Удосконалення технології харчових барвників природного походження та їх використання в харчових продуктах

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено науковому обґрунтуванню та удосконаленню технології харчових барвників з ягідної вторинної сировини та дослідженню їх використання у виробництві харчових продуктів. Аналіз ринку харчових барвників в Україні показав, що його структура переважно формується за рахунок імпортної продукції при домінуванні синтетичних барвників, тоді як вітчизняне виробництво натуральних барвників перебуває на початковій стадії розвитку. З огляду на потенційні токсикологічні ризики синтетичних барвників та зростання попиту на продукцію здорового харчування, розроблення технологій отримання натуральних барвників з вторинної сировини є актуальним завданням. Сировиною для отримання натуральних барвників обрано вичавки бузини чорної, ожини та йошти (25–50 % від їх маси), які характеризуються високим вмістом антоціанів і можуть бути використані як джерело барвних речовин. Встановлено, що масова частка антоціанів у вичавках бузини становить 0,80±0,02 %, ожини – 0,70±0,02 %, йошти - 0,29±0,02 %, що перевищує їх вміст у м’якоті та соках відповідних ягід і підтверджує доцільність використання вичавок як джерела барвних речовин. Проведено порівняльне дослідження водно-поліольних (гліцерин, сорбіт, ксиліт), водних і водно-етилових екстрагентів. Встановлено вплив температури, тривалості, кислотності, гідромодуля, концентрації екстрагенту та розмір часток сировини на вихід і стабільність барвних речовин. Раціональні параметри екстрагування: температура 60±1,5 °C, тривалість 180±5 хв, концентрація лимонної кислоти 0,5±0,05 %, гідромодуль 1:2 та розмір часток 0,4–0,5 см. Оптимальні концентрації екстрагентів: для водно-гліцеринових – 35 %, водно-сорбітових – 10 % та водно-ксилітових – 10 %. Для екстрактів, які підлягають подальшому концентруванню, концентрацію гліцерину знижують до 10 %. Раціональні параметри концентрування: температура 65±1,5 °C, тривалість 30±5 хв, концентрація лимонної кислоти (1,5±0,1 % - для бузини, 1,0±0,1 % - ожини, 0,5±0,1 % - йошти). Встановлено, що 35 % водно-гліцеринова система забезпечує вищий вихід антоціанів з ягідних вичавок за водно-етилову аналогічної концентрації та співставний із 50 % водно-етиловою системою. Для сорбіту та ксиліту максимальна екстракційна ефективність досягається при концентрації 10 %, тоді як її підвищення спричиняє зростання в’язкості, каламутність екстрактів і зниження вмісту барвних речовин. Для гліцерину оптимальною є концентрація 35 % для одержання неконцентрованих екстрактів; при подальшому вакуумному концентруванні її знижують до 10 % для забезпечення стабільного режиму випаровування. За встановлених параметрів концентрація барвних речовин у екстрактах після екстрагування становила: бузина – 16,53–22,62 г/дм³, ожина – 11,5–14,6 г/дм³, йошта – 9,3–14,7 г/дм³; після концентрування відповідно 98,5–122,5 г/дм³; 69,8–84,0 г/дм³ та 55,8–74,0 г/дм³ залежно від типу водно-поліольної системи. Збереження антоціанів протягом 30 діб зростало з 45–50 % у неконцентрованих екстрактах до 76–79 % у концентрованих. Отримані результати підтверджують підвищення концентрації та стабільності барвних речовин після концентрування. FTIR-дослідження підтвердили вплив типу екстрагенту на характер міжмолекулярних взаємодій у системі «екстракт–розчинник». Для водно-гліцеринових екстрактів встановлено більш інтенсивні смуги поглинання у діапазонах 3500–3200 см⁻¹, 1660–1610 см⁻¹ та 1280–1100 см⁻¹ порівняно з водно-етиловими, що свідчить про формування стабілізованої матриці. Для сорбітових і ксилітових систем інтенсивність смуг нижча, що корелює зі зменшенням виходу та стабільності барвних речовин. Мікроструктурний аналіз показав формування щільної аморфної матриці з нанорозмірними включеннями (50–300 