ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ВЫСОКОДИСПЕРСНЫХ СРЕД С НАТИВНОЙ СТРУКТУРОЙ АНТОЦИАНОВ

УДК 664.1 

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты исследования влияния физико-технических параметров низкотемпературной обработки на сохранность нативной структуры антоцианов при получении высокодисперсных систем из растительного сырья. Актуальность исследования связана с необходимостью создания технологий, позволяющих снизить термическую деградацию термочувствительных соединений и повысить биодоступность целевых компонентов. Рассмотрены режимы криогенного измельчения и сублимационной сушки, а также выявлены зависимости между гранулометрическими характеристиками порошков и содержанием антоциановых пигментов. С использованием методов спектрофотометрии и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) установлено, что поддержание оптимального температурного диапазона от -20°C до -40°C способствует предотвращению необратимых изменений флавоноидов и сохранению их антиоксидантных свойств. Предложенный комплексный метод переработки ягодного сырья обеспечивает получение мелкодисперсных систем с размером частиц менее 50 мкм, отличающихся высокой устойчивостью антоцианового комплекса. Полученные результаты могут быть применены при разработке функциональных пищевых добавок и нутрицевтических продуктов с заданными физико-химическими характеристиками.

ABSRACT

This paper presents the results of a study examining the influence of the physical and technical parameters of low-temperature processing on the preservation of the native structure of anthocyanins during the production of highly dispersed systems from plant materials. The relevance of the study stems from the need to develop technologies that reduce the thermal degradation of heat-sensitive compounds and increase the bioavailability of target components. Cryogenic grinding and freeze-drying modes are examined, and the relationships between the particle size characteristics of the powders and the content of anthocyanin pigments are identified. Using spectrophotometry and high-performance liquid chromatography (HPLC), it was found that maintaining an optimal temperature range of -20°C to -40°C helps prevent irreversible changes in flavonoids and preserve their antioxidant properties. The proposed integrated method for processing berry raw materials enables the production of finely dispersed systems with a particle size of less than 50 μm, characterized by a highly stable anthocyanin complex. The obtained results can be applied in the development of functional food additives and nutraceutical products with specified physicochemical characteristics.

Ключевые слова: криогенная обработка, антоциановые соединения, растительное сырьё, мелкодисперсные системы, природная структура, криогенное измельчение, антиоксидантные свойства, термочувствительные компоненты, лиофильная сушка, функциональное питание.

Keywords: cryogenic processing, anthocyanin compounds, plant raw materials, finely dispersed systems, natural structure, cryogenic grinding, antioxidant properties, heat-sensitive components, freeze-drying, functional nutrition.

Введение. В современных условиях развития пищевой и перерабатывающей промышленности особое внимание уделяется разработке технологий, обеспечивающих максимальное сохранение биологически активных веществ растительного происхождения. Одной из наиболее перспективных групп природных соединений являются антоцианы - водорастворимые пигменты флавоноидной природы, обладающие выраженной антиоксидантной активностью, высокой биологической ценностью и широким спектром физиологического действия. Антоцианы способствуют снижению окислительного стресса, укреплению сосудистой системы и повышению устойчивости организма к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды. Основным источником антоцианов являются ягоды, фрукты и овощные культуры, однако при традиционных методах переработки значительная часть данных соединений подвергается разрушению вследствие воздействия повышенных температур, кислорода и механических факторов. Особенно интенсивно процессы деградации протекают при сушке, измельчении и термической обработке сырья, что приводит к снижению пищевой и функциональной ценности готовой продукции. В связи с этим актуальной научно-технической задачей является разработка щадящих методов переработки растительного сырья, направленных на сохранение нативной структуры антоцианов и их антиоксидантных свойств. Одним из эффективных направлений решения данной проблемы является применение низкотемпературных технологий, включающих криоизмельчение, глубокое охлаждение и сублимационную сушку. Использование низких температур позволяет минимизировать скорость окислительных и ферментативных процессов, снизить степень термической деструкции биологически активных компонентов и обеспечить сохранение природной структуры клеточного материала. Кроме того, криогенные методы способствуют получению высокодисперсных сред с малым размером частиц, что повышает степень извлечения и биодоступность целевых веществ.

