Одними из новых препаратов растительного происхождения, для применения в качестве антиоксидантов в пищевой промышленности, являются препараты, полученные из семян расторопши пятнистой. В них содержатся флаволигнаны. Флаволигнаны - флавоноиды, содержащие в своем составе дополнительный фенилпропаноидный фрагмент (-С6-С3-). Главным действующим компонентом этого препарата является силимарин - смесь трех основных изомерных соединений - силикристина, силидианина и силибина. Последний из них превалирует по количественному составу и обладает наиболее высокой биологической активностью и биодоступностью.
Способность препаратов расторопши пятнистой взаимодействовать с активными формами кислорода объясняется фенольной структурой молекулы силибина, антиоксидантный эффект обусловлен взаимодействием со свободными радикалами и превращением их в менее агрессивные соединения. Тем самым прерывается процесс перекисного окисления липидов. Благодаря этим свойствам, расторопша пятниста (Silybum marianum [L.] Gaertn) нашла широкое применение в медицине как гепато- и экопротекторов.
Однако в литературных источниках не найден опыт применения препаратов расторопши пятнистой в качестве антиоксидантов для продуктов питания, так же не известны концентрации его внесения.
В связи с тем, что молочные жиры являются скоропортящимся продуктом, распадающимся на альдегиды, кетоны и другие карбонильные соединения, оказывающие токсичное действие на живой организм, нами решено исследовать воздействие препарата из семян расторопши пятнистой на подавление процесса окисления молочного жира.
Как известно, в составе препаратов из семян расторопши пятнистой доминирующим является силибин, обладающий наибольшей биологической активностью. Учитывая и то, что на сегодняшний день имеются методики определения количественного содержания силибина в препаратах на основе семян расторопши пятнистой, исследования подавления процесса окисления вели, изменяя концентрацию содержания силибина.
Исследования проводились на молочном жире с внесением в него сертифицированного препарата «Мука растительная из плодов расторопши». Следующим этапом определяли количественное содержание силибина в исследуемом препарате.
Содержание силибина в препарате «Мука растительная из плодов расторопши» определяли методом, описанным во временной фармакопейной статье (ВФС) №42-3380-99 «Плоды расторопши пятнистой». Был получен спиртовой экстракт препарата, который в дальнейшем измеряли на высокоэффективном жидкостном хроматографе (ВЭЖХ). Измерения проводились в сравнении со спиртовым раствором государственного стандартного образца (ГСО) силибина, по результатам измерения получена хроматограмма представленная на рис. 1.
Рис. 1. Хроматограмма стандарта силибина и исследуемого образца продукта переработки семян расторопши пятнистой: 1 - ГСО силибин; 2 - препарат «Мука растительная из плодов расторопши»
По результатам анализа, из хроматограммы стандарта силибина и исследуемого образца, определено содержание силибина в растворе препарате расторопши пятнистой.
По формуле закона Ламберта - Бера было рассчитано количественное содержание силибина в растворе образца:
[мг/л], (1)
где: Аобразца - оптическая плотность спиртового раствора препарата расторопши; Аобразца - оптическая плотность спиртового раствора ГСО силибина; Сстанд ГСО - концентрация силибина в спиртовом растворе ГСО
Далее был проведен пересчет для определения процентного содержания силибина в исходном (сухом) препарате плодов расторопши пятнистой. Расчет велся путем обратной пропорции, на основании метода приготовления растворов по ВФС №42-3380-99. Проведенные расчеты показали, что в (сухом) препарате «Мука растительная из плодов расторопши» содержится 0,19% силибина.
Поисковые опыты с целью изучения антиоксидантных свойств, исследуемого препарата были заложены с тремя различными концентрациями содержания силибина мг/кг масла (20 мг/кг, 50 мг/кг, 100 мг/кг).
Опыты проводились с трехкратной повторностью, с учетом рандомизации и сопровождались контрольными образцами, для сравнения (масло без добавления антиоксиданта), образцы хранились при температуре 50 0С в термостате.
