Введение.

В настоящее время одним из потребительских трендов можно рассматривать потребление качественной свежей пищи в удобной упаковке. Смарт-упаковка (активная упаковка) – это современное направление развития упаковочных материалов, под которым понимают создание смарт-систем (умных, интеллектуальных), обеспечивающих не только сохранность конкретного пищевого продукта, но и взаимодействие между упаковкой или ее компонентами и непосредственно-пищевыми продуктами или внутренней газовой среды продукта для обеспечения качества, свежести и безопасности продукта питания [1, 2]. Активная смарт-упаковка, позволяющая в режиме реального времени отслеживать сохранность пищевого продукта в зависимости от условий и длительности хранения является достаточно перспективным направлением развития упаковочных материалов. Нарушение условий хранения продуктов питания является обычным явлением при хранении, транспортировке и обработке, поэтому возможность онлайн-мониторинга сохранности без использования специализированного оборудования и материалов является достаточно эффективным инструментом [3].

Большая часть упаковочных материалов для пищевых продуктов в настоящее время представлена полимерами. Они имеют низкую себестоимость и позволяют производить широкий ассортимент упаковки. Однако большое количество используемой одноразовой упаковки ведет к появлению глобальных проблем, связанных с переработкой мусора. Одной из современных тенденций в пищевой промышленности является разработка биоразлагаемой пищевой упаковки.  Перспективным направлением в упаковке пищевых продуктов является использование биополимеров для производства съедобных пищевых пленок и покрытий. Данные материалы являются полностью экологичными в отличие от упаковочных материалов, получаемых из не возобновляемых ресурсов. Биополимеры отличаются от остальных пластиков возможностью разложения на микроорганизмы путем химического, физического или биологического воздействия.

С точки зрения управления отходами, биоразлагаемая пищевая упаковка с высокими барьерными свойствами может выступать заменой для современной многослойной упаковки, которая не подлежит вторичной переработке и не разлагается под действием окружающей среды [4]. Несмотря на все преимущества, на данном этапе развития биополимерная упаковка обладает рядом существенных недостатков, например, низким уровнем возможности контроля технологических характеристик. Хрупкость характерна для изделий из целлюлозы и полигидроксибутилата, а плохая термопластичность и влагочувствительность свойственны полимерам на базе крахмала [5]. Наряду с этим на данном этапе развития биополимерной промышленности имеются ограничения возможности крупнотоннажного производства, немаловажным является высокая стоимость биополимерной упаковки по сравнению с полиэтиленовой [4].

Как и любая другая упаковка, активная упаковка способна продлевать срок годности пищевого продукта, с сохранением питательных качеств; препятствует росту гнилостных и патогенных микроорганизмов; предотвращает миграцию загрязняющих веществ в пищевой продукт и указывает на непосредственную порчу продукта, негерметичность первичной упаковки и т.п. [4]. В настоящее время известны упаковочных смарт-систем, направленные на поглощение кислорода (препятствуют окислению пищевых продуктов), влаги, этилена, этанола; абсорбцию ароматических веществ (для усиления аромата пищевого продукта), обладающие бактериостатическим действием, а также активные упаковки-индикаторы порчи продукта в зависимости от длительности протекающих процессов при хранении [6].

Антирадикальная активность пленок с добавлением антоцианов в основном зависит от высвобождения их из пленочной матрицы, что связано с содержанием антоцианов, взаимодействиями между антоцианами и пленочной матрицей, а также микроструктурой пленок. Антирадикальная активность богатых антоцианами пленок положительно коррелирует с содержанием в них антоцианов. Пленки с менее компактной внутренней микроструктурой обычно проявляют более высокую антирадикальную активность. Антирадикальная активность пленок, содержащих антоцианы, также связана с источниками их выделения и условиями их экстрагирования. Кроме того, антирадикальная активность пленок снижается при воздействии на них света и высокой температуры.

В работе Wu и др. [7] показано, что пленки, содержащие антоцианы обладают антимикробной активностью в отношении определенной группы микроорганизмов. Пленки с добавлением антоцианов к грамположительным бактериям проявляют более высокую антимикробную активность, чем к грамотрицательным. Это обусловлено различием в структуре клеточной стенки, физиологии клеток и метаболизме грамположительных и грамотрицательных бактерий.

В работе Wang, L.S [8] было показано, что перекисное число оливкового масла, хранившегося в упаковке на основе желатина с добавлением антоцианов клюквы, значительно ниже, чем у масла, хранившегося в упаковке, состоящей из одного желатина. Это указывает на то, что пленки с добавлением антоцианов могут эффективно ингибировать окисление липидов масла.

Также известны работы, в которых показано, что пленки с включенными в состав антоцианами, выделенными из кожуры граната, могут уменьшать общее количество бактерий, плесеней и дрожжей в сыре, тем самым поддерживая его качество и вкусовые свойства. Использование пленок на основе комплекса желатин-крахмал с добавлением концентрированного сока смородины можно использовать для удлинения срока хранения варенных колбасных изделий. Концентрированный сок смородины, входящий в состав пленок, обеспечивает традиционную окраску сосисок и сдерживает рост патогенной микрофлоры [5–8].

