Оценка антиоксидантной и антимикробной активности растительных биоактивных соединений в качестве натуральных консервантов
Современное направление исследований ученых посвящено изучению хранимоспособности продуктов питания без значительных потерь биологической ценности пищевой продукции с использованием потенциала биологически активных веществ без применения консервантов.
Применение консервантов в пищевой промышленности преследует сразу несколько целей. Самая очевидная — продление срока годности. Консерванты применяются для предотвращения образования плесени и других вредных веществ и регулирования кислотности и других показателей, делающих более приятными вкус, аромат и цвет продукта. Это основные задачи применения консервантов в пищевой промышленности. Бывают более узкие, связанные со спецификой конкретного продукта, например колбасных изделий или рыбных консервов.
Естественные методы консервирования продуктов включают замораживание, ферментацию, маринование, вяление и консервирование. Многие из этих методов включают добавление достаточно большого количества сахара или пищевой соли, что помогает сохранить продукты, но также связано с ухудшением физиологического состояния человека в связи с чрезмерным употреблением этих ингредиентов в составе продукции.
Натуральные консерванты являются безопасными для использования. Их обычно получают растительным, животным и микробным способами происхождения.
Искусственные консерванты обычно используют различные химические вещества, чтобы предотвратить порчу упакованных и свежих продуктов. Эти консерванты считаются безопасными в тех количествах, в которых они используются в настоящее время. Более серьезная проблема заключается в том, что они часто ассоциируются с обработанными, предварительно упакованными продуктами, которые, как правило, менее полезны, чем «цельные», минимально обработанные продукты.
Ограниченный срок хранения свежих продуктов привел к продолжающемуся давлению (на производителей пищевой продукции со стороны торговых организаций) на использование искусственных консервантов. В итоге всё чаще слышим о необходимости использования искусственных консервантов для предотвращения порчи продуктов вследствие окисления липидов.
Есть большой ассортимент консервантов. Например, одним из распространенных является сорбат калия. Когда он растворяется в воде, соединение ионизируется с образованием сорбиновой кислоты, которая полезна для предотвращения роста плесени и дрожжей. Это распространено в выпечке, фруктовых продуктах, сыре, заправках для салатов и майонезе. Сорбат калия считается в целом безопасным, согласно FDA.
Или, к примеру, другой консервант — BHA/BHT (бутилированный гидроксианизол и бутилированный гидрокситолуол). Он предотвращает порчу жиров и масел и используется в таких продуктах, как маргарин. Согласно списку «подходящих ингредиентов» Министерства сельского хозяйства США, безопасен для использования в качестве консерванта в мясе, если оно составляет менее 0,2%, исходя из содержания жира в пищевом продукте.
Гипоплазия нижней челюсти является наиболее распространенной деформацией кальварии и деформацией позвоночника. Сколиоз и дефекты нервной трубки — два примера этого.
В одном исследовании утверждалось, что ежедневное введение высоких доз бензоата натрия может привести к генотоксическим и тератогенным изменениям в неврологической системе.
Другие серьезные воздействия также включают факторы роста, клеточный цикл и экспрессию генов и необходимо учитывать тот факт, что он может вызывать деформацию во время родов. Пищевые добавки в целом должны быть переоценены по мере необходимости в свете новой информации, меняющихся ситуаций использования и свежей информации о научных данных.
Некоторые производные бензоата, такие как SB, по-видимому, являются поглотителями свободных радикалов у людей, тогда как другие механизмы, возможно, вызывающие эмбриональное кровоизлияние и нарушения тканей глаза после воздействия ПБ, могут быть результатом индукции потенциально вредных ситуаций АФК в эмбриональных тканях (таких, как глаз) и ингибировать экспрессию эмбриональных генов, таких как Pax-3 или альтернативные гены, необходимые для свертывания крови.
