Свойства и применение беталаинового красителя, выделенного из районированного сорта свеклы столовой
Свекла столовая (Beta vulgaris) — двулетнее травянистое растение, принадлежащее к семейству Chenopodiaceae. Этот корнеплод широко культивируется во всем мире, основное производство сосредоточено в Европе, Северной Америке и по всей Азии. Многочисленные исследования показывают, что свекла обладает полезными для здоровья человека свойствами.
Красный цвет этого корнеплода обеспечивается благодаря уникальной группе пигментов, известных как беталаины. Они представляют собой азотсодержащие водорастворимые красно-фиолетовые и желтые пигменты, обеспечивающие яркие цвета органов растений, включая листья, стебли, фрукты, цветы, корни, семена. Беталаины локализуются в вакуолях клеток, а именно в эпидермальных и субэпидермальных тканях растений, синтезирующих эти пигменты.
По своим структурным характеристикам, светопоглощающим свойствам беталаины обычно делятся на две группы — красно-фиолетовые бетацианины и желтые бетаксантины. Большую их часть (75–95%) составляют бетацианины. Доля бетаксантинов составляет 5–26%.
В последнее время беталаины широко используются для обогащения и придания цвета пищевым продуктам благодаря их выраженной красящей способности, а также противораковой активности, антирадикальным, противомикробным, противовоспалительным, антидиабетическим и другим биологическим свойствам, связанным с предполагаемой пользой для здоровья человека.
Однако применение беталаинов в качестве природных красителей для окрашивания пищевых продуктов вызывает проблемы, связанные с сохранением их химической стабильности при определенных технологических условиях и, следовательно, их красящей способности и биоактивности.
Цель исследования — изучение свойств и стабильности беталаинов, подбора методов и условий для оптимального их экстрагирования из растительных объектов, а также создание на основе экстрактов беталаинов натуральных пищевых красителей для пищевой промышленности.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта для выделения беталаинового пигмента использовали доступное пищевое сырье — свеклу столовую (Beta vulgaris) сорта Бордо 237, выращенную в Приморском крае. Научно-исследовательская работа проводилась с 2022 по 2023 г. в Дальневосточном федеральном университете (ДВФУ) (г. Владивосток, Россия).
Экстракция беталаинов проводилась водой и раствором 95%-ного этилового спирта при 25 ºС, 40 ºС, 60 ºС, 100 ℃ в течение 5 мин., 30 мин., 60 мин. и 90 мин. соответственно.
Ультразвуковую экстракцию растворов беталаинов проводили с использованием ультразвуковой ванны Sonorex RK100H (Bandelin, Германия) в течение 30 мин. при температуре 25 °С. Обработка образцов проводилась при частоте воздействия 35 кГц и мощности 80 Вт.
Съемку дифференциальных УФ-спектров образцов беталаинов проводили на спектрофотометре UV1800 Shimadzu (Япония) в интервале длин волн 230–700 нм.
Для изучения влияния показателя активной кислотности (рН) на свойства беталаинового красителя использовали буферные растворы в диапазоне рН 3,7–10,7.
Концентрированный беталаиновый краситель получали путем экстрагирования беталаинов водным раствором и последующим концентрированием на вакуумном (роторном) испарителе Hei-VAP Advantage ML/G3B (Германия).
Исследование антирадикальной активности концентрированного беталаинового красителя проводили по методу DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил).
Содержание сухих веществ определяли методом высушивания до постоянного веса в термостате Memmert Celsius 400 (Германия).
Исследования по определению антирадикальной активности и содержанию сухих веществ проводили в четырехкратной повторности, экспериментально полученные данные обрабатывали методами математической статистики с использованием пакетов прикладных программ MS Excel 2011 (США) и Statistica 10 Enterprise, 2011 (США).
Растворимость концентрированного беталаинового красителя определяли при температуре 20–25 °С. К 300 мл воды добавляли 3 мл концентрированного беталаинового красителя, тщательно перемешивали и визуально контролировали прозрачность раствора, наличие осадка и мути.
Кислотность (рН) красителя определяли при температуре 20 °С, используя рН-метр рН/MVMETTER-220 (США).
Результаты и обсуждение
Поскольку тип растворителя и условия извлечения играют важную роль в полноценном выделении пигментов из растительного сырья, была проведена экстракция беталаинов из районированного сорта свеклы Бордо 237 водным раствором, этиловым спиртом и с использованием ультразвуковой экстракции. УФ-спектры растворов беталаинов, выделенных при разных условиях экстрагирования, представлены на рисунке 1.
