Способ получения ксантофиллов из морских бурых водорослей
METHOD FOR OBTAINING XANTHOPHYLLS FROM MARINE BROWN ALGAE

Изобретение относится к рыбной промышленности, в частности к способам выделения жирорастворимых каротиноидов, таких как ксантофиллы, для получения растительного жира сбалансированного жирнокислотного состава с комплексом ксантофиллов, который может быть использован в медицине в качестве пищевых добавок с лечебно-профилактическими свойствами, косметологии, в пищевой промышленности для приготовления рыбной продукции, майонеза, соусов, в аквакультуре.
Известен способ получения каротиноидов из ракообразных посредством их экстракции соевым маслом для использования обогащенного астаксантином масла в качестве добавок в рацион лососевых для ускорения процесса пигментации (Извлечение астаксантина с помощью соевого масла из отходов, образовавшихся в процессе обработки ракообразных (лангусты). / Chen H.M., Meyers S.P.; ЦНИИТЭИРХ. Пер. № 6729. - 20 C. - 8. - J. Food Sci., 1982, v.47, №3, р.892-896).
Известен способ получения каротиноидов из отходов, полученных при переработке головоногих моллюсков, включающий масляную экстракцию и тепловую обработку исходного сырья (см. патент РФ № 2064476, МПК C09B 61/00, дата публикации 27.07.1996).
Способ предусматривает использование в качестве сырья печени, гонад, остатков желудочно-кишечного тракта или целых головоногих моллюсков и измельчение сырья до размера частиц 1-3 мм. Измельченную массу подвергают тепловой обработке в два этапа для предотвращения свертывания белка: первый – при температуре от 18-20°С до 50-60°С; второй – от 18-20°С до 50-60°С, затем – воздействию температурой 80-85°С в течение 30-50 мин. После тепловой обработки полученную массу посредством известных приемов разделяют на жидкую и плотную фракции. Выделение каротиноидов осуществляют из жидкой фракции любым из известных способов: сепарированием или отстоем. Выход красителя из 100 кг сырья составил при сепарировании 16-30 кг, при отстое 5-10 кг (в зависимости от жирности отходов). Краситель может быть использован и как обогатитель БАВ.
Известен способ получения каротиноидов из панцирьсодержащих отходов речных раков (см. патент РФ № 2292163, МПК A23L 1/056, A22C 29/00, дата публикации 27.01.2007).
Способ предусматривает измельчение сырья, экстракцию этиловым спиртом при температуре 55°С в течение 1 ч, отделение экстракта от плотного остатка фильтрованием, повторное экстрагирование плотного остатка 1-2 раза. Плотный остаток высушивают и используют для получения хитина. Полученные экстракты объединяют, этиловый спирт упаривают под вакуумом при температуре не выше 70°С, полученную водно-липидную вытяжку смешивают с гексаном. Отделяют каротиноиды в гексане, гексан упаривают под вакуумом при температуре не выше 60°С. Выход каротиноидов составляет 0,65-0,75% на сухое вещество. Изобретение позволяет улучшить ряд физиологических процессов в организме человека и может быть использовано в качестве натурального красителя жиросодержащих пищевых продуктов и лекарственных препаратов из рыбьего жира для повышения их биологической ценности.
Известен способ получения комплекса жирорастворимых каротиноидов из асцидии, включающий разделку сырья, в качестве которого используют сырую или высушенную мантию или тунику или мантию и тунику из асцидии при соотношении мантии и туники 1:2, его промывку и измельчение, сушку при 40°С до влажности 7-10%, экстрагирование 96% этанолом или ацетоном в соотношении сырье : экстрагент 1:1-1:5 в течение 16-24 часов, полученный экстракт фильтруют, соединяют с маслом и водой в соотношении 5:1:10 для сырого сырья и 2:1:4 для сухого сырья соответственно, в темноте в течение 22-24 часов проводят реэкстракцию, отделяют масляный экстракт, промывают его водой, а затем готовый продукт сушат (см. патент РФ № 2339387, МПК A61K 35/56, A23L 1/30, дата публикации 27.11.2008).
