science-review.ru
В последние десятилетия внимание научного сообщества, потребителей и производителей направлено на важнейшие вопросы устойчивости в сельском хозяйстве и продовольственных системах. Результаты многочисленных научных публикаций показывают значительные потери продуктов питания по всей цепочке поставок пищевой промышленности и за ее пределами. Последние тенденции в валоризации пищевых продуктов из отходов подчеркивают возможность использования соединений, полученных из побочных продуктов жизнедеятельности, во время переработки и производства, с целью создания новых продуктов с высокой пищевой ценностью и оказывающих благотворное влияние на здоровье человека. Говоря о больших потерях пищевых продуктов в гостиничном и потребительском секторах, необходимо отметить глобальную парадигму как избытка продуктов питания, так и многочисленного количества отходов в пищевой промышленности, что оказывает значительное негативное влияние на экологию, связанное с устойчивым развитием, а также на безопасность продуктов питания для потребителя [1]. Образование большого количества пищевых отходов провоцирует экологические и социальные проблемы, такие как проблемы социальной структуры, чрезмерная эксплуатация земель, экономические проблемы, а также проблемы продовольственной безопасности, парниковый эффект и неравномерное глобальное распределение продовольствия. Существует острая необходимость в разработке глобального соглашения о стратегиях, обеспечивающих устойчивость в пищевой промышленности, для определения национальных и региональных проблем продовольственной безопасности [2]. Следует отметить работу ученых Martindale и соавторов, которые в своем последнем обзоре возможных решений расширили это требование, которое нужно соблюдать для повышения устойчивости и достижения целей устойчивого развития. К активным действиям перед лицом глобальных кризисов, связанных с изменением климата, призывают авторы Jagap et al. в своем недавнем сборнике научных статей, посвященных продовольственной безопасности и устойчивости [3, 4]. Потенциальная возможность заключается в извлечении биологически активного материала из отходов и путем тщательного отбора компонентов– использовании этих восстановленных продуктов для повышения пищевой ценности пищевых продуктов и удовлетворения растущего спроса на такие продукты со стороны для потребителя [5]. Как отмечают многие исследователи, существует потенциал в извлечении активных ингредиентов из потоков отходов при производстве продуктов питания, например в производстве по переработке плодоовощного сырья [6–9]. Это обусловило цель статьи– обзор результатов научных исследований извлечения растительных белков и фенольных соединений из отходов растительного сырья с целью устойчивого развития, ресурсосбережения и создания продуктов с высокой пищевой ценностью
Материалы и методы исследования
В качестве материалов исследования послужили научные статьи, опубликованные в период с 2015 по 2024 гг. Научный поиск провели в научных базах данных PubMed, Scopus и Web of Science. Поиск проводился с применением дескрипторов: «фенолы, фенольные соединения», «извлечение», «усвояемость», «белки», «углеводы», «пищевая ценность», «биодоступность». Среди статей, соответствующих критериям включения, для составления данного обзора было выбрано 48 исследований.
Критерии включения:
1) Статья написана в период 2015–2024 гг.
2) Статья соответствует теме исследования.
3) Типы анализируемых статей– оригинальные исследовательские статьи, обзорные статьи, материалы конференций, краткие отчеты.
Критерии исключения:
1) Статья не соответствует теме данного обзора: извлечения растительных белков и фенольных соединений из отходов растительного сырья, ресурсосбережения и создания продуктов с высокой пищевой ценностью.
2) Содержание статьи дублируется. Еслииз разных баз данных или разных электронных библиотечных систем были извлечены повторяющиеся источники, их классифицировали только один раз.
Результаты исследования и их обсуждение
Валоризация растительной пищи для получения фенольных соединений включает в себя оптимизацию методов экстракции, максимальное использование побочных продуктов растительного происхождения и изучение различных вариантов применения в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности. Нет сомнения в том, что инновации в методах экстракции, способах устойчивого развития и изучение новых источников фенольных соединений будут стимулировать будущие достижения в этой области. Существует необходимость в решении проблем, связанных со стоимостью, масштабируемостью и безопасностью, что будет способствовать широкому использованию фенольных соединений, полученных из растительных источников, их применению в различных отраслях промышленности и продвижению устойчивых практик в сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.