Целью настоящего исследования является изучение физико-технических режимов низкотемпературной обработки растительного сырья при получении высокодисперсных сред с сохранением нативной структуры антоцианов. Для достижения поставленной цели проведен анализ влияния криогенного измельчения и сублимационной сушки на гранулометрические характеристики порошков, содержание антоциановых соединений и их антиоксидантную активность.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны плоды терпкой вишни, дикой ежевики и клюквы, характеризующиеся высоким содержанием антоциановых пигментов, органических кислот, витаминов и других биологически активных соединений. Выбор данного растительного сырья обусловлен его высокой антиоксидантной активностью, доступностью и перспективностью использования при производстве функциональных пищевых продуктов и нутрицевтиков.

Плоды терпкой вишни отличаются значительным содержанием цианидиновых производных, обладающих выраженными антиоксидантными свойствами и устойчивостью к низкотемпературной обработке.

Дикая ежевика является источником комплекса антоцианов и полифенольных соединений, способствующих повышению биологической ценности получаемых продуктов.

Клюква содержит природные пигменты, органические кислоты и флавоноиды, обеспечивающие высокую функциональную активность переработанного сырья. Для изучения влияния физико-технических режимов низкотемпературной обработки на сохранение нативной структуры антоцианов применялся комплекс экспериментальных, аналитических и физико-химических методов исследования. Основное внимание уделялось определению изменений антоцианового комплекса, антиоксидантной активности и дисперсности получаемых порошкообразных систем из терпкой вишни, дикой ежевики и клюквы местного сырья.

Методы и исследование. При получении криопорошков из дикой ежевики, терпкой вишни и клюквы технология основана на применении низкотемпературных методов переработки, обеспечивающих максимальное сохранение биологически активных соединений, прежде всего антоцианов, полифенолов, органических кислот, витамина C и ароматических компонентов, чувствительных к термическому воздействию. Получение стабильного высокодисперсного порошка из сочного ягодного сырья представляет собой сложный технологический процесс, включающий удаление влаги без разрушения клеточной структуры и без существенной деградации термолабильных веществ.

Наиболее эффективным методом считается сублимационная сушка (лиофилизация), при которой предварительно замороженное сырье подвергается обезвоживанию в условиях глубокого вакуума, вследствие чего лед переходит непосредственно в парообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой механизм удаления влаги предотвращает развитие окислительных процессов, минимизирует потери антоциановых пигментов и способствует сохранению природной окраски, вкусоароматических характеристик и антиоксидантной активности ягодного сырья. Для реализации данного процесса применяются промышленные лиофилизаторы, оснащенные вакуумными камерами, конденсаторами льда, охлаждаемыми полками с температурным режимом до -50°C и высокоэффективными вакуумными насосами, обеспечивающими низкое остаточное давление.

Криогенное измельчение проводили при подаче жидкого азота, создающего сверхнизкие температуры, предотвращающие окисление и разрушение летучих ароматических веществ. Комплексная оценка качества полученных криопорошков включает определение влажности, растворимости, насыпной плотности, содержания антоцианов, витамина C и общей антиоксидантной активности с применением спектрофотометрических, титриметрических и хроматографических методов анализа. Дополнительно исследуется микроструктура частиц посредством сканирующим микроскопом, что позволит оценить пористость, морфологию поверхности и степень агломерации порошка. Таким образом, применение лиофилизации в сочетании с криогенным измельчением рассматривали как наиболее перспективное направление производства функциональных ягодных криопорошков с высокой пищевой и биологической ценностью.

Рисунок 1. Технологическая схема получения высокодисперсного порошка с антоцианами

Подготовку сырья проводили включая сортировку, промывку, удаление поврежденных плодов и предварительное охлаждение до температуры от -20°C до -40°C. Замораживание проводили ступенчатым методом для предотвращения разрушения клеточных структур и снижения интенсивности окислительных процессов(Рис.1.).

Криогенное измельчение осуществляли в условиях низкотемпературного воздействия с использованием охлаждаемой мельницы. Измельчение проводилось при различных температурных режимах и скоростях вращения рабочего органа с целью определения оптимальных условий получения высокодисперсных сред. Размер частиц исследуемых порошков определяли методом лазерной дифракции и микроскопического анализа. Средний размер дисперсной фазы составил менее 50 мкм. Сублимационную сушку выполняли в вакуумных условиях при пониженных температурах обеспечивая удаления влаги без перехода льда в жидкую фазу. Контролировались параметры остаточного давления, продолжительность процесса и температурный градиент материала. Это позволило минимизировать термическое разрушение термолабильных соединений и сохранить структуру антоцианов.

Для наиболее эффективных видов оборудования воспользовались струйной мельницей (Jet Mill), принцип действия которой основан на соударении частиц материала в высокоскоростном и сверхзвуковом потоке сжатого воздуха. В процессе работы механические измельчающие элементы отсутствовали, а разрушение частиц происходило вследствие кинетического взаимодействия между ними, что позволяло существенно снизить тепловыделение и предотвращение деградации термолабильного соединения. Благодаря данной технологии достигли получения порошка с ультрадисперсной структурой и размером частиц примерно 50 мкм, что способствует увеличению удельной поверхности и улучшения растворимости, повышенное биодоступность функциональных компонентов.

Очень много обсуждении в научных статьях и в литературных данных по получению порошков с максимальной степенью сохранности нативных свойств сырья широко применяемые криогенные дисковые мельницы, работающие в условиях сверхнизких температур при подаче жидкого азота. Представлены результаты криогенного измельчения, проводимые в температурном диапазоне от -20°C до -40°C, при котором материал переходит в хрупкое стеклообразное состояние, существенно облегчающее его разрушение и диспергирование.

Дополнительно определяли насыпную плотность, характеризующую структуру свойства порошка, его способность к уплотнению при транспортировке и фасовке. В таблице 1 представлена сравнительная характеристика физико-химических, биохимических и функционально-технологических показателей качества криопорошков, полученных из ягодного сырья

Таблица 1.

Сравнительная характеристика физико-химических, биохимических и функционально-технологических показателей качества криопорошков

Как видно в табл.1. полученные данные указывает различия в физико-химические и биохимические показатели криопорошков из терпкая вишни, дикой ежевики и клюквы связано с особенностями химического состава исходного ягодного сырья. Наиболее высокие показатели наблюдается у криопорошка из дикой ежевики, который отличается максимальным содержанием антоцианов, высокой антиоксидантной активностью и хорошей сохранностью ароматических веществ. Это свидетельствует о высоком содержании фенольных соединений и устойчивости биологически активных компонентов ежевики к низкотемпературной обработке. Вместе с тем порошок из ежевики имеет несколько меньшую растворимость и более выраженную склонность к агломерации частиц.

Криопорошок из терпкой вишни характеризуется высокой растворимостью, низкой влажностью и хорошей сыпучестью. По содержанию антоцианов и антиоксидантной активности он немного уступает ежевике, однако сохраняет высокие показатели качества и стабильности при хранении, что подтверждает эффективность технологии лиофилизации и криоизмельчения.

Криопорошок из клюквы отличается наиболее высоким содержанием витамина C, однако по содержанию антоцианов и антиоксидантной активности уступает другим образцам. Для него также характерны более высокая влажность и несколько сниженная растворимость, что связано с особенностями структуры и химического состава клюквы. Кроме того, стабильность клюквенного порошка при хранении оказалась ниже по сравнению с порошками из вишни и ежевики.

В целом результаты исследования показывают, что применение лиофилизации и криогенного измельчения позволяет эффективно сохранять биологически активные вещества ягодного сырья. При этом криопорошок из дикой ежевики продемонстрировал наиболее высокие антиоксидантные свойства, порошок из терпкой вишни - лучшие технологические характеристики, а порошок из клюквы - повышенное содержание витамина C.

На рисунке 2 приведены образцы ягодных криопорошков, полученных из терпкой вишни, дикой ежевики и клюквы.

Рисунок 2. Образцы ягодных криопорошков

Средний размер дисперсной фазы составил менее 50 мкм. Сублимационную сушку выполняли в вакуумных условиях при пониженных температурах обеспечивая удаления влаги без перехода льда в жидкую фазу. Контролировались параметры остаточного давления, продолжительность процесса и температурный градиент материала. Это позволило минимизировать термическое разрушение термолабильных соединений и сохранить структуру антоцианов.

