ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАПИТКА ЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОРКОВНОГО СОКА И НАСТОЕВ ИЗ ЛЕКАРСТВЕННОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты оптимизации состава функционального напитка на основе морковного сока и настоев лекарственного растительного сырья (ромашки аптечной, чабреца и девясила) для нормализации психоэмоционального состояния детей школьного возраста, а также с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). С использованием математических методов планирования эксперимента и функции желательности Харрингтона определены оптимальные соотношения компонентов. Установлено, что оптимальный состав включает 72,0% морковного сока, по 4,0% настоев ромашки, чабреца и девясила. Проведена органолептическая оценка и изучена сохранность биологически активных веществ при хранении.

ABSTRACT

This article presents the results of optimizing the composition of a functional beverage based on carrot juice and medicinal herbal infusions (chamomile, thyme, and elecampane) for normalizing the psychoemotional state of school-age children, as well as children with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD). Using mathematical experimental design methods and the Harrington desirability function, the optimal component ratios were determined. The optimal composition was found to include 72.0% carrot juice and 4.0% each of chamomile, thyme, and elecampane infusions. An organoleptic evaluation was conducted, and the preservation of the biologically active substances during storage was studied.

Ключевые слова: функциональный напиток; морковный сок; водный настой ромашки, чабреца и девясил, оптимизация состава, функция желательности.

Keywords: Functional drink; carrot juice; water infusion of chamomile, thyme and elecampane, composition optimization, desirability function.

Введение. Современные дети, особенно школьного возраста, подвержены значительным психоэмоциональным нагрузкам, обусловленным целым комплексом различных факторов: интенсификация учебного процесса, повсеместное использование цифровых технологий (смартфоны, социальные сети), ростом диагностируемых случаев синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ). Данный синдром является одним из наиболее распространённых нейроповеденческих расстройств детского возраста, затрагивающим, по различным оценкам, от 5,0 до 10,0% детей школьного возраста [1, с. 15–18]. По данным Всемирной организации здравоохранения, СДВГ является третьим по распространённости психическим расстройством после депрессии, тревожных расстройств и неврозов [1; 2, с. 112–118].

Исследования подтверждают, что более 60,0% учащихся средних и старших классов имеют признаки повышенной нервной возбудимости, нарушения сна и снижения когнитивных функций, что негативно сказывается на их успеваемости и социальной адаптации [3, с. 45–52].

Существующие фармакологические методы коррекции данного состояния (психостимуляторы, анксиолитики) часто имеют побочные эффекты (сонливость, привыкание) и не всегда приемлемы для длительного применения в педиатрической практике [4, с.3-25]. В связи с этим актуальным направлением является разработка немедикаментозных, относительно безопасных и доступных средств на основе натурального сырья, в частности функциональные напитки из фруктово-овощных соков, обогащенных натуральными фитодобавками с седативным и адаптогенным действием. Такие продукты позволяют сочетать гидратацию организма с поступлением биологически активных веществ (флавоноидов, эфирных масел, полифенолов и др.), мягко регулирующих нервную систему [5, с. 18–23; 6, с. 552–569].

Следовательно, разработка научно обоснованной технологии натуральных функциональных напитков для коррекции психоэмоционального состояния детей школьного возраста является актуальной задачей пищевой биотехнологии и нутрициологии. Её решение позволит создать относительно безопасный и эффективный продукт для массового использования в образовательных учреждениях и домашних условиях, способствующий снижению тревожности и возбудимости, улучшению концентрации внимания и нормализации сна у детей.

В технологии производства функциональных напитков морковный сок выступает не только как органолептическая основа, но и как богатый источник  биологически активных веществ (БАВ), особенно β-каротина - провитамина А, необходимого для нормального функционирования нервной системы [7, с. 78–85]. Исследования показывают, что регулярное употребление продуктов, богатых каротиноидами, положительно влияет на когнитивные функции и концентрацию внимания [8, с. 234–241; 9, с. 45-52]. 

Физико-химические показатели сока (pH 6,2±0,2) позволяют создавать стабильные коллоидные системы при смешивании с водными настоями лекарственных трав, обеспечивающие синергизм БАВ. Весьма перспективными являются такие лекарственные растения, как ромашка аптечная (Matricaria chamomilla), чабрец (Thymus serpyllum) и девясил (Inula helenium), обладающие выраженными седативными, антиоксидантными и нейропротекторными свойствами [10, с. 156–163; 11, с. 68–75]. Флавоноиды ромашки, в частности апигенин, связываются с бензодиазепиновыми рецепторами головного мозга, оказывая мягкое седативное действие [12, с. 412–418]. Чабрец содержит фенольные соединения (тимол, карвакрол), которые действуют как корректоры вкуса и природные консерванты, обладая при этом умеренным ноотропным потенциалом, нивелирующим избыточную седацию [4, с.18]. Включение экстракта корней девясила обусловлено высоким содержанием инулина (до 44,0%). С точки зрения пищевой технологии, инулин выступает как пребиотик и технологический модификатор вязкости, нормализуя микробиоценоз кишечника (ось «кишечник-мозг») [5, с.18-23].

Целью настоящего исследования являлась оптимизация состава функционального напитка на основе морковного сока и настоев лекарственного растительного сырья для коррекции психоэмоционального состояния детей школьного возраста.

Методы и объекты исследования. Объектами исследования служили:

морковный сок из корнеплодов моркови столовой сорта «Nantes» (ГОСТ 33540-2015); цветки ромашки аптечной (ГОСТ 2237-93); трава чабреца (ФС.2.5.0049.15); корневища и корни девясила высокого (ГФ XIV, ФС.2.5.0012.15).

Настои готовили в соответствии с ГФ XIV: 10 г измельчённого сырья заливали 200 мл воды при температуре 90°C, настаивали на водяной бане 15 минут, охлаждали 45 минут, процеживали и доводили объём до 200 мл [13, с. 45–48].

Соотношение водных настоев ромашки, чабреца и девясила было принято равным 1:1:1 как оптимальное для: синергического действия компонентов без взаимного ослабления эффектов, минимизации риска гиперседации (баланс между успокаивающим действием ромашки и легким тонизирующим эффектом чабреца) и обеспечения стабильности органолептических показателей (равномерный вкусо-ароматический профиль).

Готовили 5 вариантов напитков при различных соотношения морковного сока, настоя из исследуемого лекарственного растительного сырья и воды в следующих пропорциях: образец 1 – 60:15:25, 2 – 65:12:23, 3 – 70:10:20, 4 – 72:12:16, 5 – 75:8:17.

Органолептические показатели сока и напитков определяли по 5-балльной шкале. Массовую долю растворимых сухих веществ (%) - рефрактометрическим методом по ГОСТ 28562–90 [14]; моно- и дисахаридов (глюкозы, фруктозы, сахарозы) - методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) по ГОСТ 32162–2013 [15]; фруктанов (в том числе инулина) - энзиматически-спектрофотометрическим методом по AOAC 997.08 [16]; пектиновых веществ - гравиметрическим методом по ГОСТ 31642–2012 [17]; β-каротина - методом ВЭЖХ с УФ/ДАД-детектированием при длине волны λ ≈ 450 нм по ГОСТ 32713–2014 [18]; витамина C - титриметрическим методом по ГОСТ 26104–2016 [19]; витаминов B₁, B₂ и B₆ - методом ВЭЖХ по ГОСТ 34133.1–2017 [20]; магния (Mg) - методом атомно-абсорбционной спектрометрии по ГОСТ 30178–96 (2013) [21,с. 437–480]. Антиоксидантную активность (АОА) определяли спектрофотометрическим методом с использованием радикала DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил); результаты выражали в мкмоль тролокс-эквивалента на мл (мкмоль ТЭ/мл) [22, с. 25–30].

Результаты и обсуждения.  Органолептическая оценка образцов напитка проводилась группой дегустаторов в составе 7 человек. Результаты представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Органолептическая оценка образцов функциональных напитков

Комплексный анализ органолептических характеристик пяти образцов композитной смеси, различающихся по составу (рис.1), показал, что образец 1 имеет наименьшие значения по всем критериям, средняя общая оценка составила 3,8–4,2 балла, что соответствует среднему уровню органолептической привлекательности. Наблюдаемые отклонения указывают на недостаточную сбалансированность компонентов, приводящую к неоднородности вкусового профиля и слабой выраженности аромата.

Образец 2 характеризуется улучшением всех показателей: средняя оценка повысилась до 4,1–4,3 балла. Отмечается более выраженная гармония вкуса и аромата, а также повышение воспринимаемой чистоты вкуса, что свидетельствует о более оптимальном соотношении ингредиентов.

Наиболее значимый рост органолептических показателей зафиксирован в образце 3 , где средняя оценка достигла 4,4–4,6 баллов. Данный состав обеспечивает выраженный, но сбалансированный вкус, устойчивый аромат и стабильную цветовую гамму, что указывает на приближение к рецептурному оптимуму. Наилучшие результаты продемонстрировал образец 4, средняя оценка которого составила 4,7–5,0 баллов. Все органолептические параметры находятся на высоком уровне, отмечается полная гармония вкусовых и ароматических нот, отсутствие посторонних привкусов, а также оптимальная консистенция и цвет. Полученные данные позволяют считать данный состав оптимальным по совокупности потребительских характеристик.