Основным оценочным показателем эффективности антиоксиданта, является подавление окислительного процесса, определяющегося путем сравнения накопленного количества продуктов окисления (альдегидов) в контрольном и исследуемых образцах.
Показатель активности антиоксиданта обратно пропорционален показателю накопления в исследуемом масле конечных продуктов окислительного распада глицеридов-альдегидов.
Измерения количества альдегидов проводились, с применением метода, описанного в патенте №2192005, 2002 «Способ определения срока годности пищевых продуктов» [4]. Измерения антиоксидантной активности препарата расторопши пятнистой в экспериментальных образцах проводились на 0-е, 7-е, 14-е, 21-е и 28-е сутки. Для проведения исследований использовали сливочное масло, жирностью 72,5%. Зависимость накопления продуктов окисления (альдегидов) от продолжительности хранения образцов показано на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость процесса накопления количества альдегидов в исслеуемом образце масла жирностью 72,5%, от срока хранения, при температуре 50оС и изменении концентрации силибина в масле
Анализ полученных результатов показал, что наибольшую антиоксидантную активность препарат «Мука растительная из плодов расторопши» проявил при концентрации силибина 20 мг/кг, на 28 сутки хранения, количественное содержание альдегидов составило 750 мг/кг, что на 30% ниже контрольного показателя, 1050 мг/кг.
Известно, на накопление альдегидов активно влияют такие факторы как дозировка антиоксиданта, температура хранения, жирность молочного продукта, сроки хранения.
С целью определения изменения антиоксидантных свойств флаволигнанов препарата расторопши пятнистой «Мука растительная из плодов расторопши» в зависимости от одновременного варьирования выше перечисленных факторах, влияющих на процесс образования альдегидов, планировали многофакторный эксперимент.
Использование статистических методов из теории вероятностей (теории планирования эксперимента) в значительной степени упрощает отыскание оптимальных условий в поставленной задаче.
Для достижения цели нами проведен многофакторный эксперимент с использованием матрицы планирования полнофакторного эксперимента 24.
При постановке эксперимента выбору факторов уделялось особое внимание. Под факторами подразумеваем независимо изменяющуюся переменную величину, принимающую в некоторый момент, определенное значение, т.е. дискретную (независимую) от других факторов величину. Каждое значение фактора, называется уровнем, а совокупность уровней образует область определения.
Факторы для проведения полнофакторного эксперимента выбирали из условий того, что фактор должен быть: управляемым (внутри области определения фактору можно было придавать любое выбранное значение и поддерживать его в течение всего опыта постоянным); однозначным (не должны быть функциями других факторов); точность замеров уровней факторов должна быть выше точности фиксирования значений параметра оптимизации; совместимым (любая комбинация уровней внутри областей определения может быть реализована); независимым (возможно установление факторов на любом уровне вне зависимости от уровней других факторов).
Фактор - должен быть существенным, влияющим, значимым для процесса накопления альдегидов. В качестве независимых факторов, изменяющихся одновременно, во время процесса образования и накопления альдегидов выбраны: фактор Х1, - дозировка антиоксиданта, изменяется в пределах от 10 до 30 мг силибина на кг продукта; фактор Х2 - температура хранения, изменяется в пределах 20-50оС; фактор Х3 - жирность, изменяется в пределах 72,5 - 99%; фактор Х4 - срок хранения образцов, изменяется от 14 до 28 суток.
