Сонохимическое микроструктурирование альгината натрия для повышения его эффективности в технологии хлебобулочных изделий

Использование в пищевом производстве биологически активных соединений, в том числе экстрагированных из водорослей, позволяет повышать функциональность продуктов питания. Комплексом доказанных биологически активных свойств обладает альгинат натрия. В пищевой промышленности он используется в качестве загустителя, стабилизатора, гелеобразователя и водоудерживающего агента. Биологическая активность альгината натрия и его влияние на технологические свойства пищевых систем зависят от молекулярной массы и однородности размера частиц данного полисахарида. Целью работы являлось исследование возможности применения метода сонохимического микроструктурирования альгината натрия для повышения его биологической активности и эффективности в составе хлебобулочных изделий.

Объектами исследования являлись альгинатные гели, дрожжевые суспензии на основе Saccharomyces cerevisiae и хлеб из пшеничной муки первого сорта. Для микроструктурирования альгината натрия применяли низкочастотную ультразвуковую обработку мощностью 240, 435 и 630 Вт/л при температуре 50 °С в течение 20, 25 и 30 мин. Проводились исследования свойств альгинатных гелей: морфология частиц в сопоставлении с распределением в дисперсной среде их гидродинамического диаметра, антиоксидантная активность, вязкость, биоактивность in vitro и биодоступность на Paramecium сaudatum и S. cerevisiae. Исследовали качество хлебобулочных изделий по ГОСТ Р 58233-2018. Сонохимическое микроструктурирование привело к деполимеризации крупных частиц альгината натрия на более короткие (5670 нм – 30,6 %, 502 нм – 53,4 %, 56,1 нм – 16 %). Отметили увеличение антиоксидантной активности в 7 раз и потенциальной биоактивности на 3,9 %. Использование микроструктурированного альгината натрия способствовало увеличению бродильной активности S. cerevisiae и приросту биомассы дрожжей на 8 %. Образцы хлеба с использованием микроструктурированного альгината натрия отличались повышенной пористостью (на 5,9 %) и функциональностью (увеличение антиоксидантной активности в 3,7 раз).

Предлагаемый подход сонохимического микроструктурирования позволяет снизить размер частиц альгината натрия, а также повысить его биологическую активность. Сонохимически микроструктурированный альгинат натрия обладает большим потенциалом в технологии пищевых систем, в том числе хлебобулочных изделий.

1. Usov AI, Smirnova GP, Klochkova NG. Polysaccharides of algae: 55. Polysaccharide composition of several brown algae from Kamchatka. Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2001;27(6):444–448. (In Russ.). [Усов А. И., Смирнова Г. П., Клочкова Н. Г. Полисахариды водорослей. 55. Полисахаридный состав некоторых бурых водорослей Камчатки // Биоорганическая химия. 2001. Т. 27. № 6. С. 444–448.].

2. Houghtona D, Wilcoxa MD, Brownlee IA, Chater PI, Seal CJ, Pearson JP. Acceptability of alginate enriched bread and its effect on fat digestion in humans. Food Hydrocolloids. 2019;93:395–401. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2019.02.027

3. Houghtona D, Wilcoxa MD, Brownlee IA, Chater P, Seal CJ, Pearson JP. Method for quantifying alginate and determining release from a food vehicle in gastrointestinal digesta. Food Chemistry. 2014;151:352–357. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2013.11.070

4. Feng L, Cao Y, Xu D, Wang S, Zhang J. Molecular weight distribution, rheological property and structural changes of sodium alginate induced by ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry. 2017;34:609–615. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.06.038

5. Yakush EV, Koneva EL, Aminina NM, Zhuravleva OV, Mamyrkin GD. New aspects of application of the alginatecontaining biogel from brown algae in probiotic technology. Russian Journal of Marine Biology. 2017;190:204–211. (In Russ.). [Новые аспекты применения альгинатсодержащего биогеля из бурых водорослей в технологии пробиотиков / Е. В. Якуш [и др.] // Известия ТИНРО. 2017. Т. 190. С. 204–211.].