Образец 5 , несмотря на сохранение высоких показателей (4,3–4,5 балла), демонстрирует тенденцию к снижению сбалансированности: усиление специфического привкуса и ослабление ароматической сложности. Это свидетельствует о выходе за пределы оптимального диапазона состава.

Для оптимизации рецептуры использовали методологию математического планирования эксперимента на основе центрального композиционного ротатабельного плана второго порядка (ЦКРП), обеспечивающего получение квадратичных регрессионных моделей с равномерной точностью предсказания во всём факторном пространстве [23,с. 437–480].

Факторами оптимизации являлись: X₁ — содержание морковного сока (60,0–80,0%); X₂ — суммарное содержание настоев лекарственного растительного сырья (5,0–20,0%).

Функциями отклика служили: Y₁ — органолептическая оценка (балльная шкала 1–5); Y₂ — содержание β-каротина (мг/100 мл); Y₃ — антиоксидантная активность (АОА) (мкмоль ТЭ/мл).

Таблица 1.

Матрица планирования эксперимента и результаты исследований

Примечание: Y₁ — балл; Y₂ — мг/100 мл; Y₃ — мкмоль ТЭ/мл

На основании экспериментальных данных (табл. 1) были получены регрессионные уравнения второго порядка (ЦКРП) для всех показателей качества Y₁ – Y₄ в натуральных переменных X₁ , X₂.

Общий вид модели:

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов получены регрессионные уравнения второго порядка, адекватно описывающие влияние содержания морковного сока и настоев лекарственного растительного сырья на показатели качества напитка.

Получены  регрессионные уравнения :

 Органолептическая оценка:

Y₁=2,31+0,045X₁+0,082X₂−0,00031X₁²−0,0012X₂²+0,00021X₁X₂

β-каротин:

Y₂=1,85+0,072X₁+0,015X₂−0,0004X₁²−0,0003X₂²

 Антиоксидантная активность:

Y₃=2,15+0,035X₁+0,145X₂−0,0003X₁²−0,0018X₂²

Анализ коэффициентов уравнений показал, что содержание β-каротина в большей степени определяется долей морковного сока, тогда как содержание флавоноидов и антиоксидантная активность — долей растительных настоев. Органолептическая оценка зависит от сбалансированного влияния обоих факторов. Это подтверждает синергетический эффект компонентов.

Частные отклики Y₁–Y₃  имеют различную размерность и направленность оптимизации. Для их интеграции применена функция желательности Харрингтона [23, с. 89–95]. Преобразование проводилось в два этапа:

1. Нормализация показателей: d_i = f(Y_i)
2. Агрегирование:  D = (d1 × d2 × d3 × d4)^1/4

где D — обобщённая функция желательности;

d₁, d₂, d₃, d₄ — частные функции желательности для каждого показателя качества.

Коэффициенты в уравнении D получены не напрямую, а через последовательность: эксперимент → частные функции желательности → интегральная функция D → регрессионное моделирование [24, с.494-498].

Регрессионная модель для обобщённой функции желательности имеет вид:

D = 0,45 + 0,008X₁ + 0,025X₂ − 0,00006X₁² − 0,0008X₂² + 0,0001X₁X₂

Для расчёта коэффициента детерминации R² использовали формулу:

Адекватность полученной регрессионной модели оценивали по критерию Фишера. Расчётное значение критерия составило F_расч=0,92, что значительно ниже табличного значения F_табл=19,3 при уровне значимости α=0,05. Это свидетельствует об адекватности модели и возможности её использования для описания процесса и оптимизации рецептуры напитка. Коэффициент детерминации R² = 0,94 подтверждает высокую степень соответствия модели экспериментальным данным.

Значения  коэффициентов показывают, что фактор X₂ (растительные настои) оказывает более выраженное влияние на обобщённый показатель качества по сравнению с X₁, что обусловлено вкладом флавоноидов и антиоксидантной активности.