B. Leppert et al. утверждают, что после всасывания в организме эти химические вещества циркулируют в крови и могут выводиться с мочой и грудным молоком, подвергая воздействию маленьких детей, которые могут быть очень восприимчивы к этим химическим веществам. Например, одна порция вяленой говядины (около 28 г) содержит 470 мг натрия — это 20% от максимального рекомендуемого количества (2300 мг) в день. Замороженные продукты питания, особенно некоторые замороженные готовые обеды, богаты натрием. Авторы утверждают, что замороженный ужин «Мари Каллендер» со стейком, картофелем и макаронами с сыром содержит 1190 мг натрия (более половины рекомендуемой максимальной нормы).
Цель настоящего обзора — оценка антиоксидантной и антимикробной активности растительных биоактивных соединений в качестве натуральных консервантов.
Материал и методы исследования
В работе применялся монографический метод, а также методы анализа, систематизации, сравнения, обобщения.
Поиск источников данных осуществлялся в научных электронных библиотеках и поисковых системах eLIBRARY.ru, Science Direct, Scopus, порталах ResearchGate и Сyberleninka.
Объектом исследования является оценка антиоксидантной и антимикробной активности биохимических соединений пяти источников растительного сырья: жмых винограда культурного, облепиха крушиновидная, кожура плодов яблони домашней, базилик душистый, черная смородина.
Результаты и обсуждение
Общая характеристика растительных материалов (виноград культурный, облепиха крушиновидная, плоды яблони домашней, базилик душистый, черная смородина)
В соответствии с биологической систематикой вышеуказанные растения можно классифицировать следующим образом: все вышеперечисленные растения относятся к домену эукариотов, к царству растений, отделу цветковых, классу двудольных.
Начиная с порядка (тансономистического ранга) появляются различия: к порядку камнеломкоцветных, семейству крыжовниковых, роду смородины относятся смородина черная и смородина красная (международное научное название — Ribes rubrum). Смородина черная представляет из себя кустарник высотой до 2–2,5 м. Ветви с темно-коричневой корой, молодые побеги голые или опушенные. Листья с 3–5 острыми лопастями, сверху голые, снизу слабоопушенные, с желтыми железками, как и стебли.
К порядку виноградоцветных, семейству виноградовых, роду виноград относится виноград культурный (международное научное название Vitis vinifera). Форма (открытость) и паутинистое опушение верхушки молодого побега у исследуемых популяций дикорастущего винограда — самые изменчивые морфологические признаки. Паутинистое опушение у данных растений Водопадной Щели варьирует от редкого до густого.
К порядку розоцветных, семейству лоховых, роду облепихи относится вид облепиха крушиновидная (международное научное название — Hippophae rhamnoides).
К порядку розоцветных, семейству розовых, роду яблони относится яблоня домашняя (международное научное название — Malus domestica). Плодовое дерево высотой до 14 м. На молодых побегах присутствует войлочное опушение. Листья овальной, эллиптической или округлой формы с острой верхушкой, край листа — зубчатый. При обильном цветении завязываются и развиваются до зрелых плодов около 30% завязей, остальные осыпаются (неоплодотворенные завязи, а в июне — плоды).
К порядку ясноткоцветных, семейству яснотковых, роду базилик относится базилик душистый (международное научное название — Ocimum basilicum). Центральный стебель прямостоячий, высота 60–120 см, у основания округлый, толщина 1,0–2,0 см, темно-коричневый, опушенный мелкими, светлыми, короткими, неветвящимися, многоклеточными волосками.
Фитохимические соединения растительного происхождения
Растения вырабатывают множество вторичных метаболитов в небольших количествах. Вторичные метаболиты действуют как аллелопатические агенты, которые способствуют росту и размножению других растений и помогают им противостоять неблагоприятным условиям. Многие вторичные метаболиты используются в качестве ароматизаторов, смол, камеди, усилителей вкуса, инсектицидов и гербицидов. Растения, такие как овощи, фрукты, специи, лекарственные травы, использовались для лечения многих болезней с древних времен. Растения, содержащие фитохимические соединения, дополняют потребности человеческого организма, действуя как природные антиоксиданты. Потребление фруктов и овощей имеет много преимуществ для здоровья, включая целебные свойства и высокую питательную ценность. Эти фитохимические соединения имеют огромное промышленное, коммерческое и медицинское применение, поэтому приобрели особое значение во многих странах.
