От отходов — к доходам: куда направить усилия по переработке?

За последние 2–3 десятилетия внимание со стороны ученых, специалистов отрасли и потребителей к тому, как фенольные соединения из продуктов растительного происхождения могут повышать пищевую ценность продуктов, постоянно растет. В этом мини-обзоре оценивается, какой акцент делается на влиянии фенолов на метаболические функции в продуктах питания, как эти фенольные соединения могут влиять на усвояемость как углеводов, так и белков, и как это, в свою очередь, может модулировать метаболические нарушения, а также микробиоту.

Сосредоточив внимание на исследованиях, опубликованных за последнее десятилетие, в статье также рассматривается потенциал стратегий валоризации (повышения ценности) для повторного использования фракций, которые традиционно могли теряться в процессе производства продуктов питания. Причина такого акцента связана с насущными требованиями устойчивого развития в ресурсоемкой пищевой промышленности и с тем, как мы можем создать культуру регенеративных инноваций в этой отрасли.

Внимание как в академических кругах, так и в социальных медиа было направлено на критические проблемы устойчивости в сельском хозяйстве и пищевых системах. Многочисленные исследовательские публикации упоминают значительные потери продуктов питания на протяжении всей цепочки поставок пищевой промышленности и за ее пределами. Таблица 1 идентифицирует 5 ключевых ссылок, которые представляют интерес при рассмотрении недавнего фокуса на роли фенольных соединений в манипулировании ферментативными реакциями.

ТАБЛИЦА 1 Иллюстрация ключевых исследований, изучающих специфические взаимодействия пищевых фенольных соединений и биоактивности.

Недавние тенденции в валоризации пищевых продуктов из отходов подчеркивают возможность использования соединений, извлеченных из побочных продуктов отходов во время переработки и производства, для здоровья человека. Безусловно, когда мы говорим о большом количестве потерь продуктов питания из сферы общественного питания и на потребительском конце сектора. Huang и др. (2020) обсудили глобальную парадигму как избытка продуктов питания, так и обширных отходов в пищевой промышленности, отметив, что это будет значительно влиять на экологическое давление, связанное с устойчивостью, а также на безопасность продуктов питания для потребителя. Существует острая необходимость в достижении глобального соглашения по стратегиям создания устойчивости в пищевой промышленности, чтобы национальные и региональные проблемы продовольственной безопасности были поняты (Martindale и др. , 2020).

Действительно, Martindale и др. (2023) расширили это требование к повышению устойчивости для достижения целей устойчивого развития в своем самом недавнем обзоре возможных решений, которые должны быть использованы. Jagtap и др. (2023) развили призыв к действию в своем недавнем портфолио статей, посвященных продовольственной безопасности и устойчивости перед лицом глобального изменения климата и кризисов устойчивости (Графический абстракт). Очевидная возможность заключается в извлечении богатого биоактивными веществами материала из отходов и, путем тщательного отбора компонентов, использовании этих извлеченных продуктов для повышения пищевой ценности продуктов для потребителя (Villacís-Chiriboga и др. , 2020). Как показали эти исследователи, существует потенциал в извлечении активных ингредиентов из потоков отходов при производстве продуктов питания, например, в фруктовом секторе (Leichtweis и др. , 2021; Bhatkar и др. , 2022a; Bhatkar и др. , 2022b; Romano и др. , 2022).

Валоризация растительных продуктов для получения фенольных соединений включает оптимизацию методов экстракции, максимизацию использования растительных побочных продуктов и изучение различных областей применения в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности. Не вызывает сомнений, что инновации в методах экстракции, практиках устойчивого развития и изучении новых источников фенолов будут дальнейше стимулировать прогресс в этой области, и что существует необходимость решения проблем, связанных с затратами, масштабируемостью и соображениями безопасности, что подготовит путь к широкому использованию фенольных соединений, полученных из растительных источников, способствуя развитию различных отраслей промышленности и продвижению устойчивых практик в сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.