Анализ поверхности отклика функции желательности (рис. 2) позволил определить наличие  выраженного экстремума, соответствующего оптимальной области значений факторов:  X₁ = 72–73% ;  X₂ = 12–14%

Рисунок 2. Поверхность отклика: зависимость функции желательности от содержания морковного сока и настоев ЛРС

Комплексный анализ графических зависимостей (рис. 2) позволил определить рациональные параметры рецептуры: X_1опт = 72,8%, X_2опт = 12,6% при максимальном значении функции желательности D_max ≈ 0,80.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что установленный состав обеспечивает высокий уровень органолептических показателей, повышенное содержание биологически активных веществ и выраженную антиоксидантную активность. Значение обобщённого показателя качества (D_max≈0,80) соответствует категории «высокое качество».

Состав оптимизированного напитка представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Компонентный состав оптимизированного функционального напитка

Профильная оценка напитков позволяет обосновать потребительскую привлекательность инновационного продукта (табл.2).

Таблица 2.

Сравнительная характеристика профилей

Установлено (табл.2), что в опытном образце сладость становится более мягкой за счёт разбавления и частичной маскировки, тогда как аромат трансформируется из «землистого» в сложный пряно-травяной благодаря эфирным маслам растительного сырья. Консистенция улучшается: вместо жидкой, склонной к расслоению системы формируется густая и однородная структура, обусловленная присутствием инулина. В функциональном напитке появляется лёгкая освежающая терпкость, связанная с дубильными веществами, а цвет становится более насыщенным тёмно-оранжевым за счёт растительных экстрактов.

Таблица 3.

Органолептическая (сенсорная) оценка качества морковного сока и функционального напитка

Прирост баллов в опытном образце практически на 23,4% относительно чистого сока достигнут за счёт стабильности консистенции (отсутствие быстрого осадка) и гармонизации вкуса (табл.3).

Таблица 4 отражает изменения химического состава морковного сока и разработанного функционального напитка. Установлено, что в опытном образце наблюдается снижение моно- и дисахаридов, что указывает на уменьшение гликемической нагрузки продукта. Существенным отличием является присутствие инулина (2,0 г) в функциональном напитке, обеспечивающего пребиотические свойства и структурную стабилизацию. Также возрастает содержание клетчатки (пектинов), что способствует улучшению функций желудочно-кишечного тракта. Несмотря на некоторое снижение уровня β-каротина, напиток сохраняет антиоксидантную активность, при этом содержание витамина С и витаминов группы В увеличивается за счёт растительных экстрактов, что усиливает их биологическую ценность. Дополнительно отмечается рост содержания магния, оказывающего положительное влияние на нервно-мышечную регуляцию.

Таблица 4.

Химический состав морковного сока и функционального напитка

Особо следует отметить, что в разработанном напитке содержатся специфические БАВ (минорные компоненты), которые полностью отсутствуют в морковном соке, но определяют функциональность смеси для нормализации психоэмоционального состояния детей школьного возраста: флавоноидный комплекс (ромашка, чабрец), фенольные кислоты (чабрец), сесквитерпеновые лактоны (девясил).

В целом, функциональный напиток характеризуется более сбалансированным составом и повышенной биологической ценностью по сравнению с контрольным образцом.

Изучение сохранности биологически активных веществ в процессе хранения (рис. 4) показало, что оптимизированный напиток сохраняет более 70,0% β-каротина и витамина С в течение 35 суток хранения при температуре 4 ± 2°C, что превышает аналогичные показатели контрольного образца на 20,0–25,0%.

Рисунок 4. Динамика содержания витамина С (а) и β-каротина (б) при хранении напитка

Полученный напиток характеризуется гармоничным сочетанием сладковато-морковного вкуса с лёгкими травяными нотами. Оранжево-жёлтый цвет и приятный аромат обусловлены высоким содержанием каротиноидов и эфирных масел лекарственных растений. Наличие флавоноидов ромашки (апигенин), тимола и карвакрола чабреца, а также алантолактона девясила обеспечивает комплексное седативное и нейропротекторное действие.

Заключение. Разработанная рецептура функционального напитка оптимизирована с использованием методов математического моделирования и планирования эксперимента. Установлено, что зависимость показателей качества от рецептурных факторов носит нелинейный характер и адекватно описывается квадратичными регрессионными моделями.

Применение функции желательности Харрингтона позволило интегрировать разнородные показатели качества в единый критерий оптимизации. Максимальное значение функции желательности (D ≈ 0,80) достигнуто при содержании морковного сока 72,8% и растительных настоев 12,6%.

Полученный продукт характеризуется улучшенными органолептическими свойствами, повышенным содержанием биологически активных веществ и высокой антиоксидантной активностью. Установлена статистическая значимость моделей (p < 0,05) и высокая степень их адекватности (R² = 0,94).