В последнее время извлечение этих веществ из многочисленных отходов в основном сосредоточено на возможности извлекать фенольные соединения из отходов кофе, а также овощных и фруктовых выжимок [10–12]. Эти выжимки также являются богатым источником фитохимических веществ и соединений пищевых волокон, использование которых благотворно влияет на здоровье [13, 14]. Разработка инновационных систем доставки для повышения стабильности и биодоступности фенольных соединений и волокон в различных областях применения в пищевой промышленности потребует понимания их функциональности, а также их роли в изменении физиологического пищевого статуса людей. Многие полезные свойства биологически активных ингредиентов с точки зрения здоровья и питательности обусловлены связью между фенольными соединениями и белками. Связь между вторичными метаболитами в растениях, обладающими разнообразной химической структурой, антиоксидантными и биологически активными свойствами, и белками основана на понимании структуры и функциональных взаимосвязей этих соединений. Так, например, Zhang et al. показали значение роли пищевых белково-фенольных взаимодействий в изменении молекулярных конфигураций биологически активных ингредиентов и, следовательно, их опосредующего влияния на питание и благополучие с клеточной точки зрения. Часть этих процессов связана как с ковалентной, так и с нековалентной связью между биологически активными ингредиентами и функциональными макромолекулами в пищевых продуктах [15]. Примером этого также являются интенсивные исследования роли пищевых волокон в укреплении здоровья потребителей в возможностях управления усвояемостью углеводов [16–18], а также сделан акцент на роли данных соединений в изменении ферментативного поведения микробиоты кишечника [19]. Связывание фенольных соединений с белковыми компонентами может влиять на усвояемость белков и, следовательно, на их доступность с точки зрения клеточного поглощения. Фенольные соединения также могут воздействовать на переваривание белка, ингибируя протеолитические ферменты (например, трипсин и пепсин), которые играют важную роль в изменении расщепления белка в пищеварительной системе. Некоторые фенольные соединения вместе с белками могут служить пребиотиками, способствуя росту полезных кишечных бактерий и улучшая здоровье кишечника. Установлено, что катехины, антоцианы и проантоцианидины обладают выраженным пребиотическим действием [20]. Исследователи показали, что фенольные соединения во время ферментации увеличивают количество Lactobacillus, Bifidobacterium, Akkermansia, Roseburia и Faecalibacterium spp., что, в свою очередь, приводит к увеличению производства и высвобождению вторичных метаболитов, таких как короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), включая бутират. С этим наблюдением связано исследование, которое достоверно показывает потенциал фенольных соединений в регулировании кардиометаболических заболеваний, а также в снижении частоты воспаления [21, 22]. Как уже отмечалось ранее, влияние фенольных соединений на усвояемость компонентов пищи было изучено на молекулярной основе, также определено, что эти процессы связаны с интерференцией фенольных соединений на расщепляющие ферменты во время пищеварения [23, 24].
Установлено, что фенольные соединения из жмыха черной смородины могут быть включены в пасты, богатые углеводами, и влиять на усвояемость этих паст, управляя активностью в отношении альфа-амилазы и альфа-глюкозидазы. В то же время было показано, что фитохимические вещества черной смородины взаимодействуют с молочными белками, такими как сывороточный белок в печенье, тем самым воздействуя на структуру белковых и фитохимических компонентов, а также изменяя общую усвояемость продуктов. Понимая молекулярные взаимодействия между фенольными соединениями и белками и углеводами, исследователи смогли смоделировать меж- и внутримолекулярные взаимодействия, которые являются мощным ресурсом для определения стратегий управления усвояемостью и ферментируемостью биологически активных соединений из ряда растительных источников [25]. Исследование Нао и соавторов продемонстрировало это при обсуждении роли молекулярной конформации полифенолов в их потенциальной пользе для здоровья, такой как антиоксидантная активность и взаимодействие с метаболическими ферментами, участвующими в переваривании пищи после приема внутрь [26]. H. Kaur, H. Bobade, R. Sharma, S. Sharma оценили влияние фенольных соединений на усвояемость богатых углеводами продуктов, таких как макароны, и то, как различные операции обработки могут также влиять на процесс взаимодействия фенольных соединений, особенно при использовании цельного зерна [27]. Аналогичным