Когда исследование изучаемого процесса протекает при неполном знании механизма «черного ящика» объекта исследования - влияние одновременного воздействия всех четырех факторов на конечный результат, аналитическое выражение функции отклика неизвестно. Тогда функция отклика выражается уравнением регрессии вида (2) [2]:
y=b0+
bixi + 
bijxixj (2)
где xi , xJ - значение выбранных независимых переменных факторов; b0- свободный член, равный выходу при Хi = 0; bi,bJ - коэффициенты регрессии соответствующих факторов, указывающие влияния того или иного фактора на изучаемый объект;
При такой постановке задачи, математическая модель, описывающая процесс имеет вид (3):
У=b0 + b1x1+ b2x2 + b3x3 + b4Х4+b1,2Х1Х2+b1,3Х1 Х3+b1,4Х1 Х4+b2,3Х2 Х3+b2,4Х2 Х4+
b3,4 Х3 Х4+ b1,2,3 Х1 Х2 Х3+b1,2,3,4Х1 Х2 Х3 Х4 (3)
При составлении плана эксперимента предварительно назначаем уровни варьирования факторов. Для уменьшения объема экспериментальной и счетной работы, в многофакторных экспериментах факторы варьировали на двух уровнях. Для получения математической модели решаемой задачи, пределы варьирования значений факторов кодировались, -1 и +1 соответственно как нижний и верхний пределы. Нулевое кодированное значение факторов определялось как среднеарифметическое между -1 и +1. Интервал варьирования факторов должен быть больше удвоенной среднеквадратичной ошибки и его определения. Кодовое обозначение уровней варьирования факторов участвующих в многофакторном эксперименте приведены в таблице 1.
Согласно существующих методик проводились расчеты коэффициентов регрессии. Оценку значимости коэффициентов регрессии определяли по t - критерию Стьюдента, воспроизводимость модели определяли по G - критерию Кохрена, проверка адекватности математической модели оценивали по F - критерию Фишера.
По результатам обработки цифрового материала проведенных многофакторных экспериментов с использованием статистических методов и регрессионного анализа получена математическая модель в виде уравнения регрессии (4), адекватно описывающая процесс накопления альдегидов, при варьировании независимых переменных факторов в заданных пределах.
Таблица 1. Кодирование интервалов варьирования независимых переменных факторов
|
Наименование уровней варьирования факторов |
Кодовые значения факторов |
Физическое значение варьируемых факторов |
Наименование факторов |
|||
|
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Х4 |
|||
|
Шаг варьирования |
- |
10 |
15 |
13.7 |
14 |
Х1 - дозировка антиоксиданта, мг/кг Х2 - температура хранения, оС Х3 - жирность молочного продукта, % Х4 - срок хранения , сутки |
|
Верхний уровень |
+1 |
30 |
50 |
99,9 |
28 |
|
|
Нулевой уровень |
0 |
20 |
35 |
86.2 |
14 |
|
|
Нижний уровень |
-1 |
10 |
20 |
72,5 |
0 |
|
У=674,75-42,38Х1+206,38Х2+322Х3+97,38Х4+5,75Х1Х2-47,63Х1Х3+
6,25Х1Х4+18,13Х2Х3+96Х2Х4-9,38Х3Х4 (4)
Уравнение регрессии (4) описывает неизвестное векторное пространство. Построить его геометрическое изображение невозможно. Однако делать двумерное сечение этого пространства можно, если в уравнении регрессии любые два из четырех факторов фиксировать на нулевом кодированном уровне. Тогда для визуализации влияние концентрации антиоксиданта (фактор Х1) и температуры хранения (фактор Х2) на накопления альдегидов в продукте, мг/кг (вектор функции У) уравнение регрессии (4) имеет вид:
У=674,75-42,38Х1+206,38Х2+5,75Х1Х2. (5)
|
|
|
|
Рис. 3. Поверхность отклика, отражающая зависимость изменения накопления количества альдегидов от изменения Х1-концентрации антиаксиданта и Х2 - температуры хранения при Х3 - жирности продукта 86.2% и Х4-продолжительности хранения 21 сутки
|
Рис. 4. Контурные линии поверхности отклика на координатную плоскость Х20Х1 отражающая зависимость накопления количества альдегидов при изменяющихся независимых переменных факторах Х1 - концентрации антиоксиданта Х2 - температуре хранения
|
С использованием компьютерной программы MATLAB - 6,5 из уравнения (5) нами построена поверхность отклика (рис. 3). В дальнейшем путем проекции горизонтальных сечений поверхности отклика на координатную плоскость Х10Х2 получили кривые отражающие зависимость накопления количества альдегидов при изменяющихся независимых переменных факторах Х1, Х2, когда Х3, Х4 = const = нулевой кодированный уровень (рис. 4).