нм) у водно-гліцеринових екстрактах, тоді як у водно-етилових переважають аморфні агломерати, а у водно-сорбітових та ксилітових екстрактах спостерігалися порожнисті включення та нижча структурна стабільність. На підставі отриманих даних розроблено технологічну схему та рецептурний склад дев’яти концентрованих екстрактів з вичавок бузини чорної, ожини та йошти, визначено їх органолептичні, фізико-хімічні та мікробіологічні показники, а також встановлено харчову та енергетичну цінність. З метою підвищення термічної стабільності концентрованих екстрактів розроблено технологію дев’яти натуральних барвників: БВБГ, БВБС, БВБК (з вичавок бузини чорної); БВОГ, БВОС, БВОК (з вичавок ожини); БВЙГ, БВЙС, БВЙК (з вичавок йошти). До складу барвників введено концентровані екстракти, цукрово-пектинову суміш і лимонну кислоту, що забезпечує формування стабілізованої вуглеводно-пектинової системи. Дослідження кінетики термічної деградації при 100 °С показало, що константа швидкості розпаду для концентрованих екстрактів становить 0,0106–0,0112 хв⁻¹ (t₁/₂=62–65 хв), тоді як для барвників – 0,0034 хв⁻¹ (t₁/₂=197–204 хв), що свідчить про трикратне підвищення термостійкості барвників порівняно з контролем. Усі дев’ять барвників характеризувалися близькими фізико-хімічними показниками: масова частка сухих розчинних речовин – 55,5±0,5 %, рН 3,0–3,1, густина — 1260–1315 кг/м³. Концентрація барвних речовин становить: для бузини — 99,4–124,0 г/дм³, ожини — 72,2–87,6 г/дм³, йошти — 58,6–74,1 г/дм³. Стабільність антоціанів протягом 30 діб — 82,2–85,9 %. Термін зберігання: до 12 міс. при 4±2 °C та до 6 міс. при 18±2 °C; після відкриття тари — до 5 діб. У дослідженнях методом FTIR -спектроскопії здійснено порівняльний аналіз розроблених барвників у порівнянні з концентрованими соками (контроль) показав, що у діапазоні 1540–1760 см⁻¹ відмінності не перевищують 1–4 %, що свідчить про збереження флавоноїдно-антоціанової структури. У діапазоні 1010–1100 см⁻¹ інтенсивність поглинання барвників перевищує контроль на 29–50 %, що свідчить про вищу концентрацію барвних речовин. За результатами аналізу SEM–EDX встановлено подібний елементний склад барвників: вуглець — 34,29–37,66 %, оксиген — 59,67–63,11 %, калій — 1,41–2,64 %, кальцій — 0,08–0,62 %, натрій — 0,07–0,19 %, магній — 0,11–0,26 %, фосфор — 0,05–0,18 %, сульфур — 0,02–0,06 %, кремній — 0,02–0,10 %, без виявлення сторонніх неорганічних домішок. Апробацію розроблених барвників проведено у технологіях зефіру, м’якого морозива та бісквіту. Встановлено раціональні дозування: для зефіру барвник БВБГ) – 8,0–12,0 г/кг; морозива (барвник БВОГ) – 15–20 г/кг; бісквіту (барвник БВЙГ) – 30–50 г/кг, що забезпечують стабільне забарвлення та поліпшення структурних характеристик. Перевищення вказаних дозувань спричиняє технологічні дефекти (липкість зефіру від 16 г/кг, надмірну кислотність морозива від 25 г/кг, деформацію структури бісквіту від 60 г/кг). Виявлено зниження рівнів КМАФАнМ, дріжджів і плісеневих грибів порівняно з контролем, що свідчить про антимікробний ефект барвників. Розрахункова собівартість барвників становить (грн/кг): БВБГ — 102,91; БВБС — 97,62; БВБК — 95,69; БВОГ — 105,81; БВОС — 99,53; БВОК — 97,60; БВЙГ — 106,78; БВЙС — 101,50; БВЙК — 99,57. Термін окупності виробництва – 2,33 роки при сезонній роботі (3 міс./рік) та 0,58 року (близько 7 місяців) при цілорічному функціонуванні. За результатами дослідження розроблено та затверджено Технічні умови (ТУ У10.8-04718013-013:2025) та Технологічну інструкцію (ТІ 10.8-04718013-013:2025) Здійснено апробацію технології зефіру, м’якого морозива та бісквіту з використанням барвників у виробничих умовах пекарні–кондитерській «Пан-Пекар» (акт від 28.11.2025 р.), пекарні–кав’ярні «Франс.уа» (акт від 25.11.2025 р., акт від 02.12.2025 р) та у навчальному процесі СНАУ (акт від 13.03.2026 р.).