В таблице 1 представлено содержание биологически активных веществ в исследуемых материалах (виноград культурный, облепиха крушиновидная, кожура плодов яблони домашней, базилик душистый, смородина черная).
Антиоксидантная активность фитохимических соединений
Антиоксидантные соединения используют для того, чтобы продлить срок годности продуктов питания. Они предотвращают прогорклость и изменения цвета продукта при окислении. Фенольные соединения, витамины С и Е — это природные антиоксиданты. Именно они способны поглотить свободные радикалы. Нежелательный меланоз на поверхности свежесрезанных фруктов и овощей — распространенная проблема для розничной торговли продуктов питания.
Специи, мякоть цитрусовых, кожура, активные компоненты, такие как лигнаны, флавоноиды, полифенолы и терпеноиды, присутствуют в большинстве специй, обладая антиоксидантными свойствами. Эти вещества могут предотвращать или задерживать окисление липидов в продукции животного происхождения, в том числе гидробионтах.
S. Bitalebi et al. утверждают, что окисление липидов эффективно ингибировалось в фарше в течение 96 час. холодильного хранения, о чем свидетельствует значительно более низкое содержание пероксидов и химически активных веществ тиобарбитуровой кислоты (TBARS) по сравнению с контролем.
Яблочная кожура (побочный продукт переработки яблок) обладает разнообразными биологическими свойствами, что делает ее пригодной в качестве функционального ингредиента. Результаты показали, что экстракт яблочной кожуры обладает способностью улавливать DPPH, ABTS и OH в зависимости от концентрации. При концентрации 50 мкг/мл активность по удалению ОН составляла 57%. Экстракт яблочной кожуры показал высокую антиоксидантную активность и эффективно замедлил окисление липидов в охлажденном фарше радужной форели. Он предотвращал окисление белка, о чем свидетельствуют более низкое образование карбонилов белка и более высокое содержание общей сульфгидрильной группы по сравнению с контролем. Эти результаты свидетельствуют о том, что экстракт яблочной кожуры можно рассматривать как потенциальный природный антиоксидант в охлажденном фарше радужной форели.
Чаухан Аттар Сингх и др. зарегистрировали патент «Способ получения антибактериальной и антиоксидантной фракции из семян облепихи (hippophae rhamnoides). В нем описывался способ получения антибактериальной и антиоксидантной фракции из семян облепихи (Hippophae rhamnoides L.) Высушенный таким способом продукт обладал антибактериальной активностью 200–350, выраженной в минимальной ингибиторной концентрации (мкг/мл) против различных грамположительных и грамотрицательных бактерий, и антиокислительной активностью 40,379–93,473, выраженной в процентах.
Антиоксидантные свойства базилика душистого изучал Gian Carlo Tenore, который провел исследование «Антиоксидантные и антимикробные свойства традиционных зеленых и фиолетовых сортов базилика Наполетано (Ocimum basilicum L.) из региона Кампания (Италия)». Представленные в статье результаты исследования показали, что образцы экстрактов базилика характеризовались в целом более высокой концентрацией полифенолов, чем те, о которых сообщалось в ранее опубликованных источниках информации. Базилик Наполетано пурпурный обладает более высокой способностью к поглощению радикалов и восстановлению железа, чем зеленый, вероятно, из-за соответствующего содержания в нем антоцианов. Что касается антимикробных свойств, оба сорта базилика проявляли активность в отношении широкого спектра пищевых микроорганизмов и патогенных микроорганизмов человека, проявляя не только среднюю или высокую природную консервирующую способность. Результаты показали, что базилик Наполетано зеленого и фиолетового цвета является хорошим источником антиоксидантов, представляющих потенциальный интерес для нутрицевтики.