Для визуализации влияния температуры хранения, оС (фактор Х2) и жирности продукта (фактор Х3) на накопление количества альдегидов в продукте, мг/кг (вектор функции У) уравнение регрессии (4) будет иметь вид (5), поверхность отклика и контурные линии которого отражены на (рис. 5, 6).
У=674,75-206,38Х2+322Х3+18,13Х2Х3 (6)
Аналогично исследовалось накопление количества альдегидов при сочетании независимых факторов (Х3Х4 и Х1Х4).
|
|
|
|
Рис. 5. Поверхность отклика, отражающая зависимость накопления количества альдегидов от изменения Х3 - жирности масла и Х2 - температуры хранения при Х1 - концентрации силибина 20мг/кг и Х4 - продолжительности хранения 21 сутки |
Рис. 6. Контурные линии поверхности отклика на координатную плоскость Х30Х2 отражающая зависимость накопления количества альдегидов при изменяющихся независимых переменных факторах Х3- жирности масла и Х2 -температуре хранения |
Результаты многофакторных экспериментов использованы при производстве масла, содержащего антиоксиданты, обладающего гепатопротекторными и экопротекторными свойствами с продленным сроком хранения, являющегося лечебно - профилактическим продуктом. Для этого пользовались номограммой (рис. 7) которая позволяет выполнять поставленную биотехногенную задачу - контроль накопления альдегидов и предотвращение превышения их заданных значений.
При составлении номограммы на ее осях координат отложены физические значения независимых переменных факторов, а по обеим сторонам этих же осей на координатных плоскостях представлены их кодированные значения, соответствующие матрице кодирования и варьирования факторов.
В каждую четверть номограммы вставлена координатная плоскость соответствующую ее осям, в которой отображены контурные линии, указывающие на накопленное количество альдегидов во время хранения молочного жира, при изменяющихся независимых переменных факторах.
Рис.7. Номограмма для прогноза количества накопления альдегидов в зависимости от изменения независимых переменных факторов Х1 - концентрации антиоксиданта, Х2 - температуре хранения, Х3 - жирности образца, Х4 -срока хранения
Пользуются номограммой в следующей последовательности. К примеру, кривая а1в1 в системе координат Х40Х1 (верхняя левая четверть номограммы) отражает количество накопленных альдегидов, равное 600 мг/кг (условие поставленной задачи), ее горизонтальная проекция проводится на ось Х1,в результате чего получаем отрезок [11, 12] на оси Х1 показывающий пределы изменения для фактора Х1 от 15,5 до 30 мг/кг. Далее отрезок [11, 12] проецируем на кривую а2в2, отражающую количество альдегидов, равное 600 мг/кг в системе координат Х10Х2 (верхняя правая четверть) и отрезок а2в2 проектируется на ось Х2. Отрезок [21 ,22] на оси Х2 соответствует пределу варьирования для фактора Х2 от 29 до 34 оС. Аналогичным образом проводятся проекции на кривые в системах координат Х20Х3 и Х30Х4 и получаются отрезки на оси Х3 - отрезок [31, 32] и на оси Х4 - отрезок [41, 42] показывающий пределы варьирования для фактора Х3 от 81 до 83.5% и для фактора Х4 от 14 до 18 суток.
Таким образом, получили технические параметры, обеспечивающие выполнение поставленной биотехногенной задачи - контроль, прогнозирование накопления альдегидов при хранении молочного жира.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Куркин В.А. //Химико-фармацев-тический журнал. 2003, Т.37, №4.- с. 27-41
- Митков А.Л., Кардашевский С.В. Статистические методы в сельхозмашиностроении. - М.: Машиностроение, 1978. - 360 с., ил
- Поздняковский В.М. Гигиенические основы питания и экспертизы продовольственных товаров. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского университета, 1996.
- Уфимкин Д.П., Коваленко Д.Н. Способ определения срока годности пищевых продуктов //Патент на изобретение №2192005, 2002.