Proč je červená řepa?

Červená řepa (Beta vulgaris) je dvouletá bylina patřící do čeledi Chenopodiaceae. Tato kořenová zelenina je široce pěstována po celém světě, přičemž hlavní produkce je soustředěna v Evropě, Severní Americe a celé Asii. Četné studie ukazují, že řepa má příznivé vlastnosti pro lidské zdraví.

Červená barva této kořenové zeleniny pochází z jedinečné skupiny pigmentů známých jako betalainy. Jsou to ve vodě rozpustné červenofialové a žluté pigmenty obsahující dusík, které poskytují živé barvy rostlinným orgánům, včetně listů, stonků, plodů, květů, kořenů a semen. Betalainy jsou lokalizovány v buněčných vakuolách, konkrétně v epidermálních a subepidermálních tkáních rostlin, které tyto pigmenty syntetizují.

Na základě svých strukturních charakteristik a vlastností pohlcujících světlo se betalainy obvykle dělí do dvou skupin – červenofialové betakyany a žluté betaxantiny. Většina z nich (75–95 %) jsou betakyany. Podíl betaxanthinů je 5–26 %.

V poslední době jsou betalainy široce používány pro fortifikaci a barvení potravinářských produktů díky jejich výrazné barvicí schopnosti, stejně jako protirakovinné aktivitě, antiradikálovým, antimikrobiálním, protizánětlivým, antidiabetickým a dalším biologickým vlastnostem spojeným s předpokládanými přínosy pro lidské zdraví.

Avšak použití betalainů jako přírodních barviv pro barvení potravinářských produktů vyvolává problémy spojené s udržením jejich chemické stability za určitých podmínek zpracování a následně s jejich barevnou schopností a bioaktivitou.

Účelem studia je studium vlastností a stability betalainů, výběr metod a podmínek pro jejich optimální extrakci z rostlinných objektů a také vytvoření přírodních potravinářských barviv pro potravinářský průmysl na bázi betalainových extraktů.

Materiály a metody výzkumu

Jako předmět pro izolaci betalainového pigmentu jsme použili dostupné potravinářské suroviny – stolní řepu (Beta vulgaris) odrůda Bordeaux 237, pěstovaná v Primorském území. Výzkumné práce probíhaly v letech 2022 až 2023 na Federální univerzitě Dálného východu (FEFU) (Vladivostok, Rusko).

Extrakce betalainů byla prováděna vodou a roztokem 95% ethylalkoholu při 25 ºС, 40 ºС, 60 ºС, 100 ºC po dobu 5 minut, 30 minut, 60 minut. a 90 min. respektive.

Ultrazvuková extrakce roztoků betalainu byla prováděna pomocí ultrazvukové lázně Sonorex RK100H (Bandelin, Německo) po dobu 30 minut. při teplotě 25 °C. Vzorky byly zpracovány při expoziční frekvenci 35 kHz a výkonu 80 W.

Diferenciální UV spektra vzorků betalainu byla zaznamenána pomocí UV1800 Shimadzu spektrofotometru (Japonsko) v rozsahu vlnových délek 230–700 nm.

Pro studium vlivu aktivní kyselosti (pH) na vlastnosti betalainového barviva byly použity tlumivé roztoky v rozmezí pH 3,7–10,7.

Koncentrované barvivo betalain bylo získáno extrakcí betalainů vodným roztokem a následným zahuštěním na vakuové (rotační) odparce Hei-VAP Advantage ML/G3B (Německo).

Antiradikálová aktivita koncentrovaného betalainového barviva byla studována metodou DPPH (2,2-difenyl-1-pikrylhydrazyl).

Obsah sušiny byl stanoven sušením do konstantní hmotnosti v termostatu Memmert Celsius 400 (Německo).

Studie na stanovení antiradikálové aktivity a obsahu sušiny byly provedeny čtyřnásobně, experimentální data byla zpracována metodami matematické statistiky s využitím aplikačních balíků MS Excel 2011 (USA) a Statistica 10 Enterprise, 2011 (USA).

Rozpustnost koncentrovaného betalainového barviva byla stanovena při teplotě 20–25 °C. 300 ml koncentrovaného betalainového barviva byly přidány do 3 ml vody, důkladně promíchány a byla vizuálně kontrolována průhlednost roztoku, přítomnost sedimentu a zákal.

Kyselost (pH) barviva byla stanovena při teplotě 20 °C pomocí pH metru pH/MVMETTER-220 (USA).

Výsledky a diskuse

Vzhledem k tomu, že typ rozpouštědla a extrakční podmínky hrají důležitou roli při úplné izolaci pigmentů z rostlinných materiálů, byly betalainy extrahovány ze zónované řepy odrůdy Bordeaux 237 vodným roztokem, etylalkoholem a pomocí ultrazvukové extrakce. UV spektra roztoků betalainu izolovaných za různých extrakčních podmínek jsou uvedena na obrázku 1.

Výsledky ukazují, že roztoky betalainu mají několik absorpčních píku v UV spektrech. Bez ohledu na extrakční metodu je maximální absorpce roztoků betalainu pozorována při vlnové délce 538 nm. Tento pík ukazuje na přítomnost pigmentů červené řepy (betacyaninů) v roztocích.

Nejmenší množství betakyaninů se uvolňuje do roztoku v důsledku vodné extrakce. Optická hustota těchto roztoků je 1,85. V roztocích izolovaných pomocí 95% etylalkoholu a ultrazvukové extrakce je obsah betakyaninů výrazně vyšší. Optická hustota roztoků betakyaninu izolovaných pomocí 95% ethylalkoholu a ultrazvukové extrakce je 2,53 a 2,67.

V roztocích betalainů izolovaných pomocí vodné, ultrazvukové extrakce a 95% ethylalkoholu je pozorován pík při vlnové délce 480 nm, indikující obsah žlutých pigmentů (betaxanthinů) v roztoku. V roztocích betalainů izolovaných pomocí vodné a ultrazvukové extrakce. tento vrchol je méně výrazný.

Literatura také ukazuje, že žluté řepné pigmenty (betaxantiny) se lépe extrahují lihovým roztokem.

Navíc při vlnové délce 280 nm všechny roztoky betalainu vykazují pík, což ukazuje na přítomnost pektinových látek v extraktech.

Vzhledem k tomu, že betalainy jsou citlivé na faktory, jako je délka a teplota extrakce, jsou prezentována UV spektra roztoků betalainů izolovaných v různých časech (obr. 2) a extrakční teploty (obr. 3).

Bylo zjištěno, že doba extrakce významně ovlivňuje výnos pigmentu z okopanin. Nejvyšší výtěžek betalainů je pozorován při extrakci pigmentu po dobu 30 minut. Optická hustota pigmentu je 1,98. Prodlužte dobu extrakce na 60–90 minut. vede ke snížení výtěžnosti pigmentu. Stupeň extrakce betalainů izolovaných z řepy po dobu 60 minut. a 90 min., klesá o 12 % a 17 %, v tomto pořadí.

Z výsledků (obr. 3) je zřejmé, že k maximální extrakci betalainů z řepy dochází při teplotě 60 °C. Optická hustota roztoků betalainu extrahovaných vodným roztokem při teplotě 60 °C je 1,75. Snížení teploty extrakce na 25 ºС a 40 °С vede ke snížení výtěžnosti betalainů z rostlinných surovin. Stupeň extrakce betalainů z rostlinných materiálů extrahovaných při teplotách 25 ºС a 40 °С klesá 2,5krát a 2,7krát.

Zvýšení extrakční teploty na 100 °C vede ke snížení obsahu extrahovaných betalainů v roztoku. Stupeň extrakce betalainů extrahovaných při teplotě 100 °C po dobu 5 minut se sníží 1,2krát. Navíc v betalainových extraktech extrahovaných při teplotě 100 °C se pík objevuje při vlnové délce 430 nm. Pravděpodobně výskyt tohoto píku ukazuje na degradaci betalainů při vysokých teplotách. Studie jiných autorů ukazují, že při vaření se betanin (související s červenými pigmenty řepy) přeměňuje na neobetanin dekarboxylací nebo dehydrogenací. Neobetanin a jeho deriváty vykazují maximální absorpci světla v rozmezí 420–464 nm, to znamená, že mají žlutooranžovou barvu, přestože svou chemickou strukturou patří do skupiny fialových betakyaninů.

Nejoptimálnější podmínky pro izolaci betalainů z řepy jsou tedy jejich extrakce 95% etylalkoholem při teplotě 25 °C po dobu 30 minut, extrakce ultrazvukem při teplotě 25 °C po dobu 30 minut. a extrakci vodným roztokem při 60 °C po dobu 30 minut.

Změna barvy roztoků betalainu izolovaných z řepy při různých hodnotách pH systému je znázorněna na obrázku 4. UV spektra roztoků betalainu při různých hodnotách pH systému jsou zobrazena na obrázku 5.

Obrázek 4 ukazuje, že změna pH systému ovlivňuje barvu betalainů. V rozmezí pH 3,7–8,2 mají roztoky betalainu jasně růžovou barvu. Při pH 10,5 je pozorována prudká změna barvy roztoků. Betalainové extrakty při pH > 10,5 získávají bohatou vínovou barvu.

Bylo zjištěno, že při různých hodnotách pH dochází k posunu v absorpčním maximu betalainů. S rostoucími hodnotami pH systému se absorpční maximum z 538 nm (pH = 3,7) posouvá na 542 nm (pH = 10,7). Absorpční maximum při 480 nm (pH = 3,7–8,2) se posouvá na 360 nm (pH = 10,5–10,7), což rovněž ukazuje na transformační změny ve struktuře betalainů a tím i na změnu jejich barvy při hodnotách pH > 10.

Extrakty betalainu byly použity k výrobě koncentrovaného přírodního barviva. Koncentrované barvivo betalain bylo získáno zahuštěním roztoků betalainů extrahovaných z rostlinných materiálů vodou při teplotě 60 °C po dobu 30 minut na vakuové (rotační) odparce.

Organoleptické a fyzikálně chemické vlastnosti koncentrovaného betalainového barviva jsou uvedeny v tabulce 1.

Ukázalo se, že barvivo betalain získané zahuštěním je tmavě červená kapalina se slabou vůní a chutí červené řepy. Koncentrované barvivo betalain má antiradikálovou aktivitu (1,49 ± 0,15 mM) a obsahuje 11 ± 0,55 mg/cm3 betalainů.

UV spektrum koncentrovaného betalainového barviva je znázorněno na obrázku 6.

Bylo zjištěno, že koncentrované betalainové barvivo obsahuje betalainy a pektinové látky s absorpčními maximy při vlnových délkách 540 nm a 280 nm.

Vzhledem k tomu, že spotřebitelský cukrářský trh nabízí širokou škálu výrobků s krémovou úpravou, je jedním z důležitých úkolů potravinářského průmyslu rozšíření sortimentu dokončovacích polotovarů používáním přírodních barviv při jejich výrobě, která nejen zlepšují kvalitu produkty, ale také dodají produktu krásný vzhled a barvu, ale také je obohatí o chybějící nutriční a biologicky aktivní látky.

K výrobě krému Glace bylo použito koncentrované barvivo betalain, které bylo připraveno podle standardní receptury zavedením koncentrovaného barviva betalainu v množství 3–7 % hmotnosti hlavní suroviny ve fázi míchání směsi protein-polysacharid.

Organoleptické hodnocení vzorků krému Glace s přídavkem koncentrovaného barviva betalain v množství 3–7 % je uvedeno v tabulce 2.

Z výsledků (tabulka 2) je zřejmé, že nejlepší organoleptické ukazatele byly zjištěny u krému „Glassé“ s přídavkem 5% koncentrovaného barviva betalain. Tento vzorek krému získal příjemnou jasně růžovou barvu a měl nadýchanou, jednotnou a stabilní konzistenci.

Závěry

Bylo zjištěno, že optimální podmínky pro izolaci betalainů z řepy jsou jejich extrakce 95% etylalkoholem při 25 °C po dobu 30 minut, ultrazvuková extrakce při 25 °C po dobu 30 minut. a extrakci vodným roztokem při 60 °C po dobu 30 minut.

Změna pH systému má významný dopad na stabilitu a barvu pigmentu. Bylo zjištěno, že nejstabilnější barva pigmentu je udržována v rozmezí pH = 3,7–8,2. V oblasti pH > 10 dochází k transformačním změnám ve struktuře betalainů a k prudké změně barvy pigmentu. Betalainové extrakty při pH > 10 získávají bohatou vínovou barvu.

Ukázalo se, že barvivo betalain získané zahuštěním je tmavě červená kapalina se slabou vůní a chutí červené řepy. Koncentrované barvivo betalain má antiradikálovou aktivitu (1,49 ± 0,15 mM) a obsahuje 11 ± 0,55 mg/cm3 betalainů.

O autorech

Natalja Jurjevna Česnoková, doktor technických věd, docent,

Alla Alekseevna Kuzněcovová, Kandidát technických věd, docent,

Ludmila Vladimirovna Levochkina, Kandidát technických věd, docent,

Maxim Andrejevič Tarabajev, bakalář,

Federální univerzita Dálného východu, o. ruština, poz. Ajax, 10, Vladivostok, 690922, Rusko

УДК 664.022.33:633.412:547.97 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-374-9-185-190

Časopis “Agricultural Science”

Zemědělství, veterinární lékařství, nauka o zvířatech, agronomie, agroinženýrství, technologie potravin