Instant drinks based on extracts of Japan sea brown algae and fruit and berry juices as functional products

• Anton V. Tabakaev
• Oksana V. Tabakaeva

Abstract

Nowadays, there is a need to create functional drinks that not only normalize the water-electrolyte balance, but also correct and optimize the chemical structure of the diet. The basis for the production of dry drinks can be fruit and berry juices, extracts of herbal raw materials, including algae, etc.

The aim of the study was to develop dry drinks based on dry extracts of brown algae (Costaria costata and Undaria pinnatifida) and concentrated fruit and berry juices and to evaluate the content of biologically active substances in them, as well as the antioxidant properties of the resulting drinks.

Material and methods. Brown algae of the Far Eastern region Costaria costata and Undaria pinnatifida were used as objects, from which dry hydrothermal extracts were obtained, as well as dry drinks based on these extracts (21–26%) and concentrated fruit and berry juices of black currant and blueberry (31–37%). The content of iodine was determined by titrimetric method, fucoidan, the sum of phenolic compounds, flavonoids, catechins – by spectrophotometric method, vitamin C – titrimetrically, anthocyanins – by pH-differential spectrophotometry. Identification of phenolic compounds was carried out by HPLC. The antiradical properties of beverages were evaluated by the ability to interact with the stable 2.2-diphenyl-1-picrylhydrazyl free radical in vitro spectrophotometrically.

Results. Dry hydrothermal extracts of C. costata and U. pinnatifida brown algae are characterized by a high content of bioactive substances, the main of which are fucoidan and iodine. The fucoidan content in C. costata extract was 1.7 g/100 g, in U. pinnatifida extract – 0.5 g/100 g; the iodine content was 0.0036 and 0.0028 g/100 g, respectively. The content of phenolic compounds was at least 205 mg of tannic acid per 1 g, the main compounds were syringic acid and epicatechin, salicylic and coumaric acids, as well as chlorogenic, caffeic, 2.5-dihydroxybenzoic, ferulic acid and gallates of epigallocatechin and epicatechin. The developed drinks based on dry extracts of C. costata and U. pinnatifida brown algae (21–26%) and concentrated blueberry and blackcurrant juices (31–37%) (the rest is powdered sugar) are a food system enriched with bioactive substances. The content per 1 serving of drinks (10 g per 200 ml) of iodine was high and amounted to 70–75 mcg, phenolic compounds – about 250 mg, vitamin C level was maximum in a drink with black currant (41–44 mg), fucoidan content ranged from 79 to 84 mg. The resulting dry drinks satisfy the daily physiological requirement in iodine by at least 40%, in vitamin C – by at least 30% when consuming 1 serving. The radical binding activity of all the studied beverages was quite high and amounted to 91.1–96.5%. The drink with blueberry juice and C. costata extract showed maximum antiradical properties.

Conclusion. The developed dry soft drinks based on dry extracts of C. costata and U. pinnatifida brown algae and concentrated juices of black currant or blueberry contain a wide range of bioactive compounds. They can be attributed to functional products due to the high degree of satisfaction of the daily physiological requirement of the human body in vitamin C and iodine and are characterized by high antiradical properties.

Keywords:dry drinks; brown algae Costaria costata and Undaria pinnatifida; biologically active substances; fucoidan; iodine; black currant and blueberry juices; antiradical activity

Напитки являются неотъемлемой частью пищевых традиций и широко применяются как в традиционном, так и в диетическом (лечебном и профилактическом) питании [1]. Безалкогольные напитки в широком ассортименте представлены в виде плодовых, овощных и фруктовых соков, минеральных вод, молочных и молочнокислых напитков и др. Выбор сырья для получения напитков достаточно широк, что позволяет создавать их новые виды. Кроме того, напитки могут производиться в сухом виде в форме порошка или гранул, что существенно расширяет круг их применения в связи с тем, что сухие напитки обладают пролонгированным сроком хранения, малым объемом, возможностью использования в различных условиях. В настоящее время существует необходимость в создании функциональных напитков, не только нормализующих водно-электролитный баланс, но и корректирующих и оптимизирующих химическую структуру рациона. Одна из целей использования таких напитков - обогащение рациона микронутриентами, поскольку безалкогольные напитки могут являться значимым источником некоторых микронутриентов - макро- и микроэлементов, витаминов, и ряда минорных биологически активных веществ (БАВ): флавоноиды, индолы, фитостеролы и др.

Чаще всего основой для производства сухих напитков являются фруктовые и плодово-ягодные соки, экстракты растительного наземного сырья и др. Однако существует огромное количество источников БАВ морского происхождения, которые не используются в технологиях напитков, в частности различные виды водорослей и морских трав. Из всего многообразия водорослей особый интерес представляют бурые водоросли, экстракты которых характеризуются антиоксидантными [2], антибактериальными свойствами [3]. В связи с этим разработка напитков с использованием комплекса БАВ морских водорослей представляется актуальным направлением исследований.

