Метод ASLT для определения сроков годности функциональных напитков

Разработан инновационный безалкогольный напиток функционального назначения для профилактики расстройств нервной системы человека и определили его срок годности методом ускоренного тестирования срока хранения ASLT (Accelerated Shelf Life Testing) с использованием модели Аррениуса и критерия Q_10.. Для прогнозирования времени эксперимента при ускоренных режимах хранения использован калькулятор ускоренного старения времени (AAT Calculator). Контролируемыми показателями выбраны: массовая доля антоцианов и суммарного содержания фенольных веществ, органолептические показатели (цвет, запах, вкус). Испытания проводили при повышенной температуре 60°C, максимально возможной при которой закон Аррениуса действует. Для тестирования органолептических показателей выставляли контрольный образец при температуре 20°C. Пробы отбирали через равные промежутки времени, раз в неделю. Продолжительность срока хранения определяли временем от начала эксперимента до момента, когда напиток признается непригодным по одному или нескольким контролируемым показателям и опирались на данные калькулятора старения времени. Выявлено, что при температуре 60°C деградация антоцианов и фенольных веществ, произошла на 7 сутки, что соответствует 3,7 месяца хранения при стандартных условиях. Одновременно произошло изменение цвета с амарантового на розово-коричневый. Срок годности можно продлить до 11–12 месяцев, если в рецептуре напитка увеличить количество источника функциональных компонентов для компенсации потери флавоноидов в период хранения.

Ключевые слова: функциональный напиток, срок годности, ускоренное тестирование срока годности, методы ASLT, уравнение Аррениуса, критерий Q₁₀, калькулятор старения времени, антоцианы, фенольные вещества, органолептические показатели

It developed an innovative soft functional beverage for preventing disorder of the nervous system of the person. We determine its shelf life by accelerated shelf-life testing ASLT (Accelerated Shelf Life Testing) using the Arrhenius model and Q10 test. To predict the time of the experiment under accelerated storage conditions used accelerated aging time calculator (AAT Calculator). Monitored parameters were: the mass fraction of the total content of anthocyanins and phenolic compounds, organoleptic properties (color, smell, taste). Tests were carried out at the temperature of 60 ° C, at which the maximum possible effect of the Arrhenius law. To test the organoleptic test sample exhibited a temperature of 20 ° C. Samples were taken at regular intervals once per week. Shelf life is determined by the time from the beginning of the experiment until the beverage is deemed unsuitable for one or more controllable parameters and based on data calculator aging time. It was found that at 60 ° C, anthocyanins and phenolic compounds degradation occurred on the 7th day. This led to changes in the color of the beverage. It became pink and brown. This is equivalent to 3.7 months of storage at standard conditions. Shelf life can be extended to 11–12 months, if the beverage recipe to increase the number of functional components of the source to compensate for the loss of flavonoids during storage.

Keywords: functional drink; shelf life; Accelerated shelf life testing; Methods ASLT; Arrhenius equation; Q10 criterion; aging time calculator; anthocyanins; phenolics; organoleptic characteristics

В последнее время в пищевой промышленности развивается сфера функционального питания. Большой ассортимент хлебобулочных изделий, молочных продуктов, безалкогольных напитков можно наблюдать на рынке. Подспорьем функционального питания послужила концепция здорового и правильного питания. Данная сфера продуктов производится из максимально натуральных ингредиентов и обогащается нутриентами, которые способны оказывать профилактический или лечебный эффект, если продукт произведён и хранится в рекомендованных условиях. [1] Любые витамины, провитамины, ферменты и другие, биологически активные ингредиенты имеют свои критические пределы. Исходя их этого, пищевая промышленность разрабатывает новые технологические процессы для производства таких продуктов, которые способны сохранить нутриенты в течение всего технологического процесса и хранения. Срок годности таких продуктов остаётся неизменным. Его можно рассматривать как промежуток времени в течение, которого продукт храниться и реализуется без потерь качества или функциональности для потребителя. Так же под сроком годности понимают крайний срок хранения продукта, по истечению которого продукт не пригоден для употребления. Поэтому срок годности является одним из важнейших показателей качества готового продукта. Он гарантирует потребителю безопасность и пользу. [2] Для определения срока годности существует метод ускоренного тестирования ASLT (Accelerated Shelf Life Testing), который значительно сокращает определения этого показателя и позволяет определить его в экспресс-режиме. [3] Этот метод имеет свои положения:

– получение надежных данных о процессе порчи за короткий период времени;

– выбор используемой модели;

– способ прогнозирования фактического срока годности продукта.

1. Выбор кинетических факторов для ускорения процесса.
2. Проведения кинетических исследований процесса порчи в заданных условиях, которые обеспечивают большую интенсивность процесса.
3. Оценка параметров модели и экстраполяция на обычные режимы хранения
4. Использование полученных данных для прогнозирования срока годности.

Необходимым условием для применения этого принципа является наличие адекватной кинетической модели порчи, которая включает все факторы, которые могут влиять на скорость химической реакции. Факторы, которые обязательно должны присутствовать в кинетической модели делятся на два вида: факторы, которые изменяются в течение хранения и факторы, которые используются для ускорения скорости реакции. Этот метод позволяет использовать любые факторы для ускорения скорости реакции. [4]

Самый простой и широко используемый метод ASLT, это метод единого фактора ускорения. Этот метод отличается своей доступностью и простотой. Чтобы получить точный прогноз срока хранения продукта основное значение имеет валидность модели. К сожалению, валидность, выбранной модели нельзя до конца подтвердить в рамках метода ASLT, так как режимы и условия эксперимента не схожи с реальными условиями. Обобщённые данные можно получить, применяя уже имеющиеся эмпирические данные или многократно проверенные физико-химические теоретические положения. Такую обоснованную модель представляет собой модель Аррениуса, которая связывает скорость реакции и изменение температуры и гласит, что с повышением стандартной температуры на 10°C скорость химической реакции в напитках увеличивается в два раза. Данная модель описывается уравнением Аррениуса:

K =

где Kо — константа;

Eа — энергия активации;

R — газовая постоянная;

Т — абсолютная температура.

Данная модель популярна и востребована, поэтому она имеют обширную базу данных, в том числе по показателям энергии активации. Но процесс можно упростить ещё больше, избежав анализа Kо, используя отношение между скоростями реакции при изменении температуры на 10°С. Такое отношение скоростей называется критерием старения Q₁₀. [3,5]Он говорит о том, насколько интенсивнее протекает реакция при росте температуры на каждые 10°С.

Q₁₀=

Простота использования критерия старения делает этот метод востребованным. Если использовать имеющиеся данные значений энергии активации, то необходимо проводить ускоренное тестирование при одной выбранной повышенной температуры. Выбор максимальной температуры, при которой действует закон Аррениуса, значительно уменьшит практические усилия. Для получения более точных данных можно определить энергию активации. [3,6] В таком случаи скорость реакции должна быть получена при нескольких температурах, которые ниже максимальной на столько, чтобы остаться в пределе применимости кинетической модели. Исходя из выше сказанного, целью работы является определение срока годности ускоренным методом тестирования (ASLT) разработанного функционального напитка противотревожного действия на основе зелёного неферментированного чая и плодово-ягодных соков, используя модель Аррениуса и критерий старения Q₁₀. Носителями функциональных нутриентов выбраны сухие экстракты из плодово-ягодного сырья. Данный функциональный напиток стабилизирует нервную систему, устраняя тревогу, волнение и предназначен для профилактики нервных расстройств, депрессий.

Для того, чтобы спрогнозировать сам эксперимент: ориентировочное время экспозиции напитка в термостате при повышенной температуре, которое будет равносильно реальному сроку годности, существует Accelerated Aging Time (AAT) Calculator (Калькулятор Ускоренного Старения Времени). Этот калькулятор учитывает желаемый срок хранения продукта, температуру ускоренного старения и критерий старения Q₁₀, а также температуру окружающей среды. [7]

Пример:

Задаём желаемый срок годности функционального напитка (RT), в данном случае это 12 месяцев, выставляем температуру ускоренного старения(T_AA) не выше 60°C и температуру окружающей среды (T_RT) 20°C. Критерий старения Q₁₀, как правило, используют равным двум. В результате осуществляется автоматический расчёт по формуле:

Решение:

AAT = = 22,8 дней

Вывод: Для того, чтобы реальный срок годности функционального напитка составлял 12 месяцев, необходимо, что бы он выдерживался в термостате при температуре 60°C 23 дня без изменений контролируемых показателей.

Пробы напитка отбирали через промежутки времени, равные 0; 7; 14; 21 суткам и с помощью аналитических методов определяли основные физико-химические показатели качества: массовую долю антоцианов и суммарное содержание фенольных веществ, органолептические показатели качества (цвет, запах, вкус) дегустационным методом, содержание сухих веществ (СВ), активную кислотность (pH) [1,8].

Выбранное плодово-ягодное сырье сортировали, промывали проточной водой, ополаскивали дистиллированной водой для удаления микроорганизмов с поверхности плодов, просушивали. Было приготовлено 5 образцов мезги из каждого вида плодов, путем измельчения на электрической мельнице. Полученную мезгу обрабатывали пектолитическим ферментным препаратом П6-Л дозировкой 0,03 % от массы мезги с целью расщепления пектиновых веществ клеточной стенки плодов, и для увеличения выхода сока. Температура и время выдержки обработанной мезги составляла 45–55°C в течение 40 минут на водяной бане. По окончании ферментации мезгу фильтровали [9]. Листовой неферментированный зелёный китайский чай экстрагировали из расчета 3 г чая на 100 мл горячей воды в течение 10 минут при температуре 85°C, охлаждали, фильтровали, и вносили в подготовленный купаж соков. Полученный напиток отфильтровывали в круглодонную, стерильную колбу со шлифом. Полученный напиток составлен из следующих компонентов: зелёный китайский чай, сок зелёного и красного яблока, сок малины, сок черники, сок клубники, сок лайма, сухой экстракт чёрной смородины листа, экстракт виноградного листа, экстракт кожицы винограда. Далее проводили пастеризацию при температуре 75–77°C в течение 2 минут для инактивации ферментов и уменьшения контаминации напитка от слизеобразующих и уксуснокислых бактерий, дрожжей. [10,11] Температура фиксировалась электронным термометром с погрешностью ±0,1°C. Смесь сухих экстрактов вносилась в охлажденный после пастеризации напиток для максимального сохранения в них экстрактивных веществ. Составленный согласно рецептуре, напиток разливали в три стерильные емкости по 120 мл: две — параллельные образцы, третья — контрольный образец, выдерживали при температуре 20°C в течение всего исследования, а параллельные испытывались в термостате при температуре 60°С. [12,13]

В рамках исследования определяли физико-химические показатели, контролируемые в процессе эксперимента: содержание антоцианов определяли спектрофотометрическим методом в соответствии с технохимическим контролем плодово-ягодного сырья на спектрофотометре марки ПЭ-5300ВИ; суммарное содержание фенольных веществ (флавоноидов) определяли, используя перманганатометрический метод [14]; активную кислотность (рН) на рН-метре марки Titrino plus. Содержание сухих веществ — рефрактометрическим методом на рефрактометре PTR 46. Обработка результатов производилась с помощью Microsoft Excel 2010. Результаты исследования представлены в таблице 1.

Физико-химические иорганолептические показатели напитка при температуре 20°C

На рисунке представлены зависимости концентраций антоцианов и суммарных фенольных веществ от времени.

Рис 1. Зависимость концентраций антоцианов и флавоноидов от времени ускоренного хранения.Где х — концентрация флавоноидов; x’- концентрация антоцианов

Обсуждение результатов

Из анализа кривых изменения антоцианов и суммарных фенольных веществ (рис. 1) в процессе выдержки напитка при температуре 60°C, заметно резкое уменьшение концентрации антоцианов на 68 %, которое произошло через 7 суток. С 7 до 21 суток медленно снижались до минимальных концентраций значения и после разрушились на 95 %. В контроле наблюдалось медленное изменение концентрации в течение 21 суток на 5 % без изменения органолептических показателей. По результатам видно, что антоцианы обладают низкой резистентностью к высоким температурам при длительном выдерживании. Цвет напитка приобрел коричневый оттенок. Это подтверждает разложение антоцианов. Массовая доля суммарных фенольных веществ во время эксперимента изменялась гораздо медленнее: через 7 суток снизилась на 33 %, а через 21 сутки — на 50 %. В контрольном образце через 21 сутки фенольные вещества снизились на 25 %. Таким образом, если концом эксперимента считать период, когда антоцианы снизились на 68 %, то срок годности составляет:7·2·2·2·2/30 = 112 суткам (4 месяцам) [4]. Если окончание эксперимента считать время, когда фенольные вещества перестали соответствовать требованиям, то срок годности составляет: 21·2·2·2·2/30 = 336 суткам (11,2 месяцам). Таким образом, в результате эксперимента:

1. Выявлено, что деградация массовой доли антоцианов произошла на 7 сутки и составила 68 %. Это соответствует, согласно методу ASLT, реальному сроку хранения 4 месяца; массовая доля суммарных фенольных веществ снизилась на 34 %. Цвет напитка приобрёл розово-коричневый оттенок на 7 сутки. Такое проявление связано с частичной деградацией антоцианов. (рис. 1)
2. Снижение массовой доли суммарных фенольных веществ, которое произошло на 21 сутки, составило 50 % и это соответствует сроку хранения при нормальных условиях 11 месяцев. Одновременно массовая доля антоцианов снизилось на 95 %.

Выводы

1. Установлен срок хранения функционального напитка на основе зелёного чая, плодово-ягодных соков и сухих растительных экстрактов 4 месяца по наименее резистентному компоненту — антоцианам к действию повышенных температур. По наиболее резистентному компоненту — флавоноидам срок составил 11 месяцев.
2. Срок годности можно продлить, если в рецептуру напитка изначально добавлять избыточное количество сухих экстрактов и или заменить на другой экстракт, содержащий антоцианы в большем количестве.
3. Достоверность прогноза калькулятора ускоренного старения времени точна, что доказала обратная проверка. Подставляя в форму, экспериментально полученный и рассчитанный на основании закона Аррениуса срок годности и значение экспериментальной температуры. Получается, что для реального срока хранения сроком 11 месяцев ускоренное время составил 20,9 дней, что приблизительно равно 21 суткам.

Результаты проведенных исследований показали, что метод ускоренного старения (ASLT) с использование уравнения Аррениуса и критерия Q10 можно рекомендовать для определения срока годности функциональных напитков на основе чая и плодово-ягодных соков. Так же для прогнозирования условий выдержки напитка в ходе эксперимента можно использовать калькулятор ускоренного старения времени (AAT Calculator), что является удобным, и позволит добиться желаемого срока годности, варьируя технологию производства функционального напитка, режимы основных этапов, рецептуру продукта. Калькулятор ускоренного старения позволяет планировать время эксперимента и загрузку лабораторного оборудования, а также арендовать лабораторное помещение на конкретное время.

Литература:

1. Пакен П. Функциональные напитки и напитки специального назначения. СПб.: Профессия, 2010. 495 с.
2. Килкаст Д., Субраманиам П. Стабильность и срок годности. Безалкогольные напитки, соки, пиво и вино. СПб.: Профессия, 2012. 440 с.
3. Стеле Р.Срок годности пищевых продуктов. Расчёт и испытание. Пер. с английского В. Широкова.-Спб: Профессия, 2006, 480 стр.
4. Гафизов С. Г. Влияние метода обработки и температуры хранения гранатового сока на сохранность антоцианов // Технические науки — от теории к практике, 2015. № 43. С. 59–72.
5. Стеле Р. Срок годности пищевых продуктов. Расчет и испытание. СПб.: Профессия, 2006. 480 с.
6. Школьникова М. Н., Аверьянова Е. В., Щеглова И. В. Изучение возможности применения метода ускоренного старения для прогнозирования сроков хранения безалкогольных бальзамов // Техника и технология пищевых производств. 2009. № 1. С 52–56.
7. http://www.westpak.com/page/calculators (Калькулятор ускоренного старения времени)
8. Гаделева Х. К., Кунакова Р. В., Аверьянова Е. В. Функциональные продукты питания. М.: Кнорус, 2012. 304 с.
9. Сосюра Е. А. Разработка технологии напитков функционального назначения на основе виноградного сока: дис. … канд. техн. наук. Краснодар, 2014. 208 с.
10. Фролова Н. А., Темердашев З. А., Цюпко Т. Г., Чупринина Д. А. Оценка стабильности фенольных соединений и флавоноидов в лекарственных растениях в процессе их хранения // Химия растительного сырья, 2011. № 4. С. 193–198.
11. Маркосов В. А., Агеева Н. М., Габлия Р. В. Фенольные соединения в ягоде при разных условиях выращивания винограда // Виноделие и виноградарство, 2007. № 4. С. 24–25.
12. Martinsdottir E. Sensory quality management of fish. Sensor analysis for food and beverage quality control. Cambridge: Woodhead publishing, 2010, pp. 293–315.
13. Kilcast D. Combining instrumental and sensory methods in food quality control. Sensor analysis for food and beverage quality control. Cambridge: Woodhead publishing, 2010, pp. 97–117.
14. Гержикова В. Г. Методы технохимического контроля в виноделии. Симферополь: Таврида, 2007. 260 с.