Целью настоящего исследования являлось разработка технологии получения концентрата антоцианов из шрота черники и научное обоснование его использования в составе смарт-упаковки для пищевых продуктов.

Объекты и методы исследования.

Объектом исследования являлся концентрат антоцианов, полученный из высушенного шрота черники – отхода промышленного производства густых и сухих экстрактов черники на ООО «Кит Плюс» (Бийск, 2022 г.). При исследовании качественных показателей сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов использовались общепринятые методы исследования, в том числе были использованы методы, изложенные в ГОСТ Р 54668–2011 и ГОСТ Р 56201–2014.

Экспериментальная часть и обсуждение результатов.

Поскольку выделение антоцианов зависит от условий извлечения, было рассмотрено четыре температурных режима их выделения. Для определения массовой концентрации антоцианов проводили водную экстракцию (гидромодуль 1:10) при температурах 25, 50 и 75 °С в течение 1,5 часов, отбирая пробы каждые 30 минут, при 100 °С вели экстракцию в течении 5 минут. Результаты проведенного эксперимента представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость концентрации антоцианов шрота черники от продолжительности и температуры экстрагирования

Установлено, что наибольшее содержание антоцианов достигается в результате экстрагирования в течение 60 минут при 75 °С. Поэтому данный температурный режим использовался в дальнейших исследованиях. Результаты исследования, полученные при выполнении данного этапа работы в последующем служили в качестве контроля.

Ввиду того, что в кислой среде антоцианы более стабильны, было изучено влияние 1 % органических кислот на их выход. В исследовании использовались щавелевая, лимонная, янтарная, уксусная и аскорбиновая кислоты. Зависимость значений концентрации антоцианов плодов черники от использования 1% органических кислот представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Зависимость концентрации антоцианов плодов черники от использования 1% органических кислот

Как показано на графике, продолжительность экстракции и используемые кислоты по-разному влияют на содержание антоцианов.

Наибольшее содержание антоцианов наблюдается при экстрагировании с использованием уксусной кислоты. При продолжительности воздействия 30 минут, содержание антоцианов по сравнению с контролем увеличилось на 16,4%. Дальнейшее воздействие приводит к снижению концентрации антоцианов.

Установлено, что при подкислении экстрагента, из шрота черники в результате гидролиз-экстракции выделяется пектин, что затрудняет дальнейшие стадии выделения антоцианов, а также процесс фильтрации. Содержание пектина в исследуемом сырье составило 3,56 %.

Также было выявлено, что измельченный шрот черники не полностью смачивается экстрагентом, это связано с присутствием в плодах жиров, их содержание оказалось равным 0,5 %.

Эти обстоятельства послужили для апробирования использования ферментных препаратов (ФП) пектолитического и липолитического действия в технологии выделения антоциановых пигментов из шрота черники.

Для гидролиза пектина и липидной части шрота использовались отечественные ферментные препараты «Пектиназа» и «Липаза» (производитель ООО «Биопрепарат», г. Воронеж).

Ферментный препарат «Липаза» вносили дозировкой 100, 1000, 2000 ед/г, вели экстракцию при 45°С (оптимальная температура для действия препарата) в течение 1,5 часов, отбирая пробы каждые 30 минут. Результаты проведения экстракции с использованием липолитического фермента представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимость выхода антоцианов от дозировки липолитического фермента

Из полученных результатов видно, что максимальное содержание антоцианов достигается при исппользовании ФП «Липаза» в дозировке 100 ед/г при экстракции в течении 60 минут.

Гидролиз пектинов с использованием ФП «Пектиназа» проводили таким же способом, но с использованием дозировки 2,5; 5,0 и 7,5 ед/г, Результаты использования пектолитического фермента для экстракции антоцианов представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Зависимость выхода антоцианов от дозировки пектолитического фермента

Как показано на графике, максимальное содержание антоцианов достигается при использовании ФП «Пектиназа» 5,0 ед/г при экстракции в течение 90 минут.

Используя приведенные выше результаты, была проведена экстракция с одновременным использованием ферментных препаратов. Зависимость значений концентрации антоцианов от одновременной обработки пектолитическим и липолитическим ферментными препаратами представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Зависимость выхода антоцианов от одновременной обработки пектолитическим и липолитическим ферментом

Результат данного эксперимента показал, что при одновременном использовании ферментных препаратов выход антоцианов выше, однако не достигает значений, полученным при экстракции в присутствии органических кислот. Установлено, что использование ферментных препаратов ускоряет процесс фильтрации, а также происходит полное смачивание шрота в экстрагентом. В последующем данный этап использовался перед экстракцией с органическими кислотами.

Экстракцию с обработкой ферментными препаратами проводили с уксусной и щавелевой кислотой, поскольку они обладают наибольшей экстрагирующей способностью. В случае экстракции уксусной кислотой проводили предобработку ферментным препаратом «Пектиназа» дозировкой 5,0 и 7,5 ед/г и «Липаза» 100, 1000 и 2000 ед/г, варьируя продолжительность гидролиза. После чего вносили 1% уксусную кислоту измеряя выход антоцианов спустя 30, 60, 90 минут. Таким образом, установили, что при экстракции уксусной кислотой наиболее оптимальна обработка ферментными препаратами «Пектиназа» при дозировке 5,0 ед/г и «Липаза» 100 ед/г в течение 30 минут.  Результаты экстракстракции представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Зависимость выхода антоцианов от продолжительности экстрагирования уксусной кислотой после ферментативной обработки

Как видно из графика, максимальное содержание антоцианов достигается при экстракции в течение 30 минут и затем снижается вследствие деградации антоциановых пигментов.

Экстрагирование щавелевой кислотой проводили таким же образом. Определили, что в данном случае налучшими показатели является экстракция при обработке ферментными препаратами «Пектиназа» 5,0 ед/г и «Липаза» 100 ед/г в течение 30 минут. Зависимость выхода антоцианов от продолжительности экстрагирования щавелевой кислотой при таких условиях представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Зависимость выхода антоцианов от продолжительности экстрагирования щавелевой кислотой после ферментативной обработки

Применение ферментных препаратов способствовало повышению скорости фильтрации, однако не позволило избежать нежелательных окислительно-восстановительных процессов, поскольку содержание антоцианов при этом снизилось по сравнению с использованием органических кислот без ферментативной обработки. Вероятно, это может быть связано с наличием у пектолитического ферментного препарата побочной депсидазной активности, проявляющейся при смешении рН среды в кислую сторону, что требует дополнительного изучения. Избежать влияния депсидазы на стабильность антоциановых пигментов поможет также подбор и исследование ферментных препаратов, не обладающих побочными активностями. Как было установлено в серии дополнительных исследований дозировки вносимых препаратов, продолжительности обработки ферментными препаратами, а также продолжительности времени экстрагирования органическими кислотами снижает выход антоцианов.

Концентрат антоцианового экстракта из плодов черники был получен с помощью ротационного испарителя с применением вакуума, при температуре кипения экстракта 50–55 °С.  В процессе была обеспечена герметичность, в связи с чем кислород не поступал, сохраняя антоцианы в неокисленном виде. Упаривание производили до получения густого сиропа, при этом содержание сухих веществ составило 16,8%. Для подтверждения возможности использования полученного концентрата антоцианов из шрота черники осуществляли оценку зависимости окраски растворов антоцианов от рН. Экстракт антоцианов разбавляли с дистиллированной водой в соотношении 1:20 и подкисляли / подщелачивали до определенного значения с помощью электронного рН-метра. Изменение окраски антоцианового экстракта при изменении рН среды представлено на рисунке 8.

Рисунок 8 – Изменение цветности антоцианов в диапазоне рН от 2 до 10 (слева-направо, шаг – 1 ед. рН)

Как видно из рисунка, при рН 2 раствор имеет интенсивно розового цвета, при рН 3–4 розовая окраска приобретает более бледный оттенок, при рН 5–7 сиреневатый, при рН 8–9-синий, а при рН 10 – зеленоватый оттенок. Таким образом, результаты данного эксперимента подтверждают, что антоцианы черники могут быть использоваться не только в качестве красителя, но и выступать в качестве индикаторов порчи продуктов в составе биополимерных интеллектуальных упаковок, т.к. способны изменять свой цвет при переходе рН среды из кислой в щелочную.

Получение пищевой пленки на основе комплекса  антоцианов и биополимеров осуществляли следующим образом. Каппа-каррагинан смешивали с водой в количестве 1 % от объема воды, нагревали до 60 °С. После полного растворения охладили и добавили антоциановый концентрат в количестве 1 % от воды. Формирование пленки осуществляли при комнатной температуре в течение 24 часов на стекле. Характеристика образцов полученных пленок представлена в таблице 1.

Таблица 1

 Характеристика образцов полученных пленок

Как показано в таблице, наилучшими показателями обладает пленки при использовании структурообразователя в количестве 1,5 и 2,0 %. Данные образцы подвергались дальнейшим исследованиям.

Перевариваемость в модели «желудок» проводили при помощи цитратно-фосфатного буферного раствора с активной кислотностью 2,5–3,0 ед. pH и панкреатина в количестве 0,5 мг/см³. Инкубирование модельных сред проводили с использованием термошейкера-инкубатора с частотой колебаний 90 об/мин при температуре 37 °С. В результате исследования было установлено, что получаемая пленка на основе каппа-каррагинана и антоцианов черники полностью растворяется в течение 15–20 минут, что свидетельствует о возможности его применения в качестве съедобной упаковки.

Выводы.

Таким образом, в ходе выполненный исследований было доказано, что полученный экстракт антоцианов из шрота черники может использоваться не только в качестве красителя, но и выступать в качестве индикатора порчи продуктов в составе биополимерных интеллектуальных упаковок, поскольку входящие в его состав антоцианы способны изменять свой цвет при переходе рН среды из кислой в щелочную. Установлено, что что получаемая пленка на основе каппа-каррагинана и концентрата антоцианов черники полностью растворяется в течение 15–20 минут, что свидетельствует о возможности его применения в качестве съедобной упаковки.