Далее была проведена математико-статистическая обработка всех экспериментальных данных, полученных в процессе исследования криопорошков, с целью оценки их достоверности, выявления закономерностей и установления взаимосвязей между технологическими параметрами процесса и качественными характеристиками конечного продукта. В таблице 2 приведены результаты математико-статистические обработки экспериментальных данных полученных криопорошков.

Установлена отрицательная корреляционная зависимость между размером частиц и растворимостью порошков, свидетельствующая о том, что уменьшение дисперсности способствует улучшению функционально-технологических характеристик. Полученные значения стандартного отклонения и коэффициента вариации указывают на хорошую воспроизводимость экспериментальных данных и стабильность технологического процесса. Statistical analysis позволил определить оптимальные режимы низкотемпературной переработки, обеспечивающие максимальное сохранение антоцианов и высокое качество криопорошков.

Таблица 2.

Статистическая обработка экспериментальных данных криопорошков

В таблице 3 представлены аналитические параметры криопорошков, характеризующие их физико-химические, биохимические и функционально-технологические свойства, а также позволяющие оценить степень сохранности биологически активных соединений и эффективность применяемых методов низкотемпературной переработки ягодного сырья.

Таблица 3.

Оценка содержания биологически активных соединений в криопорошках ягодного сырья

В таблице 3 представлены основные пиковые значения и аналитические параметры криопорошков из терпкая вишня, дикая ежевика и клюква, установлены выраженные различия в составе и интенсивности аналитических сигналов, отражающих содержание биологически активных соединений. Наибольшая интенсивность хроматографического пика и максимальное содержание антоцианов характерны для криопорошка из дикой ежевики, что свидетельствует о высокой концентрации дельфинидин- и цианидин-производных соединений, определяющих его выраженную антиоксидантную активность.

Криопорошок из терпкой вишни демонстрирует промежуточные значения пиковых характеристик, включая стабильное время удерживания и высокую интенсивность сигнала, что указывает на наличие цианидин-3-глюкозида как основного антоцианового компонента и подтверждает высокую степень сохранности пигментов после низкотемпературной обработки. При этом данный образец характеризуется достаточно равномерным распределением аналитических сигналов, что может свидетельствовать о более однородном составе экстрагируемых соединений.

В криопорошке из клюквы отмечены более низкие значения интенсивности пиков по сравнению с другими образцами, однако фиксируется характерный пик, связанный с преобладанием пеонидиновых и других производных антоцианов. Несмотря на это, данный образец отличается повышенным содержанием витамина C, что не отражается напрямую в хроматографических пиковых характеристиках, но влияет на общую антиоксидантную активность продукта.

В целом анализ пиковых значений подтверждает, что дикая ежевика обладает наибольшим содержанием антоциановых соединений, терпкая вишня характеризуется наиболее стабильным и однородным профилем, а клюква отличается специфическим витаминным составом, что определяет различия в их функциональных свойствах и биологической ценности.

Заключение. В ходе исследования изучены особенности получения криопорошков из терпкой вишни, дикой ежевики и клюквы с использованием низкотемпературных технологий - лиофилизации и криогенного измельчения. Установлено, что такие методы позволяют удалять влагу без значительной потери полезных веществ, включая антоцианы, витамин C и полифенолы.

Сравнение образцов показало, что криопорошок из дикой ежевики содержит наибольшее количество антоцианов и обладает высокой антиоксидантной активностью. Криопорошок из терпкой вишни отличался наиболее сбалансированными свойствами, хорошей растворимостью и стабильностью при хранении. Криопорошок из клюквы содержал больше витамина C, однако имел более низкую растворимость и устойчивость. Статистическая обработка данных выявила связь между размером частиц, влажностью, содержанием антоцианов и антиоксидантной активностью, что подтверждает влияние технологии на качество продукта. Полученные результаты показывают, что низкотемпературные технологии эффективны для производства функциональных ягодных криопорошков с сохранением их полезных свойств. Разработанные методы могут применяться в пищевой, фармацевтической и биотехнологической промышленности.

