической обработки по своей эффективности проигрывают нетермическим альтернативным технологиям. Нетермические технологии обработки в большей степени сохраняют полезные ингредиенты и инактивируют микроорганизмы и разрушающие ферменты. Однако они тоже имеют свои ограничения и их следует использовать с осторожностью. К примеру, обработка высоким давлением может изменять структуру белка и полисахаридов, а также внешний вид напитка. Ультразвук высокой интенсивности может денатурировать белки и произвести свободные радикалы, которые будут отрицательно влиять на вкус [16]. Ультрафиолетовую обработку напитков на основе сока будет проводить затруднительно из-за высокого содержания в них взвешенных и растворимых частиц и низкого коэффициента пропускания УФ-излучения [6]. В целом, альтернативные нетермические технологии могут выступать лишь частью комплексного подхода к розливу и хранению функциональных напитков. Остается открытым вопрос деградации витаминов и пробиотиков, находящихся в водном растворе продолжительное время (гидролиз, окисление, воздействие УФ и взаимные реакции ингредиентов). На наш взгляд, эту проблему решает технология раздельного хранения ингредиентов напитка до момента их потребления.

Технология раздельного хранения предполагает, что находящийся в состоянии концентрата витаминно-минеральный премикс запечатан в герметичном контейнере и отделен от базовой водной основы (матрикса) разделительной мембраной. Поскольку премикс не взаимодействует с водной основой матрикса, его срок хранения может быть достаточно длительным [4]. Компоненты премикса остаются неизменными, так как в контейнере они защищены от воздействия УФ-лучей, кислорода и гидролиза. А высокий уровень концентрации компонентов в самом премиксе ограничивает активность их взаимодействия между собой.

Простой и стабильный по составу матрикс, не содержащий нестойкие к температуре компоненты, может быть подвергнут пастеризации, фильтрации или другим методам обработки. Смешивание премикса и матрикса будет происходить непосредственно перед его употреблением, позволяя сохранить функциональные свойства напитка на протяжении всего срока его хранения. Система раздельного хранения ингредиентов функционального напитка предлагает комплексное решение проблем, возникающим при традиционных технологиях розлива и хранения. Ее преимущество – в «изоляции» витаминов и микроэлементов, ограничивающей активность микроорганизмов. Данная технология позволяет отказаться от консервантов и позволяет вводить в состав напитков пробиотики и нестойкие в водных растворах витамины и микроэлементы, обеспечивая им герметичную защиту от света и кислорода. Значительно расширяя круг возможных рецептур напитков, технология раздельного хранения ингредиентов позволяет использовать комбинации компонентов, несовместимых между собой при длительном хранении.

Система раздельного хранения ингредиентов уже зарекомендовала себя во всем мире как надежная технология обогащения напитка витаминами, пробиотиками и микроэлементами непосредственно перед употреблением. Это дозирующие колпачки Виакап (США), «Тимпласт» (Голландия), «Седевита» (Хорватия), «Карма» (США), «Дело Витамин кап» (Франция) и другие [1]. Конструкция МиксДжет, запатентованная в России в качестве изобретения, развивает направление дозирующих колпачков предлагая новое техническое решение.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика описываемых технологий производства функциональных напитков продолжительного срока годности

Выводы. Использование консервантов в функциональных напитков идет вразрез с концепцией «здорового функционального питания». Замена искусственных консервантов на натуральные не решает проблему сохранности ингредиентов, стабильности состава напитков и не защищает от воздействия микроорганизмов. Использование технологии термической обработки напитков увеличивает стабильность состава напитков, при это значительно сокращает содержание в нем полезных ингредиентов. Применение нетермических технологий обработки напитков напротив, сохраняет содержание полезных ингредиентов, но сравнительно мало защищает от микроорганизмов. Комплексное использование нескольких технологий обработки напитков дают синергетический эффект и частично решают проблему сохранности состава на протяжении всего срока годности. Однако, не решены вопросы гидролиза, окисления, воздействия УФ и взаимных реакций ингредиентов. Что, в свою очередь, меняет органолептические свойства и состава напитка. Кроме того, данные технологии еще полностью не изучены и на сегодняшний день неизвестно, какие биохимические, ферментативные или микробиологические реакции могут происходить во время обработки. Технология раздельного хранения ингредиентов функциональных напитков до их употребления является техническим решением, снимающим проблему сохранности нестойких ингредиентов в водной среде. Ее стратегическими преимуществами являются раздельное хранение концентрата и водной основы, позволяющее: ограничить пагубные последствия гидролиза, окисления, воздействия УФ и взаимных реакций ингредиентов. Эффективность технологии раздельного хранения ингредиентов для сохранения потребительских свойств функциональных напитков возможно повысить за счет комбинации технологии пастеризации матрикса (водной основы) и обработки премикса одним из нетермических методов. Технология раздельного хранения ингредиентов не только снимает ограничения по комбинации витаминов и микроэлементов в составе функциональных напитков, но и позволяет разрабатывать принципиально новые рецептуры, создание которых ранее было невозможным.