В последнее время извлечение этих ингредиентов из потоков отходов было сосредоточено в основном на способности процессов извлекать фенольные соединения из таких потоков отходов, как кофе (Beltran-Medina и др. , 2020), вино (Panzella и др. , 2020), а также овощных и фруктовых выжимок в целом (Dehghan-Shoar и др. , 2011; Guo и др. , 2017; Mnisi и др. , 2022). Эти материалы выжимок также являются богатым источником фитохимических веществ и пищевых волокон (Hui и др. , 2020; Pop и др. , 2021). И могут рассматриваться как приносящие пользу для здоровья при добавлении в обычно потребляемые пищевые продукты (Wu и др. , 2021). Разработка инновационных систем доставки для повышения стабильности и биодоступности фенольных соединений и волокон в различных областях применения для пищевой промышленности будет включать понимание их функциональности как ингредиентов, а также их роли в изменении физиологического пищевого статуса людей.

Многие из полезных характеристик биоактивных ингредиентов, с точки зрения здоровья и питания, проистекают из связи между фенольными соединениями и белками. Связь между вторичными метаболитами растений, обладающими различными химическими структурами с антиоксидантными и биоактивными свойствами, и белками зависит от понимания взаимосвязей структуры и функции этих соединений. Например, Zhang и др. (2021) наглядно показали значение диетических белок-фенольных взаимодействий в изменении молекулярных конфигураций биоактивных ингредиентов и, следовательно, их опосредующего влияния на питание и благополучие с клеточной и макро-перспективы. Часть этих эффектов связана как с ковалентными, так и с нековалентными связями между биоактивными ингредиентами и функциональными макромолекулами в продуктах питания (Chu и др. , 2018).

Примером этого является интенсивное исследование роли пищевых волокон в укреплении здоровья потребителей в возможностях манипулирования перевариванием углеводов (Tu и др. , 2022; He и др. , 2023; Tu и др. , 2023), а также акцент на роли этих соединений в изменении поведения при ферментации микробиоты кишечника (Ratanpaul и др. , 2023). Tu и др. (2023) показали, что полисахариды из грибов шиитаке могут действовать неконкурентным образом, ограничивая функциональность альфа-глюкозидазы и, следовательно, ингибируя транспорт глюкозы из переваренного крахмала через монослой клеток Caco-2.

Что представляет интерес с точки зрения понимания взаимосвязей структуры и функций пищевых продуктов, так это структурные изменения, вызванные связыванием фенольных соединений с белковыми компонентами, которые могут влиять на усвояемость белков и, следовательно, на их доступность с точки зрения клеточного поглощения. Фенольные соединения также могут влиять на переваривание белков, ингибируя протеолитические ферменты (например, трипсин и пепсин), что играет важную роль в изменении расщепления белков в пищеварительной системе. Некоторые фенольные соединения вместе с белками могут служить пребиотиками, способствуя росту полезных кишечных бактерий и улучшая здоровье кишечника. Например, было показано, что катехины, антоцианы и проантоцианидины оказывают пребиотическое действие (Alves-Santos и др. , 2020). Исследователи показали, что фенольные соединения увеличивают уровни Lactobacillus, Bifidobacterium, Akkermansia, Roseburia и Faecalibacterium spp., что в свою очередь приводило к увеличению продукции и высвобождения вторичных метаболитов, таких как короткоцепочечные жирные кислоты (КЦЖК), включая бутират, во время ферментации. Связанным с этим наблюдением является исследование, которое четко иллюстрирует потенциал фенольных соединений для регулирования кардиометаболических заболеваний, а также для снижения уровня воспаления (Noad и др. , 2016; Paquette и др. , 2017; Chai и др. , 2019).

