Введение (Introduction). «Трагическое следствие дефицита витамина С, именуемое цингой, человечество испытало гораздо раньше, чем узнало об этом витамине. Также довольно давно люди поняли, что цинга связана с отсутствием в питании свежей растительной пищи. … И только после исследований шотландского врача Джеймса Линда, выявившего в 1753 г. высокие противоцинготные лечебные свойства апельсинов и лимонов, постепенно начали вводить в рацион питания моряков свежие и консервированные растительные продукты» (Лифляндский, 2006; Тырсин, Кролевец, Чижик, 2012).

«Только в 1927 г. венгерский ученый Сент-Дьерди выделил из красного перца, апельсинового и капустных соков кристаллическое вещество, которое назвал гексуроновой кислотой. В 1932 г. были доказаны противоцинготные свойства этой кислоты, поэтому она получила название аскорбиновой кислоты («против скорбута»: «скорбут» в переводе с латыни означает «цинга»)» (Тырсин, Кролевец, Чижик, 2012; Hemilia, 2017).

С точки зрения химического состава «витамин С (аскорбиновая кислота) представляет собой группу соединений – производных L-гулоновой кислоты. Важнейшие из них: L-аскорбиновая кислота (γ-лактон 2,3-дегидро-L-гулоновой кислоты), хорошо растворима в воде, хуже в спирте, плохо в глицерине и ацетоне; дегидроаскорбиновая кислота (γ-лактон 2,3-дикето-L-гулоновой кислоты), растворима в воде» (Тырсин, Кролевец, Чижик, 2012).

«Витамин С обладает следующими свойствами:

- в сухом виде сохраняет устойчивость при хранении в темноте;

- в водных растворах, особенно в щелочной среде, быстро окисляется обратимо до дегидроаскорбиновой кислоты и далее – необратимо – до 2,3-дикетогулоновой, а затем до щавелевых кислот;

- является восстановителем;

- с растворами щелочей образует еноляты, с катионами металлов (например, Са⁺², Mg⁺², Fe⁺³) – комплексы» (Тырсин, Кролевец, Чижик, 2012).

Витамин С является активным восстановителем, что связано с его способностью быстро окисляться при взаимодействии с активными формами кислорода. При этом он сам превращается в радикал, характеризующийся небольшой активностью. В результате прекращаются его последующие превращения, прерывается цепная реакция и ее дальнейшее разветвление.

Содержание витамина С в пищевых продуктах колеблется в значительных интервалах (рис. 1) (Тутельян, 2012). «С пищей организм человека получает в основном витамин С в уже окисленной форме (чем дольше пища хранится, тем в большей степени окисляется)» (Тырсин, Кролевец, Чижик, 2012).

Существует ряд факторов, которые оказывают различное воздействие на содержание витамина С в пищевых продуктах (рис. 2).

В организме человека витамин С проявляет свои антиоксидантные свойства, которые заключаются в предохранении
от перекисного окисления организма в целом и всех жироподобных веществ, в частности.

«Витамин С является важным веществом для биосинтеза коллагена и кофактором в биосинтезе катехоламинов, L-карнитина, холестерина, аминокислот и некоторых пептидных гормонов. Недостаток витамина С вызывает цингу, патологическое состояние, приводящее к хрупкости кровеносных сосудов и повреждению соединительной ткани из-за сбоя в выработке коллагена и, наконец, к смерти в результате общего коллапса. Установлено влияние витамина С на нервную систему. Кроме того, установлено, что витамин С также потенциально участвует в профилактике развития рака и сердечно-сосудистых заболеваний» (Grosso, Bei, Mistretta et al., 2013). «Витамин С стимулирует деятельность центральной нервной системы и эндокринных желез, улучшает работу печени» (Обербайль, Лившиц, 2003). «Показано, что, оказывая минимальный побочный эффект, витамин С хорошо работает при различных типах болевых расстройств» (Chaitanya, Muthukrishnan, Krishnaprasad et al., 2018).

«Потребность взрослых людей в витамине С изменяется в зависимости от возраста, пола и интенсивности труда от 70 до 108 мг/сутки. Кроме этого, потребность в данном витамине увеличивается в следующих случаях:

- при занятиях спортом – 150-200 мг;

- при беременности и кормлении – 120-150 мг;

- при простудных заболеваниях – 500-2000 мг» (Тырсин, Кролевец, Чижик, 2012).

Уровень содержания витамина С в крови обычно недостаточен у людей, страдающих астмой. Недостаточность витамина С в организме может быть обусловлена различными причинами (рис. 3).

С учетом свойств в соответствии с ГОСТ Р 54059-2010 (ГОСТ Р 54059-2010) витамин С относится к функциональным пищевым ингредиентам, который в организме выполняет следующие функции:

- влияет на метаболизм углеводов, поддерживая уровень глюкозы в крови;

- «оказывает антиоксидантное действие через сохранение структуры и функциональной активности ДНК, антиоксидантной защиты полиненасыщенных жирных кислот в мембранных липидах, сохранение структуры и функциональной активности белков» (ГОСТ Р 54059-2010);

- «поддерживает функции сердечно-сосудистой системы через антиоксидантную защиту липидов клеточных мембран и липопротеидов» (ГОСТ Р 54059-2010);

- «снижает риск развития остеопороза, обеспечивая синтез соединительной ткани, образующей каркас кости» (ГОСТ Р 54059-2010);

- оказывает «иммунокорректирующее действие путем обеспечения системного иммуномодулирующего действия, антиоксидантной защиты и обеспечения структурной и функциональной целостности мембран клеток иммунной системы» (ГОСТ Р 54059-2010).

Антиоксидантные свойства витамина С нашли применение в пищевой промышленности, где его используют как пищевую добавку Е300 для увеличения сроков хранения таких пищевых продуктов, как жиры, напитки и фруктовые соки; с целью предотвращения образования канцерогенных нитрозаминов из нитритов в мясных и колбасных изделиях; для витаминизации молока и молочных продуктов. Также Е300 широко применяется в хлебопечении в качестве разрыхлителя теста. Практически это приводит к улучшению качества и увеличению объема выпекаемого хлеба, повышению эластичности и рыхлости теста. Более того, срок хранения хлеба увеличивается, поскольку мука с добавкой аскорбиновой кислоты по своим пекарским характеристикам приближается к муке высшего сорта. Во многих странах это единственный разрыхлитель, использование которого разрешено. В процессе приготовления теста аскорбиновая кислота превращается в стабильную дегидроаскорбиновую кислоту (Матвеева, Корячкина, 2012; Ремнев и др., 2019).

Цель исследований (The aim of the work). Целью исследований является изучение свойств наноструктурированного витамина С в различных углеводных оболочках и возможность его применения как функционального ингредиента.

Задачи исследования:

- определить формы самоорганизации наноструктурированного витамина С;

- установить размеры нанокапсул витамина С в зависимости от вида углеводной оболочки;

- приготовить образцы мармелада и хлеба с использованием наноструктурированного витамина С в качестве функционального добавки и определить их показатели качества на соответствие требованиям ГОСТ.

Материалы и методы исследования (Materials and methods). В качестве материалов исследования были использованы:

- нанокапсулы витамина С в различных углеводных оболочках: ксантановой камеди, альгинате натрия, каррагинане, конжак гуме, геллановой камеди;

- образцы мармелада и хлеба, приготовленные с использованием наноструктурированного витамина С.

Исследование самоорганизации наноструктурированного витамина С проводили с использованием микроскопа «Микромед 3» (вар. 3-20), позволяющего получить микрофотографии с самоорганизацией. Исследованию подвергали высушенную поверхность, которую получали путем растворения порошка наноструктурированного витамина С в воде с последующим нанесением на предметное стекло и выпариванием.

При измерении размеров наноструктурированного витамина С его предварительно разводили водой в соотношении 1 : 100. «Для измерения размеров использовали мультипараметрический анализатор наночастиц Nanosight LM10 производства Nanosight Ltd (Великобритания) в конфигурации HS-BF (высокочувствительная видеокамера Andor Luca, полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нм и мощностью 45 мВт). Работа прибора основана на методе анализа траекторий наночастиц (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA), описанном в ASTM E2834. Были выбраны следующие параметры прибора:

- Camera Level = 16, Detection Threshold = 10 (multi), Min Track Length: Auto, Min Expected Size: Auto;

- длительность единичного измерения – 215 с;

- использование шприцевого насоса» (Кролевец и др., 2018).

При оценке органолептических показателей качества руководствовались требованиями действующих стандартов:

- для мармелада – ГОСТ 6442-2014 (ГОСТ 6442-2014),

- для хлеба – ГОСТ Р 58233-2018 (ГОСТ Р 58233-2018).

Результаты исследования и их обсуждение (Results and discussion). Как видно из рис. 4, образование нанокапсул происходит спонтанно за счет нековалентных взаимодействий. Это свидетельствует о том, что для них характерна самосборка. Поскольку в водном растворе нанокапсул при их достаточно низкой концентрации обнаружены фрактальные композиции, они обладают самоорганизацией.

На рис. 4 представлены «самоподобные объекты, инвариантные относительно локальных дилатаций, т.е. фракталы. Известно, что фракталы являются естественным заполнением множеств между известными евклидовыми объектами с целочисленными размерностями. Наличие фрактала указывает на возможность получения совершенно другого полимера при практически неизменном составе макромолекулы. Этот «новый полимер» будет иметь другие молекулярные характеристики и отличающуюся надсегментальную структуру» (Кролевец и др., 2018). Следовательно, наноструктурированный витамин С обладает супрамолекулярными свойствами.

«Самосборка» включает любые виды спонтанного связывания компонентов с использованием как ковалентного, так и нековалентного взаимодействий. Самоорганизация включает взаимодействие систем, способных к спонтанному возникновению порядка в пространстве и/или во времени, пространственный (структурный) и временной (динамический) порядок как в равновесных, так и в неравновесных диссипативных структурах, затрагивает только нековалентный, супрамолекулярный уровень, приводит к образованию полимолекулярных ансамблей за счет специфически взаимодействующих актов распознавания молекулярными компонентами друг друга. Чем выше степень и размерность пространственной организации фрагментов, тем с большим основанием их можно рассматривать как организованные (молекулярные слои, мембраны, мицеллы, коллоиды, жидкие кристаллы, молекулярные кристаллы). Таким образом, самоорганизация включает согласованное взаимодействие между частями и интеграцию этих взаимодействий, обусловливающие коллективное поведение системы (наблюдаемое, например, при фазовых переходах или при возникновении пространственных и временных волн). 

На рис. 5 представлены результаты измерения размеров нанокапсул витамина С в различных оболочках.

Статистические характеристики распределений приведены в таблице.

Как видно из табл. 1, коэффициент полидисперсности в ксантановой камеди составляет 3,40, что позволяет говорить о том, что нанокапсулы витамина С в этом случае приближаются к элипсоидной форме, а в конжак гуме, гелановой камеди и в каррагинане этот коэффициент имеет значение, соответственно, 1,26, 1,39 и 1,48, что говорит о приближении геометрии этих нанокапсул к шаровидной форме. При этом средний размер нанокапсул существенно зависит от природы оболочки и находится в пределах 93-358 нм.

Проведенные в лаборатории синтеза микро- и наноструктур предварительные исследования по изучению влияния высоких температур на наноструктурированный препарат «Ветом 1.1», действующим началом которого являются бактерии Ваcillus subtilis ВКПМ 7092, показали, что наноструктурированные формы этого препарата в углеводных оболочках из альгината натрия и каррагинана выдерживают температуру до + 180 °C в течение 20 минут. Таким образом, можно предположить (а в дальнейшем провести исследования), что наноструктурированный витамин С будет обладать большей термоустойчивостью по сравнению с его обычной формой.

Полученные образцы наноструктурированного витамина С могут быть использованы в качестве функциональной добавки в составе продуктов питания. Были проведены исследования по его введению в рецептуру мармелада и хлеба пшеничного.

Приготовление мармелада осуществляли по традиционной технологии, вводя на последнем этапе приготовления рецептурной смеси наноструктурированный витамин С. Оценка органолептических показателей показала, что мармелад соответствует требованиям ГОСТ 6442-2014 «Мармелад. Общие технические условия» (ГОСТ 6442-2014).

При приготовлении хлеба наноструктурированный витамин С предварительно смешивали с небольшим количеством муки и затем вводили в остальную муку. Готовый хлеб по органолептическим и физико-химическим показателям соответствовал требованиям ГОСТ Р 58233-2018 «Хлеб из пшеничной муки. Общие технические условия» (ГОСТ Р 58233-2018).

Заключение (Conclusions). Таким образом, полученные данные доказывают наличие в растворах изучаемых образцов витамина С нанокапсул, образование которых происходит спонтанно за счет нековалентных взаимодействий. Это свидетельствует о том, что для них характерна самосборка. Поскольку в водном растворе нанокапсул при их достаточно низкой концентрации обнаружены фрактальные композиции, они обладают самоорганизацией. Наличие фрактала указывает на возможность получения совершенно другого полимера при практически неизменном составе макромолекулы. Этот «новый полимер» будет иметь другие молекулярные характеристики и отличающуюся надсегментальную структуру. Следовательно, наноструктурированный витамин С обладает супрамолекулярными свойствами. При этом следует отметить влияние на размер нанокапсул природы оболочки: наибольший средний размер (358 нм) характерен для ксантановой камеди, а наименьший средний размер (93 нм) частиц наблюдается в конжак гуме.

Введение наноструктурированного витамина С в рецептуру мармелада и хлеба пшеничного позволило получить готовые изделия, обладающие функциональными свойствами и характеризующиеся показателями, которые соответствуют требованиям ГОСТ. Полученные образцы мармелада и хлеба пшеничного по органолептическим показателям не отличаются от традиционных образцов, что важно для потребителей, которые предпочитают полезные продукты, но не готовы жертвовать вкусом. Отличие полученных образцов заключается в том, что они обогащены витамином С, что позволяет рассматривать их как функциональные продукты.

Информация о конфликте интересов: авторы не имеют конфликта интересов для декларации.

Conflicts of Interest: the authors have no conflicts of interest to declare.