Получение и использование полисахаридов бурых водорослей

Выводы

Ихтиофауна лагун Амаам и Аринай представляет собой уникальный фаунистический комплекс, характеризующийся сложной популяционной структурой и межвидовыми взаимоотношениями рыбного населения. Данные по разнообразию и численности видов рыб в исследованных водоемах, полученные нами, несколько отличаются от данных, приведенных коллегами из ЧукотНИРО.

Факт отсутствия в уловах молоди сиговых свидетельствует о необходимости проведения дополнительных специализированных работ, включая эхолотную съемку при последующих исследованиях.

Такие виды, как ряпушка, голец Таранца и звездчатая камбала, многочисленны и могут быть использованы как объекты промышленного лова.

Планируемый открытый способ разработки угольного месторождения и строительство морского порта, по всей видимости, приведут к уничтожению экосистем как лагун Аринай и Амаам, так и рек, в них впадающих.

Литература

1. Голубь Е.В., Голубь А.П. Результаты отбора водоемов Чукотки, наиболее важных для сохранения тихоокеанских лососей // Лососевые рыбохозяйственные заповедные зоны на Дальнем Востоке России. - М.: Изд-во ВНИРО, 2010. — 141 с.

2. Гудков П.К. О некоторых особенностях биологии гольца Таранца БаЬеНпш taranetzi из оз. Аччен // Вопр. ихтиологии. - 1994. - Т. 34, № 1. - С. 58-63.

3. Промысловые рыбы внутренних водоемов Чукотки / А.Н. Макоедов, М.И. Куманцов, Ю.А. Коротаев, О.Б. Коротаева. - М.: УМК «Психология», 2000. - 208 с.

4. Павлов Д.С., Савваитова К.А. К проблеме соотношения анадромии и резидентности у лососевых рыб (Salmonidae) // Вопр. ихтиологии. - 2008. - Т. 48, № 6. - С. 810-824.

5. Правдин И.Ф. Руководство по изучению рыб. - М.: Пищевая пром-сть, 1966. - 376 с.

6. Савваитова К.А. Арктические гольцы. - М.: ВО Агропромиздат, 1989. - 224 с.

7. Фадеев Н.С. Северо-Тихоокеанские камбалы. - М.: Агропромиздат, 1987. - 175 с.

8. Черешнев И.А. Биологическое разнообразие пресноводной ихтиофауны Северо-Востока России. - Владивосток: Дальнаука, 1996. - 196 с.

9. Черешнев И.А. Пресноводные рыбы Чукотки. - Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2008. - 324 с.

10. Штундюк Ю.В. К изучению биологии гольцов (ИаЬеИпш, БаЫотёае) бассейна реки Анадырь. Материалы по биологии гольца из озера Большой Нутенеут // Биология гольцов Дальнего Востока. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1991. - С. 165-172.

УДК 664.8:582.272

ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИСАХАРИДОВ БУРЫХ ВОДОРОСЛЕЙ

А.С. Пьянкова

Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003

e-mail: nastya pyancova@mail.ru

Изучены свойства полисахаридов бурых водорослей, описаны варианты технологий получения аль-гинатов, приведены виды водорослей, являющиеся источниками альгинатов. Определены показатели качества готового продукта. Проанализирована связь цвета альгината с качеством готового продукта.

Ключевые слова: альгиновая кислота, альгинаты, сорбенты, структурообразователи.

Production and utilization of brown algae polysacharides. A S. Pyancova

The article deals with polysaccharide properties, different alginate technologies, algae species as an alginate source. Quality parameters of ready product are determined. The relationship between the alginate colour and the quality of ready product is analyzed.

Key words: alginic acid, alginates, sorbents, structuremakers.

Морские бурые водоросли (ламинария и фукус) до настоящего времени являются единственным промышленным источником альгинатов, широко применяемых в пищевой промышленности и других направлениях.

Эмульгирующие свойства альгинатов обусловливают их применение при производстве молочных продуктов. При добавлении альгинатов в молочные продукты значительно увеличиваются их стойкость и сроки хранения.

За последнее время выросло потребление альгината в производстве мороженого, которому он придает нежную консистенцию, равномерную структуру, уменьшает процесс кристаллизации и значительно увеличивает стабильность при хранении [1, 2].

Альгинат добавляют к йогуртам, что улучшает и сохраняет структуру и консистенцию. При этом полисахарид может быть добавлен в молоко при подготовке молочной основы или после образования сгустка. Альгинаты широко используются как добавки, связывающие воду, препятствующие синерезису белковых соединений и способствующих получению фарша (рыбного или мясного) определенной консистенции. Для предотвращения отделения воды при размораживании в сырых рыбных фаршах концентрация альгинатов, как правило, не превышает 0,1-0,5% [3].

Обычно при изготовлении паштетообразных рыбных продуктов производят двукратную термическую обработку рыбного фарша. С целью предотвращения разделения компонентов и отделения воды фарши сначала подвергают тепловой обработке, а затем вносят вкусовые добавки. Полученный продукт гомогенизируют, фасуют и вторично стерилизуют, в результате чего снижается его биологическая ценность. Концентрация альгината в полученных продуктах может составлять 0,5-2,0% в зависимости от задаваемой консистенции продукта. Альгинаты перспективны как добавки, повышающие водоудерживающую способность, эластичность и стабильность при хранении и тепловой обработке мясных и рыбных фаршей.

Одной из главных задач, стоящих перед исследователями в области разработки пищевых и лечебно-профилактических продуктов, является придание им заданной формы, структуры в процессе производства.

Получение устойчивых систем, обладающих нужным составом и свойствами, - сложная задача, поэтому одновременно с формированием, гранулированием, таблетированием и т. д. применяют структурообразователи - вещества, изменяющие консистенцию продуктов. Из данных литературы известно, что структурообразователи должны быть инертны по отношению к компонентам пищи (не окислять липиды, не разрушать витамины и т. д.) и образовывать при определенных рН, концентрациях и температуре водные растворы, обладающие структурной вязкостью, то есть проявляющие эффект сгущения; предпочтительны бесцветные растворы, лишенные вкуса и запаха [4, 5].

Структурообразователи должны проявлять способность к гелеобразованию: при определенных условиях формировать трехмерную, объемную структурную сетку, обладать адгезией (прилипанием) по отношению к поверхности компонентов, входящих в состав продуктов. Технологическая обработка (высокие или низкие отрицательные температуры, механические воздействия и др.) не должны изменять функциональные свойства структурообразователей [6].

Таким требованиям отвечают полисахариды морских водорослей, широко применяемые в промышленности как эмульгаторы и стабилизаторы, которые способны создать условия для связывания большого количества воды, увеличивать вязкость, способствовать образованию стойких суспензий. Полисахариды встречаются в природе в виде плотно упакованных, строго упорядоченных цепей, и при гелеобразовании формируются структуры трех типов: спирали, рифленые ленты, плотно уложенные ленточные структуры [5, 7].

Для альгинатов характерна структура рифленых лент. В альгинатных гелях участки рифленых лент образованы из D-мануроновой и L-гулуроновой кислот [8-10].

Гель вообще не образуется, если содержание гулуроновой кислоты меньше 20-25% [11].

Прочность геля и его относительный объем будут увеличиваться с возрастанием содержания гулуроновой кислоты [11, 12].

Молекула альгината в воде подвергается сольватации, в связи с чем образуются вязкие растворы. Вязкость их зависит от многих факторов, в частности от величины молекулярной массы. Существует зависимость между значением средней молекулярной массы альгината и его жели-рующей способностью: чем выше молекулярная масса, тем большей способностью к образованию прочного студня обладает данный полисахарид [6].

Альгинат натрия формирует растворы высокой вязкости даже при низких концентрациях вследствие высокой молекулярной массы и жесткой структуры молекул. Альгинат натрия с некоторым содержанием остаточного кальция образует гель при рН 5. Альгинат натрия с минимальным содержанием кальция образует гели при рН 3. Растворы альгината натрия чувствительны к щелочной реакции среды, длительная химическая обработка при рН выше 10 ухудшает стабильность в результате деполимеризации, сопровождающейся потерей вязкости [13, 14].

В альгинатных растворах, подобно большинству растворов других полисахаридов, уменьшается вязкость с увеличением температуры. В ограниченном диапазоне вязкость альгинового раствора уменьшается приблизительно на 12% при увеличении температуры на 5-6°С. Снижение температуры увеличивает вязкость альгинового раствора, но не приводит к формированию геля. Внешний вид и вязкость растворов альгината натрия, который был заморожен, а затем разморожен, не меняется [4, 13, 14].

Альгинаты в растворе совместимы с различными материалами, включая другие загустители, сахар, масло, жиры, различные эмульгаторы и растворы солей щелочных металлов. Возможная несовместимость - это результат реакции с двухвалентными катионами (кроме магния) или реагентами, которые приводят к щелочной деградации или кислотному осаждению. Во многих случаях несовместимости можно избежать, используя комплексное образование иона металла или точный контроль рН [13,14].

Анализ эмульгирующей способности альгинатов показал, что наибольшей прочностью обладают межфазные слои при рН среды 5, в результате создаются наиболее подходящие условия для конформационных изменений макромолекул альгинатов и их взаимодействия.

Свойство альгинатов образовывать гели широко применяется в производстве пищевой продукции:

- мороженого - для регулирования процесса кристаллизации, создания равномерной структуры и замедления таяния:

- кондитерских изделий, паст, пудингов - для регулирования структуры;

- соусов и заливок - для получения гладкой, приятной на вкус, не расслаивающейся на фракции эмульсии;

- сбитых кремов - для предотвращения отделения воды при гомогенизации и замораживании;

- пива - для контроля пенообразования в заданных пределах.

Таким образом, использование альгинатов и альгинатсодержащих препаратов из ламинариевых и фукусовых водорослей - это перспективное направление в технологии продуктов питания. При этом применение комплексной технологии переработки водорослей необходимо для выделения растворимых в воде БАВ и разработки рекомендации их целенаправленного использования. Водорослевые альгинатсодержащие остатки рационально использовать для получения продуктов эмульсионного типа. При этом в процессе технологической обработки - растворение, сгущение, нагревание до 120°С под давлением, замораживание, размораживание - альгинаты не теряют своих эмульгирующих, стабилизирующих, сорбционных и других свойств, как в выделенном состоянии, так и в составе пищевых компонентов. К настоящему времени сложилась устойчивая тенденция в пищевой отрасли использовать при приготовлении пищевых продуктов и БАД ламинариевые водоросли вследствие их технологичности и высокого содержания альгина-тов и др. БАВ. Эти водоросли, благодаря большим промысловым запасам, являются перспективным сырьем для производства новых видов пищевых продуктов, содержащих различные БАВ в строго регламентируемых концентрациях.

В литературных источниках недостаточно данных об использовании фукусовых водорослей в качестве сырья для приготовления пищевой продукции и продукции функционального назначения, несмотря на то, что эти виды водорослей являются источниками биологически активных компонентов, поступление которых в организм человека желательно ежедневно. Например, альгинаты - пищевые волокна, которые являются энтеросорбентами; биологически активный фукоидан; минеральные вещества, в том числе важный для нормальной деятельности организма йод и т. д. Кроме того, в связи с обостренной экологической обстановкой все более возрастает необходимость употребления натуральных продуктов, сбалансированных по содержанию биологически активных веществ. В этом отношении водоросли перспективны при разработке новых видов пищевой продукции. Сырьевые запасы водорослей в России достаточно обширны, чтобы обеспечить производство новых видов пищевой продукции на основе

фукусовых и ламинариевых водорослей. Разработка разнообразных продуктов питания на основе тех видов водорослей, которые до этого не применялись в пищевой промышленности, является весьма перспективным направлением в технологии.

Выбор технологических условий для извлечения альгиновой кислоты предопределяется химическим составом бурых водорослей, поступающих на переработку. Основным показателем возможности их применения для получения альгината считается содержание альгиновой кислоты в интервале 20-40% от сухой массы водорослей [4, 15, 16].

При производстве альгината из водорослей основной задачей считается получение очищенного продукта, без цвета и запаха, имеющего высокую вязкость водных растворов.

Альгиновая кислота обнаружена Стенфордом в 1883 г., и с тех пор способы ее извлечения из водорослей изучаются и совершенствуются уже более ста лет. В разных странах производство альгинатов осуществляется по собственным технологиям, однако принципиальная схема выделения альгинатов из водорослей остается неизменной и состоит из следующих основных операций: предварительная обработка водорослей, экстракция альгината, осаждение альгиновой кислоты и получение из нее необходимых солей натрия, кальция, калия и др. [16-19].

Разработан способ получения смешанных солей альгиновых кислот, когда к карбоксильным группам полимера присоединяют различные элементы в макро- (Са++, К+, Na+, Fe++) и микроколичествах (Мо++, Со++ и др.).

В производстве альгината натрия большой проблемой является получение неокрашенного продукта без вкуса и запаха. Цвет альгинатов и их водных растворов является важной качественной характеристикой, поэтому исследователи большое внимание уделяют вопросу обесцвечивания и в технологическую схему часто включают процесс отбеливания альгинатов хлорной известью, гипохлоритом, перекисью водорода и др. [17, 20].

Применение отбеливающих реагентов приводит к обесцвечиванию альгината, но при проведении этого процесса неизбежна деструкция полимера альгиновой кислоты, и, как следствие, снижается вязкость альгинатных растворов. Хорошие результаты дает применение формалина, так как он связывает пигменты в нерастворимый белково-целлюлозный комплекс [21] .

В норвежской фирме «Протан» - известном мировом производителе альгината - многие годы применяли способ консервирования бурых водорослей формальдегидом, что также способствовало получению неокрашенного продукта. Однако в последние годы в связи с повышением контроля над сохранением окружающей среды санитарные власти Норвегии запретили сброс в канализацию и прибрежные воды стоков, содержащих формальдегид. Поэтому норвежские ученые предложили способ консервирования Laminaria digitata и других бурых водорослей хлоридом натрия [4], аналогичный способу, применяемому в России.

В России исследования бурых водорослей и разработка технологии получения альгината были начаты еще в 1930-е гг. В интенсивный исследовательский процесс были включены бурые водоросли Черного, Белого, Баренцева и дальневосточных морей. Производство маннита и альгината было организовано в г. Архангельске еще в 1948 г., в качестве сырья использовали бурые водоросли Белого и Баренцева морей - ламинарию пальчаторассеченную (L. digitata) и ламинарию сахарину (L. saccharina) для получения маннита и альгината, а также четыре вида фукусовых водорослей (Fucus vesiculosus, F. distichus, F. serratus) для получения технического альгината и биологически активных экстрактов [22, 23].

На примере исследований химико-технологических свойств двухлетней ламинарии японской, культивируемой в двухгодичном цикле у берегов Приморского края (Японское море), было установлено, что эффективность экстракции альгиновой кислоты из исходного водорослевого материала зависит от количества поливалентных металлов (кальция), связанных с аль -гиновой кислотой водоросли, величина которых непостоянна, возрастает в процессе биосинтеза альгинатов, зависит от сезона сбора водоросли и содержания в полимере L-гулуроновой кислоты [4, 19].

В литературных источниках показано, что в технологическом процессе получения альгина-та, где применяют кислотную предобработку, необходимо устанавливать оптимальную концентрацию кислоты, ее температуру и продолжительность обработки водорослей, как факторы, катализирующие реакцию отщепления поливалентных металлов от альгинатов в водорослях. Правильно подобранные условия кислотной предобработки позволяют извлекать высокомолекулярную фракцию альгиновой кислоты, обогащенную L-гулуроновой кислотой [4].

Литература

1. Levis G., Stanley N., Guist G. Commercial production and applications of algal hydrocolloids // Algae and Human Affairs. - Seattle: University of Washington, 1988. - P. 206-232.

2. Moe S.T., Draget K.I., Skjak-Brak G. Alginate // Food Polysaccharides and their applications. -New York, 1995. - 245 p.

3. Калаковский Э. Технология рыбного фарша. - М.: Агропромиздат, 1991. - 220 с.

4. Вафина Л.Х. Обоснование комплексной переработки бурых водорослей (PHAEOPHYTA) при получении функциональных пищевых продуктов // Дис... канд. тех. наук. - М., 2010. - 177 с.

5. OakenfuulD.G. Food gest. CSIRO Food Research Quart. - 1984. - Vol. 44, № 3. - P. 49-50.

6. Богданов В.Д., Сафронова Т.М. Структурообразователи и рыбные композиции. - М.: ВНИРО, 1993. - 172 с.

7. Walker B. Gums and stabilisers in food formulations Cums and Stab. / Food Ind. - 1984. -Vol. 2. - P. 137-161.

8. Haug A., Myklested A., Larsen B., Smidsrod O. Correlation between Chemical Structure and Physiol. Properties of Alginates. - Acta Chem. - 1967. - Vol. 21, № 3. - P. 768-777.

9. Chioptical and stachiometric evidence of a specific, primary demineralization process in alginate / Morris E.R., Rees D.A., Thom D., Boyd J. - 1978. - № 6. - P. 145-154.

10. Naiya Z., Yanxia Z., Xiao F. Изучение состава и последовательности остатков уронатов в составе альгинатов бурых водорослей Laminaria и Sargassum из Китая / Haiyang yu huzhao: Oceanol. et limnol. Sin. - 1992. - № 4. - P. 445-453.

11. Haug A. Composition and properties of alginates: Report № 3. - Oslo: Norwegian Inst. Of Seaweeds Res. - 1964. - 123 p.

12. Humphreyses E.R. Preparation of an oligoguluronide from sodium alginate // Carb. Res. -1967. - № 4. - P. 216-218.

13. Взоров AM, Никитков В.А., Жген А.Н. Стабилизаторы в производстве майонезов и маргаринов // Пищ. пром-сть. - 1997. - № 12. - С. 28-31.

14. Грешнов А.Г., Взоров А.Л., Никитков В.А. Пищевые добавки фирмы The NutraSweet Kelco Company (Великобритания) // Пищ. пром-сть. - 1997. - № 11. - С. 68-71.

15. Кизеветтер И.В. Промысел и обработка морских растений в Приморье. - Владивосток: Дальневост. кн. изд-во, 1966. - 103 с.

16. Кизеветтер И.В., Суховеева М.В., Шмелькова Л.П. Морские водоросли и травы дальневосточных морей. - М.: Пищ. пром-сть, 1981. - 113 с.

17. Лукачев О.П. Процесс отбеливания альгинатных растворов // Материалы рыбохоз. ис-след. сев. бассейна. - Мурманск, 1970. - Вып. 13. - С. 119-124.

18. Баранов B. C. Разработка технологии производства пищевого альгината натрия из фукусов и его использование в промышленности / МИНХ: Реф. НИР и ОКР. - 1982. - Сер. 12, № 6. - 55 с.

19. Подкорытова А.В., Шмелькова Л.П. Получение альгината натрия из отходов при обработке ламинариевых // Изв. ТИНРО. - 1983. - Т. 108. - С. 53-56.

20. Гернет Н.Л., Виноградова Г.В. Пути повышения качества альгината натрия // Материалы рыбохоз. исслед. - Мурманск, 1970. - Вып. 12. - С. 111-113.

21. Шмелькова Л.П. Изучение приморской анфельции и деталей технологии приморского агара // Изв. ТИНРО. - 1957. - Т. 100. - С. 129-172.

22. Бокова Е.М., Титов В.М. Сырьевые и производственные проблемы Архангельского опытного водорослевого комбината // Материалы 1-й Междунар. конф. «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки». - М.: ВНИРО, 2002. -С.110-116.

23. Репина О.И., Муравьева Е.А., Подкорытова А.В. Химический состав промысловых бурых водорослей Белого моря // Прикладная биохимия и технология гидробионтов: Тр. ВНИРО. -2004.- Т. 143. - С. 93-99.