Список литературы:

1. Заваденко, Н.Н. Гиперактивность с дефицитом внимания у детей: современные подходы к фармакотерапии / Н.Н. Заваденко // Психиатрия и психофармакотерапия. — 2018. — Т. 20, № 3. — С. 15–18.
2. Тутельян, В.А. Биологически активные вещества растительного происхождения. Флавонолы и флавоны: распространённость, пищевые источники, потребление / В.А. Тутельян, А.К. Батурин // Вопросы питания. — 2017. — Т. 86, № 2. — С. 112–118.
3. Громова, О.А. Роль микронутриентов в терапии синдрома дефицита внимания с гиперактивностью у детей / О.А. Громова, И.Ю. Торшин // Вопросы современной педиатрии. — 2019. — Т. 18, № 1. — С. 45–52.
4. Biederman, J. Pharmacotherapy of Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder: A Life-span Perspective / J. Biederman, T. Spencer // CNS Drugs. — 2024. — Vol. 38, № 1. — P. 1–25.
5. Карпов, С.М. Перспективы использования фитокомпонентов в создании функциональных продуктов для детского питания / С.М. Карпов, И.Л. Петрова // Пищевая промышленность. — 2022. — № 5. — С. 18–23.
6. Shikov, A.N. Botanical Sources of Herbal Supplements for Anxiety Disorders: a Review of Clinical Studies / A.N. Shikov, O.N. Pozharitskaya // Planta Medica. — 2023. — Vol. 89, № 5. — P. 552–569.
7. Спиричев, В.Б. Витамины и каротиноиды в питании современного человека: медико-социальные аспекты / В.Б. Спиричев // Вопросы питания. — 2020. — Т. 89, № 4. — С. 78–85.
8. Johnson, E.J. A possible role for lutein and zeaxanthin in cognitive function in the elderly / E.J. Johnson // American Journal of Clinical Nutrition. — 2012. — Vol. 96, № 5. — P. 234–241.
9. Александрова, А.А. Психоэмоциональное состояние школьников в условиях цифровизации образования / А.А. Александрова, В.К. Зайцев // Вопросы питания. — 2023. — Т. 92, № 2. — С. 45–52.
10. Куркин, В.А. Фармакогнозия: учебник для студентов фармацевтических вузов / В.А. Куркин. — 3-е изд., перераб. и доп. — Самара: Офорт, 2016. — С. 156–163.
11. Каримов, А.М. Ноотропные свойства экстрактов чабреца / А.М. Каримов // Вестник фармации. — 2017. — № 2 (76). — С. 68–75.
12. Srivastava, J.K. Chamomile: a herbal medicine of the past with a bright future / J.K. Srivastava, E. Shankar, S. Gupta // Molecular Medicine Reports. — 2010. — Vol. 3, № 6. — P. 412–418.
13. Государственная фармакопея Российской Федерации. — 14-е изд. — М.: ФЭМБ, 2018. — Т. 2. — С. 45–48.
14. ГОСТ 28562–90. Соки плодовые и овощные. Методы определения массовой доли растворимых сухих веществ. — М.: Издательство стандартов, 1990. — 8 с.
15. ГОСТ 32162–2013. Продукты пищевые. Метод определения глюкозы, фруктозы и сахарозы методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. — М.: Стандартинформ, 2014. — 16 с.
16. AOAC Official Method 997.08. Fructans in food products. — Gaithersburg: AOAC International, 2005. — 4 p.
17. ГОСТ 31642–2012. Пектиновые вещества. Методы определения. — М.: Стандартинформ, 2013. — 12 с.
18. ГОСТ 32713–2014. Продукты пищевые. Методы определения каротиноидов методом ВЭЖХ. — М.: Стандартинформ, 2015. — 14 с.
19. ГОСТ 26104–2016. Продукты пищевые. Методы определения витамина С. — М.: Стандартинформ, 2017. — 9 с.
20. ГОСТ 34133.1–2017. Витамины B₁, B₂, B₆. Метод определения методом ВЭЖХ. — М.: Стандартинформ, 2018. — 18 с.
21. Montgomery, D.C. Design and Analysis of Experiments / D.C. Montgomery. — 8th ed. — Hoboken: John Wiley & Sons, 2013. — P. 437–480.
22. Brand-Williams, W. Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity / W. Brand-Williams, M.E. Cuvelier, C. Berset // LWT – Food Science and Technology. — 1995. — Vol. 28, № 1. — P. 25–30.
23. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука, 1976. — С. 89–95.
24. Harrington, E.C. The desirability function / E.C. Harrington // Industrial Quality Control. — 1965. — Vol. 21, № 10. — 277 р.