Из результатов видно, что растворы беталаинов на УФ-спектрах имеют несколько пиков поглощения. Независимо от способа экстрагирования максимум поглощения растворов беталаинов наблюдается при длине волны 538 нм. Данный пик свидетельствует о присутствии в растворах красных пигментов свеклы (бетацианинов).
Наименьшее количество бетацианинов выделяется в раствор в результате водной экстракции. Значение оптической плотности данных растворов составляет 1,85. В растворах, выделенных с помощью 95%-ного этилового спирта и ультразвуковой экстракции, содержание бетацианинов значительно выше. Значение оптической плотности растворов бетацианинов, выделенных с помощью 95%-ного этилового спирта и ультразвуковой экстракции, составляет 2,53 и 2,67 соответственно.
В растворах беталаинов, выделенных с помощью водной, ультразвуковой экстракции и 95%-ным этиловым спиртом, наблюдается пик при длине волны 480 нм, свидетельствующий о содержании в растворе желтых пигментов (бетаксантинов). В растворах беталаинов, выделенных с помощью водной и ультразвуковой экстракции. данный пик менее выражен.
В литературных источниках также показано, что желтые пигменты свеклы (бетаксантины) в лучшей степени экстрагируются спиртовым раствором.
Кроме того, при длине волны 280 нм во всех растворах беталаинов представлен пик, свидетельствующий о присутствии в экстрактах пектиновых веществ.
Поскольку беталаины чувствительны к таким факторам, как продолжительность и температура экстрагирования, представлены УФ-спектры растворов беталаинов, выделенных при разных значениях времени (рис. 2) и температуры экстрагирования (рис. 3).
Установлено, что время экстрагирования существенно влияет на выход пигмента из корнеплодов. Наибольший выход беталаинов наблюдается при экстрагировании пигмента в течение 30 мин. Значение оптической плотности пигмента составляет 1,98. Увеличение времени экстрагирования до 60–90 мин. приводит к снижению выхода пигмента. Степень извлечения беталаинов, выделенных из свеклы в течение 60 мин. и 90 мин., снижается на 12% и 17% соответственно.
Из результатов (рис. 3) видно, что максимальное извлечение беталаинов из свеклы происходит при температуре 60 °С. Значение оптической плотности растворов беталаинов, экстрагированных водным раствором при температуре 60 °С, составляет 1,75. Снижение температуры экстрагирования до 25 ºС и 40 °С приводит к снижению выхода беталаинов из растительного сырья. Степень извлечения беталаинов из растительного сырья, экстрагированных при температурах 25 ºС и 40 °С, падает в 2,5 и 2,7 раза соответственно.
Повышение температуры экстрагирования до 100 °С приводит к уменьшению содержания экстрагированных беталаинов в растворе. Степень извлечения беталаинов, экстрагированных при температуре 100 °С в течение 5 мин., уменьшается в 1,2 раза. Кроме того, в экстрактах беталаинов, экстрагированных при температуре 100 °С, наблюдается появления пика при длине волны 430 нм. Вероятно, появление данного пика свидетельствует о деградации беталаинов при высоких температурах. Исследования, проведенные другими авторами, показывают, что при термической обработке в результате декарбоксилирования или дегидрирования бетанин (относящийся к красным пигментам свеклы) превращается в необетанин. Необетанин и его производные проявляют максимальное поглощение света в диапазоне 420–464 нм, то есть имеют желто-оранжевый цвет, несмотря на то что из-за своей химической структуры относятся к группе фиолетовых бетацианинов.
Таким образом, наиболее оптимальными условиями для выделения беталаинов из свеклы являются их экстрагирование 95%-ным этиловым спиртом при температуре 25 °С в течение 30 мин., ультразвуковая экстракция при температуре 25 °С в течение 30 мин. и экстрагирование водным раствором при 60 °С в течение 30 мин.
Изменение окраски растворов беталаинов, выделенных из свеклы при различных значениях рН системы, представлено на рисунке 4. УФ-спектры растворов беталаинов при различных значениях рН системы представлены на рисунке 5.
На рисунке 4 видно, что изменение рН системы влияет на окраску беталаинов. В диапазоне рН 3,7–8,2 растворы беталаинов имеют ярко-розовую окраску. При рН 10,5 наблюдается резкое изменение окраски растворов. Экстракты беталаинов при рН > 10,5 приобретают насыщенный бордовый цвет.