В Японском море широко распространены бурые водоросли, из них перспективными являются костария ребристая (Costaria costata) и ундария перистонадрезная (Undaria pinnatifida). Эти бурые однолетние водоросли, использующиеся как деликатесный пищевой продукт в Японии, Китае, Южной и Северной Корее, содержат полисахариды, маннит и альгинаты [4], а также широкий спектр БАВ [5]. В то же время существуют некоторые ограничения применения водорослей и их водных экстрактов в рецептуре напитков в силу определенной специфичности водорослевого запаха и вкуса. С целью корректировки органолептических характеристик напитков целесообразно использовать фруктовые, плодово-ягодные и овощные соки.

Соки, используемые в рецептуре напитков на основе экстрактов водорослей, должны иметь ярко выраженный вкус, запах и характеризоваться высоким содержанием БАВ. Данным требованиям удовлетворяют соки черной смородины и голубики.

В ягодах черной смородины высокое содержание витаминов С и Р, полифенольных соединений и флавоноидов, органических кислот и пектиновых веществ [6]. Ягоды голубики также богаты пектиновыми веществами, органическими кислотами, БАВ, в частности витаминами С, К, Е (около 30, 16 и 14% от суточной нормы потребления соответственно), а также антоцианами и лейкоантоцианами, флавонолами, катехинами, тритерпеновыми и хлоргеновыми кислотами, что обусловливает широкое применение в пищевом и фармакологическом производстве [7].

Цель исследования - разработка функциональных сухих безалкогольных напитков на основе сухих экстрактов бурых водорослей C. costata и U. pinnatifida и концентрированных соков черной смородины и голубики, а также оценка содержания в них БАВ и их антирадикальных свойств.

Материал и методы

Объектами исследования были сухие гидротермические экстракты бурых водорослей C. costata и U. pinnatifida, а также сухие напитки на их основе с концентрированными соками черной смородины и голубики.

Водные экстракты бурых водорослей C. costata и U. pinnatifida были получены кипячением талломов в воде с использованием соотношения сырье : вода 1 : 3 при 100 °С, продолжительность 60 мин. Затем полученные экстракты были высушены с применением инфракрасной сушки до состояния порошка зелено-бурого цвета, с характерным запахом водорослей, слегка соленым вкусом и остаточной влажностью 8%. Содержание золы определяли удалением органических веществ из навески сжиганием и определением массы золы взвешиванием. Содержание йода определяли титриметрическим методом по ГОСТ 26185-04 "Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа", содержание белка - методом Кьельдаля. Содержание альгиновой кислоты определяли титриметрическим методом, основанном на обратном титровании серной кислотой избытка гидроксида натрия, оставшейся после взаимодействия ее с альгиновой кислотой, содержащейся в исследуемом образце [8]. Содержание маннита определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) по ГОСТ EN 15086-2015 "Продукция пищевая. Определение содержания изомальта, лактита, мальтита, маннита, сорбита и ксилита".

Количество фукозы в водорослях определяли спектрофотометрически по цветной реакции с L-цистеином и серной кислотой. Для определения содержания фукоидана в биомассе водорослей количество фукозы умножали на 2 исходя из условного среднего содержания фукозы в фукоидане, равного 50% [9]. Уровень каротиноидов определяли спектрофотометрическим методом на сканирующем спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu, Япония) в ацетоновой вытяжке при длине волны 450 нм [10]. Содержание витамина С определяли по ГОСТ 24556-89 "Продукты переработки плодов и овощей. Методы определения витамина С", антоцианов - по ГОСТ 32709-2014 "Продукция соковая. Методы определения антоцианинов", пектиновых веществ - титриметрическим методом по ГОСТ 29059-91 "Продукты переработки плодов и овощей. Титриметрический метод определения пектиновых веществ", флавоноидов - спектрофотометрическим методом [11]. Количество катехинов определяли спектрофотометрическим методом, основанном на способности катехинов давать малиновое окрашивание с раствором ванилина в концентрированной соляной кислоте, на спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu, Япония) при длине волны 504 нм. Содержание токоферолов определяли методом ВЭЖХ по МУ 08-47/184 "Биологически активные добавки, премиксы. Хроматографический (ВЭЖХ) метод определения массовых концентраций жирорастворимых витаминов А, Е и D₃".