Как упоминалось ранее, влияние фенольных соединений на усвояемость пищевых компонентов было изучено с молекулярной основы, и что эти эффекты связаны с интерференцией фенольных соединений с ферментами, расщепляющими пищу во время пищеварения (Huang и др. , 2022). Hui и др. (2020) показали, что фенольные соединения из материалов черной смородины могут быть включены в богатые углеводами пасты и влиять на усвояемость этих паст, манипулируя активностью против альфа-амилазы и альфа-глюкозидазы. В то же время было показано, что фитохимические вещества черной смородины взаимодействуют с молочными белками, такими как сывороточный материал в печенье, таким образом манипулируя структурой белка и фитохимических компонентов в топографии пищи, а также изменяя общую усвояемость продуктов. Благодаря пониманию молекулярных взаимодействий между фенольными соединениями, белками и углеводами исследователи смогли моделировать меж- и внутримолекулярные взаимодействия, которые являются мощным ресурсом знаний для определения стратегий манипулирования усвояемостью и ферментируемостью биоактивных соединений из различных растительных источников (Guan и др. , 2021).

Исследование Hao и др. (2022) наглядно показало это, когда обсуждалась роль молекулярной конформации полифенолов в их потенциальной пользе для здоровья, такой как антиоксидантная активность и взаимодействие с метаболическими ферментами, участвующими в пищеварении после приема пищи. Kaur и др. (2023) оценили влияние фенольных соединений на усвояемость богатых углеводами продуктов, таких как паста, и как различные технологические операции также могут манипулировать эффектом взаимодействия фенольных соединений для общего здоровья людей, особенно при использовании цельного зерна. Аналогично, Chang и др. (2023) оценили способность фенольных соединений из нетрадиционных злаков (в данном случае проса) регулировать усвояемость пищи и общее извлечение питательных веществ. Это само по себе основывалось на предыдущей работе Kataria и др. (2022), которые идентифицировали взаимосвязь фенольных соединений в теффе, и в частности роль термической обработки в изменении антиоксидантного и пищевого качества продуктов из этих соединений при учете чувствительности этих материалов к нагреванию во время обработки. Совсем недавно Huang и др. (2023) оценили роль фенольных соединений в комбинации с традиционно рассматриваемыми как непищевые компоненты при исследовании биоактивности опосредованного биосинтеза наночастиц золота для здоровья человека. Это иллюстрирует, что полезность фенольных соединений может выходить далеко за рамки обычных пищевых взаимодействий.

То, как эти фенольные соединения изменяют микробиоту кишечника и ее функциональность, представляет интерес при рассмотрении здоровья кишечника и ферментативного расщепления продуктов (Ashaolu и Suttikhana, 2023; Ibrahim и др. , 2023). Loo и др. (2020) оценили модуляцию микробиоты кишечника человека фенолами и богатыми фенолами и клетчаткой продуктами. Одной из проблем, касающихся роли фенольных соединений в изменении популяций микробиоты во время пищеварения, является то, что фенольные соединения в растениях, как правило, неотъемлемо связаны с клеточными компонентами фруктов и семян, и, следовательно, их ассоциация с пищевыми волокнами (Rocchetti и др. , 2022). Сродство связывания этих фенольных соединений с волокнами и белками может придавать некоторые свойства с точки зрения легкости усвоения и ферментации. Matsumura и др. (2023) связали эту функциональность с концепцией оси кишечник-мозг и показали, что фенольные соединения, например, из чая (и их метаболиты в процессе пищеварения и ферментации) могут проявлять антибактериальные свойства, которые защищают микробиоту кишечника от патогенных бактерий (например, Clostridium perfringens, Escherichia coli, Salmonella и Pseudomonas). Эта защита системы микробиоты кишечника может помочь в поддержании и улучшении общего баланса кишечных микробов. Таким образом, соединения катехина и их димеры, такие как теафлавины и теасинензины, могут быть полезны для изменения динамической популяции внутри кишечника. Аналогично, флаван-3-олы в продуктах какао могут оказывать прямое влияние на распределение микробиоты кишечника по всему кишечнику, что в свою очередь влияет на общее здоровье кишечника и, таким образом, может частично объяснить наблюдения, что фенольные соединения какао могут уменьшать воспаление толстой кишки и потенциально ослаблять диабет, возможно, путем снижения регуляции маркеров воспаления и подавления связанных с воспалением реакций толстой кишки.