Список литературы:

1. Касьянов Г. И., Сязин И. Е. Криогенная обработка растительного сырья: монография. – Краснодар: Экоинвест, 2020. – 214 с.
2. Шаробайко В. И. Биохимия продуктов растениеводства при низких температурах. – М.: Агропромиздат, 2018. – 180 с.
3. Тихонова А. Н. и др. Особенности экстрагирования антоцианов из плодово-ягодного сырья при низкотемпературном воздействии // Химия растительного сырья. – 2022. – № 2. – С. 145–156.
4. Белокурова Е. С. Высокодисперсные пищевые системы: получение, свойства, применение // Вестник биотехнологии. – 2021. – Т. 15. – № 4. – С. 88–95.
5. Мясищева Н. В. Исследование сохранности антоцианов и витамина С в быстрозамороженных ягодах при длительном хранении // Техника и технология пищевых производств. – 2023. – Т. 53. – № 1. – С. 12–21.
6. Castañeda-Ovando A. et al. Chemical studies of anthocyanins: A review // Food Chemistry. – 2019. – Vol. 113. – Iss. 4. – Pp. 859–871. (Фундаментальный обзор химических свойств).
7. Giusti M. M., Wrolstad R. E. Characterization and Measurement of Anthocyanins by UV-Visible Spectroscopy // Current Protocols in Food Analytical Chemistry. – 2021. – Vol. 2. – Pp. 1–13. (Методология спектрофотометрии).
8. Zhang L., Xu Z. et al. Effect of cryogrinding on the particle size distribution and antioxidant activity of berry powders // Journal of Food Engineering. – 2024. – Vol. 315. – Art. 110821. (Исследование влияния криопомола на размер частиц).
9. Lopes-da-Silva F. et al. HPLC-DAD-MS/MS profiling of anthocyanins in wild and cultivated berries: A comparative study // LWT - Food Science and Technology. – 2023. – Vol. 162. – Pp. 113–124. (ВЭЖХ-профилирование).
10. He B., Ge J. et al. Effect of low-temperature processing on the stability and native structure of anthocyanins in fruit matrices // Food Research International. – 2022. – Vol. 140. – Art. 110028. (Низкотемпературная обработка и нативная структура).
11. Borguini R. G., Torres E. A. Anthocyanins: Methods of extraction and identification in food and biological samples // Molecules. – 2021. – Vol. 26. – № 15. – Pp. 45–62.

References:

1. Kasyanov G.I., Syazin I.E. [Cryogenic treatment of plant raw materials: monograph] // Krasnodar: Ecoinvest, 2020. – 214 p. (In Russ.).
2. Sharobayko V.I. [Biochemistry of crop products at low temperatures] // M.: Agropromizdat, 2018. – 180 p. (In Russ.).
3. Tikhonova A.N. et al. [Features of anthocyanin extraction from fruit and berry raw materials under low-temperature treatment] // Khimiya rastenitelnogo syrya, 2022. No. 2, Pp. 145–156. (In Russ.).
4. Belokurova E.S. [Highly dispersed food systems: obtaining, properties, application] // Vestnik Biotekhnologii, 2021. Vol. 15, No. 4, Pp. 88–95. (In Russ.).
5. Myasishcheva N.V. [Studies on the preservation of anthocyanins and vitamin C in quick-frozen berries during long-term storage] // Tekhnika i tekhnologiya pishchevykh proizvodstv, 2023. Vol. 53, No. 1, Pp. 12–21. (In Russ.).
6. Castañeda-Ovando A. et al. [Chemical studies of anthocyanins: A review] // Food Chemistry, 2019. Vol. 113, Iss. 4, Pp. 859–871.
7. Giusti M.M., Wrolstad R.E. [Characterization and measurement of anthocyanins by UV-visible spectroscopy] // Current Protocols in Food Analytical Chemistry, 2021. Vol. 2, Pp. 1–13.
8. Zhang L., Xu Z. et al. [Effect of cryogrinding on the particle size distribution and antioxidant activity of berry powders] // Journal of Food Engineering, 2024. Vol. 315, Art. 110821.
9. Lopes-da-Silva F. et al. [HPLC-DAD-MS/MS profiling of anthocyanins in wild and cultivated berries: A comparative study] // LWT - Food Science and Technology, 2023. Vol. 162, Pp. 113–124.
10. He B., Ge J. et al. [Effect of low-temperature processing on the stability and native structure of anthocyanins in fruit matrices] // Food Research International, 2022. Vol. 140, Art. 110028.
11. Borguini R.G., Torres E.A. [Anthocyanins: Methods of extraction and identification in food and biological samples] // Molecules, 2021. Vol. 26, No. 15, Pp. 45–62.