Вышеуказанные решения направлены на получение не только ксантофиллов, а комплекса каротиноидов в целом.
В качестве ближайшего аналога принят способ получения каротиноидов из гидробионтов, при котором осуществляют подготовку сырья с последующей экстракцией смесью водного раствора спирта с пищевыми кислотами, полученный экстракт фильтруют и далее соединяют со смесью растительных масел, проводят реэкстракцию в темноте, отделяют масляный экстракт, промывают его водой и сушат (см. патент РФ № 2708157, МПК A23L 33/10, A23L 17/50, дата публикации 04.12.2019).
Недостатками ближайшего аналога являются использование в качестве сырья двустворчатых моллюсков, характеризующихся недостаточно высоким исходным содержанием ксантофиллов, недостаточно высокая концентрация ксантофиллов в экстракте, длительное время экстракции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа, обеспечивающего повышение содержания ксантофиллов и биологической эффективности готового продукта, сокращение времени экстракции и реэкстракции, повышение стабильности ксантофиллов в процессе получения и хранения.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности извлечения ксантофиллов из гидробионтов, сокращении времени экстракции и реэкстракации, повышении стабильности ксантофиллов в процессе получения и хранения, снижении трудоемкости.
Undaria pinnatifida
Sargassum miyabei
Undaria pinnatifida
Costaria costata
Sargassum miyabei
Costaria costata
Поставленная задача решается тем, что способ получения ксантофиллов из морских бурых водорослей, при котором осуществляют подготовку сырья с последующей экстракцией смесью водного раствора спирта с пищевыми кислотами, полученный экстракт фильтруют и далее соединяют со смесью растительных масел, проводят реэкстракцию в темноте, отделяют масляный экстракт, промывают его водой и сушат, отличается тем, что в качестве сырья используют морские бурые водоросли  и или  и  или и  при массовом соотношении 1:1, которые экстрагируют смесью 60%-ного водного раствора глицерина с кислотами уксусной и бензойной в соотношении 1000 мл : 0,3 мл : 0,1 мг соответственно при соотношении сырье : экстрагент 1 кг : 2-2,5 л в течение 8 часов, полученный экстракт соединяют со смесью оливкового масла с соевым или подсолнечным при их соотношении по объему 40-45 : 55-60, причем соотношение по объему экстракт : смесь масел составляет 1:1-1,2 и реэкстракцию проводят в течение 8 часов при температуре 22-24°С.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Undaria pinnatifida
Sargassum miyabei
Undaria pinnatifida
Costaria costata
Sargassum miyabei
Costaria costata
Признаки «в качестве сырья используют морские бурые водоросли  и или  и  или и  при массовом соотношении 1:1» позволяют не только расширить сырьевую базу для получения фортифицированных растительных масел с пролонгированным сроком хранения, но и получить продукт с существенно высоким содержанием ксантофиллов.
Признак «в составе экстрагента используют 60% водный раствор глицерина» способствует повышению эффективности извлечения ксантофиллов из исходного сырья.
Трехатомный спирт глицерин хорошо растворяется в воде, разрешен к применению в пищевой промышленности, характеризуется высокой экстракционной способностью.
Признак «в составе экстрагента используют глицерин в смеси с уксусной кислотой» также обеспечивает повышение эффективности извлечения ксантофиллов из исходного сырья, поскольку известно, что органическая кислота способствует разрушению комплексов ксантофиллов с белками.
Авторами (см. Ni H. Optimization of acidic extraction of astaxanthin from Phaffia rhodozyma / H. Ni, Q.H. Chen, G.Q. He, G.B. Wu, Y.F.J. Yang// Zhejiang Univ. Sci. B. - 2008. - Vol. 9. - P. 51-59) показано, что органические и неорганические кислоты способствуют разрушению каротинопротеиновых комплексов и следовательно, применение кислоты увеличивает выход ксантофиллов при экстрагировании. Экспериментально доказано, что применение уксусной кислоты более эффективно для увеличения выхода ксантофиллов, чем лимонной.