образом Chang и соавторы оценили способность фенольных соединений из нетрадиционных злаков (в данном случае проса) регулировать усвояемость пищи и общее восстановление питательных веществ [28]. Данные процессы, в сущности, основаны на предыдущей работе ученых Kataria et al., которые определили взаимосвязь фенольных соединений в теффе, в частности роль термической обработки в изменении антиоксидантных свойств и пищевой ценности продуктов из этих соединений при рассмотрении чувствительности этих материалов к теплу во время обработки [29]. Совсем недавно Huang и соавторы исследовали роль фенольных соединений в сочетании с традиционно рассматриваемыми непищевыми компонентами при исследовании биологической активности опосредованного биосинтеза наночастиц золота на здоровье человека. Это показывает, что положительная роль фенольных соединений может выходить далеко за рамки обычных пищевых взаимодействий [30]. То, как эти фенольные соединения изменяют микробиоту кишечника и ее функциональность, представляет интерес при рассмотрении здоровья кишечника и ферментационного расщепления продуктов [31, 32]. В работе Loo в соавторстве с другими учеными проведена оценка модуляции микробиоты кишечника человека фенольными веществами и продуктами, богатыми фенольной клетчаткой. Один из вопросов, связанных с ролью фенольных соединений, изменяющих популяции микробиоты во время пищеварения, заключается в том, что фенольные соединения в растениях, как правило, неразрывно связаны с клеточными компонентами фруктов и семян и, следовательно, связаны с пищевыми волокнами. Взаимосвязь этих фенольных соединений с волокнами и белками может придать им некоторые свойства с точки зрения усвояемости и ферментации. Ученые Matsumura и соавторы связали эту функциональность и проиллюстрировали, что, например, фенольные соединения из чая (и их метаболиты) в процессах пищеварения проявляют антибактериальные свойства, которые защищают микробиоту кишечника от патогенных бактерий (Clostridium perfringens, Escherichia coli, Salmonella и Pseudomonas) [33]. Такая защита системы микробиоты кишечника может помочь в поддержании и улучшении общего баланса кишечных микробов. Таким образом, катехиновые соединения и их димеры, такие как теафлавины и теазинензины, могут быть полезны для изменения динамической популяции в кишечнике. Аналогичным образом флаван-3-олы в продуктах какао могут оказывать непосредственное влияние на распределение микробиоты кишечника по всему кишечнику, что, в свою очередь, влияет на общее состояние кишечника.
Данные результаты научных исследований, основанные на традиционном использовании растительных ингредиентов, важно учитывать при оценке потенциальных преимуществ обогащенных растительных продуктов пищевой промышленности [34]. Ликопин, который извлекают из отходов при переработке томатов, уже давно ассоциируется с рядом эффективных свойств, способствующих укреплению здоровья. Вместе с тем он может быть восприимчив к термическому разложению, поэтому для его извлечения необходимо использовать процессы нетермической экстракции для извлечения функциональных биологически активных веществ [35, 36].
В последние несколько лет внимание было сосредоточено на определении того, какие пищевые отрасли могут обеспечить наилучшую отдачу от инвестиций с точки зрения валоризации отходов. Особое внимание было обращено к четырем отраслям, а именно: производство соков, маслоперерабатывающая промышленность, винодельческая промышленность и, в более широком смысле, бродильная или ферментативная промышленность, а также отходы, образующиеся на линиях по переработке свежих фруктов и овощей. В связи с этим возник значительный интерес к процессам производства цитрусового сока и восстановлению флавоноидных и волокнистых компонентов [9, 37, 38]. Они используются в различных продуктах питания, таких как экструдированные закуски, хлебобулочные изделия, макаронные изделия и напитки в целях увеличения антиоксидантной способности обработанных пищевых продуктов, а также для роста их влияния на метаболические функции, такие как гликемическое воздействие. При переработке цитрусовых пектин, каротиноиды и другие природные соединения, содержащиеся в кожуре и мякоти, могут быть использованы в функциональных продуктах питания. В последнее время многие исследования сосредоточены на оливковой промышленности и на том, как переработка растительного материала для масла приводит к производству большого количества излишков жмыха и мякоти– богатых источников высокофункциональных биологически активных ингредиентов. Отходы, образующиеся в процессе экстракции оливкового масла, даже если они оказывают негативное воздействие на окружающую