Evaluation of antioxidant activity of fresh apples different pomological varieties after treatment with ionizing radiation

Abstract

Introduction to action GOST 33302-2015 "Fresh agricultural products. Guidance for irradiation as a phytosanitary treatment" on the territory of the Russian Federation regulating the use of radiation processing to extend shelf life and improve storability of fresh agricultural products requires commodity market understanding - to what extent and under what conditions this technology will allow you to keep the nutritional value of agricultural raw materials and meet the safety requirements in accordance with the Technical regulations of the Customs Union 021/2011 "On food safety". Currently there is no science-based regulation of radiation doses that would allow you to preserve the nutritional value of products, including antioxidant activity. Apples are the most accessible and widely distributed representative of fruit products in the consumer market of the country, characterized by a high content of antioxidants. The experimental material was investigated by a retrospective method. To confirm the fact of irradiation/non-irradiation, control samples of apples of different pomologic varieties ("Pink Lady", "Granny Smith", "Golden Delicess", "Gloster") were identified on the consumer market using electron paramagnetic resonance (EPR). The results of the study confirm that antioxidant content is due to the pomological belonging to a particular class and structure of the fruit (pulp or juice without pulp). The antioxidant activity (AOA) of freshly squeezed (untreated) juices, in contrast to the AOA of apples have lower rates and is lower for pomological variety "Pink lady" by 13.8%, for grade "Granny Smith" - by 22.0%, for the variety "Golden delicious" by 22.6% for class "Gloucester" by 23.0%, respectively. Studies have been conducted on the effect of various doses of ionizing radiation on antioxidant activity of fresh apples by potentiometric method using the K3[Fe(CN6)]/K4[Fe(CN6)] mediator system. Test samples of fresh apples were treated with ionizing radiation using a linear accelerator of electrons in doses from 1 to 12 kGy. AOA of experimental samples of fresh apples of pomological variety "Pink Lady" after irradiation with a dose of 12 kGy decreased by 4.5 fold compared with unirradiated samples, in apple varieties "Granny Smith" - by 2.9 fold, "Golden delishes" and "Gloucester" - by 3.1 fold, respectively. With an increase in irradiation dose of more than 3 kGy, the most intense decrease in antioxidant content occurs. A high correlation coefficient between the dose of irradiation and the content of antioxidants in the experimental samples of fresh apples of different pomologic varieties has been established - from 0.94 to 0.99. The obtained experimental data allow us to propose a limitation of the radiation dose to 3 kGy in order to preserve the antioxidant potential of fresh apples.

Keywords:fresh apples, irradiation dose, free radicals, antioxidants

Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (3): 66-71. doi: 10.24411/0042-8833-2018-10033.

Избыточное накопление свободных радикалов в организме является одной из причин, вызыва­ющих преждевременное старение и развитие многих болезней человека. Концентрация свободных ради­калов в организме возрастает вследствие сниже­ния активности антиоксидантной системы человека, вызванного воздействием радиации, ультафиолетового (УФ) облучения, курения, алкоголя, лекарственных средств, постоянных стрессов и некачественного пи­тания [1].

В условиях урбанизации населения структура пище­вого рациона претерпевает существенные изменения и усиление дисбаланса макро- и микронутриентов раци­она, включая биологически активные вещества. Одним из важнейших компонентов адаптационного потенциала человека является система антиоксидантной защиты, которая находится в прямой зависимости от внешних факторов и в первую очередь от фактора питания [2]. Антиоксиданты являются природными или синтети­ческими веществами - ингибиторами окислительных процессов, происходящих в организме человека на кле­точном уровне, которые защищают мембрану клеток. Частично антиоксиданты вырабатываются в организме человека, частично поступают вместе с пищей. В этой связи правильное питание населения приобретает важ­нейшее социальное значение.

В соответствии с ГОСТ Р 52349-2005 "Продукты пи­щевые. Продукты пищевые функциональные. Термины и определения" антиоксиданты как основной вид пребиотиков (наряду с ди- и трисахаридами, олиго- и поли­сахаридами, многоатомными спиртами, аминокислотами и пептидами, ферментами) обеспечивают при их сис­тематическом потреблении в составе пищевых продук­тов благоприятное воздействие на организм человека в результате повышения биологической активности нор­мальной микрофлоры кишечника.

Установлено, что растительные полисахариды (пектин, пектовая кислота) проявляют высокую биологическую активность [3], усиливая антиоксидантную активность (АОА) клеток и тканей за счет активации ферментных систем [4].

Потребление продуктов растительного происхожде­ния как источников комплекса антиоксидантов более эффективно, чем прием отдельных антиоксидантов, так как в этом случае достигается синергизм дейст­вия. Антиоксиданты, содержащиеся во фруктах, ово­щах и соках, играют важную роль для здоровья че­ловека [5]. Так, антиоксиданты яблок: аскорбиновая кислота, β-каротин, рутин, фенольные соединения -флавоноиды (кверцетин, процианидины, антоцианы, катехины, эпикатехины), хлорогеновая кислота, дубильные вещества, органические кислоты (яблочная, лимонная) -участвуют в основных физиологических процессах ор­ганизма человека [6-8].

В процессе хранения свежих яблок в результате ес­тественных физических, биохимических и химических процессов происходит ухудшение товарного вида, ак­тивизация окислительных процессов, гидролитический распад сложных органических соединений, что приво­дит к уменьшению содержания витаминов, органических кислот, дубильных веществ, флавоноидов. В процессе дыхания возможно увеличение температуры плодов, что способствует микробиологической порче. Яблоки также подвержены инфекционным заболеваниям, первичное заражение которыми происходит в основном на этапе вегетационного роста.

В общемировом масштабе потери свежих плодов и овощей составляют около половины всего выращен­ного урожая. Поэтому вопросы сохранности пищевых ресурсов играют большую роль. За рубежом апроби­рована и применяется технология обработки свежей сельскохозяйственной продукции ионизирующим излучением, позволяющая увеличивать сроки хранения в ре­зультате ингибирования фитопатогенной микрофлоры и задержки созревания плодов.

В Российской Федерации формируется националь­ная нормативная база по применению радиационной обработки пищевых продуктов. Так, с 2017 г. введен в действие ГОСТ 33302-2015 "Продукция сельскохо­зяйственная свежая. Руководство по облучению в целях фитосанитарной обработки", разрешающий применение радиационной обработки для продления сроков годности и лучшей сохраняемости свежей сельскохозяйственной продукции. Этот ГОСТ определяет типичный достаточно широкий диапазон поглощенных доз в пределах от 150 до 600 Гр, определяя возможность изменения указанных границ в зависимости от типа вредителей, подлежащих уничтожению, а также допустимой (без ухудшения ка­чества) дозы облучения для конкретного вида плодов с учетом сорта, региона произрастания, условий выра­щивания и сбора, времени от момента сбора до момента обработки ионизирующим излучением, но не регламен­тирует дозы облучения для каждого вида продукции, которые позволили бы максимально сохранить пищевую ценность сельскохозяйственной продукции.

Исследованиями [9-11] установлено, что оптималь­ные дозы облучения для сохранения пищевой ценности яблок находятся в пределах от 0,6 до 2 кГр. Показано, что эффективность обработки плодов и овощей при хра­нении в модифицированной газовой среде достигается после облучения дозой более 3 кГр [12].

Вместе с тем обработка свежих плодов ионизирую­щим излучением может привести к снижению пищевой ценности. При этом имеются данные об увеличении АОА при УФ-обработке яблок до 90 сут срока хранения [13].

С учетом имеющейся информации цель исследова­ний заключалась в изучении влияния разных доз облу­чения на содержание антиоксидантов в свежих яблоках разных помологических сортов.

Материал и методы

В качестве объекта исследования использованы яб­локи свежие разных помологических сортов: "пинк леди" (страна произрастания Республика Молдова), "гренни смит" (Республика Сербия), "голден делишес" (Азербайджанская Республика), "глостер" (Респуб­лика Сербия). Все исследуемые образцы представлены на потребительском рынке Екатеринбурга.

По каждому помологическому сорту были сформиро­ваны контрольные (необлученные) и опытные (облучен­ные разными дозами) группы образцов. В каждой группе было исследовано по 10 образцов.

Для установления факта облучения/необлучения кон­трольные образцы яблок были исследованы методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [14] со­гласно ГОСТ 31672-2012 "Продукты пищевые. Метод электронного парамагнитного резонанса для выявления радиационно-обработанных продуктов, содержащих целлюлозу" и ГОСТ 31652-2012 "Продукты пищевые. Метод электронного парамагнитного резонанса для выявления радиационно-обработанных продуктов, со­держащих кристаллический сахар" с использованием ЭПР-спектрометра серии Labrador Expert X-диапазона (НПО "Автоматика", РФ).

В ходе эксперимента исследуемые образцы опытных групп подвергали радиационной обработке линейным ускорителем электронов модели УЭЛР-10-10С2 в Цен­тре радиационной стерилизации ФГАОУ ВО "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина".

На следующем этапе определяли АОА яблок свежих до и после облучения потенциометрическим методом с помощью анализатора МПА-1 (ООО "Научно-произ­водственное внедренческое предприятие "ИВА"", РФ), в основу работы которого положен способ определения оксидантная активность/АОА в растворах с использова­нием медиаторной системы K3[Fe(CN6)]/K4[Fe(CN6)] [15]. АОА определяли по сдвигу потенциала как следствие изменения соотношения окисленной и восстановленной форм компонентов медиаторной системы.

Экспериментальный материал исследован ретрос­пективным методом. Исследования проводили в 5-крат­ной повторности. Результаты исследований обработаны методом вариационной статистики с использованием коэффициента Стьюдента.

Результаты и обсуждение

На I этапе опытным путем было установлено, что кон­трольные образцы всех помологических сортов яблок ранее не были облучены: отсутствовали характерные ЭПР-спектры при исследовании на ЭПР-спектрометре (см. рисунок).

В ходе исследования на следующем этапе опреде­ляли АОА контрольных образцов яблок разных помо­логических сортов, а также соковой продукции в виде сока свежевыжатого (необработанного), полученного из яблок контрольных образцов, путем добавления сока в электрохимическую ячейку анализатора, что приво­дило к изменению окислительно-восстановительного потенциала среды при взаимодействии антиоксидантов сока яблок с окисленным компонентом (K3[Fe(CN)6]) медиаторной системы.

По результатам полученных исследований установ­лено, что содержание антиоксидантов в яблоках поз­днего срока созревания зависит от сорта. Наиболее высокие показатели установлены в яблоках помоло­гического сорта "пинк леди" - 3,951±0,100 мМ-экв, наименьшее содержание - в яблоках помологического сорта "глостер" - 1,755±0,078 мМ-экв. Нами подтверж­дены ранее установленные факты существования оп­ределенной зависимости содержания антиоксидантов от сорта яблок [16-19]. Свежевыжатый (необработан­ный) сок отличается более низким содержанием антиоксидантов по сравнению с мякотью собственно яблок, что согласуется с данными литературы [20]. Наимень­шая разница по содержанию антиоксидантов в собс­твенно яблоках по сравнению со свежевыжатым соком установлена в помологическом сорте "пинк леди" (на 13,8%), который отличается изначально более высоким содержанием антиоксидантов, концентрация антиоксидантов соизмерима ниже в помологических сортах с изначально более низким содержанием антиоксидантов: в яблоках помологического сорта "гренни смит" -на 22,0%, в яблоках сорта "голден делишес" - на 22, 6%, в яблоках сорта "глостер" - на 23,0% (табл. 1).

В результате исследований АОА свежих яблок всех помологических сортов до и после облучения выявлено, что наибольшая АОА отмечена в необлученных образ­цах яблок.

Установлено, что с увеличением дозы облучения (с 3 до 12 кГр) статистически значимо снижается кон­центрация антиоксидантов в опытных образцах яблок всех помологических сортов: в яблоках сорта "пинк леди" - в 3 раза с высокой степенью корреляционной зависимости изменения АОА от дозы облучения, равной 0,94; в яблоках сорта "гренни смит" - в 2,3 раза (степень корреляции 0,98), в яблоках сорта "голден делишес" -в 2,4 раза (степень корреляции 0,99) и в яблоках сорта "глостер" - в 2,5 раза (степень корреляции 0,99) (р<0,05) (табл. 2).

Полученные результаты позволяют установить, что существует обратно пропорциональная связь между дозой облучения и концентрацией антиоксидантов в яблоках свежих разных помологических сортов. Интег­ральный показатель АОА учитывает общее содержание антиоксидантов, что согласуется с исследованиями ряда авторов [21]. Вероятностный процесс изменения АОА в облученных разными дозами яблок обусловлен сле­дующим: запущенный при облучении цепной свободнорадикальный процесс приводит к увеличению в об­лученных яблоках концентрации свободных радикалов. Антиоксиданты яблок, вступая во взаимодействие со свободными радикалами, ингибируют их воздействие, действуя по принципу поглотителей и уничтожая "лиш­ние" свободные радикалы с обрывом реакционных цепей: молекула антиоксиданта взаимодействует с ак­тивным радикалом и образуется малоактивный ради­кал, что и приводит к снижению АОА яблок.

Заключение

Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы: подтверждены данные литературы о том, что содержание антиоксидантов различно в зави­симости от помологического сорта яблок, при этом полу­ченные результаты исследования АОА потенциометрическим методом сопоставимы с данными, полученными методом определения адсорбционной емкости по от­ношению к кислородным радикалам ("Oxygen Radical Absorption Capacity" - ORAC). Так, у яблок сорта "гренни смит" более высокие показатели - 3,951 мМ-экв при ис­следовании потенциометрическим методом и 2900 μTE/ 100 г при исследовании методом ORAC, у яблок сорта "голден делишенс" - более низкие показатели: соот­ветственно 1,927 мМ-экв и 2670 μTE/100г; АОА собс­твенно свежих яблок имеет более высокие показатели в отличие от свежевыжатых (необработанных) соков.

Опытным путем достоверно установлено, что обра­ботка ионизирующим облучением яблок свежих приво­дит к изменению АОА. Яблоки свежие сорта "пинк леди" с более высокой АОА в необлученных образцах более чувствительны к дозе облучения, что привело к резкому снижению содержания антиоксидантов в яблоках этого сорта (в отличие от других исследуемых помологичес­ких сортов) в 4,5 раза при облучении дозой 12 кГр по сравнению с необлученными образцами; наименьшее изменение АОА наблюдалось в сорте "гренни смит" -в 2,9 раза. Установлен высокий коэффициент корреля­ции между дозой облучения и содержанием антиоксидантов в образцах яблок свежих всех исследованных помологических сортов - от 0,94 до 0,99.

Проведенные исследования имеют важное теоре­тическое и практическое значение для формирова­ния банка данных оптимальных доз облучения све­жей сельскохозяйственной продукции и регламентации дозовой нагрузки. С целью сохранения антиоксидантного потенциала целесообразно ограничить дозу облучения яблок свежих до 3 кГр. Можно отметить, что с помощью потенциометрического метода установ­лена причинно-следственная связь между дозой облу­чения и АОА яблок свежих.

Литература

1. Шабров А.В., Дадали В.А., Макаров В.Г. Биохимические основы действия микрокомпонентов пищи. М. : Аввалон, 2003. 184с.

2. Тутельян В.А. О нормах физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации // Вопр. питания. 2009. № 1. С. 5-14.

3. Сычев И.А., Калинкина О.В., Лаксаева Е.А. Биологическая актив­ность растительных полисахаридов // Рос. мед.-биол. вестн. им. акад. И.П. Павлова. 2009. № 4. С. 143-148.

4. Константинова Н. А., Соловьева Т.Ф., Беседнова Н.Н. и др. Фаго­цитоз стимулирующее действие полисахаридов, выделенных из культуры женьшеня // Антибиотики и химиотерапия. 1989. № 10 (34). С. 755-760.

5. Sardarodiyan M., Sani А.М. Natural antioxidants: sources, extraction and application in food systems // Nutr. Food Sci. 2016. Vol. 46, N 3. P. 363-373. doi: 10.1108/NFS-01-2016-0005.

6. Арзамасцев А.П., Шкарина Е.И., Максимова Т.В. и др. Оценка показателей антиоксидантной активности препаратов на осно­ве лекарственного растительного сырья // Хим.-фарм. журн. 1999. № 11. С. 17-20.

7. Симонова Н.В., Доровских В.А., Ли О.Н. и др. Коррекция окисли­тельного стресса природными антиоксидантами // Бюл. физио­логии и патологии дыхания. 2014. № 53. С. 84-88.

8. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н. и др. Антиоксидантные свойства культурных растений Калининградской области. Калининград : Балтийский федер. ун-т им. И. Канта, 2016. 145 с.

9. Безопасность и пищевая ценность облученной продукции. М. : Медицина, 1995. 209 с.

10. Moy J.H. Radurization and radicidation: fruits and vegetables // Preservation of Food by Ionizing Radiation / eds E.S. Josephson, M.S. Peterson. Boca Raton: CRC Press, 1983. Vol. 3. P. 83-108.

11. Romani R.J. Radiobiological parameters in the irradiation of fruits and vegetables // Adv. Food Res. 1996. Vol. 1. P. 57-103.

12. Петров А.Н., Шишкина Н.С., Карастоянова О.В. и др. Примене­ние ионизирующих излучений для оптимизации технологии холодильного хранения // Холодильная техника. 2015. № 11. C. 51-55.

13. Dias T.G., Boas A.C.V., Junqueira M.B.A. et al. Physicochemi-cal characterization, antioxidantactivity and total phenoliccontent in "Gala" apples subjected to different UV-Cradiationdoses // Acta Sci. Agron. 2017. Vol. 39, N 1. P. 67-73. doi: 10.4025/actasciagron. v39i1.30979.

14. Тимакова Р.Т., Романова А.С., Курдюмов А.В. и др. Оценка ради­ационной безопасности пищевых продуктов методом парамаг­нитного резонанса // Агропродовольственная политика России. 2016. № 9. С. 83-88.

15. Brainina Kh.Z., Ivanova A.V., Sharafutdinova E.N. et al. Potentiometry as a method of antioxidant activity investigation // Talanta. 2007. Vol. 71, N 1. P. 13-18.

16. Van der Sluis A.A., Dekker М., de Jageretal A. Activity and con­centration of polyphenolic antioxidants in apple: effect of cultivar, harvest year, and storage conditions // J. Agric. Food Chem. 2001. Vol. 49, N 8. P. 3606-3613.

17. Imeh U., Khokhar S. Distribuution of conjugated and free phenols in fruits: antioxidant activity and cultivar variations // J. Agric. Food Chem. 2002. Vol. 50, N 22. P. 6301-6306.

18. Karaman S., Tutem Е., Sozgen Baskan K. et al. Comparison of total antioxidant capacity and phenolic composition of some apple juices with combined HPLC-CUPRAC assay // Food Chem. 2010. Vol. 120, N 4. P. 1201-1209.

19. Быкова Т.О., Макарова Н.В., Азаров О.И. Химический состав и показатели антиоксидантной активности сортовых яблок Самарской области // Изв. вузов. Пищевая технология. 2016. № 2-3 (350-351). С. 21-24.

20. Валиулина Д.Ф. Биотехнология яблочного сока прямого отжи­ма функционального назначения: характеристика ресурсов, совершенствование технологии, свойства готовой продукции : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Самара, 2015.

21. Цюпко Т.Г., Петракова И.С., Бриленок Н.С. и др. Определение суммарного содержания антиоксидантов методом FRAP // Ана­литика и контроль. 2011. Т. 3, № 15. С. 287-298.