Признак «в составе экстрагента используют глицерин в смеси с бензойной кислотой» обеспечивает стабильность ксантофиллов в процессе получения и хранения, т.к. бензойная кислота выступает в качестве пищевого антиоксиданта, гораздо более сильного, чем аскорбиновая кислота, которая к тому же является термолабильной.
Признак «в качестве экстрагента используют смесь 60%-ного водного раствора глицерина с кислотами уксусной и бензойной в соотношении 1000 мл : 0,3 мл : 0,1 мг соответственно» описывает состав экстрагента.
Признаки «экстракцию осуществляют в течение 8 часов при соотношении сырье : экстрагент 1 кг : 2-2,5 л» описывают оптимальные режимные характеристики экстракции.
Признак «полученный экстракт соединяют со смесью [масел], причем соотношение по объему экстракт : смесь масел составляет 1:1-1,2» обеспечивает полноту реэкстракции и высокую концентрацию ксантофиллов в готовом продукте.
Признак «экстракт соединяют со смесью оливкового масла с подсолнечным или соевым их соотношении по объему 40-45 : 55-60 соответственно» обеспечивают сбалансированный жирнокислотный состав готового продукта.
Признаки «реэкстракцию проводят в течение 8 часов при температуре 22-24°С» описывают оптимальные режимные характеристики реэкстракции, умеренный температурный режим позволяет максимально сохранить свойства и устойчивость ксантофиллов.
Заявляемый способ осуществляют по стандартной технологии на стандартном оборудовании.
Undaria pinnatifida
Costaria costata
Sargassum miyabei
В качестве сырья используют талломы и другие части морских бурых водорослей ,  и . В качестве сырья могут быть использованы и отходы, полученные при их переработке.
Подготовленное сырье измельчают до размера частиц от 0,1 до 0,3 мм, затем дополнительно гомогенизируют.
Измельченное сырье помещают в стеклянную емкость и заливают экстрагентом, в качестве которого используют смесь 60%-ного водного раствора глицерина с кислотами уксусной и бензойной в соотношении 1000 мл : 0,3 мл : 0,1 мг соответственно при соотношении сырье : экстрагент 1 кг : 2-2,5 л и герметично укупоривают емкость для предотвращения контакта с кислородом воздуха во избежание окисления ксантофиллов.
Экстракцию проводят методом мацерации при температуре 25-27°С в течение 8 часов при перемешивании каждый час в течение 5 минут.
Полученный экстракт фильтруют через газовую ткань или центрифугируют, помещают в делительную воронку, добавляют к нему смесь оливкового масла с подсолнечным или соевым при их соотношении по объему 40-45:55-60 соответственно, причем соотношение по объему экстракт : смесь масел составляет 1:1-1,2.
Реэкстракцию проводят в темном месте в течение 8 часов при постоянной температуре 22-24°С.
После ее прохождения масляный экстракт промывают водой при интенсивном механическом перемешивании или встряхивании до удаления следов спирта, а затем сушат известным способом (фильтрация, центрифугирование).
Примеры осуществления способа
Пример 1
Undaria pinnatifida
Sargassum miyabei
Сырые талломы морских бурых водорослей  (0,5 кг) и (0,5 кг) промывали в проточной воде с температурой не выше 20°С, помещали на решета для удаления излишней воды. Продолжительность стекания 20-30 мин. Подготовленное сырье измельчали в электрическом куттере до гомогенной массы с размером частиц от 0,1 до 0,3 мм, затем дополнительно гомогенизировали.