Эти результаты исследований, основанные на обычном использовании растительных ингредиентов, важно учитывать при оценке потенциальных преимуществ валоризированных растительных продуктов из пищевой промышленности (Luo и др. , 2021). Например, если извлечение биоактивных ингредиентов из отходов производства и переработки должно принести пользу для здоровья будущих потребителей, то эффективность этих извлеченных биомолекул должна быть аналогичной (или большей), чем если бы они присутствовали в нативных пищевых системах. Эта дилемма была обсуждена Abou Chehade и др. (2018) при оценке возможного извлечения функциональных биомолекул из потоков отходов в томатной промышленности. Ликопин уже давно ассоциируется с рядом эффектов укрепления здоровья, но может быть чувствителен к термической деградации, и поэтому является целью для использования нетермических процессов экстракции для извлечения функциональных биоактивных веществ из потоков отходов (Dehghan-Shoar и др. , 2010; Dehghan-Shoar и др. , 2011; Anajran и Jouyban, 2017; Szabo и др. , 2018; Madia и др. , 2021). Эти методы использования «экологически чистых» экстракционных химикатов, а также новые процессы для улучшения структурного извлечения, могут в некоторой степени обеспечить экологические выгоды от валоризации отходов из промышленных пищевых ситуаций. Возможность использования множества целевых ферментов в специфических процессах экстракции биоактивных веществ из потоков отходов является областью интенсивных будущих исследований (Lombardelli и др. , 2020).

Извлечение материала из потоков отходов не является новым явлением, и действительно, одна из наших более ранних статей о взаимосвязи ликопина и томатов обсуждала химические и нехимические методы экстракции и их преимущества, а также потенциал включения этих продуктов в обычно потребляемые продукты, такие как экструдированные продукты (Dehghan-Shoar и др. , 2011). Внимание за последние несколько лет было сосредоточено на определении того, какие пищевые системы могут обеспечить наилучшую отдачу от инвестиций с точки зрения валоризации отходов. Это внимание выдвинуло на первый план четыре отрасли, а именно: соковую промышленность, переработку масла, винодельческую промышленность и, в более широком смысле, ферментационную промышленность, а также отходы, образующиеся при подготовке овощей на линиях переработки свежих фруктов и овощей. В связи с этим наблюдается значительный интерес к потокам производства цитрусовых соков и извлечению флавоноидных и волокнистых компонентов (Anticona и др. , 2020; Russo и др. , 2021; Romano и др. , 2022). Они были использованы в различных пищевых продуктах, таких как экструдированные закуски, хлебобулочные изделия, макароны и напитки, чтобы дополнить антиоксидантную способность обработанных продуктов, а также манипулировать их влиянием на метаболическую функциональность, такую как гликемический эффект. Отличный обзор Andrade и др. (2022) излагает, как пектин, каротиноиды и другие природные соединения, обнаруженные в кожуре и мякоти цитрусовых при переработке, могут быть использованы в функциональных продуктах питания. Совсем недавно исследователи сосредоточились на масложировой отрасли и на том, как переработка растительного сырья для получения масла приводит к образованию больших количеств избыточной выжимки и мезги, богатых источников высоко функциональных биоактивных ингредиентов (Madureira и др. , 2022), и как эти продукты могут быть использованы для снижения уровня ожирения (Annunziata и др. , 2018). В прикладном плане это исследование было связано с извлечением ингредиентов из масличных видов, таких как оливки (Harzalli и др. , 2022), злаки (Pestana-Bauer и др. , 2023) и другие семенные культуры (Yao и др. , 2022). Baiano и Fiore (2023) показали большой потенциал, который зерновые имеют в снабжении биоактивными ингредиентами, которые могут быть извлечены после первичной переработки, и объяснили, как, например, пивная дробина может быть богатым источником волокон, фенолов и белков, если использовать ее надлежащим образом. Безусловно, фенольные соединения в зернах масличных растений позволяют эффективно извлекать фенольные соединения из потоков отходов после прессования масличных семян (Yao и др. , 2022). Эти соединения, извлеченные из потоков отходов, включают изофлавоны, феруловую кислоту, п-кумаровую кислоту, хлорогеновую кислоту, кофейную кислоту, сиреневую кислоту, ванилиновую кислоту, салициловую кислоту, протокатеховую кислоту, антоцианы и связанные с ними полифенольные соединения. Все они, как было показано, имеют ценность с точки зрения метаболической функциональности в клеточной функции и, таким образом, представляют себя как потенциально важные валоризированные продукты для целей питания человека.

Yu и др. (2022), используя морковные побочные продукты, кормили мышей ферментированным морковным жомом (оставшимся после производства сока) и измеряли микробные популяции, которые развивались после таких вмешательств. Содержание полифенолов и флавоноидов в материале жома оказало прямое влияние на динамику популяции микробных сообществ в кишечнике мышей (наблюдалось увеличение Bacteroidetes, Proteobacteria, Firmicutes), и это усилило эффективность абсорбции и утилизации фенольных соединений. При воздействии антибиотиков мыши, получавшие ферментированный жом, содержащий фенольные соединения, проявили устойчивость к снижению численности микробов и сохранили разнообразный микроэкологический баланс. Исследование Hui и др. (2021) показало, что фенольные соединения из ягодных компонентов усиливают in vitro антиоксидантную активность и снижают активные формы кислорода в стимулированных липополисахаридом макрофагах Raw264.7, и это, в свою очередь, может быть постулировано как связанное с изменениями в микробном сообществе и регуляцией клеточной активности. Аналогично, Wang и др. (2020) показали клеточную активность фенольных соединений и волокон, обнаруженных в грибных материалах, и что желудочное переваривание продуктов, которые обогащены фенольными соединениями, позволяет усилить клеточную биоактивность. Это может способствовать пониманию механизмов, лежащих в основе фенольных взаимодействий с белками и углеводами, которые очевидны при исследовании влияния обогащенных клетчаткой и фенолами пищевых продуктов на усвояемость белков и гликемические реакции (Mu и др. , 2022; Wang и др. , 2022).

Для достижения циркулярной экономики в пищевой перерабатывающей и производственной промышленности применение знаний, которые мы накопили за последние 2–3 десятилетия, будет иметь важнейшее значение. Существует неоспоримый потенциал для извлечения фенольных соединений, белков и других функциональных ингредиентов из потоков отходов в области пищевой переработки, и это принесло бы значительные выгоды с точки зрения реагирования на многогранные требования внедрения инициатив в области устойчивого развития. Эти ингредиенты могут быть ключевыми в наших инновационных стратегиях по улучшению пищевой ценности пищевых продуктов и повышению качества жизни и благополучия потребителей по всему миру. Таким образом, у нас есть возможность не только исправить проблемы, связанные с образованием отходов, но и внедрять инновации с помощью технологий, чтобы использовать эти валоризированные компоненты и создать будущее, которое потенциально лучше, чем наше текущее положение. Другими словами, открыть возможность для стратегий регенеративных пищевых инноваций.

Brennan CS (2024) The role of valorised plant proteins and phenolic compounds on the digestibility of foods: a short review of recent trends and future opportunities in addressing sustainability issues. Front. Food. Sci. Technol. 4:1354391. doi: 10.3389/frfst.2024.1354391

Перевод статьи «The role of valorised plant proteins and phenolic compounds on the digestibility of foods: a short review of recent trends and future opportunities in addressing sustainability issues» автора Brennan CS., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык