Внешний вид пищевых продуктов имеет такое же важное значение, как их вкусовые и ароматические показатели качества. Красящие вещества для улучшения внешнего вида пищевых продуктов применялись еще в глубокой древности. Много столетий назад использовали для окраски пищи корни, листья, цветки и плоды растений, полученные из них выжимки и экстракты, продукты органического и минерального происхождения.

В современном технологическом процессе, включающем различные виды тепловой обработки (сырья и полупродуктов), продукты питания изменяют свою первоначальную окраску и часто приобретают неэстетичный внешний вид.

Пища, имеющая неестественный цвет, оказывает отрицательное воздействие на процесс пищеварения; вид естественно окрашенных продуктов способствует выделению желудочного сока. Особенно сильно меняется цвет овощей и фруктов при консервировании, что связано с превращением хлорофиллов в феофитин, или с изменением цвета антоцианов при снижении рН среды либо в результате образования комплексов с металлами (медью или оловом). Поэтому современные пищевые технологии испытывают потребность в высококачественных, эффективных и безопасных для человека красителях.

Пищевые красители – основная группа веществ, применяемых для окрашивания пищевых продуктов практически всеми пищевыми предприятиями.

Естественные компоненты пищевых продуктов или биологических объектов, не потребляемые обычно в качестве пищевого продукта или составной части пищи, относят к окрашивающим веществам.

Пищевые продукты: плоды и ягоды, включая сушеные или консервированные; пряности и специи, обладающие вторичным красящим эффектом, не относятся к пищевым красителям.

20.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПИЩЕВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

Пищевые красители включают химические синтетические вещества и натуральные (природные) соединения, которые придают пищевому продукту цвет или усиливают его (рис. 20.1).

Рис. 20.1. Классификация пищевых красителей

В настоящее время на мировом рынке синтетические красители занимают ведущее место, на их долю приходится 42,5 % мирового производства, на долю натуральных красителей – 26,6 %, идентичных натуральным – 20,2, карамельных красителей – 10,7 %.

В результате исследований токсичности синтетических красителей, которые начали проводить с 30-х годов XX в., было выяснено, что некоторые из них при поступлении в организм человека в высоких дозах оказывают канцерогенное действие на кровь, лимфу, ферментные системы.

Экспертным комитетом ФАО/ВОЗ по искусственным пищевым добавкам на основе токсикологической оценки пищевых красителей установлено предельное суточное поступление (ПСП) или допустимое суточное потребление (ДСП), как принято обозначать в странах СНГ, отдельных красителей с пищей и утверждено 43 красителя, из них 7 являются синтетическими.

Использование синтетических красителей требует особого внимания из-за возможного токсического, мутагенного и канцерогенного действия.

Натуральные (природные) красители

Их выделяют из природных источников в виде смеси соединений, различных по своей химической природе. Их состав зависит от источника и технологии получения, поэтому является нестабильным. К натуральным красителям относят естественные компоненты пищевых продуктов или биологических объектов, не употребляемые обычно в качестве продуктов питания или составной их части.

Натуральные красители классифицируют на каротиноиды, антоцианы, флавоноиды, хлорофиллы и их медные комплексы и др. Считается, что они не обладают токсичностью, но для многих из них установлено ДСП. Многие натуральные пищевые красители или их смеси и композиции обладают биологической активностью, придают вкусовые и ароматические особенности, повышают пищевую ценность окрашиваемого пищевого продукта.

Натуральные пищевые красители выделяют из различных частей дикорастущих и культурных растений, отходов переработки растительного сырья на винодельческих, сокопроизводящих и консервных заводах, а также получают путем химического или микробиологического синтеза. Спецификация основных натуральных пищевых красителей представлена в таблице 20.1.

Таблица 20.1. Спецификация натуральных красителей

Технологии выделения натуральных пищевых красителей различны и зависят от вида сырья, свойств извлекаемых красителей, вида сопутствующих веществ. Их экстрагируют из природного сырья соответствующими растворителями, полученные экстракты очищают, концентрируют.

Природные красители, в том числе модифицированные, легко окисляются кислородом воздуха (обладают восстановительными свойствами), чувствительны к изменению температуры, рН, подвергаются микробиологической порче.

Идентичные натуральным (природные) красители

К ним относятся некоторые пигменты, идентифицированные в пищевых продуктах и полученные методами химического и микробиологического синтеза. Поэтому красители, идентичные натуральным, также входят в группу натуральных красителей и представлены такими соединениями, как β-каротин, β-апокаротиновый альдегид, эфиры апокаротиновой кислоты, кантаксантин, ликопин и рибофлавин. Каротиноиды относятся к группе красящих веществ алифатического и ациклического рядов, содержат углеродные цепочки с системой двойных связей, которые и обусловливают желтую, оранжевую и красную окраску.

Пищевые красители ароматического ряда относятся к окси- и алкоксизамещенным непредельным кетонам, производным диароилметана, хинонам, халконам, антронам. Представители этой группы – ализарин, картамин, куркумин, кошениль.

Самые распространенные натуральные пищевые красящие вещества гетероциклического ряда – кислород- и азотсодержащие гетероциклы, производные пиррола и феназина.

Из кислородсодержащих гетероциклических соединений наиболее широко представлены производные хромона, к ним относятся флавоны, флавонолы, антоцианы и изофлавоны. Многие красящие вещества встречаются в виде гликозидов, где углеводом являются глюкоза, рамноза, галактоза, арабиноза. Желтую окраску кожуры цитрусовых плодов, лепестков цветочных корзинок подсолнечника, розово-красную окраску многих ягод создают флавоновые пигменты. Антоциановые красители, растворимые в воде, определяют окраску ягод винограда, красной и черной смородины, кизила, клюквы, брусники. Пигменты чая включают в себя антоцианы и катехины. Краситель темно-вишневого цвета, выделенный из свеклы, содержит бетанин.

К азотсодержащим гетероциклическим пищевым красителям, производным индола, относятся индиго и пурпур; к производным пиррола – природные пигменты, такие, как гемоглобин, хлорофиллы и желчные пигменты. Для окраски продуктов питания используют зеленые пигменты, выделенные из трав, овощей и продуктов их переработки. Наилучшим сырьем для получения хлорофилла считается крапива.

Рибофлавин (витамин В₂) – самый известный желтый краситель из производных феназина.

Сахарный колер (карамель, жженка), шафран, сафлор, экстракт какаовеллы и другие натуральные красители, получаемые из растительного сырья, содержащие в своем составе красящие вещества и БАД (например, красители из ягод бузины, черной смородины, черноплодной рябины), представляют собой комплексы пигментов с биологически активными веществами.

Согласно ОСТ 10-093–96 «Красители натуральные пищевые» ассортимент красителей, получаемых из свежих, консервированных ягод, соков и выжимок из них, плодов и корнеплодов, включает жидкие концентрированные и порошкообразные красители. Окрашивание этими соединениями производят в кислой среде, поскольку в щелочной они значительно изменяют окраску.

20.2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАТУРАЛЬНЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

Способ выделения пищевых красителей из растительного сырья выбирают в зависимости от вида и состава сырья, свойств пигмента. Обычно красящие вещества извлекаются из сырья путем экстракции водой или водными растворами этанола. Липофильные красители – хлорофиллы и каротиноиды – выделяются неполярными растворителями и растительными маслами.

Рис. 20.2. Принципиальная технологическая схема получения натуральных пищевых красителей

Основные стадии технологического процесса производства натуральных красителей из растительного сырья представлены на рисунке 20.2.

Существенный недостаток натуральных пищевых красителей – нестабильность цвета при хранении и химическом взаимодействии с компонентами пищевых продуктов, поэтому иногда производят их модификацию при обработке плодово-ягодного сырья определенными химическими реагентами путем проведения реакций ацилирования, метилирования и алкилирования.

Модифицированные антоциановые и каротиноидные красители из выжимок ягод аронии черноплодной, корнеплодов моркови и плодов тыквы предложены для окраски некоторых пищевых продуктов: безалкогольных напитков, молочных продуктов, хлебобулочных и кондитерских изделий.

Желтые красители каротиноидного и флавоноидного типа, красные красители флавоноидного типа, в частности антоциановые красители, наряду с красящей функцией имеют самостоятельное значение как биологически активные добавки.

Известно, что антоцианы обладают Р-витаминной активностью, противосклеротическим действием, нормализуют кровяное давление, укрепляют капилляры, блокируют воспалительные процессы.

В настоящее время изучены функционально-технологические свойства натуральных желтых красителей, выделенных из моркови, тыквы и кукурузы, а также красных красителей из каркаде и вегетативных органов кукурузы. Определены максимумы поглощения растворов красителей, стабильность окраски в зависимости от состава экстрагента, температурные условия обработки исходного материала, рН среды, различные стабилизирующие добавки, условия и сроки хранения растворов.

Полученные красители испытаны в рецептурах кондитерских изделий, алкогольных, безалкогольных напитков, молочных продуктов.

20.3. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ
НАТУРАЛЬНЫХ ПИЩЕВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ

Каротиноиды из растительного сырья

Благодаря наличию интенсивной окраски каротиноиды широко применяют в качестве пищевых красителей. Антиокислительные, противоопухолевые и провитаминные свойства карогиноидов дают возможность улучшить качество пищевых продуктов.

Главным источником карогиноидов являются различные виды растительного сырья (томаты, ягоды бересклета), где эти соединения находятся в виде комплексов. Природные комплексы каротиноидов обладают более высокими стабильностью, биологической активностью и усвояемостью, чем индивидуальные продукты химического синтеза.

Существующие способы выделения препаратов каротиноидов из растительного сырья немногочисленны и в большинстве своем основаны на прямой экстракции целевого компонента маслами или органическими растворителями. Сложность выделения каротиноидов заключается в том, что представители этого класса соединений находятся в растительном сырье в ассоциации с различными биополимерами.

Применение в пищевой промышленности препаратов каротиноидов ограничено гидрофобностью этих пигментов. Повышения гидрофильности возможно достигнуть путем сорбции каротиноидов на гидрофильный агент (пектин, белок и т.д.). Введение каротиноидов в пищевые продукты в сорбированном на биополимерах виде позволяет повысить пищевую ценность изделий, обогатить их цветовую гамму и значительно расширить сферу применения гидрофобных пигментов.

Основными нелипидными компонентами томатного сырья, с которыми связаны каротиноиды, являются целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин, белок, в соответствии с этим в качестве гидролизующих агентов используют ферментные препараты с пектолитической, целлюлолитической и протеолитической активностями.

Гидролиз проводят при гидромодуле 1:5, температуре 50 °С, дозировке ферментных препаратов 0,5 % СВ сырья в течение 3 ч при периодическом перемешивании реакционной смеси.

В процессе ферментативного гидролиза расщепляются полимерные компоненты сырья. Низкомолекулярные продукты гидролиза переходят в жидкую фазу ферментативного гидролизата, а десорбированные с расщепленных полимеров каротиноиды ресорбируются на негидролизованных компонентах сырья. В результате изменяется коэффициент распределения каротиноидов между жидкой и твердой фазами.

Концентрирование на поверхности твердой фазы каротиноидов при одновременном увеличении потерь СВ сырья позволяет существенно повысить степень обогащения сырья целевым компонентом при проведении ферментативного гидролиза. При этом содержание каротиноидов в твердой фазе ферментативного гидролизата возрастает в 7,5–11 раз по сравнению с их количеством в исходном продукте, чем достигается обогащение сырья.

Выделение каротиноидов проводят смесями 96%-го этанола и обезличенного подсолнечного масла при соотношении обогащенное сырье: этанол: масло = 1:2:2 в течение 20 мин при 78 °С. Из шрота после спиртово-масляной экстракции проводят повторное выделение биологически активных липидов маслом в течение 20 мин при 80 °С и равном соотношении реагентов.

При использовании в качестве гидролизуюхцих агентов препаратов Целлюлаза 100 и Пектофоетидин П10Х выход каротиноидов в масло возрастает в 1,6–2,3 раза (за исключением обработки сухой томатной кожуры Пекгофоетидином П10Х) по сравнению с выходом при прямой экстракции и составляет в зависимости от вида сырья 79–88 % их содержания в исходном продукте. Целлюлазу 100 (Ц100) рекомендуют использовать для ферментативного гидролиза томатной пасты, свежих томатных выжимок, томатной кожуры, а Пектофоетидин П10Х (ПФ П10Х) – для ферментативной обработки свежих томатов и томатной мякоти.

Выход каротиноидов зависит от вида томатного сырья и соотношения компонентов реакционной смеси (табл. 20.2). Оптимальным из испытанных является вариант соотношения обогащенное сырье: этанол: масло = 1:2:2, при котором в масляную фазу экстракта переходит не менее 62 % каротиноидов сырья. Концентрация целевого компонента составляет 76 мг/100 см³.

Таблица 20.2. Характеристика процесса получения масляных препаратов каротиноидов
из различных видов томатного сырья

Выход каротиноидов в масляный экстракт при проведении предварительной обработки ферментами составляет не менее 80 %.

Препараты каротиноидов из томатного сырья интенсивного красного цвета, без запаха, со слабым перечным привкусом.

Масляные экстракты каротиноидов достаточно устойчивы при хранении. Экстракты из сырья, подвергнутого ферментативной обработке, более устойчивы по сравнению с их аналогами из необработанного ферментами сырья.

Схема получения масляных экстрактов каротиноидов из различных видов томатного сырья включает две основные стадии: обогащение сырья и экстракцию целевого компонента из обогащенного продукта (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Принципиальная технологическая схема получения масляных экстрактов каротиноидов из томатного сырья

Сорбаты каротиноидов на пектине АМ-201 (100 мг/г сорбента) темно-рыжего цвета, без запаха и вкуса. Препараты хорошо растворяются в воде, изменяя свою окраску на оранжевую. Сухие сорбаты каротиноидов томата и их водные растворы достаточно стабильны – после хранения в течение 70 сут. содержание растительных каротиноидов составило не менее 78 % исходного. Сохранность каротиноидов в водном коллоидном растворе сорбата выше, чем в сухом препарате.

На территории России произрастает много растений, плоды которых содержат достаточные количества биологически активных соединений – каротиноидов, антоцианов, токоферолов. Выделение каротиноидов и антоцианов из этих плодов проводят способом, аналогичным описанному ранее для томатного сырья. Результаты, представленные в таблице 20.3, показывают, что для исследованных видов характерно преобладание одного класса пигментов – каротиноидов или антоцианов.

Таблица 20.3. Содержание биологически активных соединений в плодах

Наиболее богатый источник каротиноидов – ягоды бересклета (107 мг/100 см³). Этот вид сырья характеризуется также высоким содержанием токоферолов (378 мг/100 г), что особенно ценно. Высокое содержание антоцианов отмечено у ягод барбариса и аронии (657 ед. ОП/г и 1932 ед. ОП/г соответственно).

Каротиноиды из микробной биомассы

Ликопин – красный пигмент плодов томата, относится к природным соединениям группы каротиноидов. Это пигмент, который придает красную окраску овощам и фруктам, таким, как помидоры, арбузы, розовые грейпфруты и др. Его широко применяют в качестве пищевого красителя при изготовлении продуктов питания, особенно при производстве колбас и ветчинных изделий, где он может заменить нитрит натрия. Исследования последних лет свидетельствуют о том, что ликопин наряду с красящей функцией имеет самостоятельное значение как биологически активная добавка. Ликопин оказывает общеукрепляющее действие на организм и обладает множеством ценных фармакологических свойств. Подавляя в организме свободнорадикальное окисление, ликопин стабилизирует иммунный статус организма, улучшает протекание ряда важнейших биологических процессов в организме, в том числе нормализует уровень глюкозы в крови, липидный обмен, зрение и контролирует новообразование клеток.

В условиях растущей потребности в ликопине особую важность приобретает проблема изыскания его новых источников.

До сих пор основным источником ликопина являются растения, в частности специально отселекционированные сорта томатов Lycopersicon sp. Однако очень низкий выход (0,3–0,4 мг/г сырья), сезонность, действие неблагоприятных погодных факторов и фитопатогенов делают этот способ экономически неэффективным. Один килограмм такого ликопина стоит около $5000 США. Высокая цена и дефицит ликопина на рынке – основные причины отсутствия необходимого человеческому организму антиоксиданта в ежедневном рационе питания.

Решение указанных проблем возможно путем создания биотехнологического способа получения ликопина.

Способность синтезировать ликопин обнаружена у различных видов микроорганизмов, но наиболее активным продуцентом является гриб Blakeslea trispora. В результате многоступенчатой селекции и отбора получена пара штаммов гриба Blakeslea trispora ВСБ-129 (–) и ВСБ-130 (+), обладающих сверхспособностью к синтезу ликопина.

Сотрудниками ГосНИИсинтезбелок оптимизированы состав питательной среды, время выращивания, соотношение (+) и (–) форм при совместном культивировании. Установлено, что на среде с глюкозой через 36 ч накапливается до 35 мг/г АСВ ликопина, а на кукурузно-соевой среде через 48 ч – до 30 мг/г АСВ. При этом в отличие от известных, используемых на практике штаммов гриба Bl. trispora селекционированные штаммы синтезируют ликопин без добавления в среду предшественников и стимуляторов образования ликопина, а сумма ликопина составляет 95–98 % каротиноидов.

Состав оптимизированной питательной среды, г/дм³: гидрол (зеленая патока) – 66,5; кукурузный экстракт – 81; (NH₄)₂SО₄ – 1,281; К₂НРО₄- 4,1.

На основании проведенных исследований разработана принципиальная технологическая схема получения ликопинсодержащей биомассы (рис. 20.4).

Масляную экстракцию ликопина из биомассы проводят в три ступени при 55 °С в течение 45 мин каждую.

Рис. 20.4. Принципиальная технологическая схема процесса получения ликопин-содержащей биомассы

Ликопин, как было отмечено, имеет немаловажное значение в пищевой промышленности. При этом наряду с жирорастворимой формой существует большая потребность в водорастворимой форме ликопина.

Получение водорастворимого ликопина осуществляется смешиванием жирорастворимого ликопина с фракцией фосфолипидов, полученной при комплексной переработке биомассы гриба Bl. trispora. При смешивании в определенном соотношении полученный продукт приобретает вододисперсионную форму. Согласно данному методу при смешивании с водой фосфолипиды образуют так называемые мицеллы, в которые включаются кристаллы ликопина. Преимущество данного метода заключается в том, что фосфолипиды, которые, как и ликопин, обладают ценными биологическими свойствами, можно получать совместно с ним в одном технологическом процессе.

Поскольку в составе липидов исследуемого гриба помимо ликопина обнаружены и другие ценные компоненты, экстракцию проводят в мягких условиях (t = 50...55 °С), чтобы в дальнейшем, после выделения ликопина, оставшуюся часть биолипидного комплекса можно было использовать для переработки. При этом получают кристаллы ликопина с чистотой до 95 % и коэффициентом извлечения 0,67.

Работы в области поиска пищевых красителей на основе каротиноидов привели к обнаружению нового природного источника этих соединений – микроскопической водоросли Dunaliella sabina, которая рекомендована для использования в европейских странах. β-Каротин, выделенный из этой водоросли, придает пищевым продуктам оттенки от золотисто-желтого до оранжевого цвета.

Пищевые красители различной химической структуры из растительного сырья

Шиконин – нафтохиноновый пигмент красного цвета, широко используют в Китае, Корее, Японии как краситель и лекарственный препарат. В настоящее время фирма «Allok» (Германия) включила шиконин в список пищевых красителей.

В Институте биоорганической химии РАН проведено сравнение спиртового и масляного экстрактов из клеточной культуры A. euchroma, потенциальных источников пищевого красителя ши- конина, по антимикробной активности и стабильности окраски.

Антимикробную активность препаратов изучали на суточных культурах Staphylococcus aureus, Bacillus cereus, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Candida sp.

Выяснено, что масляные и спиртовые экстракты из A. euchroma обладают высокой антимикробной активностью, а по сравнению с раствором чистого препарата шиконина более активно подавляют рост грамположительных бактерий и дрожжей рода Candida.

Таким образом, использование спиртового и масляного экстрактов из A. euchroma в качестве пищевого красителя позволяет одновременно увеличивать срок хранения продуктов благодаря высокой антимикробной активности предлагаемых препаратов.

В целом массовое производство пищевых красителей на основе использования методов биотехнологии считается наиболее перспективным во всем мире.

Возможна интенсификация процессов выделения и других пищевых красителей из природного сырья с помощью ферментных препаратов микробного происхождения.

Например, разработан способ получения красного пищевого красителя из сока, выжимок и непосредственно из измельченной краснокочанной капусты среднепоздних сортов. Сырье стерилизуют и подвергают воздействию гемицеллюлазных ферментов гриба A. niger. После окончания гидролиза выжимки отделяют, а гидролизат фильтруют и упаривают. Полученный краситель устойчив к действию микрофлоры листьев капусты.

В МГУПП разработан способ получения натуральных пищевых красителей путем обработки отходов переработки свеклы, апельсинов и крапивы ферментными препаратами:

• Поликанесцином, обладающим р-галактозидазной (1300 ед/г), ксиланазной (1100 ед/г) и β-глюканазной (460 ед/г) активностями. Оптимальные условия действия препарата: температура 30...45 °С, рН 3-5;
• Лизофунгином, обладающим р-глюканазной (1800 ед/г), целлюлазной (90 ед/г) и ксиланазной (40,5 ед/г) активностями. Оптимальные условия действия: температура 45...55 °С, рН 6,5–7;
• Целловиридином, обладающим Р-глюканазной (450 ед/г), целлюлазной (2000 ед/г) и ксиланазной (800 ед/г) активностями. Оптимальные условия действия: температура 45...50°С, рН 4,5-5,5.

Растворы ферментных препаратов использовали как для непосредственной экстракции ферментов, так и для предварительной обработки сырья при оптимальных условиях действия ферментов.

Установлено, что оптимальной концентрацией спирта для выделения красящих веществ из отходов переработки свеклы (бетанин) является 40 %, отходов переработки апельсинов (каротинои ды) – 70, крапивы (хлорофилл) – 80 %. Время ферментативной предобработки – 20 мин; время экстракции –1ч. Интенсивность окраски экстрактов определяется по значениям экстинкции: для свекольного красителя бетанина при длине волны 540 нм, для каротиноидов из отходов переработки апельсинов – 440 и хлорофилла крапивы – 750 нм (табл. 20.4, 20.5).

Следует отметить, что образцы растворов красящих веществ, используемые в качестве контроля, в случае водной и спиртовой экстракции имели различную интенсивность, так как выход красящих веществ при экстракции спиртом был выше, чем с водной экстракцией, и составлял 230, 181 и 156 % соответственно для свекловичных, апельсиновых отходов и крапивы.

Наибольший выход красящих веществ независимо от биохимического состава сырья и химической природы красителей наблюдался при водно-ферментативной обработке сырья с 0,1%-й концентрацией ферментных препаратов. Использование ферментных препаратов даже в малых количествах (0,01 %) для предобработки растительного сырья позволяет значительно увеличить выход красящих веществ (на 10–200 %).

Для получения свекольного красителя бетанина целесообразно использование Целловирвдина, способного увеличивать выход пигмента до 260 и 191 % соответственно при водной и спиртовой экстракции; для получения каротиноидного красителя из отходов переработки апельсинов также предпочтителен Целловиридин, дающий увеличение выхода до 340 и 242 %; для хлорофиллового красителя из крапивы наилучший результат может быть получен при обработке сырья Лизофунгином, увеличивающим выход до 175 и 157 % соответственно.

Таблица 20.4. Увеличение выхода красящих веществ из различных видов сырья при экстракции водными растворами ферментов

Таблица 20.5. Увеличение выхода красящих веществ из различных видов сырья при экстракции спиртом с предварительной обработкой сырья растворами ферментов