parallax background

Немного о способах экстракции биологически активных веществ чая

Новая весна на утёсе Изумрудных спиралей
Новая весна на утёсе Изумрудных спиралей
20.02.2021
Драма с камелиями
Драма с камелиями. Скандалы, интриги, расследования
22.02.2021
Те, кто следит за нашими публикациями на научные темы, наверняка обращали внимание на то, что учёные, исследуя те или иные вещества чайного листа, как правило, не заваривают чай так, как это делают те, кто его пьёт. В научных исследованиях для экстрагирования часто используется не вода, а этанол или другие органические растворители; время экстрагирования может составлять десятки минут и даже часы – только так изучаемые соединения можно извлечь полностью или почти полностью. Но для целей пищевой промышленности и эти способы по ряду причин не подходят. Приходится разрабатывать более сложные приёмы, и человеческая изобретательность порой удивляет.
Немного о способах экстракции биологически активных веществ чая

В 2015 г. в Журнале пищевой науки и технологии был опубликован обзор индийских учёных «Эффективные стратегии экстракции биомолекул чая» (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4444893/ ). Полный текст обзора я прикрепляю к этому посту в формате pdf, а ниже вкратце остановлюсь на некоторых интересных моментах.

Наибольшее значение имеют, естественно, кофеин и катехины. Антиканцерогенный, антигиперлипидемический, антидиабетический и т.д. эффекты катехинов не столь значимы, чтобы использовать их в медицинских целях, особенно с учётом их низкой биодоступности (см. https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_14839 ). Но антиоксидантные свойства катехинов обеспечили им применение в пищевой промышленности. Например, они используются для увеличения срока хранения пищевых продуктов и их компонентов, в частности, эмульсий, свежей баранины и свиных колбас; катехины сохраняют цвет бета-каротина лучше, чем L-аскорбат; маринад с экстрактом зелёного чая способствует снижению образования канцерогенных гетероциклических аминов при жарке мяса; включение экстракта зелёного чая в состав хитозановых плёнок, использующихся для упаковки продуктов, а также в медицине, не только придаёт им антиоксидантную активность, но и улучшает их механические свойства и снижает проницаемость для водяных паров.

Что же касается извлечения кофеина, то интерес в данном контексте представляет не столько сам кофеин, сколько кофе и чай, лишённые кофеина – спрос на них достаточно велик. Кстати, поскольку физические и химические методы удаления кофеина дороги, сложны и зачастую неспецифичны (приходится думать, как удалить кофеин, но оставить в чае катехины и аминокислоты), в последнее время активно разрабатываются микробиологические методы декофеинизации – с помощью микроорганизмов, разлагающих кофеин (см., например, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/17009088/ , https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16996632/ ).

Ограниченное применение в качестве модификатора вкуса находит L-теанин, аминокислота, в большом количестве содержащаяся в чайных листьях (как и многие другие аминокислоты, L-теанин имеет вкус умами). Кроме того, L-теанин в дозировке, значительно превышающей количества, которые можно получить при питье чая, продвигается как БАД. Об L-теанине мы писали здесь: https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_13133 .

Время от времени в поле зрения учёных попадают и другие вещества чайного листа – белки (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_17677 ), полисахариды (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_13961 ), сапонины (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_14866 ), стриктинин (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_10863 ), теакрин (https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_18380 ) и др., но заметного прикладного значения они пока не имеют.

С какими трудностями сталкиваются технологи? Обычное настаивание чая в горячей воде даёт слишком низкий выход биологически активных веществ. Чтобы повысить эффективность, можно увеличить время экстракции, однако это требует дополнительных расходов, а кроме того, длительное воздействие высокой температуры приводит к разрушению части веществ – так, например, при экстракции при 100°С в течение 2 часов эпигаллокатехингаллат и эпигаллокатехин превращаются в свои изомеры – галлокатехингаллат и галлокатехин, антиоксидантная активность которых ниже. Если же нам нужны не вещества чайного листа в чистом виде, а экстракт чая, имеющий приятный вкус и привлекательный внешний вид (например, если мы хотим использовать его в производстве холодных напитков на основе чая), тогда всё ещё сложнее – длительное нагревание плохо сказывается на сенсорных свойствах экстракта, начинают извлекаться белковые и пектиновые вещества, которые негативно влияют на прозрачность и вкус. Поэтому желательно повысить выход продукта при сравнительно небольшом времени экстракции, в идеале – ещё и при не очень высокой температуре.

Этого можно добиться, используя органические и хлорорганические растворители – этанол, пропилацетат, этилгексаноат, хлороформ и т.д. Но они дороже, многие из них токсичны, работа с ними и их утилизация создаёт дополнительные трудности.

Упрощая по максимуму: с промышленной точки зрения, заваривать чай «по-нормальному» — неэффективно и потому дорого, долго кипятить его – просто дорого, а также невкусно и некрасиво, использовать органические растворители – сложно и поэтому тоже дорого.

Как решить проблему?

Экстракция с использованием ультразвука (UAE) основана на явлении кавитации. Ультразвуковые волны высокой интенсивности создают в жидкости невидимые невооружённым глазом пузырьки, которые по достижении определённого предела лопаются, что обеспечивает механическое воздействие на микроуровне – так действуют, например, ультразвуковые стиральные машинки. Микроповреждение клеточных мембран приводит к увеличению их проницаемости, а следовательно, и к увеличению экстракции, делая достаточно эффективным экстрагирование при низких температурах – 65-85°С.