среду, содержат несколько биологически активных соединений, которые приносят значительную пользу для здоровья. После соответствующей экстракции и очистки эти соединения можно использовать в качестве пищевых антиоксидантов или в качестве активных ингредиентов в нутрицевтических и косметических продуктах [39]. В прикладном плане следует отметить исследования, связанные с извлечением ингредиентов из отходов производства таких видов, как оливки, зерновые и другие семенные культуры [40–42]. A. Baiano и A. Fiore продемонстрировали большой потенциал зерна для получения биологически активных ингредиентов, которые могут быть восстановлены после первичной обработки, и объяснили, как, например, дробина может служить богатым источником клетчатки, фенольных соединений и белков при правильном использовании [43]. Пивная дробина является хорошим сырьем для извлечения фенольных соединений либо путем экстракции, либо с помощью новых ультразвуковых или микроволновых технологий. Дробина богата белками, поэтому в этой области также проводились исследования. Экстракция белка была эффективной при использовании гидротермической предварительной обработки (60°C) ферментной протеазой. Экстрагировали полифенолы с помощью ультразвука, а с помощью ферментов в качестве конечного продукта получили белковый гидролизат, в котором преобладали глутаминовая кислота и пролин [44]. Фенольные соединения, содержащиеся в зернах масличных культур, эффективно извлекаются из отходов после прессования масличного масла. Эти соединения, извлеченные из множества отходов, включают изофлавоны, феруловую кислоту, p-кумариновую кислоту, хлорогеновую кислоту, кофейную кислоту, сиринговую кислоту, ванилиновую кислоту, салициловую кислоту, протокатеховую кислоту, антоцианы и связанные с ними полифенольные соединения. Было показано, что все они имеют ценность с точки зрения метаболической функциональности в клеточной функции и, таким образом, представляют собой потенциально важные ценные продукты для питания человека. Yu и соавторы, используя побочные продукты моркови, кормили мышей ферментированной мякотью моркови (оставшейся после производства сока) и измеряли микробные популяции, которые развились после таких вмешательств. Полифенолы и флавоноиды в материале оказывали непосредственное влияние на популяционную динамику микробных сообществ в кишечнике мышей (наблюдалось увеличение Bacteroidetes, Proteobacteria, Firmicutes), что повышало эффективность абсорбции и утилизации фенольных соединений [45]. При воздействии антибиотиков ферментированные выжимки, содержащие фенольные соединения, показали устойчивость к микробному восстановлению и сохраняли разнообразный микроэкологический баланс. Исследование показало, что фенольные соединения из компонентов ягод усиливают антиоксидантную активность in vitro и снижают активные формы кислорода в стимулированных липополисахаридами макрофагах Raw264.7, и это, в свою очередь, можно постулировать как связь с изменениями в микробном сообществе и регуляцией клеточной активности [46]. Проведены многочисленные исследования по оценке эффективности применения экстрактов полифенолов яблока. В этих исследованиях доказано, что различные продукты, такие как хлеб, мясо, рыба, печенье и сок, произведенные с добавлением яблочного порошка или яблочного экстракта, улучшили как антиоксидантный статус, так и окислительную стабильность во время хранения [47].
Заключение
С целью создания экономики замкнутого цикла, достижения устойчивого развития и снижения нагрузки на экологию необходимо обеспечить максимальное использование отходов пищевой промышленности. Отходы переработки плодоовощной, бродильной, маслоперерабатывающей и других отраслей являются хорошими источниками биоактивных соединений, которые в большей своей части не извлекаются и не используются. Неправильное обращение с отходами пищевой промышленности приводит к выбросу CO2, который вызывает парниковый эффект и потребность в энергоемких и дорогостоящих методах утилизации отходов. Поэтому для извлечения биоактивных компонентов из этих отходов целесообразно использовать экологически чистые и экономичные подходы, современные нетермические и термические технологии. Извлекаемые фенольные и другие биологически активные соединения обладают высокой антиоксидантной активностью и проявляют лечебные и функциональные свойства. Следовательно, эти соединения могут быть использованы в пищевой и фармацевтической промышленности в процессе производства новых продуктов профилактического и функционального назначения. Будущие исследования могут быть сосредоточены на повышении ценности отходов молочной, зерновой, плодоовощной и винодельческой отраслей пищевой промышленности.