The complex of bilberry polyphenols, sorbed on the buckwheat flour as a functional food ingredient

• Nikita A. Petrov
• Yuliya S. Sidorova
• Perova Irina B.
• Alla A. Kochetkova
• Vladimir K. Mazo

Abstract

Blueberries, which contain a wide range of polyphenolic compounds, are used in traditional medicine for prevention and treatment of carbohydrate metabolism disorders. However, the high content of mono- and disaccharides in the juice significantly reduces the possibility of using in preventive nutrition by persons with impaired carbohydrate metabolism. In this regard, it is necessary to search for technological approaches aimed at obtaining functional food ingredients with a higher content of polyphenols and a low content of mono - and disaccharides, for subsequent inclusion in corresponding therapeutic foods. The aim of this study was to develop a technological approach to obtain a food matrix by enriching buckwheat flour with polyphenolic compounds extracted from blueberries.

Material and methods. The work presents a method for producing a food matrix by sorption of polyphenolic compounds from an aqueous-alcoholic extract of blueberries on buckwheat flour. The concentration of total polyphenols and anthocyanins in the extract and their content in the food matrix was determined by spectrophotometric methods. The content of mono- and disaccharides and profile of individual anthocyanins was determined by HPLC.

Results and discussion. The sorption on buckwheat flour was 45% of the total polyphenol content and 48% of anthocyanin content in the initial blueberry fruit extract. The profile of anthocyanins sorbed on a food matrix did not differ significantly from the profile of blueberry extract. The results of determining the content of mono- and disaccharides indicate the absence of their sorption from the extract of blueberries on buckwheat flour.

Conclusion. The results obtained are of significant interest, indicating that the sorption approach allows targeted concentration of polyphenols in the food matrix with a minimum amount of easily digestible carbohydrates, which significantly increases the efficiency of its use as a functional food ingredient in dietetic products for people with carbohydrate metabolism disorders.

Keywords:functional food ingredient, bilberry, bilberry fruit extract, polyphenols, anthocyanins, food matrix

Высокая частота проявлений метаболического синдрома, сахарного диабета 2 типа и сопутствующих клинических осложнений определяет актуальность разработки и создания широкого спектра новых функциональных пищевых продуктов, для которых имеются доказательства их эффективности при использовании в питании лиц с нарушениями углеводного и/или жирового обмена.

Традиция применения в народной медицине плодов и листьев черники для уменьшения симптомов нарушений углеводного обмена обосновывается содержанием широкого спектра полифенольных соединений и в первую очередь антоцианинов, гипогликемические и гиполипидемические свойства которых интенсивно тестируются в экспериментах in vivo и клинических нутрициологических исследованиях [1-3]. Многочисленные данные по полифенольному профилю плодов и листьев черники, полученные с использованием современных высокочувствительных и информативных аналитических методов, представлены в ряде оригинальных и обзорных публикаций [4, 5]. Использование сока или экстрактов плодов черники для профилактических или лечебных целей в значительной степени ограничено низкой биодоступностью полифенольных соединений, что обусловливает необходимость поиска технологических подходов, направленных на получение функциональных пищевых ингредиентов с возможно более высоким содержанием полифенолов, для последующего включения в состав соответствующих специализированных пищевых продуктов [6]. Одним из таких способов является сорбция полифенолов на белковом матриксе, повышающая также их устойчивость к разложению при высоких температурах и низких значениях pH [7-9].

Цель данного исследования - разработка технологического подхода по получению пищевой матрицы путем обогащения полифенольными соединениями, извлекаемыми из ягод черники, гречневой муки.

Выбор гречневой муки в качестве матрицы, сорбирующей полифенолы, обусловлен ее применением в современной медицинской практике - включением в диету при ожирении, сахарном диабете, заболеваниях почек, для снижения уровня холестерина и общих липидов, укрепления стенок кровеносных сосудов [10].

Ягоды черники, широко распространенной на всей территории России, содержат комплекс полифенольных соединений, таких как изокверцетин, гиперин, гуаджаварин, кверцитрин, астрагалин, изомирицитрин, 5-О-кофеоилхиновая кислота, 3-О-кофеоилхиновая кислота, метилциннамат, метилкафеат, а также их производные [11].

Материал и методы

Опытный образец гречневой муки был получен и охарактеризован нами ранее в работе [8] измельчением промышленной партии пищевой муки (ООО "Хлеб-зернопродукт", Россия), с использованием ножевой мельницы "GRINDOMIX GM 200" (Retsch, Германия) при 8000 об/мин в течение 10 мин. Массовая доля белка в образце составила 9,7%, углеводов - 70,0%, золы - 1,6%, влажность - 5,5%.

Получение водно-спиртового экстракта ягод черники. Ягоды черники (ООО "Вологодская ягода", Россия) были предварительно высушены на лиофильной сушке "ЛС-500" (ООО "ПРОИНТЕХ", Россия). Экстракт из сухих плодов черники получали, добавляя к навеске 10 г сухих ягод 990 см³70% этанола, затем в течение 15 мин измельчали с использованием лабораторного комбайна "Bosch MUMXL 40G" (Robert Bosch Hausgerate GmbH, Германия). Полученную смесь центрифугировали при 3000 об/мин в течение 10 мин (центрифуга "Beckman J6B", AL-TAR, США). Супернатант количественно переносили в колбу для выпаривания и затем на роторном испарителе ИР1М3 (ОАО "Химлаборприбор", Россия) удаляли спирт до конечного объема 260 см³.

Получение пищевой матрицы, обогащенной полифенолами черники. Процесс сорбции полифенолов из экстракта ягод черники на гречневой муке вели при постоянном перемешивании инкубационной смеси, состоящей из экстракта ягод черники и гречневой муки в соотношении 10:1 на орбитальном шейкере "LOIP LS-110" (ООО РНПО "РусПрибор", Россия) и по окончании инкубации проводили центрифугирование полученной суспензии при 4000 об/мин в течение 20 мин. Супернатант отделяли от осадка методом декантирования. Осадок (далее пищевую матрицу) лиофильно высушивали.

Определение содержания общих полифенолов. Содержание общих полифенолов в мг-экв. галловой кислоты (мг-экв. г.к.) определяли в экстракте ягод черники и в составе пищевой матрицы спектрофотометрическим методом по Фолину-Чокальтеу [8], используя стандарт галловой кислоты (97,5%, Sigma, США). Для определения содержания полифенолов в пищевой матрице навеску 0,5 г помещали во флакон вместимостью 20 см³, полифенолы элюировали 8 см³ 1% раствора ледяной уксусной кислоты в 80% этаноле в ультразвуковой ванне "Сапфир - 2,8 ТТЦ" (ООО "Сапфир", Россия) в течение 5 мин при 55 °С. Смесь центрифугировали при 4000 об/мин в течение 10 мин и супернатант переносили в грушевидную колбу. Элюирование повторяли еще дважды. Элюаты объединяли, спирт выпаривали на роторном испарителе при 60 °С до достижения 15% от исходного объема объединенных элюатов. Полученный концентрат переносили в мерную колбу и доводили объем до 50 см³ дистиллированной водой (далее -элюат пищевой матрицы).

Определение содержания антоцианинов. Содержание и профиль индивидуальных антоцианинов определяли по ГОСТ 32709-2014. Суммарное содержание антоцианинов в пересчете на цианидин-3-глюкозид оценивали методом рН-дифференциальной спектрофотометрии с помощью спектрофотометра "Shimadzu UV-1800" (Shimadzu Corporation, Япония) с диапазоном длин волн 190-1100 нм. Профиль индивидуальных антоцианинов исследовали методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с использованием системы, состоящей из жидкостного хроматографа "Agilent 1100" (Agilent Technologies, США), дегазатора, бинарного насоса, термостата колонок, автосамплера, диодно-матричного спектрофотометрического детектора. Обработку данных осуществляли с помощью программного обеспечения "ChemStation for LC 3D Systems" версии B.04.03.

Определение содержания моно- и дисахаридов. Содержание глюкозы, фруктозы и сахарозы определяли методом обращенно-фазовой ВЭЖХ с рефрактометрическим детектированием, в качестве неподвижной фазы использовали колонку "Сепарон SGX NH2", подвижной фазы - смесь бидистиллированной воды (23%) с ацетонитрилом (77%) [12].

Результаты и обсуждение

Гранулометрический анализ исходных образцов муки и полученных измельчением на лабораторной мельнице показал уменьшение медианных размеров частиц от 181,6±5,1 до 134,9±3,9 мкм соответственно [8].

В табл. 1 представлена концентрация полифенольных соединений в экстракте ягод черники и в пищевой матрице.

Доля сорбции на гречневой муке составила 45% общих полифенолов и 48% антоцианинов их содержания в исходном экстракте ягод черники. Содержание полифенольных соединений в пищевой матрице увеличилось в 1,3 раза по сравнению с содержанием полифенольных соединений в эквивалентном количестве свежих ягод черники.

Профиль антоцианинов в экстракте ягод черники и в элюате пищевой матрицы представлен в табл. 2.

Концентрация фруктозы в экстракте составила 8,92±0,89, глюкозы - 8,55±0,86 и сахарозы 0,26±0,03 мг/см³. Суммарную сорбцию углеводов оценивали по разности между их концентрацией в экстракте ягод черники и в супернатанте, получаемом после сорбции. Результаты этого определения свидетельствуют об отсутствии сорбции моно- и дисахаридов из экстракта ягод черники на гречневой муке. Эти данные представляет значительный интерес, свидетельствуя о том, что сорбционный подход позволяет целенаправленно концентрировать полифенолы в составе пищевой матрицы с минимальным количеством легкоусвояемых углеводов. Соответственно, получаемая пищевая матрица имеет низкий гликемиче-ский индекс, что существенно повышает эффективность ее использования в качестве функционального пищевого ингредиента в составе диетических профилактических продуктов для лиц с нарушениями углеводного обмена.

Выводы

1. Разработан достаточно простой технологический подход получения пищевой матрицы, обогащенной полифенолами плодов черники при минимально низком содержании моно- и дисахаридов.

2. Полученные результаты могут быть использованы при разработке функциональных пищевых ингредиентов в составе диетической профилактической продукции с низким гликемическим индексом, предназначенной для питания лиц с нарушениями углеводного обмена.

Финансирование. Поисково-аналитическая работа по подготовке рукописи проведена за счет средств субсидии на выполнение государственного задания в рамках Программы фундаментальных научных исследований (тема № 0529-2019-0055).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Благодарности. Авторы выражают благодарность научному сотруднику лаборатории метаболомного и проте-омного анализа ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии" кандидату фармацевтических наук Е.В. Рылиной за проведение анализа по определению содержания простых углеводов в исследуемых образцах.

References

1. Bharat D., Cavalcanti R.R.M., Petersen C. et al. Blueberry metab- 7. olites attenuate lipotoxicity-induced endothelial dysfunction. Mol Nutr Food Res. 2018; 62 (2). doi: 10.1002/mnfr.201700601

2. Vendrame S., Zhao A., Merrow T., Klimis-Zacas D. The effects of wild blueberry consumption on plasma markers and gene expression related to glucose metabolism in the obese Zucker rat. J Med Food. 2015; 18 (6): 619-24. doi: 10.1089/jmf.2014.0065

3. Mazo V.K., Sidorova Yu.S., Shipelin V.A., Petrov N.A., Kochetkova A.A. Polyphenolic plant extracts: effects on disorders of carbohydrate and lipid metabolism in laboratory animals. Problemy endokrinologii [Problems of Endocrinology]. 2016; 62 (4): 38-44. doi: 10.14341/probl201662438-44 (in Russian)

4. Wu Y., Zhou Q., Chen X.Y., et al. Comparison and screening of bioactive phenolic compounds in different blueberry cultivars: Evaluation of anti-oxidation and a-glucosidase inhibition effect. Food Res Int. 2017; 100 (Pt 1): 312-24. doi: 10.1016/j.foodres.2017.07.004

5. Casedas G., Les F., Gomez-Serranillos M.P., Smith C., Lopez V. Anthocyanin profile, antioxidant activity and enzyme inhibiting properties of blueberry and cranberry juices: a comparative study. Food Funct. 2017; 8 (11): 4187-93. doi: 10.1039/c7fo01205e

6. Bohn T. Dietary factors affecting polyphenol bioavailability. Nutr Rev. 2014; 72 (7); 429-52. doi: 10.1111/nure.12114

7. Roopchand D.E., Grace M.H., Kuhn P., et al. Efficient sorption of polyphenols to soybean flour enables natural fortification of foods. Food Chem. 2012; 131 (4): 1193-200. doi: 10.1016/j.food-chem.2011.09.103

8. Petrov N.A., Sidorova Y.S., Sarkisyan V.A., et al. Complex of polyphenols sorbed on buckwheat flour as a functional food ingredient. Food Raw Materials. 2018; 6 (2): 334-41. doi: 10.21603/2308-4057-2018-2-334-341

9. Mazo V.K., Petrov N.A., Sarkisyan V.A., Kochetkova A.A. The interaction of food polyphenols with proteins: prospects for diet therapy of metabolic syndrome and type 2 diabetes. Problemy endokrinologii [Problems of Endocrinology]. 2018; 64 (4): 252-7. doi: 10.14341/probl8774 (in Russian)

10. Kreft M. Buckwheat phenolic metabolites in health and disease. Nutr Res Rev. 2016; 29 (1): 30-9. doi: 10.1017/S0954422415000190

11. Huang W., Yao L., He X., et al. Hypoglycemic activity and constituents analysis of blueberry (Vaccinium corymbosum) fruit extracts. Diabetes Metab Syndr Obes. 2018; 11: 357-66. doi: 10.2147/ DMSO.S166728

12. Guidance on methods for monitoring the quality and safety of dietary supplements R 4.1.1672-03. Moscow: Federal’nyy tsentr gossanepidnadzora Minzdrava Rossii, 2004: 240 p. (in Russian)

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.