Экстракция с использованием микроволн (MAE) действует сходным образом, но грубее: прохождение микроволн через биомассу вызывает её резкий нагрев и испарение внутриклеточной воды с разрушением клеточных и внутриклеточных мембран; плюсом является высокая скорость, минусом – высокая температура. При MAE при 200–230°C в течение 2 минут извлекаются не только 60–70% полифенолов, но и 40–50% полисахаридов, а также полиэфир кутин. Интересно, что регулируя длину микроволн, их мощность и продолжительность воздействия, можно влиять на состав экстракта.

Обработка чая под высоким давлением (HPP, можно встретить и другие аббревиатуры: HHPE – экстракция при высоком гидростатическом давлении и UPE – экстракция при сверхвысоком давлении) – сравнительно новая многообещающая технология, экономичная и эффективная. Исследуемый диапазон – от 100 до 600 МПа (примерно от 1000 до 6000 атмосфер). Экстракция при 400 МПа в течение 15 минут даёт такой же выход катехинов и кофеина, как экстракция органическим растворителем в течение 2 часов.

Но это вполне очевидные идеи. А две следующих технологии лично меня впечатлили гораздо больше.

Сверхкритическая флюидная экстракция (SFE) – один из лучших методов декофеинизации. Сверхкритический флюид – состояние вещества при превышении определённых (критических) значений температуры и давления, в котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Плотность у сверхкритических флюидов близка к жидкостям, но вязкость очень низкая, а коэффициент диффузии имеет промежуточное значение между жидкостью и газом. Углекислый газ в состоянии сверхкритического флюида (при температуре выше 30,75°С и давлении выше 7,38 МПа) – отличный растворитель. Причём его растворяющая способность в близкритической области сильно изменяется при небольших изменениях температуры и давления. То есть мы можем провести экстракцию, а потом немного сбросить давление – и извлечённое вещество выпадет из экстракта. Разве это не чудесно?

Субкритическая водная экстракция (SWE) – ещё один вид могущественного научного колдунства. Вода слишком полярна, с этим и связана плохая растворимость в ней многих органических веществ. Но это – при обычном для жидкой воды диапазоне температур. А вот если нагреть воду до 250°С при 50 атмосферах, то она останется жидкой, но её диэлектрическая проницаемость, вязкость и поверхностное натяжение значительно снизятся. По своим физическим свойствам вода станет похожей на метанол или ацетонитрил, и растворимость в ней гидрофобных веществ вырастет на 4-5 порядков. И такой водой хорошо извлекать кофеин из чая.

Приведу несколько примеров оптимизированных методик экстракции, упомянутых в обзоре.

Основные катехины зелёного чая (Jun et al., 2009): 50% этанол, соотношение растворителя и чая 20 мл : 1 г, давление 400 МПа, 15 минут.

Общие полифенолы (Wang et al., 2010): 60% этанол, соотношение растворителя и чая 12 мл : 1 г, 80°С, мощность микроволн 600 Вт, 10 минут.

А вот при нормальном давлении и без микроволн – полифенолы иранского чая (Ziaedini et al., 2010): 20-40 минут при 80°С для ЭГК и ЭК, 80 минут при 90°С для катехина, ЭКГ и ЭГКГ.

Экстракция для производства чайных напитков, обогащенных катехином (Labbé et al., 2008): соотношение воды и зелёного чая 50:1, 30°С, 30 минут, затем отжим и второй этап экстракции при 75°С в течение 40 минут.

Другой вариант (Bazinet et al., 2007): 10 минут при 50°С, отжим, 10 минут при 80°С, повторить трижды (обратите внимание, как много параллелей с медленной варкой чая «в современной манере», которую мы описывали здесь: https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_17907 – и как мало общего с так называемой «варкой по Лу Юю», зрелищной, но дающей неполный и дисгармоничный вкус).

Декофеинизация (Park et al., 2007): сверхкритический флюид углекислого газа, модифицированный 95% этанолом из расчёта 7 г этанола на 100 г углекислого газа, 300 бар, 70°С, 120 минут, с неизбежной значительной потерей ЭГКГ.

У тех любителей чая, кто дочитал до этого места, давным-давно должен был возникнуть вопрос: какое, чёрт побери, отношение всё это имеет к нашей жизни, если мы просто завариваем и пьём чай?!

Вот и у меня возникает точно такой же вопрос, когда чайные горе-маркетологи, случайно узнав про то, что учёные нашли в чайных листьях очередное любопытное вещество, начинают вопить на всю округу о том, что чай сейчас спасёт весь мир от рака, СПИДа, коронавируса и импотенции. Да, это вещество есть в листьях чайного растения. Но мы не едим чайные листья, не завариваем чай хлороформом, не кипятим его по два часа и не обрабатываем его при температуре, как на Венере, и давлении, как на Юпитере!

Как видите, даже для того, чтобы извлечь более-менее полностью катехины и кофеин, приходится прибегать к ухищрениям, о которых и читать-то трудно (правда же?). А многие другие вещества чайного листа, которые привлекают внимание учёных, вообще не попадают в сколько-нибудь заметном количестве в настой при обычном заваривании чая.

Чайный лист – это одно, а настой чая – это другое, и переход из первого во второй для многих веществ не так лёгок, как кажется. Вот почему мне захотелось пересказать этот обзор.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *