Składniki bioaktywne: Wzbogacanie produktów w składniki bioaktywne

Dobroczynne działanie mlecznych produktów fermentowanych znane jest już od czasów starożytnych i przypisywane działaniu bakterii kwasu mlekowego (LAB), ich metabolitom oraz biologicznie czynnym naturalnym składnikom mleka. Oprócz LAB w produkcji mlecznych produktów fermentowanych wykorzystuje się zróżnicowany zestaw mikroorganizmów, w tym drożdże, pleśnie i bakterie kwasu propionowego. Mleczne produkty fermentowane modulują mikroflorę jelitową i hamują wzrost patogenów dzięki wytwarzaniu metabolitów, tj. kwasu mlekowego i bakteriocynów nagromadzonych w procesie fermentacji. Istnieją dane naukowe wskazujące, że spożywanie mlecznych produktów fermentowanych wiąże się z mniejszym ryzykiem wystąpienia udaru mózgu, chorób układu krążenia, a nawet cukrzycy typu 2. Ostatnio wykazywane są przeciwnowotworowe właściwości kefiru, szczególnie w przypadku raka jelita i jelita grubego.

W dzisiejszych czasach obserwuje się zwiększenie zainteresowania konsumentów produktami prozdrowotnymi i zapewniającymi dobre samopoczucie. A okazuje się, że pomimo własnych korzyści zdrowotnych mleczne produkty fermentowane są doskonałą matrycą do wprowadzania składników bioaktywnych, co czyni je prawdziwą żywnością funkcjonalną. Jednakże wiele z substancji bioaktywnych jest niestabilnych na skutek zmian różnych warunków środowiskowych, takich jak temperatura, kwasowość (pH), natlenienie i światło, wykazuje niską rozpuszczalność lub niekorzystny wpływ na cechy sensoryczne produktów (w tym smak i barwę), co ogranicza tym samym ich zastosowanie w praktyce przemysłowej. Aby zapewnić właściwe parametry funkcjonalne wyrobów, trwają szeroko zakrojone badania nad wzbogacaniem mlecznych produktów fermentowanych w związki bioaktywne i szczepy potencjalnie probiotyczne – jedną z takich metod jest kapsułkowanie. 

Wymiary zakapsułkowanego produktu mogą być w skali nano- i mikrometrów – stąd stosowna terminologia: nano- i mikrokapsułkowanie składników bioaktywnych. Technologia nanoskali ma zalety w porównaniu z mikrokapsułkowaniem. Nanokapsułki mają większą powierzchnię. Może to prowadzić do poprawy biodostępności i rozpuszczalności składników bioaktywnych. Ponadto kapsułki o mniejszej skali są bardziej korzystne pod względem właściwości sensorycznych produktów spożywczych. Na przykład nanoemulsje mające wielkość kropelek mniejszą niż 100 nm są optycznie przezroczyste.

Wybór techniki kapsułkowania zależy nie tylko od właściwości fizycznych i chemicznych składników bioaktywnych, ale także od właściwości produktu końcowego. Kapsułkowane i dostarczane związki bioaktywne nie mogą zmieniać niepożądanego wyglądu, tekstury lub smaku produktu końcowego. Ponadto zastosowana technika kapsułkowania związków bioaktywnych powinna być łatwa, ekonomiczna i wykorzystywać te składniki, które są dopuszczone w produkcji żywności.

Polifenole 

Są naturalnymi związkami chemicznymi o intensywnym działaniu antyoksydacyjnym. Wśród nich wyróżnia się flawonoidy, kwasy fenolowe (fenolokwasy, kwasy fenylokarboksylowe), a także inne związki fenolowe. Najważniejszymi flawonoidami są antocyjanidyny (np. antocyjany), izoflawony, flawonole, katechiny, flawony i flawanony. Do związków fenolowych zalicza się również: kwasy monohydroksybenzoesowe, kwasy dihydroksybenzoesowe (np. kwasy protokatechowy i gentyzynowy), kwasy trihydroksybenzoesowe (np. kwasy galusowy i floroglucynowy), lignany (np. sezamol, sezamina), stilbeny (np. resweratrol), garbiniki (taniny) i kumaryny. Ich naturalnym źródłem są rośliny, a największe ich stężenie odnotowywane jest w skórkach owoców, warzywach czy przyprawach. Można przyjąć, że występują w większości produktów roślinnych, a z żywieniowego punktu widzenia istotne jest dostarczanie ich z różnorodnych źródeł pokarmowych. 

W ostatnich latach zwrócono na nie uwagę ze względu na pozytywny wpływ na zdrowie człowieka. Fenole mają działanie przeciwutleniające, przeciwdrobnoustrojowe i przeciwzapalne oraz wykazują działanie przeciwnowotworowe. Jednak ich niestabilność w żywności, gorzki smak i niska biodostępność często ograniczają ich zastosowanie. Ponadto biodostępność polifenoli jest różna i zależy m.in. od charakterystyki chemicznej, składu pokarmów przyjmowanych wraz z nimi, jak również obecności i składu mikroflory bakteryjnej jelit czy obecności związków antagonistycznych.

Nano- i mikrokapsułkowanie może ułatwiać wzbogacanie różnych matryc żywnościowych w te substancje. Do kapsułkowania stosuje się głównie wyciągi z różnych roślin i owoców. Na przykład przy wzbogacaniu mlecznych napojów fermentowanych preferowane są systemy kapsułkowania oparte na surfaktantach (tj. środkach powierzchniowo czynnych) takich jak liposomy powlekane chitozanem lub suszone rozpyłowo powlekane liposomy i metoda suszenia rozpyłowego. Badania dowodzą, że dodatek kapsułkowanych ekstraktów polifenoli nie ma wpływu na właściwości teksturalne i barwę produktów końcowych niezależnie od zastosowanego systemu kapsułkowania, zaś aktywność przeciwutleniająca zwiększa się i utrzymuje dłużej w porównaniu do produktów otrzymywanych z niekapsułkowaną postacią ekstraktów polifenolowych.

Także w przypadku wzbogacania serów zastosowanie wolnych polifenoli może negatywnie wpływać na teksturę, kolor i smak, szczególnie podczas ich dojrzewania lub magazynowania. Ponadto polifenole oddziałują ze składnikami mleka, przez co tracą swoje właściwości przeciwutleniające. A zatem technika nano- lub mikrokapsułkowania również w tym zastosowaniu przynosi korzyści. Dodatek ekstraktów z ziół i przypraw (np. rozmarynu, zielonej herbaty, oliwek, kopru włoskiego, rumianku) kapsułkowanych z użyciem alginianu sodu, białek odtłuszczonego mleka, maltodekstryny lub lecytyny jako materiałów powlekających nie powoduje zmian parametrów odżywczych i barwnych produktu końcowego, zaś pojemność przeciwutleniająca i biodostępność są skuteczniej zachowane w porównaniu do wolnej formy ekstraktów. 

Karotenoidy 

Karotenoidy to grupa związków izoprenoidowych biosyntetyzowanych przez wszystkie organizmy fotosyntetyczne oraz wiele bakterii i grzybów. Są naturalnymi pigmentami i mają intensywny czerwono-pomarańczowo-żółty kolor. W swojej strukturze karotenoidy mają układ polienowy zawierający sprzężone wiązania podwójne i mogący działać jako pojedyncze wymiatacze wolnych rodników. Jednak ze względu na podwójne wiązania w swojej strukturze karotenoidy są wrażliwe na ogrzewanie i obecność tlenu, łatwo ulegają izomeryzacji i degradacji.

Większość zwierząt (w tym ludzie) nie jest w stanie syntetyzować karotenoidów w swoim ciele. Ludzie pozyskują karotenoidy z diety, głównie z owoców i żywności pochodzenia roślinnego. Dotychczas zidentyfikowano ponad 600 karotenoidów, z czego ok. 60 z nich występuje w pożywieniu, a najpopularniejszymi są: α- i β-karoten, β-kryptoksantyna, luteina, likopen i zeaksantyna. Spożywanie karotenoidów wiąże się z korzyściami zdrowotnymi (tj. mniejszym ryzykiem zachorowania na raka, choroby sercowo-naczyniowe, związane z wiekiem zwyrodnienie plamki żółtej, cukrzycę typu 2) i poprawą funkcji układu odpornościowego. Ponadto niektóre z nich wykazują aktywność prowitaminy A. Jedną z substancji, z których może powstać prowitamina A, jest -karoten. Witamina A jest odpowiedzialna za proces prawidłowego widzenia (bierze udział w procesach zachodzących w siatkówce za sprawą rodopsyny, czyli purpury wzrokowej), odgrywa także bardzo ważną rolę w procesie wzrostu tkanki kostnej oraz komórek nabłonkowych (w szczególności błony śluzowej jamy ustnej, przewodu pokarmowego, układu moczowego, dróg oddechowych).

Dlatego dzienne spożycie karotenoidów w diecie jest niezbędne, mając na uwadze ich rolę w utrzymaniu prawidłowych funkcji organizmu człowieka. Wzbogacenie żywności w karotenoidy może zapewnić ich właściwe dzienne spożycie. W procesie kapsułkowania karotenoidów wykorzystuje się ich czyste formy chemiczne lub surowce żywnościowe w nie bogate (w tym ekstrakty z owoców i warzyw, olej palmowy, ekstrakty z owoców morza).

W badaniach nad wzbogacaniem mlecznych napojów fermentowanych w karotenoidy stosowane są różne systemy kapsułkowania: oparte na emulsji, w tym na bazie stałych nanocząstek lipidowych, oparte na biopolimerach (np. nanowłóknach), oparte na środkach powierzchniowo czynnych (liposomach) oraz układach liofilizacyjnych i suszonych rozpyłowo. Dodatek kapsułkowanych karotenoidów zwiększa funkcjonalność jogurtów, w tym zwiększa ich pojemność przeciwutleniającą. Kapsułkowanie czystych form karotenoidów lub ich ekstraktów zapewnia również bardziej stabilną barwę jogurtów dzięki większej retencji karotenoidów w porównaniu z formą wolną. Ponadto akceptowalność sensoryczna jogurtów wzbogaconych karotenoidami w kapsułkach jest podobna lub nawet wyższa w porównaniu z jogurtami wzbogaconym karotenoidami w postaci wolnej lub otrzymywanymi bez wzbogacania. Badania naukowe obejmują również analizę uwalniania i biodostępności kapsułkowanych karotenoidów dodawanych do jogurtów. 

W przypadku serów karotenoidy mogą służyć jako składniki korzystne dla zdrowia albo jako substancje barwiące. Do takiej aplikacji wykorzystuje się barwnik annato (pozyskiwany z nasion Bixa orellana i składający się z dwóch głównych karotenoidów: norbiksyny i biksyny) odpowiedzialny za żółtawo-czerwony kolor, ekstrakty pomidorowe jako źródła likopenu, a nawet ekstrakty z pieprzu bogate w karotenoidy i polifenole. W celu wytworzenia mikrokapsułek emulsje karotenoidów suszy się rozpyłowo, stosując różne materiały do otoczkowania (np. maltodekstryny, alginiany, chitozan). Doświadczenia półprzemysłowe wskazują na poprawę właściwości sensorycznych (smaku i barwy) serów wzbogacanych tymi sposobami w karotenoidy. 

Witaminy 

Innymi składnikami bioaktywnymi, nad którymi pochylają się badacze z myślą o ich zastosowaniu w produkcji mleczarskiej, są witaminy. Szczególne miejsce w tym zakresie znajduje witamina D3, która jest rozpuszczalna w tłuszczach i podatna na rozkład pod wpływem niskiego pH, UV i utleniania. Okazuje się, że kapsułkowana witamina D3 wykazuje wysoką stabilność i biodostępność w mlecznych napojach fermentowanych. W dostępnych badaniach naukowych witamina D3 była stosowana w postaci suszonych rozpyłowo nanoliposomów, nanokapsułek, emulsji typu o/w (olej w wodzie) stabilizowanych białkami serwatkowymi i karboksymetylocelulozą lub micelami kazeinowymi. Podobne badania i próby technologiczne odnoszą się do wzbogacania produktów mleczarskich w inne witaminy rozpuszczalne w tłuszczach czy składnikach bioaktywnych, np. witaminy E, A, α-tokoferol, γ-tokotrienol, γ-oryzanol, kwasy omega 3 oraz koenzym Q10.

Badania nad wzbogacaniem produktów mleczarskich w witaminy obejmują również witaminy z grupy B (B3, B6, B9, B12). Niezwykle ważne są badania nad wzbogacaniem produkcji mleczarskiej w witaminę B12. Ponieważ jest ona rozpuszczalna w wodzie, testowano w tym przypadku podwójną emulsję (typu woda w oleju w wodzie) z użyciem oleju maślanego, lipofilowego emulgatora polirycynooleinianu gliceryny i hydrofilowego emulgatora kazeinianu sodu. Takie kapsułkowanie witaminy B12 poprawiło jej retencję (tj. zatrzymywanie) w skrzepie serowym w porównaniu z witaminą niekapsułkowaną i zwiększyło jej stabilność. 

Składniki mineralne

Mleczne napoje fermentowane oraz sery próbowano wzbogacać w mikroelementy (np. cynk, mangan, żelazo, wapń, potas, fosfor), również z wykorzystaniem technologii kapsułkowania. Od dziesiątków lat w tym zakresie podejmowane są badania i próby wprowadzania do produkcji mleczarskiej żelaza. Produkty te są uważane za odpowiednie nośniki żelaza, ponieważ cechują się wysoką biodostępnością tego pierwiastka. Kapsułkowanie żelaza ma na celu wyeliminowanie negatywnego wpływu tego składnika bioaktywnego na smak, wygląd, stabilność produktu i utlenianie lipidów. Mikrokapsułki żelaza są przygotowywane z użyciem tłuszczów roślinnych lub monostearynianu poliglicerolu jako materiału powlekającego. Zazwyczaj żelazo jest kapsułkowane w połączeniu z witaminą C, co ułatwia wchłanianie żelaza niehemowego i uczestniczy w jego metabolizmie. 

Inne składniki bioaktywne

Ostatnio pojawiają się publikacje dotyczące kapsułkowania roślinnych olejków eterycznych i ich wprowadzania do produkcji mleczarskiej. Wiadomo, że ich dodatek jest korzystny ze względu na działanie przeciwbakteryjne i przeciwutleniające. Również w tym przypadku kapsułkowanie składników bioaktywnych rozwiązuje problem ich stabilności i oddziaływania na cechy organoleptyczne produktów końcowych. Mleczne napoje fermentowane wzbogacane olejkami eterycznymi np. z bazylii, czosnku, trawy cytrynowej lub mięty, zamkniętymi w otoczkach z alginianów, kazeinianu sodu lub izolatów białek serwatki, wykazują się doskonałymi właściwościami przeciwutleniającymi. Niepodważalną zaletą kapsułkowania składników bioaktywnych jest możliwość zwiększenia ich stabilności i rozpuszczalności w fazie wodnej żywności. Ponadto olejki eteryczne są źródłem substancji smakowych, zaś kapsułkowanie zapobiega spontanicznemu uwalnianiu olejków, tłumiąc ich nieprzyjemny i dokuczliwy zapach.

Okazuje się, że produkcja mleczarska jest szczególnie odpowiednią matrycą żywnościową do wzbogacania długołańcuchowymi wielonienasyconymi kwasami tłuszczowymi omega 3 (PUFA) ze względu na jej popularność wśród konsumentów i warunki przechowywania w niższych temperaturach sprzyjających stabilności kwasów tłuszczowych. PUFA mają właściwości prozdrowotne, m.in. zapobiegają chorobom układu krążenia i zmniejszają stany zapalne. Ponadto PUFA pozytywnie wpływają na zdolności poznawcze i związany z wiekiem spadek masy mięśniowej. W diecie najważniejsze są kwasy eikozapentaenowy (EPA) i dokozaheksaenowy (DHA), które znajdują się w oleju rybim. Aby zwiększyć dzienne spożycie PUFA i zamaskować niepożądane właściwości sensoryczne oleju rybiego, opracowano różne formy kapsułkowania, w tym mikro- i podwójne emulsje, nanoliposomy oraz otoczki otrzymane z użyciem żelatyny/gumy akacjowej lub przez termiczną polimeryzację białek serwatkowych. Kapsułkowanie chroni nienasycone kwasy tłuszczowe przed zniszczeniem, ponadto właściwości sensoryczne produktu wzbogaconego są akceptowalne. Kapsułkowanie nie tylko nie zmienia właściwości fizykochemicznych, reologicznych i sensorycznych produktu końcowego czy stabilności składników bioaktywnych, ale także powoduje ich właściwe uwalnianie w płynach żołądkowych i jelitowych.

Podsumowanie 

Trwają intensywne badania i próby technologiczne nad zwiększeniem funkcjonalności mlecznych produktów fermentowanych poprzez wzbogacanie w składniki bioaktywne. Pomimo korzyści zdrowotnych samych mlecznych produktów fermentowanych badania są stymulowane rosnącym zainteresowaniem konsumentów zdrową żywnością. Produkcja mleczarska jest odpowiednim nośnikiem dla różnych składników bioaktywnych, takich jak: karotenoidy, związki fenolowe, kwasy omega 3 i mikroelementy. Wzmocnieniu stabilności i rozpuszczalności tych związków lub poprawie ich aktywności podczas przetwarzania, magazynowania lub trawienia w układzie pokarmowym służy kapsułkowanie. Z analizy prac naukowych z tego zakresu wynika, że taki sposób wzbogacania produkcji mleczarskiej w składniki bioaktywne jest już praktycznie opracowany.