Антиоксидантная и антимикробная активность экстракта виноградных косточек и виноградной кожицы была исследована индийскими учеными. По полученным показателям антиоксидантной и антимикробной активности экстракт косточек выше, чем экстракт кожицы. В результате исследования авторы получили данные, что антиоксидантные фенольные соединения, присутствующие в семенах, составляют 60–70% от общего количества полифенолов в винограде. Антиоксидантная активность, содержание фенольных соединений и флавоноидов (значения TPC, TFC и AA) водно-спиртовых экстрактов кожуры (кожицы) и косточек винограда представлены в таблице 2.
Черную смородину в качестве источника полифенольных антиоксидантов исследовали И.В. Михайлова и др. Объектами исследования явились высушенные листья многолетнего дикорастущего растения смородины черной (Ribes Nigrum L.). Величину антиоксидантной активности выражали в процентах ингибирования аутоокисления адреналина, значение более 10% свидетельствовало о наличии антиоксидантной активности, среднее значение составило 44,51 ± 1,72%.
Антимикробная активность фитохимических соединений
Флавоноиды, в основном присутствующие в виде гликозидов, являются основными биологически активными соединениями с наивысшей антиоксидантной активностью в силу их химической структуры. В рамках анализа химического состава также было подсчитано общее количество конденсированных танинов и галлотанинов в экстрактах. Концентрация конденсированных танинов составила 7,43 мг GA г-1 в ягоде и 1,71 мг GA г-1 в листьях, в то время как измеренная концентрация галлотанинов — 3,62 мг GA г-1 в ягоде и 1,25 мг GA г-1 в листьях. Результаты исследований показали, что экстракты ягод обладают более высоким содержанием антиоксидантной активности (11,4 мг АА г-1) по сравнению с экстрактами листьев (1,96 мг АА г-1), что коррелирует с более высокими концентрациями общих фенольных соединений, общих флавоноидов, конденсированных галлотанинов в ягодных экстрактах. Полученные результаты согласуются с выводами, которые сообщили о высокой антиоксидантной активности плодов черной смородины, обнаружили более высокое содержание фенольных соединений и антиоксидантов в листьях, чем в ягодах. Результаты указывают на потенциальное использование ягод и листьев черной смородины в качестве продуктов, богатых полифенолами.
Результаты исследования Husam Qanash et al. предполагают потенциальное использование экстракта плодов яблока Кей в качестве антимикробного агента узкого спектра действия для грамотрицательных бактерий, хотя необходимы больше бактерий и дальнейшая оценка риска. Умеренный антибактериальный потенциал в отношении S. aureus, Streptococcus faecalis, Klebsiella pneumonia, Pseudomonas aeruginosa и Streptococcus pyogenes был зарегистрирован in vitro.
В исследовании Hafiz Rehan Nadeem было зарегистрировано, что этаноловые экстракты листьев O. basilicum обладают большим сродством к экстракции общего содержания фенольных (191,2 мг GAE / г), значительно больше, чем в дихлорметановых (86,6 мг GAE / г) и водных (70,7 мг GAE / г) экстрактах. Напротив, н-гексановые экстракты листьев O. basilicum демонстрировали самый низкий потенциал общего содержания фенольных веществ при 29,7 мг GAE / г.
Применение натуральных консервантов в продуктах питания
В последние десятилетия растущий спрос на натуральные пищевые консерванты побудил к исследованиям их использования для консервирования скоропортящихся продуктов.
Антимикробная активность соединений растительного происхождения в основном зависит от типа микроорганизма, размера инокулята, питательной среды, метода экстракции и метода определения антимикробной активности. Растительные соединения, такие как полифенолы, терпены и алкалоиды, производятся из природных источников. Флавоноиды, хиноны, кумарины, фенольные кислоты, дубильные вещества, фенолы, флавоны и флавонолы являются химическими веществами подгруппы, важными для ингибирования микробной активности.