Измельченное сырье помещали в стеклянную емкость, заливали 2 л экстрагента в виде смеси 60%-ного водного раствора глицерина с кислотами уксусной и бензойной в соотношении 1000 мл : 0,3 мл : 0,1 мг соответственно и герметично укупоривали емкость для предотвращения контакта с кислородом воздуха.
Экстракцию проводили методом мацерации при 25-27°С в течение 8 ч. Каждый час производили перемешивание в течение 5 минут.
Полученный экстракт фильтровали через газовую ткань. Экстракт (2 л) помещали в делительную воронку, добавляли 2 л смеси растительных масел (40% оливкового и 60% соевого).
Реэкстракцию проводили в темном месте в течение 8 часов при температуре 22°С.
После ее прохождения масляный экстракт сливали, промывали водой при постоянном помешивании или встряхивании для удаления следов глицерина. Целевой продукт – масляный экстракт сушили.
Выход готового продукта составлял 1,98 л на 1 кг сырого сырья. Концентрация ксантофиллов в масляном экстракте составляла 0,28 мг/мл.
Пример 2
Undaria pinnatifida
Costaria costata
Сыромороженные талломы морских бурых водорослей  (0,5 кг) и  (0,5 кг) размораживали на воздухе при температуре не выше 20°С, затем обработку проводили аналогично примеру 1. Подготовленное сырье измельчали в электрическом куттере до гомогенной массы с размером частиц от 0,1 до 03 мм, затем дополнительно гомогенизировали.
Измельченное сырье помещали в стеклянную емкость, заливали 2,5 л экстрагента в виде смеси 60%-ного водного раствора глицерина с кислотами уксусной и бензойной в соотношении 1000 мл : 0,3 мл : 0,1 мг соответственно и герметично укупоривали емкость для предотвращения контакта с кислородом воздуха.
Экстракцию проводили методом мацерации при 25-27°С в течение 8 ч. Каждый час производили перемешивание в течение 5 минут.
Полученный экстракт фильтровали через газовую ткань. Экстракт (2,5 л) помещали в делительную воронку, добавляли 3 л смеси растительных масел (40% оливкового и 60% подсолнечного).
Реэкстракцию проводили в темном месте в течение 8 часов при температуре 24°С.
После ее прохождения масляный экстракт сливали, промывали водой при постоянном помешивании или встряхивании для удаления следов глицерина. Целевой продукт – масляный экстракт сушили.
Выход готового продукта составлял 2,47 л на 1 кг сырого сырья. Концентрация ксантофиллов в масляном экстракте составляла 0,27 мг/мл.
Пример 3
Costaria costata
Sargassum miyabei
Сырые талломы, ризоиды и спорофиллы морских бурых водорослей  (0,5 кг) и (0,5 кг) промывали в проточной воде с температурой не выше 20°С, помещали на решета для удаления излишней воды. Продолжительность стекания 20-30 мин. Подготовленное сырье измельчали в электрическом куттере до гомогенной массы с размером частиц от 0,1 до 0,3 мм, затем дополнительно гомогенизировали.
Измельченное сырье помещали в стеклянную емкость, заливали 2,25 л экстрагента в виде смеси 60%-ного водного раствора глицерина с кислотами уксусной и бензойной в соотношении 1000 мл : 0,3 мл : 0,1 мг соответственно и герметично укупоривали емкость для предотвращения контакта с кислородом воздуха.
Экстракцию проводили методом мацерации при 25-27°С в течение 8 ч. Каждый час производили перемешивание в течение 5 минут.
Полученный экстракт фильтровали через газовую ткань. Экстракт (2,5 л) помещали в делительную воронку, добавляли 2,6 л смеси растительных масел (45% оливкового и 55% подсолнечного).
Реэкстракцию проводили в темном месте в течение 8 часов при температуре 23°С.
После ее прохождения масляный экстракт сливали, промывали водой при постоянном помешивании или встряхивании для удаления следов глицерина. Целевой продукт – масляный экстракт сушили.
Выход готового продукта составлял 2,58 л на 1 кг сырого сырья. Концентрация ксантофиллов в масляном экстракте составляла 0,31 мг/мл.
Целевым продуктом является растительный жир сбалансированного жирнокислотного состава, содержащий сложную смесь ксантофиллов в количестве 0,27-0,31 мг/мл, включая фукоксантин, фукоксантинол, зеаксантин и др.
Органолептические характеристики масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей приведены в таблице 1.
Таблица 1
Органолептические характеристики масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей
Показатель
Описание
Внешний вид
Маслянистая жидкость
Цвет
От песочного до светло-коричневого
Вкус и запах
Свойственные, без посторонних привкуса и запаха
Прозрачность при температуре не выше 60 °С
Прозрачный
Наличие посторонних примесей
Не допускается
Отсутствие посторонних примесей позволяет вводить полученный масляный экстракт, например, в жировую фазу майонезов и соусов майонезных без изменения органолептических характеристик готового продукта.
Физико-химические показатели качества масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей представлены в таблице 2.
Таблица 2
Физико-химические показатели качества масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей
Показатель
Значение показателя
Общее содержание ксантофиллов, мг/мл, не менее
0,25
Массовая доля воды и примесей нежирового характера, %, не более
0,3
Массовая доля жира, %, не менее
99,5
Показатели безопасности масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей представлены в таблице 3.
Таблица 3
Показатели безопасности масляных экстрактов ксантофиллов
из морских бурых водорослей
Показатель
Допустимый уровень содержания, не более
Фактическое значение
Токсичные элементы, мг/кг
Свинец
0,3
0,004
Мышьяк
0,1
0,002
Кадмий
0,05
не обнаружено
Ртуть
0,05
не обнаружено
Пестициды, мг/кг
не более
ГХЦГ (α-, β- и γ-изомеры)
0,05
не обнаружено
ДДТ, ДДД, ДДЕ
0,1
не обнаружено
Полихлорированные бифенилы, мг/кг
3,0
0,1
Радионуклиды, Бк/кг(л)
не более
Цезий-137
60
не обнаружено
Стронций-90
80
не обнаружено
Перекисное число, ммоль активного кислорода/кг
10,0
3,6
Ксантофиллы в составе масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей проявляют антиоксидантный эффект, способствующий пролонгированию сроков хранения. Результаты комплексной оценки пролонгированности срока хранения полученных масляных экстрактов из морских бурых водорослей представлены в таблицах 4-6.
Изменение органолептических характеристик масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей в процессе хранения представлено в таблице 4.
Таблица 4
Изменение органолептических показателей масляных экстрактов ксантофиллов
из морских бурых водорослей в процессе хранения
Наименование показателей
Продолжительность хранения образцов
Свежеприготовленные образцы
12 месяцев
15 месяцев
18 месяцев
21 месяц
24 месяца
Внешний вид
Маслянистая жидкость
Показатели качества не изменились
Вкус, запах
Свойственные, без посторонних привкуса и запаха
Цвет
От песочного до светло-коричневого
Изменение показателей безопасности масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей в процессе хранения представлено в таблице 5.
Таблица 5
Изменение показателей безопасности масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей в процессе хранения
Показатель
В 1-ый месяц хранения
В 24-ый месяц хранения
Токсичные элементы, мг/кг
Свинец
0,004
0,005
Мышьяк
0,002
0,001
Кадмий
не обнаружено
не обнаружено
Ртуть
не обнаружено
не обнаружено
Пестициды, мг/кг
ГХЦГ (α-, β- и γ-изомеры)
не обнаружено
не обнаружено
ДДТ, ДДД, ДДЕ
не обнаружено
не обнаружено
Полихлорированные бифенилы, мг/кг
0,1
0,09
Радионуклиды, Бк/кг(л)
Цезий-137
не обнаружено
не обнаружено
Стронций-90
не обнаружено
не обнаружено
Перекисное число, ммоль активного кислорода/кг
4,6
9,1
Изменение физико-химических показателей масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей в процессе хранения представлено в таблице 6.
Таблица 6
Изменение физико-химических показателей масляных экстрактов ксантофиллов из морских бурых водорослей в процессе хранения
Показатель
Значение показателя
В 1-ый месяц хранения
В 24-ый месяц хранения
Общее содержание ксантофиллов, мг/мл
0,26
0,22
Массовая доля воды и примесей нежирового характера, %
0,2
0,1
Массовая доля жира, %
99,8
99,5
Морские водоросли являются перспективными источниками биологически активных веществ различной направленности – с антиоксидантными (см. Rajauria. In-vitro antioxidant properties of lipophilic antioxidant compounds from 3 brown seaweed / Gaurav Rajauria // Antioxidants. – 2019. - Vol. 8(12). P. 596-599), антибактериальными, противовоспалительными и антиканцерогенными свойствами (см. Meresse, S., Fucoxanthin, a marine-derived carotenoid from brown seaweeds and microalgae: a promising bioactive compound for cancer therapy/ Meresse Sarah, Mostefa Fodil, Fabrice Fleury// International journal of molecular sciences. - 2020. – Vol. 21(23): P. 9273-9278; Jesumani, Valentina Potential use of seaweed bioactive compounds in skincare-A Review / Valentina Jesumani; Hong Du, Muhammad Aslam // Marine drugs.- 2019.- 17(12) P.688-694).
Предыдущими исследованиями доказано, что различные экстракты водорослей содержат высокие уровни гидрофильных компонентов, таких как полифенолы и растворимые полисахариды (см. Salehi, Bahare; Sharifi-Rad, Javad; Seca, Ana M. L.; Current trends on seaweeds: looking at chemical composition, phytopharmacology, and cosmetic applications: Molecules 2019, 24(22): 4182; Ivanov A.D., Skrebets T.E., Bogolitsyn K.G. Supercritical fluid extraction of carotenoids. from Shantane carrot Russ. J. of physical chem B 2016; 10(8):1244-1250; Rosa, Goncalo R.; Barreto, Maria Carmo; Seca, Ana M. L. Pharmacological effects of Fucus spiralis extracts and phycochemicals: a comprehensive review Botanica marina 2019, 62(2):167-178). В частности, бурые водоросли богаты природными антиоксидантами, в том числе и фенольными соединениями, например флоротаннинами, а также каротиноидами, особенно фукоксантином и изопреноидами (см. М.В. Суховеева, А.В. Подкорытова Промысловые водоросли и травы морей Дальнего Востока: биология, распространение, запасы, технология переработки ТИНРО-центр, Владивосток, 2006, 243 с.).
Преимуществами заявляемого способа являются:
- использование в качестве экстрагента разрешенного к применению в пищевой промышленности трехатомного спирта, не являющегося опасным органическим растворителем;
- получение продукта с высоким содержанием ксантофиллов за счет сочетания экстракции и реэкстракции при умеренном температурном режиме, а также за счет использования уксусной кислоты в качестве реагента для разрушения комплексов ксантофиллов и белков;
- повышение стойкости в хранении получаемого масляного экстракта из морских бурых водорослей за счет использования бензойной кислоты в качестве пищевого антиоксиданта;
- повышение биологической эффективности готового продукта и его сбалансированный жирнокислотный состав за счет использования в качестве реэкстрагента смеси растительных масел;
- снижение трудоемкости – способ упрощен, безотходен, его осуществление не требует больших энергозатрат, применения сложного и дорогостоящего оборудования.
Получаемые продукты могут быть успешно использованы в качестве пищевых добавок с лечебно-профилактическими свойствами для жиросодержащих пищевых продуктов, а также как добавки в рацион рыб, в частности лососевых, для ускорения процесса пигментации.