Суммарное содержание фенольных соединений определяли спектрофотометрическим методом с использованием реактива Фолина-Чокальтеу, основанном на восстановлении смеси фосфорновольфрамовой и фосфорномолибденовой кислот в щелочной среде и являющимся основным методом для определения общего содержания фенолов в лекарственном растительном сырье и пищевых продуктах [12]. Использовали сканирующий спектрофотометр UV-1800 (Shimadzu, Япония). Количественное определение суммы полифенольных соединений проведено в пересчете на дубильную кислоту.

Идентификацию фенольных соединений в экстрактах водорослей проводили с использованием жидкостного хроматографа высокого давления LC-20A (Shimadzu, Киото, Япония). Одновременный контроль длины волны обнаружения был установлен на 324 нм для хлоргеновой, кофейной, 2,5-дигидроксибензойной, кумаровой, феруловой и салициловой кислот и 277 нм для галлата эпигаллокатехина, эпикатехина, галлата эпикатехина и сиринговой кислоты.

Органолептическую оценку готовых растворенных напитков (10 г сухого безалкогольного напитка в 200 мл питьевой воды температурой 25-40 °С) проводили по 10-балльной шкале дегустационным методом, определяя внешний вид, цвет, запах и вкус. Образцы с 35-40 баллами получали оценку "отлично", 30-35 баллов - "хорошо", 20-30 баллов - "удовлетворительно", менее 20 баллов - "неудовлетворительно".

Антирадикальные свойства напитков оценивали по способности взаимодействовать со стабильным свободным радикалом 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила (ДФПГ) in vitro. Определение проводили в реакционной смеси, содержащей 3 мл 0,3 мМ ДФПГ в этаноле, 1 мл 50 мМ трис-HCl, рН 7,4, и 1 мл напитка [13]. После 30 мин инкубации при комнатной температуре регистрировали значения оптической плотности при λ=517 нм на спектрофотометре UV-1800 (Shimadzu, Япония) при 25 °С.

Радикал-связывающие свойства характеризовали показателями радикал-связывающей активности (РСА) и эффективной концентрацией вещества, при которой восстанавливается 50% свободных радикалов ДФПГ (Е_С50), мг/мл.

РСА рассчитывали по формуле:

РСА (%) = [А₀ - А₁] / А₀ × 100,

где А₀ - оптическая плотность раствора контроля; А₁ - оптическая плотность экстракта.

Все исследования проводили в 3-кратной повторности. Экспериментальные данные представлены в виде М±m. Статистическую обработку проводили с использованием пакетов прикладных статистических программ Excel, Statistica 7.0. Достоверность различий оценивали по критерию Стьюдента при 95% уровне значимости.

Результаты и обсуждение

В табл. 1 приведен химический состав и содержание БАВ в сухих экстрактах бурых водорослей C. costata и U. pinnatifida. Экспериментальные данные демонстрируют значительное содержание БАВ в сухих экстрактах бурых водорослей C. costata и U. pinnatifida, основными из которых являются фукоидан и йод.

В экстракте C. costata содержание фукоидана достаточно высокое, в экстракте U. pinnatifida оно в 3,4 раза меньше. Сульфатированный гетерополисахарид фукоидан - одно из уникальных веществ бурых водорослей, обладающих иммуномодулирующими [14], противоопухолевыми [15], антибактериальными [16], противовоспалительными [17], антиоксидантными [18], антикоагулянтными [19], противовирусными [20] и гипохолестеринемическими свойствами [21].

References

1. Zuev E.T. Functional drinks: their place in the concept of functional nutrition. Pishchevaya promyshlennost’ [Food Industry]. 2004; (7): 90–4. (in Russian)

2. Cao L., Lee S.G., Lim K.T., Kim H.R. Potential anti-aging substances derived from seaweeds. Mar Drugs. 2020; 18 (11): 564–70. DOI: https://doi.org/10.3390/md18110564

3. Gerasimenko N.I., Martyyas E.A., Busarova N.G. Composition of lipids and biological activity of lipids and photosynthetic pigments from algae of the families Laminariaceae and Alariaceae. Chem Nat Compd. 2012; 48: 737–41. DOI: https://doi.org/10.1007/s10600-012-0371-5

4. Sukhoveeva M.V., Podkorytova A.V. Commercial algae and grasses of the seas of the Far East: biology, distribution, reserves, processing technology TINRO-center. Vladivostok, 2006: 243 p. (in Russian)

5. Tabakaeva O.V., Tabakaev A.V. Biologically active agents of potential trade brown seaweed of the Far East Region. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2016; 85 (3): 126–32. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2016-00044 (in Russian)

6. Bakin I.A., Mustafina A.S., Lunin P.N. The study of the black currant berry chemical composition in the processing. Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Krasnoyarsk State Agrarian University]. 2015; (6): 159–62. (in Russian)

7. Velichko N.A., Berikashvili Z.N. The study of the chemical composition of berries of blueberry and common development of formulations of drinks on its basis. Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Krasnoyarsk State Agrarian University]. 2016; (7): 126–31. (in Russian)

8. Sirenko L.A., Sakevich A.I., Osipov L.F., Lukina L.F., Kuz’menko M.I., Kozitskaya V.N. Methods of physiological and biochemical research of algae in hydrobiological practice. Kiev: Naukova dumka, 1975: 253 р. (in Russian)

9. Smirnova G.R., Klochkova N.I. Polysaccharide composition of some brown algae of Kamchatka. Bioorganicheskaya khimiya [Bioorganic Chemistry. 2001; 27 (6): 444–8. (in Russian)

10. Sapozhnikov D.I. Pigments of plastids of green plants and methods of their research. Moscow: Nauka, 1964: 129 p. (in Russian)

11. Calado J., Albertão P.A., de Oliveira E.A., Letra M.H.S. Flavonoid contents and antioxidant activity in fruit, vegetables and other types of food. Agric Sci. 2015; 6: 426–35. DOI: https://doi.org/10.4236/as.2015.64042

12. FFS 1.5.3.0008.15. The determination of tannins in herbal drugs and medicinal plant preparations. URL: http://193.232.7.120/feml/clinical_ref/pharmacopoeia_2/HTML/#417/z (in Russian)

13. Molyneux P. The use of the stable free radical diphenylpicrylhydrazyl (DPPH) for estimating antioxidant activity. Songklanakarin J Sci Technol., 2004; 26 (2): 211–9.

14. Yoo H.J., You D.-J., Lee K.-W. Characterization and immunomodulatory effects of high molecular weight fucoidan fraction from the sporophyll of Undaria pinnatifida in cyclophosphamide-induced immunosuppressed mice. Mar Drugs. 2019; 17 (8): 447. DOI: https://doi.org/10.3390/md17080447

15. Saetan U., Nontasak P., Palasin K., Saelim H., Wonglapsuwan M., Mayakun J. et al. Potential health benefits of fucoidan from the brown seaweeds Sargassum plagiophyllum and Sargassum polycystum. J Appl Phycol. 2021; 33 (5): 3357–64. DOI: https://doi.org/10.1007/S10811-021-02491-3

16. Kordjazi M., Etemadian Y., Shabanpour B., Pourashouri P. Chemical composition antioxidant and antimicrobial activities of fucoidan extracted from two species of brown seaweeds (Sargassum ilicifolium and S.angustifolium) around Qeshm Island. Iran J Fish Sci. 2019. Vol. 18, N 3. P. 457–75. DOI: https://doi.org/10.22092/IJFS.2018.115491

17. Khil’chenko S.R., Zaporozhets T.S., Zvyagintseva T.N., Shevchenko N.M., Besednova N.N. Fucoidans from brown algae: the influence of molecular architecture features on functional activity. Antibiotiki i khimioterapiya [Antibiotics and Chemotherapy]. 2018; 63 (9–10): 69–79. (in Russian)

18. Zvyagintseva T.N., Usoltseva R.V., Shevchenko N.M., Surits V.V., Imbs T.I., Malyarenko O.S., et al. Structural diversity of fucoidans and their radioprotective effect. Carbohydr Polym. 2021; 273: 118551. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118551

19. Besednova N.N., Zaporozhets T.S., Kuznetsova T.A., Makarenkova I.D., Kryzhanovsky S.P., Fedyanina L.N., et al. Extracts and marine algae polysaccharides in therapy and prevention of inflammatory diseases of the intestine. Mar Drugs. 2020. Vol. 18, N 6. Р. 289. DOI: https://doi.org/10.3390/md18060289

20. Besednova N.N, Andryukov B.G., Zaporozhets T.S., Kryzhanovsky S.P., Fedyanina L.N., Kuznetsova T.A., et al. Antiviral effects of polyphenols from marine algae. Biomedicines. 2021. Vol. 9, N 2. P. 1–23. DOI: https://doi.org/10.3390/biomedicines9020200

21. Li J., Guo C., Wu J. Fucoidan: biological activity in liver diseases. Am J Chin Med. 2020; 48 (7): 1617–32. DOI: https://doi.org/10.1142/S0192415X20500809

22. Skal’naya M.G. Iodine: the biological role and significance for medical practice. Mikroelementy v meditsine [Trace Elements in Medicine]. 2018; 19 (2): 3–11. DOI: https://doi.org/10.19112/2413-6174-2018-19-2-3-11 (in Russian)

23. Tutelyan V.A., Lashneva N.V. Biological active substanse of plant origin. Phenolic acids: occurrence, dietary sourses biovailability. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2008; 77 (1): 4–19. (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.