Польза для здоровья потребителей при употреблении продуктов с натуральным консервантом в составе
Распространено мнение, что соединения из природных источников безопасны даже в высоких дозах. Таким образом, в научной литературе имеются ограниченные данные относительно токсичности натуральных растительных экстрактов. Кроме того, аспекты безопасности при длительном потреблении высоких доз полифенолов в качестве пищевых добавок или пищевых добавок четко неизвестны у людей и нуждаются в тщательном исследовании. Многочисленные исследования на животных подтвердили благотворную роль полифенолов. Таким образом, оценка безопасных уровней полифенолов и других природных соединений для использования в качестве пищевых консервантов имеет решающее значение для определения потенциальной цитотоксичности. Результаты показали отсутствие острой и субхронической токсичности экстрактов виноградных косточек, богатых проантоцианами. Кроме того, лечение людей с предгипертонической болезнью GSPE (Grape seed proanthocyanidin extract) 300 мг/день показало значительное снижение артериального давления без каких-либо наблюдаемых побочных эффектов. Эти данные свидетельствуют о безопасности и переносимости GSPE для лечения у людей.
Выводы
Экстракт яблочной кожуры показал высокую антиоксидантную активность и эффективно замедлил окисление липидов. При концентрации 50 мкг/мл активность по удалению ОН составляла 57%.
Антибактериальная активность семян облепихи 200–350 мкг/мл, выраженная в минимальной ингибиторной концентрации против различных грамположительных и грамотрицательных бактерий, и антиокислительная активность 40,379–93,473, выраженная в процентах.
Антиоксидантные фенольные соединения, присутствующие в семенах и кожице (жмыхе) винограда, составляют 60–70% от общего количества полифенолов в винограде.
Суммарная антиоксидантная активность для листьев черной смородины составила 44,5%.
Подытожив сравнение антиоксидантной активности выбранных нами перспективных образцов растительного сырья, можно сделать вывод, что источником, проявившим наибольшую антиоксидантную активность, является жмых винограда. Однако, если обратить внимание на климатический фактор, в условиях Российской Федерации наиболее целесообразно использование кожуры плодов яблонь с антиоксидантной активностью до 57% ввиду достаточности данного продукта в промышленных масштабах.
Однако, для транспортировки и хранения могут потребоваться более значительные концентрации натуральных консервантов, чем те, которые используются в лабораторных средах. Разработка оптимальной комбинации низких доз противомикробных препаратов, которые могут поддерживать безопасность продукта и продлевать срок годности, сводя к минимуму нежелательные вкусовые и органолептические изменения, связанные с добавлением высоких концентраций природных противомикробных препаратов, является сложной задачей для практического применения природных противомикробных препаратов. Хотя исследования консервантов всё еще продолжаются, предварительные результаты показывают: чем больше натуральных консервантов, тем меньше вероятность того, что продукт вызовет аллергические реакции.
Об авторах
Екатерина Сергеевна Орлова, аспирант, Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, д. 76, Челябинск, 454080, Россия
ekaterinaorlova96@inbox.ru
Собхи Ахмед Азаб Аль-Сухайми, PhD, профессор кафедры «Технология и организация общественного питания», Южно-Уральский государственный университет, пр-т Ленина, д. 76, Челябинск, 454080, Россия; PhD, профессор, Город научных исследований и технологических приложений, Нью-Борг-Эль-Араб, Александрия, 21934, Египет;
alsukhaimisa@susu.ru; selsohaimy@srtacity.sci.eg; https://orcid.org/0000-0002-1657-5162
Максим Борисович Ребезов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, главный научный сотрудник,Федеральный научный центр пищевых систем им. В.М. Горбатова Российской академии наук,ул. Талалихина, 26, Москва, 109316, Россия;доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры биотехнологии и пищевых продуктов,Уральский государственный аграрный университет,ул. Карла Либкнехта, 42, Екатеринбург, 620075, Россия;
rebezov@ya.ru; https://orcid.org/0000-0003-0857-5143
УДК 543.865.867 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-373-8-143-150
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