Установлено, что при разных значениях рН происходит смещение максимумов поглощения беталаинов. С увеличением значений рН системы максимум поглощения с 538 нм (рН = 3,7) сдвигается до 542 нм (рН = 10,7). Максимум поглощения при 480 нм (рН = 3,7–8,2) сдвигается до 360 нм (рН = 10,5–10,7), что также свидетельствует о трансформационных изменениях в структуре беталаинов и, соответственно, изменении их окраски при значениях рН > 10.
Экстракты беталаинов использовали для производства концентрированного натурального красителя. Концентрированный беталаиновый краситель получали концентрированием растворов беталаинов, экстрагированных из растительного сырья водой при температуре 60 °С в течение 30 мин., на вакуумном (роторном) испарителе.
Органолептические и физико-химические показатели концентрированного беталаинового красителя представлены в таблице 1.
Показано, что полученный методом концентрирования беталаиновый краситель представляет собой жидкость темно-красного цвета, имеющую слабовыраженный свекольный запах и вкус. Концентрированный беталаиновй краситель обладает антирадикальной активностью (1,49 ± 0,15 мМ) и содержит в своем составе 11 ± 0,55 мг/см3 беталаинов.
УФ-спектр концентрированного беталаинового красителя представлен на рисунке 6.
Установлено, что концентрированный беталаиновый краситель содержит в своем составе беталаины и пектиновые вещества с максимумами поглощения при длинах волн 540 нм и 280 нм соответственно.
Поскольку на потребительском рынке кондитерской продукции представлен широкий спектр изделий с кремовой отделкой, одной из важных задач, стоящих перед пищевой промышленностью, является расширение ассортимента отделочных полуфабрикатов путем использования при их производстве натуральных красителей, которые позволяют не только улучшить качество продуктов, придавая продукту красивый внешний вид и цвет, но и обогатить их недостающими пищевыми и биологически активными веществами.
Концентрированный беталаиновый краситель использовали для производства крема «Гляссе», который готовили по стандартной рецептуре, вводя концентрированный беталаиновый краситель в количестве 3–7% к массе основного сырья на стадии смешивания белок-полисахаридной смеси.
Органолептическая оценка образцов крема «Гляссе» с добавлением концентрированного беталаинового красителя в количестве 3–7% представлена в таблице 2.
Из результатов (табл. 2) видно, что наилучшими органолептическими показателями обладал крем «Гляссе» с добавлением 5% концентрированного беталаинового красителя. Данный образец крема приобретал приятный ярко-розовый цвет и имел пышную, однородную и стабильную консистенцию.
Выводы
Установлено, что оптимальными условиями для выделения беталаинов из свеклы являются их экстрагирование 95%-ным этиловым спиртом при 25 °С в течение 30 мин., ультразвуковая экстракция при 25 °С в течение 30 мин. и экстрагирование водным раствором при 60 °С в течение 30 мин.
Изменение рН системы оказывает существенное влияние на стабильность и окраску пигмента. Определено, что наиболее стабильная окраска пигмента сохраняется в диапазоне рН = 3,7–8,2. В области рН > 10 происходят трансформационные изменения в структуре беталаинов и резкое изменение окраски пигмента. Экстракты беталаинов при рН > 10 приобретают насыщенный бордовый цвет.
Показано, что полученный методом концентрирования беталаиновый краситель представляет собой жидкость темно-красного цвета, имеющую слабовыраженный свекольный запах и вкус. Концентрированный беталаиновй краситель обладает антирадикальной активностью (1,49 ± 0,15 мМ) и содержит в своем составе 11 ± 0,55 мг/см3 беталаинов.
Об авторах
Наталья Юрьевна Чеснокова, доктор технических наук, доцент,
chesnokova.nyu@dvfu.ru; http://orcid.org/0000-0003-3713-8831
Алла Алексеевна Кузнецова, кандидат технических наук, доцент,
kuznetsova.aa@dvfu.ru; http://orcid.org/0000-0001-5972-6904
Людмила Владимировна Левочкина, кандидат технических наук, доцент,
levochkina.lv@dvfu.ru; http://orcid.org/0000-0002-5621-4871
Максим Андреевич Тарабаев, бакалавр,
tarabaev.ma@students.dvfu.ru
Дальневосточный федеральный университет, о. Русский, пос. Аякс, 10, Владивосток, 690922, Россия
УДК 664.022.33:633.412:547.97 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-374-9-185-190
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
