Полная физико-химическая характеристика яблочной кислоты - потенциал в качестве пищевого ингредиента

Полная физико-химическая характеристика яблочной кислоты - потенциал в качестве пищевого ингредиента
Полная физико-химическая характеристика яблочной кислоты - потенциал в качестве пищевого ингредиента

Полная физико-химическая характеристика яблочной кислоты - потенциал в качестве пищевого ингредиента

Полная физико-химическая характеристика яблочной кислоты - потенциал в качестве пищевого ингредиента

Основано на материале статьи Full physicochemical characterization of malic acid: Emphasis in the potential as food ingredient and application in pectin gels, Arabian Journal of Chemistry, King Saud University, 2020

DL- яблочная кислота представляет собой белый кристаллический порошок, хорошо images (1).jpgрастворимый в воде, содержащий три гидроксила в своей химической структуре. Она содержится в относительно больших количествах в некоторых фруктах и овощах, в то время как в природе существует только L-изомер. Рацемическая DL-яблочная кислота производится в промышленных масштабах путем гидратации малеинового ангидрида при высокой температуре и давлении с образованием яблочной и фумаровой кислот.

В нормативных документах DL-яблочная кислота перечислена как пищевая добавка, подкислитель и консервант в Европейском Союзе - E296. В Бразилии она разрешена как регулятор кислотности для пасты и уксусов. В отчетах FDA содержится список яблочной кислоты как усилителя вкуса, ароматизатора, и регулятора pH, с запретом для детского питания и ограничениями для других продуктов питания, как 3,4% в безалкогольных напитках, 3,5% во фруктовых соках и 0,7% во всех других категориях продуктов питания, кроме того, она признана безопасной.

Чистота, поведение при плавлении и структура DL-яблочной кислоты

Изображения, полученные при сканировании электронной микроскопией (рис. 1 ), показали, что образец DL-яблочной кислоты содержит частицы с разнообразной морфологией и без определенной формы, как и другие органические кислоты, такие как лактобионовая и даже карбоновые кислоты, такие как сахариновая. Некоторые частицы в образце имели филеобразную химической структурой, образованной тремя гидроксильными группами и двумя кислородными, способными образовывать водородные связи. В отличие от лактобионовой кислоты, имеющей девять гидроксилов и способной поглощать 54 гс/моль-1 воды.Низкая гигроскопичность  является интересным свойством для промышленного применения, учитывая, что нет необходимости работать с измененной атмосферой или при отсутствии влажности. Этот характер был подтвержден изотермой сорбции яблочной кислоты (рис. 2а).

                                                                                                                                

                      Рисунок 1. Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии с увеличением 1000х (а) 2000х (b)

Кроме того, в продуктах, где необходимо сохранить хрусткость и хрустящие свойства, яблочная кислота применима, как минимум, к фруктам и овощам, экструдированным крупам, крекерам, хлопьям, хлебобулочным изделиям и чипсам. Отмечая, что эффективность яблочной кислоты в продуктах с низкой влажностью сомнительна (<12%). Хотя это сомнительно для любого продукта с низкой влажностью, так как чем ниже влажность, тем меньше количество воды, которую консервирующая кислота будет солюбилизировать и действовать в продукте. Таким образом, яблочная кислота, не поглощая много воды, способствует сохранению текстуры пищевых продуктов.

Термогравиметрический анализ

Кривые термогравиметрического анализа (ТГА) и деривативно термогравиметрического (ДТГ) яблочной кислоты представлены на рис.2. Как видно, в области 100 °C нет событий потери массы, что указывает на отсутствие влаги. Только одно событие потери массы на обеих кривых было легко различимо, начиная примерно со 140 °C, что соответствует деградации яблочной кислоты. Учитывая, что при непрерывном нагревании весовая доля достигает нуля, можно сказать, что подтверждают высокую чистоту соединения и отсутствие неорганических загрязнений.

Температура разложения, о которой свидетельствуют кривые ТГА/ДТГ, указывает на возможность применения яблочной кислоты в ряде пищевых продуктов, поскольку в большинстве из них используются операции единства при температуре ниже 140 °C. Пищевые продукты, подвергаемые минимальной обработке, и продукты, подвергаемые охлаждению, также могут извлечь выгоду из свойств яблочной кислоты без деградации. Бланшированные продукты, погруженные в воду или в пар, также выиграют, если их предварительно погрузить в яблочную кислоту, но потери при погружении должны быть изучены.

Рассматривая некоторые пищевые продукты с процессами выше 140 °C, хрустящие продукты в виде экструдированной крупы достигают 270 °C при использовании экструзии на поддоне, 100 °C при использовании вакуумной экструзии и 180 °C при использовании метода экструзионной варки. В первом случае температура при этом разрушается структура яблочной кислоты, хотя 270 °C - это третий этап процесса, а на первых двух, 100 °C и 60 °C, яблочная кислота способствует консервации смешанных ингредиентов, чему способствует влага, составляющая 30% и 20-22% соответственно свыше 20%. Жареные продукты с более высокими температурами, до 210 °C  приведут к потере 80% или более яблочной кислоты, поэтому ее польза сохранится до самого момента жарки. Если рассматривать крахмальные продукты, подвергнутые процессу замораживания, то яблочная кислота поможет даже в процессе оттаивания, не впитывая много влаги, а также картофель, готовый к жарке, способствуя получению      хрустящего      жареного      продукта. Выпеченные продукты, достигшие температуры 180 °C, находятся  в   диапазоне   температур,   при   которых яблочная кислота теряет до 20% массы. Таким образом, ее преимущества также могут быть учтены. 

                                                                                            

                            

       

Рисунок 2. Изотерма сорбции влаги DL-яблочной кислоты при 30 0С (а); кривые ТГА/ДТГ 

DL-яблочной кислоты (б).

Антиоксидантная, хелатирующая и антибактериальная активность

Антибактериальная активность (табл. 1) обоснована антиоксидантными, хелатирующими  и рН показателями. Яблочная кислота не влияла по-разному на грамположительные и грамотрицательные бактерии, зоны ингибирования были одинаковыми. 1%-ный раствор не показал видимых зон ингибирования ни для одной из протестированных бактерий. Поскольку пер-процентное содержание яблочной кислоты, используемой в продуктах питания,   находится в этом диапазоне, примерно до 3,5%, антибактериальная активность будет отсутствовать.   Хотя,   ее   взаимодействие   с   другими добавками может дать результаты в указанном диапазоне. Корреляция Пирсона показала значения >   0,92 для ДФПГ%/антимикробный (мм), > 0,96 для хелатирующего железа%/антимикробный (мм) и низкие значения > 0,71 для хелатирующего кальция%/антимикробный (мм). Пара ДФПГ%/железо%     получила     0,93     корреляции,     а ДФПГ%/кальций% - 0,89, что подтверждает взаимосвязь и подчеркивает результаты хелатирования железа. 

Таблица 1. Антиоксидантное, рН, хелатирующее и антибактериальное поведение DL-яблочной кислоты в растворе.   

                          

Яблочная кислота обладает значительными хелатирующими свойствами, что позволяет образовывать устойчивые комплексы с металлами. Хелатирующие свойства способствуют использованию яблочной кислоты для хелатирования таких металлов, как железо и кальций, помимо антиоксидантного действия. Это свойство может устранить помутнение вина и соков, вызванное солями железа/кальция. Хорошим примером применения являются обогащенные напитки. В двух патентах упоминаются смеси кислот для обогащения напитков, модельного и молочного, с применением от 0,38 до 3,66% яблочной кислоты, соответственно. Количественные результаты хелатирующей активности не упоминались. Кроме того, все этиcontent-img.png результаты указывают на возможность применения яблочной кислоты в биопленках.

Механизм действия органических кислот на бактерии. Антиоксидантная активность препятствует образованию реактивных форм кислорода и снижает окислительно-восстановительный потенциал среды. Следует помнить, что хелатирующая активность - это тоже антиоксидантное свойство. Более того, органические кислоты, такие как яблочная кислота, накапливаются в цитоплазме клеток до токсичных уровней, мешая и нарушая основные виды деятельности, так как клетка требует запуска активного транспорта протонов для поддержания гомеостаза. Кроме того, низкий pH растворов снижает внутренний pH бактериальных клеток и в целом ограничивает рост бактерий.

Выводы 

Яблочная кислота обладает улучшенными химико-биоактивными свойствами, и, тем не менее, она не является наиболее используемой органической кислотой в пищевой промышленности. Настоящие результаты подчеркивают потенциал DL-яблочной кислоты в пищевых процессах, для применения в более широком спектре продуктов , до сих пор исследованных с ее помощью. Замороженные, охлажденные пищевые продукты и биопленки являются другими возможными применениями благодаря общим свойствам, обнаруженным и определенным количественно. Биопленка или пищевой продукт с антиоксидантными, хелатирующими и незначительными антимикробными свойствами, содержащий подкислитель с низкой гигроскопичностью и текстурирующими свойствами, является весьма желательным. Для увеличения масштабов производства яблочной кислоты, возможно, следует поддержать текущее производство биотехнологическим методом, инвестируя в микробное производство. Таким образом, может быть установлена честная конкуренция с лимонной кислотой, так как ограничивающим фактором применения яблочной кислоты в наши дни является популярность и доступность лимонной кислоты, хорошо зарекомендовавшей себя в очень многих продуктах и процессах в настоящее время.

Яблочная кислота проявила хелатные свойства, что позволяет образовывать устойчивые комплексы с тяжелыми металлами, такими как железо и кальций. Учитывая это свойство, яблочная кислота может заменить лимонную кислоту в переработке и рафинации пищевых масел, а также в защите от порчи продуктов и возможном обогащении продуктов питания. Термическое поведение показало широкие возможности применения яблочной кислоты в пищевой промышленности, поскольку деградация начинается после 140 °C. Низкая гигроскопичность яблочной кислоты является желательной характеристикой для хрустящих продуктов и продуктов с низкой влажностью (возможно, даже с влажностью < 12%). Высокая растворимость и низкая температура плавления позволяют его использование в напитках и твердых конфетах. 


Всплывающие подсказки: Гидрокси́льная гру́ппа (гидроксогру́ппа, гидрокси́д, гидрокси́л; обозначение — ОН-) — функциональная группа органических и неорганических соединений, в которой атомы водорода и кислорода связаны ковалентной связью. В органической химии носит также название «спиртова́я группа». Атом кислорода обуславливает поляризацию молекулы спиртов. Относительная подвижность атома водорода приводит к тому, что низшие спирты вступают в реакции замещения с щелочными металлами. В неорганической химии входят в состав оснований, в том числе, щелочей. / Малеи́новый ангидри́д (2,5-фурандион) — органическое соединение с формулой С4Н2О3. В чистом состоянии — бесцветное или белое твёрдое вещество. / Я́блочная кислота́ (оксиянта́рная кислота́, химическая формула — C4H6O5 или НООС−СН2−СН(ОН)−СООН) — слабая химическая органическая кислота, относящаяся к классу предельных карбоновых кислот. При стандартных условиях, яблочная кислота — это двухосновная карбоновая оксикислота, представляющая собой кристаллическое вещество без цвета и запаха. Применяется как пищевая добавка (Е296) природного происхождения. / Фумаровая кислота - это химическое соединение с формулой HO2CCH=CHCO2H. Фумаровая кислота является транс-изомером, цис-изомер — малеиновая кислота. Кристаллы имеют фруктовый вкус. Соли и эфиры называют фумаратами. Фумаровая кислота в качестве пищевой добавки обозначается E297. / Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями 200 эВ — 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). / Лактобионовая кислота (4-O-β-галактопиранозил-D-глюконовая кислота) — оксикислота, дисахарид, состоящий из глюконовой кислоты и галактозы. Лактобионовая кислота может образовываться в результате окисления лактозы. Анион лактобионовой кислоты известен как лактобионат. / Карбо́новые кисло́ты — класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп COOH. Кислотные свойства объясняются тем, что данная группа может сравнительно легко отщеплять протоны. За редкими исключениями карбоновые кислоты являются слабыми. Например, у уксусной кислоты CH3COOH константа диссоциации равна 1,75⋅10−5. Ди- и трикарбоновые кислоты более сильные, чем монокарбоновые. / Термогравиметрия или термогравиметрический анализ (ТГ) — метод термического анализа, при котором регистрируется изменение массы образца в зависимости от температуры. Этот метод анализа заключается в наблюдении массы исследуемой навески вещества при изменении её температуры. Результатом анализа являются ТГ-кривые — зависимости массы навески (или изменения массы навески) от температуры или времени. Для интерпретации результатов ТГ-анализа необходима обработка ТГ-кривых. В частности, производная от ТГ-сигнала (скорость изменения массы), представляемая кривой ДТГ, позволяет установить момент времени или температуру, при которой изменение веса происходит наиболее быстро. / Метод деривативной термогравиметрии (ДТГ) - показывает скорость изменения первую производную ТГ кривой во времени (или температуры). / Хелаты, хелатные соединения (от лат. chela — клешня), также внутрикомплексные или циклические комплексные соединения — металлорганические комплексные соединения, образуются при взаимодействии ионов металлов с полидентатными (то есть имеющими несколько донорных центров) лигандами. Хелаты содержат центральный ион (частицу) — комплексообразователь и координированные вокруг него лиганды. Внутренняя сфера хелата состоит из циклических группировок, включающих комплексообразователь. / Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (англ. Food and Drug Administration, FDA, USFDA, букв. «Управление еды и лекарств») — агентство Министерства здравоохранения и социальных служб США, один из федеральных исполнительных департаментов. Управление занимается контролем качества пищевых продуктов, лекарственных препаратов, косметических средств, табачных изделий и некоторых других категорий товаров, а также осуществляет контроль за соблюдением законодательства и стандартов в этой области.

Возврат к списку