Список литературы:

1. Активная упаковка. Оборудование для рынка упаковки и полиграфии. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.chinkopack.ru/ articles/active_pack9.php (дата обращения 22.02.2021).
2. Догаева Л.А., Пехтырева Н.Т. Классификация и идентификационные признаки функциональных безалкогольных напитков // Пиво и напитки. – 2011. - №5. С. 62 – 65.
3. Ипатова, Л. Г. Новые направления в создании функциональных пищевых продуктов // Пищевая промышленность. — 2007. — № 1. — С. 12–14.
4. Келло Руба. Контейнер для перорального применения с поршнем и отрывной крышкой как альтернативный дозатор для диетических добавок. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: file:///C:/Users/adkte/Desktop/article.pdf (дата обращения 12.02.2021)..
5. Кочеткова, А. А. Программа развития функциональных пищевых продуктов в России // VII научно-практическая конференция «Технологии и продукты здорового питания»: сб. научных трудов. — М., 2009. — С. 23–25.
6. Кригер О.В. Актуальные вопросы создания функциональных напитков с антибиотическими свойствами // Актуальные вопросы индустрии напитков. - М., 2017, - С.62-64.
7. Обработка пищевых продуктов высоким давлением (НPP). Multivac [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.multivac.com/ru/resenia /produkty/categories/hpp-obrabotka-pishchevykh-produktov-vysokim-davleniem/ ustanovki-ovd (дата обращения 16.01.2021).
8. Осипова Л.А.,Капрельянц Л.В. Пастеризация функциональных безалкогольных и слабоалкогольных напитков. Научное обоснование параметров //Технологии, - М, 2007. - №4. - С.38=39.
9. Пакен, П. Функциональные напитки и напитки специального назначения / пер. с англ. — СПб.: Профессия, 2010. — 496 с.
10. Пищевые добавки. Цифровая кодификация, качество, требования к этикетированию пищевых добавок // Современное производство и техника [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://itexn.com/4398_pishhevye-dobavki-cifrovaja-kodifikacija-kachestvo-trebovanija-k-jetiketirovaniju-pishhevyh-dobavok.html (дата обращения 21.02.2021).
11. Спиричев, В. Б. Обогащение пищевых продуктов витаминами и минеральными веществами // Наука и технология. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004. — 548 с.
12. Charles-Rodrıguez A.V., Nevarez-Moorillon G. V. Comparison of Thermal Processing and Pulsed Electric Fields Treatment in Pasteurization of Apple Juice / Food and Bioproducts Processing, June 2007. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/ 221705123 (дата обращения 02.02.2021).
13. Garry R. Buettner and Freya Q. Schafer. Ascorbate (Vitamin C), its Antioxidant Chemistry/The Virtual Free Radical School.  [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://sfrbm.org/site/assets/documents/frs/BuettnerAscorbateChemistry.pdf (дата обращения 19.02.2021).
14. Gustavo A. González Aguilar, Abraham Wall. Use of nonthermal technologies in the production of functional beverages from vegetable ingredients to preserve heat-labile phytochemicals/ Journal of Food Processing and Preservation, October 2017.[Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.researchgate.net/ publication/320541228 (дата обращения 01.03.2021).
15. Hussain Sorour; Fumihiko Tanaka; Toshitake Uchino. Impact of non-thermal processing on the microbial and bioactive content of foods//Global Journal of biology, agriculture and health sciences. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.gifre.org (дата обращения 22.02.2021).
16. Mariana Morales-de la Peña, Jorge Welti-Chanes and Olga Martín-Belloso. Application of Novel Processing Methods for Greater Retention of Functional Compounds in Fruit-Based Beverages //Beverages [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.mdpi.com/journal/beverages (дата обращения 23.02.2021).
17. Murray Moo-Young. Comprehensive Biotechnology. 2nd Edition / Pergamon, 2011/. ISBN: 9780444533524. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.elsevier.com/books/comprehensive-biotechnology/moo-young/978-0-444-53352-4 (дата обращения 22.01.2021).
18. Sanjana M.C., Hemegowda R., Sushma R. E. Aseptic Packaging – A Novel Technology to the Food Industry/ International Journal of Trend in Scientific Research and Development (IJTSRD), Mar-Apr 2019. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ttps://theatre-z.ru /aseptic-technology-ensures-safety-aseptic-packaging/ (дата обращения 15.01.2021).
19. Strumwasser Stu, Smith Bakley. Degradation of Vitamins And Probiotics Caused By Exposure to Heat, Water and Sunlight, June 2018 (A Green Circle White Paper) [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://greencirclecap.com/vitadegradation (дата обращения 20.02.2021).