Введение Напитки, приготовленные с использованием растительного сырья, занимают лидирующую позицию в современной модели их потребления. Роль для физиологии человека таких нутриентов напитков растительного происхождения, как фенольные, пектиновые вещества, органические кислоты, витамины и прочие, очевидна. Однако совокупность таких факторов, как избыточное количество высокомолекулярных полимеризованных соединений, биохимические превращения, происходящие в системе напитка, негативным образом сказываются на стойкости полуфабрикатов и готовых напитков. Необходимо создать сбалансированную систему напитка, которая служила бы как источником биологически активных веществ, так и находилась бы в устойчивом коллоидном состоянии при хранении с целью обеспечения товарного вида продукта. Арсенал способов и вспомогательных материалов для обеспечения прогнозируемой стойкости напитков достаточно разнообразен. Однако поиск эффективных видов, форм и способов применения стабилизаторов для повышения стойкости напитков и в настоящее время являются актуальными и перспективными. Все нарастающее внимание как отечественных, так и зарубежных исследователей привлекает к себе гидробионт хитозан. Хитозан - это гидроколлоид полисахаридной природы (рис. 1), который получают из панцирей крабов, грибов, мелких ракообразных и насекомых путем удаления карбонового соединения. Исследования свойств и путей применения хитозана начались еще в 60-х годах XIX века [1, 2]. Рис. 1. Химическая структура молекулы хитозана Хитозан плохо растворяется в воде, т.к. связи между молекулами хитозана более прочные, чем между молекулами хитозана и воды. Но зато он хорошо растворяется в кислотах, например, таких как лимонная, уксусная, щавелевая и янтарная. Еще одна способность хитозана - это удерживать в своей структуре растворитель и растворенные в нем вещества. Более существенным сорбирующим эффектом хитозан обладает в растворенном состоянии, чем в нерастворенном [1, 3]. Ведутся исследования, направленные на получение водорастворимого хитозана. Так, например, японские ученые [4, 5] получили водорастворимый хитозан с пониженной молекулярной массой (до 730 Дальтон) путем воздействия на него ферментов α-амилазы и глюкоамилазы. Процесс получения растворимого хитозана протекал в слабокислой среде при температуре 50-55 °С. Модификация является перспективным направлением изменения свойств хитозана с целью повышения эффективности его использования в различных целях как в медицине, так и в пищевой промышленности. Современные исследования модификации хитозана ориентированы на создание комплексов с различными реагентами (привитая полимеризация). В качестве таких реагентов применяют вещества природного происхождения, такие как альгинаты, пектин, целлюлоза, гликолевая кислота [6-9], банановая мука [10]. Из синтетических используют поливиниловый спирт, поливинилпирроллидон, полиакрилонитрил [8, 11], винилацетат [8], акриловую кислоту и 2-гидроксиэтилметаакрилат [12], карбоксиметилцеллюлозу [13]. Модифицированный химическим способом хитозан используют для создания барьерных пленок для пищевых и непищевых целей, шовного материала в хирургии, сорбентов металлов и прочее. В зарубежной и отечественной практике хитозан активно привлекают для исследований в области предохранения продуктов питания от микробиологической порчи взамен синтетических фунгицидов [14-19], в качестве структурообразователя пищевых продуктов в смеси с белковыми компонентами [20], в целях повышения целебных физиологических свойств напитков и продуктов питания [21-23], в сельском хозяйстве - для предпосевной обработки семян [24], в производстве напитков с использованием растительного сырья - для регулирования качественного состава полуфабрикатов напитков с целью повышения стойкости готовых изделий [25-30]. Таким образом, многочисленные исследования по применению хитозана в различных отраслях пищевой промышленности доказывают перспективность и эффективность данного гидроколлоида, а исследования возможности использования хитозана для формирования устойчивой коллоидной системы напитков являются актуальными. Целью настоящих исследований является сравнительная оценка эффективности хитозана в отношении осаждения избытка компонентов полуфабрикатов напитков из различного растительного сырья, таких как полифенольные, белковые и пектиновые вещества, участвующих в образовании коллоидных помутнений напитков. Объект и методы исследования Объектами исследований являлись: - хитозан, произведенный по ТУ 9289-046-04689375-96 в условиях ЗАО «Биопрогресс»; - плодово-ягодные полуфабрикаты для приготовления ликероводочных изделий, безалкогольных морсов, осветленных соков, полученные в лабораторных условиях на кафедре технологии бродильных производств и консервирования Кемеровского технологического института пищевой промышленности (КемТИПП) по традиционным технологиям, а именно: спиртованные морсы, приготовленные из плодов черноплодной рябины и ягод черной смородины; соки прямого отжима из ягод брусники и клюквы; соки прямого отжима из плодов яблок сортов Красноярское сладкое, Симеренко, Апорт, Шафран; - полуфабрикаты напитков на основе зернового сырья (пиво на стадии дображивания, квас на стадии брожения). Количественное содержание компонентов полуфабрикатов напитков определяли следующими методами: - полифенольных веществ - методом Еруманиса [31]; - белков высокомолекулярной фракции в пиве и квасе - фотоколориметрическим методом [31]; - белковых веществ в плодово-ягодных полуфабрикатах - методом Лоури [31]; - пектиновых веществ - титриметрическим методом [32]. Исследования проводились не мене чем в 5-кратной повторности, обрабатывались статистическим методом, отклонения в результатах составляли ±0,05…0,3. Анализ осадков, полученных в результате осветления напитков, проводился микроскопированием с использованием микроскопа марки «Carl Zeiss Axio Scope. A1» при увеличении в 10 раз. Результаты и их обсуждение Ранее проведенными исследованиями [25, 28, 29] экспериментально обозначены оптимальные параметры использования хитозана - дозировка, форма внесения (в сухом виде или в растворителе), стадия внесения - в технологии приготовления плодово-ягодных спиртованных морсов и соков из плодов яблок, а также в производстве пива. Так, при обработке плодово-ягодных морсов и соков использовали хитозан в количестве: - 0,1 г/дм3 (для спиртованных морсов из черной смородины и черноплодной рябины); - 0,3 г/дм3 (для соков из яблок). В указанные полуфабрикаты напитков хитозан вносили в виде 1 %-ного раствора в 2 %-ной лимонной кислоте, продолжительность выдержки составляла 24 часа. Приведенные выше дозировки хитозана эффективны с точки зрения сорбции полифенольных веществ [25, 28]. Ранее проведенные исследования дополнены результатами настоящих на предмет изучения эффективности применения хитозана в отношении сорбции белковых и пектиновых веществ плодово-ягодных полуфабрикатов напитков. При приготовлении пива хитозан вносили в молодое пиво в сухом виде в количестве 62,5 мг/дм3на стадии дображивания [29]. По результатам экспериментов в настоящих исследованиях определены параметры использования хитозана при осветлении соков прямого отжима из ягод клюквы и брусники, а также при приготовлении кваса. Так, эффективные дозировки хитозана для оклейки соков прямого отжима составили: - 0,4 г/дм3 - для сока из клюквы; - 0,5 г/дм3 - для сока из брусники. В отношении формы внесении хитозана и продолжительности обработки лучшие результаты оклейки полуфабрикатов отмечены при использовании 1 %-ного раствора изучаемого стабилизаторав 2 %-ной лимонной кислоте. При этом продолжительность выдержки составила 24 ч. После снятия с осадка в осветленных соках определяли количественное содержание полифенольных, белковых и пектиновых веществ. Контрольными служили образцы, приготовленные без использования хитозана. Квас готовили путем сбраживания сусла, приготовленного на основе концентрата квасного сусла, хлебопекарными дрожжами. Продолжительность брожения составляла 21 ч. Момент внесения стабилизатора выбран на основании следующих предпосылок. Имеющийся экспериментальный опыт об эффективной продолжительности воздействия хитозана на напиток говорит о необходимости контакта не менее 6 ч. В отличие от пива, квас - это напиток с более сжатым периодом брожения, и преждевременная седиментация дисперсной фазы нежелательна с точки зрения для получения полноценных качественных показателей напитка. Поэтому вносить хитозан в начале брожения кваса нерационально. Хитозан вносили в квас при брожении после 15 ч от начала процесса, т.е. практически на заключительной стадии брожения с целью интенсификации осветления напитка. Опираясь на ранее полученные результаты по использованию хитозана в пивоварении, хитозан вносили в квас в сухом виде. Опытным путем определена эффективная дозировка стабилизатора - 50 мг/дм3. Данное количество стабилизатора способствует снижению высокомолекулярных белков и полифенольных веществ при одновременном сохранении полноценных вкусовых характеристик готового кваса. Контрольным образцом служил квас, приготовленный без использования хитозана. Результаты проведенных испытаний представлены на рис. 2-6. Полученные данные показывают, что эффект сорбции компонентов полуфабрикатов напитков, участвующих в образовании коллоидных помутнений, неоднозначен для плодово-ягодных соков, морсов и напитков брожения из зернового сырья. Это обусловлено следующими факторами: - исходным содержанием веществ, участвующих в образовании коллоидных помутнений. При этом исходное содержание компонентов в свою очередь также зависит от многих критериев - места и климатических условий произрастания, степени зрелости в момент сбора сырья, сорта и пр. Так, экспериментально обнаружено, что в напитках брожения из зернового сырья (в пиве и квасе) содержание полифенольных веществ колеблется в пределах от 100 до 200 мг/дм3, тогда как в ягодных соках и плодово-ягодных морсах количество этих веществ достигает 8000 мг/дм3, в яблочных - от 200 до 350 мг/дм3. Содержание пектиновых веществ также колеблется даже в пределах одной группы напитков, например, в соке из яблок сортов Апорт и Шафран составляет более 1 %, в соке из яблок сортов Красноярское сладкое и Ренет Симеренко - порядка 0,5-0,7 %. В то же время в ягодных соках прямого отжима из брусники и клюквы - до 0,5 %. Высокомолекулярных белковых веществ априори больше в напитках из зернового сырья, а в плодово-ягодном сырье общее содержание белковых веществ не превышает 2 мг/дм3; - степенью извлечения экстрактивных веществ в напиток, которая в свою очередь зависит от способа экстракции [33]. Данные исследований, представленные на рис. 2, свидетельствуют об эффективной сорбционной активности хитозана в отношении: - пектиновых веществ - для соков из ягод брусники и клюквы, для соков из яблок сортов Апорт, Симеренко, Красноярское сладкое; - белковых веществ - для клюквенного сока, морса из черноплодной рябины и сока из яблок сортов Шафран, Апорт и Симеренко; - полифенольных веществ - для ягодных соков и морсов, а также соков из яблок сортов Шафран и Апорт. При этом незначительный процент убыли компонентов помутнений (от 10 до 15 %) наблюдался при обработке хитозаном соков из яблок: полифенольных веществ - сортов Красноярское сладкое и Симеренко, белковых веществ - сорта Красноярское сладкое, пектиновых веществ - сорта Шафран. Рис. 2. Влияние хитозана на количественное содержание веществколлоидных помутнений плодово-ягодных полуфабрикатов Рис. 3. Влияние хитозана на изменение содержания высокомолекулярной белковой фракции пива при дображивании Рис. 4. Влияние хитозана на изменение содержания высокомолекулярной белковой фракции кваса при брожении Рис. 5. Влияние хитозана на изменение содержания полифенольных веществ пива при дображивании Рис. 6. Влияние хитозана на изменение содержания полифенольных веществ кваса при брожении Высокомолекулярные белки полуфабрикатов напитков брожения сорбируются хитозаном не так значительно, как в плодово-ягодных полуфабрикатах, порядка 13-18 %, полифенольные - на 10-15 % (рис. 3-6). Однако проведенные в дальнейшем исследования по тестированию готовых напитков к образованию коллоидных помутнений показали, что полученный эффект достаточен для формирования устойчивой системы напитка при одновременном сохранении полноценных органолептических показателей. Удаление таких потенциальных мутеобразователей напитков, как полифенольные и пектиновые компоненты, при помощи хитозана можно объяснить химической структурой гидроколлоида. Хитозан как активный катионник эффективно выводит из дисперсной системы напитка отрицательно заряженные полифенольные, пектиновые вещества. Коагуляция же белковых веществ хитозаном может протекать двумя путями. Кислые белки осаждаются путем прямой коагуляции, щелочные и нейтральные - путем вторичной. Первоначально происходит образование комплексов «белки-полифенолы», а далее происходит увлечение их в осадок при воздействии стабилизатора. Посредством микроскопирования была изучена структура образовавшихся осадков. В качестве примера на рис. 7-10 представлены фотографии осадков ягодных соков из брусники и клюквы. Рис. 7. Естественный осадок сока клюквы Рис. 8. Осадок, полученный при обработке сока клюквы хитозаном Рис. 9. Естественный осадок сока брусники Рис. 10. Осадок, полученный при обработке сока брусники хитозаном В результате естественной седиментации (рис. 7, 9) осадок образуется нестойкий, легко нарушаемый, взвеси рассредоточены. Это в свою очередь свидетельствует об образовании непрочных водородных связей между разнозаряженными полифенолами, пектиновыми и белковыми веществами. При обработке сока хитозаном осадок сформировался плотный, с четкой границей раздела, не нарушаемый при взбалтывании. На рис. 8 и 10 видно, что хитозан как бы «втянул в себя» взвеси. По всей видимости, имеет место прочное ионное взаимодействие между осадителем и высокомолекулярными компонентами соков. Формирование осадка в виде «пробки» в свою очередь способствует облегчению процесса декантации осветленного напитка с осадка. Опытные напитки отличались от контрольных насыщенным цветом, обладали характерным блеском и имели выраженный аромат плодов и ягод. Проведенные исследования показали эффективность применения гидробионта - хитозана в производстве полуфабрикатов напитков с использованием различного растительного сырья с целью снижения избыточного количества основных компонентов, участвующих в образовании коллоидных помутнений, таких как белковые, пектиновые и полифенольные вещества. Показано, что эффект сорбции потенциальных мутеобразующих компонентов полуфабрикатов напитков неоднозначен для плодово-ягодных соков, морсов и напитков брожения из зернового сырья.