6. Suo H, Xu L, Xu C, Qiu X, Huang H, Hu Y. Enhanced catalytic performance of lipase covalently bonded on ionic liquids modified magnetic alginate composites. Journal of Colloid and Interface Science. 2019;553:494–502. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.06.049

7. Geng S, Jiang Z, Ma H, Pu P, Liu B, Liang G. Fabrication and characterization of novel edible Pickering emulsion gels stabilized by dihydromyricetin. Food Chemistry. 2021;343. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2020.128486

8. Fang X, Zhao X, Yu G, Zhang L, Feng Y, Zhou Y, et al. Effect of molecular weight and pH on the self-assembly microstructural and emulsification of amphiphilic sodium alginate colloid particles. Food Hydrocolloids. 2020;103. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2019.105593

9. Khmelev VN, Kuzovnikov YuM, Khmelev MV. Ultrasonic devices for scientific researches. South-Siberian Scientific Bulletin. 2017;17(1):5–13. (In Russ.). [Хмелев В. Н., Кузовников Ю. М., Хмелев М. В. Ультразвуковые аппараты для научных исследований // Южно-сибирский научный вестник. 2017. Т. 17. № 1. С. 5–13.].

10. Krasulya ON, Bogush VI, Khmelev SS, Potoroko IYu, Tsirulnichenko LA, Kanina KA, et al. The sonochemical impact on food emulsions. Bulletin of the South Ural State University. Series: Food and Biotechnology. 2017;5(2):38–48. (In Russ.). https://doi.org/10.14529/food170206

11. Pollet BG, Ashokkumar M. Introduction to ultrasound, sonochemistry and sonoelectrochemistry. Cham: Springer; 2019. 39 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-25862-7

12. Price GJ, Bone J, Cochintoiu K, Courtenay J, James R, Matthews L, et al. Sonochemical production and activation of responsive polymer microspheres. Ultrasonics Sonochemistry. 2019;56:397–409. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.04.030

13. Grieser F, Choi P-K, Enomoto N, Harada H, Okitsu K, Yasui K. Sonochemistry and the acoustic bubble. Elsevier; 2015. 298 p. https://doi.org/10.1016/C2013-0-18886-1

14. Cui R, Zhu F. Ultrasound modified polysaccharides: A review of structure, physicochemical properties, biological activities and food applications. Trends in Food Science and Technology. 2021;107:491–508. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.11.018

15. Chen T-T, Zhang Z-H, Wang Z-W, Chen Z-L, Ma H, Yan J-K. Effects of ultrasound modification at different frequency modes on physicochemical, structural, functional, and biological properties of citrus pectin. Food Hydrocolloids. 2021;113. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.106484

16. Dou Z, Chen C, Fu X. The effect of ultrasound irradiation on the physicochemical properties and α-glucosidase inhibitory effect of blackberry fruit polysaccharide. Food Hydrocolloids. 2019;96:568–576. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2019.06.002

17. Sui X, Bary S, Zhou W. Changes in the color, chemical stability and antioxidant capacity of thermally treated anthocyanin aqueous solution over storage. Food Chemistry. 2016;192:516−524. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.07.021

18. Rodríguez-Roque MJ, de Ancos B, Sánchez-Moreno C, Cano MP, Elez-Martínez P, Martín-Belloso O. Impact of food matrix and processing on the in vitro bioaccessibility of vitamin C, phenolic compounds, and hydrophilic antioxidant activity from fruit juice-based beverages. Journal of Functional Foods. 2015;14:33−43. https://doi.org/10.1016/j.jff.2015.01.020

19. Wang X, Majzoobi M, Farahnaky A. Ultrasound-assisted modification of functional properties and biological activity of biopolymers: A review. Ultrasonics Sonochemistry. 2020;65. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105057

20. Bhargava N, Mor RS, Kumar K, Sharanagat VS. Advances in application of ultrasound in food processing: A review. Ultrasonics Sonochemistry. 2021;70. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105293

21. Feng L, Cao Y, Xu D, Wang S, Zhang J. Molecular weight distribution, rheological property and structural changes of sodium alginate induced by ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry. 2017;34:609–615. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2016.06.038

22. Sen M. Effects of molecular weight and ratio of guluronic acid to mannuronic acid on the antioxidant properties of sodium alginate fractions prepared by radiation-induced degradation. Applied Radiation and Isotopes. 2011;69(1):126–129. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2010.08.017