Красные водоросли родов Kappaphycus и Eucheuma, культивируемые в прибрежной зоне Южного Вьетнама: химический состав биомассы, свойства и технология получения каррагинанов

Известия ТИНРО

2012

Том 170

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ГИДРОБИОНТОВ

УДК 577.1:639.64.08

Phan Thi K.V.1, А.В. Подкорытова2*

1 Nha Trang University, 02 Nguyen Dinh Chieu str., Nha Trang City, VietNam;

2 Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства

и океанографии, 107140, г. Москва, ул. Верхняя Красносельская, 17

красные водоросли родов kappaphycus и eucheuma, культивируемые в прибрежной зоне южного Вьетнама: химический состав биомассы, свойства и технология

получения каррагинанов

Исследованы общий химический и моносахаридный состав биомассы красных водорослей-каррагинофитов, а также физико-химические свойства каррагинанов, полученных из них. Установлено, что основным фактором, влияющим на качество каппа-каррагинанов, получаемых из культивируемых водорослей рода Kappaphycus, является сезонность их выращивания. Показаны рациональные режимы экстрагирования, осаждения и прессования каррагинанов из Kappaphycus и Eucheuma, при которых степень их экстракции достигает 95 %, прочность гелей 2 %-ных водных растворов — 900 г/см2. Разработана технологическая схема получения каппа- и йота-каррагинанов.

Ключевые слова: красные водоросли-каррагинофиты, Kappaphycus, Eucheuma, каппа- и йота-каррагинаны.

Phan Thi K.V., Podkorytova А.В. Red algae from genera Kappaphycus and Eucheuma cultivated in the coastal zone of southern Vietnam: chemical composition of tissues, properties of carrageenan and technology of its production // Izv. TINRO. — 20l2. — Vol. 170. — P. 256-263.

Chemical and monosaccharide composition of red algae-carrageenophytes and physicochemical properties of their native carrageenans were studied. It is established that seasonal variation is the major factor influencing on quality of kappa-carrageenan, obtained from cultivated algae genus Kappaphycus. Rational regimes of extracting, precipitating and pressing carrageenan gel for dewatering were showed with high extraction degree (95 %) and gel strength of 2 %-carrageenan solution (900 g/cm2). A technological scheme for obtaining к- and i-carrageenan was developed.

Key words: red algae-carrageenophyte, Kappaphycus, Eucheuma, к-carrageenan, i-carrageenan.

Введение

Каррагинаны — сульфатированные полисахариды, широко применяются в пищевой промышленности, медицине, биотехнологии. По данным статистики на мировом рынке потребность в каррагинанах возрастает на 5-7 % в год (McHugh, 2003). В связи с низким темпом роста естественных популяций водорослей-каррагинофитов

* Phan Thi Khanh Vinh, кандидат технических наук, преподаватель, e-mail: kvinh2001@ yahoo.com; Подкорытова Антонина Владимировна, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, е-mail: podkor@vniro.ru.

Phan Thi Khanh Vinh, Ph.D., lecturer, e-mail: kvinh2001@yahoo.com; Podkorytova Antonina V., D.Sc., Professor, Chief researcher., е-mail: podkor@vniro.ru.

и истощением их запасов возникла необходимость развития марикультуры высокопродуктивных быстрорастущих видов Kappaphycus и Eucheuma (Блинова, Макарова, 1990; Neish, 2005). По гидрологическим и температурным режимам наиболее подходящими зонами для марикультуры каррагинофитов являются прибрежные воды стран тропического пояса. Ежегодно только во Вьетнаме их выращивают более 3200 т в сухом весе (Nang, Dinh, 1998; Dang et al., 2007). Для удовлетворения в каррагинанах внутренних потребностей пищевой промышленности и других отраслей Вьетнама эти полисахариды импортируют в связи с отсутствием собственной технологии (Фан и др., 2010). В российских дальневосточных морях имеются запасы каррагинофитов рода Chondrus, однако места их произрастания практически недоступны для добычи и организации промышленного производства, что приводит к необходимости импорта каррагинанов в Россию (Ермак, Хотимченко, 1997). В связи с этим возникает стойкая зависимость российской пищевой и других промышленностей от зарубежного производителя, что вызывает необходимость изучения новых для России дешевых, с высокими химико-технологическими свойствами видов каррагинофитов. В настоящее время в научной литературе еще недостаточно данных о физико-химической характеристике красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma и отсутствуют разработанные технологии производства каррагинанов из водорослей, выращиваемых в разные сезоны и сроки.

Цель исследований — оценка качества красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma, культивируемых в прибрежной зоне Южного Вьетнама, в зависимости от срока и сезона их выращивания, а также разработка технологии производства из них гелеобразующих полисахаридов — каппа- и йота-каррагинанов.

Материалы и методы

В качестве объектов исследований использовали 20 образцов Кappaphycus alvarezii, К. striatum и Eucheuma denticulatum. Вид К. striatum представлен тремя формами: Sacol green, Sacol brown и payaka, различающимися внешне окраской талломов. Водоросли выращивали в разные сроки и сезоны в прибрежной зоне Южного Вьетнама, районы Khanh Hoi, Khanh Nhon, Phuong Cu, Cam Ranh.

Для оценки химического состава красных водорослей, каррагинанов, а также для измерения прочности, цвета гелей, температуры их плавления и гелеобразования использовали стандартные методы (ГОСТ 26185-84). Определение содержания карра-гинана в биомассе водорослей проводили по методике, описанной ранее (Подкорытова, Кадникова, 2009). Моносахаридный анализ биомассы водорослей, выделенных из них каррагинанов, стандартов каппа- и йота-каррагинанов (фирма Sigma) определяли методом ГЖХ (Усов, Элашвили, 1991).

Результаты и их обсуждение

Результаты исследований общего химического и моносахаридного состава 20 образцов красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma показали, что они содержат к- и i-каррагинаны, моносахаридный состав которых практически совпадает со стандартами к- и i-каррагинанов.

Моносахаридный состав биомассы водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma и содержание каррагинана в них практически идентичны (табл. 1).

При сравнении моносахаридного состава биомассы К. striatum двух форм Sacol green и Sacol brown существенных различий в углеводном составе не обнаружено. Установлено, что формы Sacol green и Sacol brown различаются только по соотношению пигментов (Подкорытова, Фан, 2010). Однако выявлены значительные различия в содержании каррагинанов в водорослях K. alvarezii с разным сроком культивирования (45, 60 и 90 сут), при этом выращивание в течение 90 сут приводило к уменьшению содержания каррагинана в биомассе водорослей K. alvarezii и К. striatum по сравнению с культивированием 60 сут. Водоросли K. alvarezii, выращенные в течение 45 сут в «холодно-дождливый» (ХД) сезон, отличались достаточно высоким содержанием

Химический состав красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma, выращенных в прибрежной зоне Южного Вьетнама, % сухой массы

Table 1

Chemical composition of red algae gen. Kappaphycus and Eucheuma cultivated in the coastal area

of South Vietnam, % of dry weight

Образец Cрок, сут Cc- зон Рай- он е 1 e лс ае Й & не ив Белок аги р р « O A - ,6 3, 6-0-метилга- лактоза з о 2 <3 з озк £ Галактоза £ cT S /G2 A/

выращивания

К. alvarezii 45 XД KH 48,2 7,7 43,2 9,4 1,02 0,63 1,01 14,1 9,2 0,70

К. alvarezii 45 XД KN 35,3 6,3 48,0 8,2 1,00 0,71 1,33 13,9 8,7 0,65

К. alvarezii 45 XД PC 42,1 8,0 47,0 9,4 1,52 0,53 1,19 14,7 9,8 0,65

К. alvarezii 45 ЖC CR 31,6 3,7 36,5 6,9 0,59 0,37 0,96 11,1 8,1 0,66

К. alvarezii 60 ЖC CR 46,3 4,8 48,5 6,6 1,13 ^едн 3,09 14,2 8,9 0,49

К. alvarezii 90 ЖC CR 46,3 7,0 39,0 7,8 0,96 0,80 1,19 15,9 7,8 0,52

К. striatum payaka 45 ЖC CR 32,2 4,3 41,9 7,4 0,73 0,44 0,78 11,0 9,3 0,71

К. striatum payaka 6Q ЖC CR 52,8 4,3 41,1 5,2 0,80 ^едн 2,38 10,7 6,3 0,51

К. striatum payaka 9Q ЖC CR 53,6 3,4 32,6 7,5 0,98 0,42 1,65 14,1 7,0 0,56

К. striatum Sacol green 45 XД KH 44,5 8,9 42,2 8,9 0,67 0,27 0,79 12,6 9,9 0,75

К. striatum Sacol green 45 XД KN 47,2 6,2 42,6 8,6 0,61 0,40 1,31 13,1 8,7 0,71

К. striatum Sacol brown 45 XД KH 44,2 11,4 43,5 8,9 0,74 0,36 0,80 13,1 8,9 0,72

К. striatum Sacol brown 45 XД KN 44,3 9,5 42,9 8,7 0,68 0,42 1,08 13,1 8,5 0,71

E. denticulatum 45 XД KH 49,1 6,28 40,7 5,6 - 0,40 1,40 15,0 12,6 0,42

E. denticulatum 45 XД KN 46,2 9,04 41,1 5,4 - 0,49 0,74 13,9 12,7 0,43

Примечание. XД — «холодно-дождливый» сезон; ЖC — «жарко-сухой» сезон; KN — район Khanh Nhon; KH — район Khanh Hoi; PC — район Phuong Cu; CR — район Cam Ranh.

1 3,6-ангидрогалактоза. 2 Отношение 3,6-ангидрогалактозы к галактозе.

каррагинанов — 47-48 % в расчете на сухую массу (табл. 1). Такое высокое содержание каррагинанов в водорослях определяет возможность их промышленной переработки.

При сравнении прочностей гелей природных каррагинанов, полученных из К. alvarezii в пределах одного сезона и срока выращивания, существенных различий в зависимости от места выращивания не обнаружено. Однако прочности гелей каррагинанов, полученных из водорослей рода Kappaphycus, выращенных в разные сезоны, существенно различаются. Гели 2 %-ных растворов каррагинанов, выделенных из водорослей, выращенных в ХД сезон, обладают большей прочностью по сравнению с таковыми из водорослей, выращенных в ЖС сезон. Различие показателей прочности гелей, вероятно, обусловлено разным отношением 3,6-ангидрогалактозы к галактозе, так как в идеале это соотношение должно стремиться к 1, что обеспечивает регулярность структуры полисахарида и наибольшие показатели прочности гелей его растворов (Anderson et al., 1973). В среднем эта величина 0,66-0,72 — для водорослей, выращенных в ХД сезон, и 0,51-0,55 — для водорослей, выращенных в ЖС. Для K. alvarezii прочность гелей составляет 600 г^м2, а для K. striatum — 800-930 ^м2 (табл. 2). Вероятно, это связано с различием температуры в ХД сезон (15-24 0С) и ЖС сезон (26-37 0С).

Таблица 2

Физические свойства гелей природных каррагинанов, выделенных из красных водорослей рода Kappaphycus, выращенных в разных условиях

Table 2

Physical properties of gels natural carrageenan extracted from the red algae genus Kappaphycusgrown under different conditions

Вид водоросли Район Срок, сут Сезон Гель 2 %-ного раствора каррагинана

выращивания Прочность, г^м2 Температура, 0С

плавления гелеобразования

K. alvarezii KN 45 ХД 600 56 29

CR ЖС 360 54 30

KH 60 ЖС 430 49 29

CR 390 50 31

K. striatum, Sacol brown KH 45 ХД 800 58 30

K. striatum, Sacol green KH 45 ХД 930 58 29

CR ЖС 390 52 30

Каррагинаны — это сульфатированные полисахариды, растворяющиеся в воде. Поэтому для получения высокого выхода качественных каррагинанов их экстрагирование из водорослей проводили в водной среде при температуре 60-90 0С. Полученные результаты показали, что процесс экстрагирования каррагинанов из водорослей К. alvarezii и Е. denticulatum проходит интенсивно в течение 30 мин со средней степенью их извлечения 66 ± 2 % (рис. 1). Динамика экстракции каррагинана при гидромодуле 1 : 40 (Тэкст 90 0С) аналогична процессу при гидромодуле 1 : 60 (Тэкст 80 0С): в течение 60 мин экстрагируется до 78 ± 4 % каррагинанов.

С целью повышения степени экстрагирования каррагинана исследовали этот процесс в интервалах: продолжительность — от 1 до 4 ч, гидромодуль — 1 : 40, 1 : 60 и 1 : 80, температура — 80, 85 и 90 0С. При этом определяли реологические свойства технологического геля (гель, получаемый в процессе осаждения каррагинана) и

Рис. 1. Динамика экстракции каррагинана из K. al-varezii

устанавливали выход конечного продукта. При увеличении гидромодуля от 1 : 40 до 1 : 60 выход каррагинана из K. alvarezii, Е. denticulatum увеличивается соответственно в среднем на 25 и 33 % (рис. 2). Диффузионное равновесие наступает после двух часов экстрагирования, и при этом выход каррагинана из K. alvarezii и E. denticulatum составляет соответственно 43,5 и 50,0 % сухой массы. Степень экстрагирования каррагинана достигает 95 ± 1 %.

При увеличении гидромодуля до 1 : 80 технологический гель слабо структурируется, прочность его составляет не более 45 г^м2. При последующей обработке (прессование) наблюдаются потери каррагинана, что приводит к значительному снижению выхода продукта.

Таким образом, установлены рациональные параметры экстрагирования каррагинана из Kappaphycus и Eucheuma: температура — 90 ± 2 0С, гидромодуль — 1 : 60, продолжительность — 2 ч ± 15 мин.

Специфичными для к-каррагинана являются катионы калия, и только в их присутствии формируется прочная структура геля. Специфичными для i-каррагинана — катионы кальция, в их присутствии формируется эластичная структура геля (Smith, Cook, 1953; Anderson et al., 1973). Для каждого типа каррагинана существует своя критическая концентрация определенного катиона (Nussinovitch, 1997).

При получении к- и i-каррагинанов проводили их осаждение растворами KCl и СaQ2 из экстрактов, содержащих соответствующий тип каррагинана.

На основании результатов исследований влияния концентрации соли на реологические свойства технологического геля и содержание золы в полученных каррагина-нах установлены рациональные параметры процесса осаждения к- и i-каррагинанов: 0,7 г хлорида калия и 0,4 г хлорида кальция в расчете на 0,7 и 0,8 г сухих веществ в экстракте из K. alvarezii и E. denticulatum.

Для концентрирования технологических гелей каррагинана применяли метод прессования. Поскольку гели каррагинана из K. alvarezii являются слабоструктурированной системой (прочность геля составляет 200-250 г^м2), удаление жидкости из них проводили при небольших нагрузках в тонком слое с их увеличением в несколько этапов прессования. Жидкость из геля каррагинана при прессовании с нагрузкой 0,01-0,02 МПа удалялась интенсивно в течение 1,5—2,0 ч (рис. 3). За это время было удалено до 42 % находящейся в геле жидкости и 30 % растворенных в ней солей. При увеличении продолжительности прессования до 5 ч степень обезвоживания возрастала на 10 % и выводилось еще около 8 % растворенных в геле солей. Содержание минеральных веществ в каррагинане после 5 ч прессования уменьшилось на 35,0 % и составило 29,5 %. Содержание сухих веществ составляло в среднем 2,5 %.

Для повышения содержания сухих веществ до 10 % в геле и установления оптимальных параметров прессования было изучено влияние трех факторов, таких как

Рис. 2. Выход каррагинана при различных параметрах экстракции из водорослей K. alvarezii

Fig. 2. Yield of carrageenan from the algae K. alvarezii (a) and E. denticulatum (b) under different parameters of extraction

Рис. 3. Динамика выделения жидкости из геля каррагинана при прессовании Fig. 3. Dynamics of carrageenan gel dewatering by pressing

продолжительность, толщина слоя геля и нагрузка, на степень удаления жидкости из геля с применением метода центрально-композиционного ортогонального планирования (Грачев, 2005). В результате было получено уравнение, описывающее зависимость изменения степени обезвоживания от параметров прессования:

Y = 56,91 - 9,16х1 + 15,93х2 + 4,53Хз - 3,54х1х2 + 8,99х12 - 5,10х32, где Y — степень обезвоживания, %; х1 — толщина слоя, м; х2 — продолжительность, ч; хз — нагрузка, МПа.

Расчет степени обезвоживания технологического геля в процессе прессования в соответствии с полученным уравнением показал, что в результате прессования геля степень его обезвоживания составляет в среднем 57 %. Анализ значений коэффициентов регрессии выявил наличие двух положительных факторов — продолжительность и нагрузка. Увеличение этих параметров приводит к увеличению степени обезвоживания. Уменьшение толщины слоя также позволяет повысить степень обезвоживания. Анализ межфакторного взаимодействия «толщина слоя геля — продолжительность прессования» выявил, что уменьшение высоты слоя геля и увеличение продолжительности в равной степени увеличивают степень обезвоживания.

С помощью математических вычислений и анализа уравнения прессования геля каппа-каррагинана было установлено, что оптимальными технологическими параметрами процесса прессования являются нагрузка — 0,03 ± 0,01 МПа, продолжительность — 15 ч и толщина слоя — 0,01 м. Нагрузка регулируется в зависимости от используемых водорослей рода Kappaphycus, выращенных в ХД или ЖС сезон, в связи с большим различием в реологических свойствах технологических гелей каррагинанов (табл. 2). При установленном режиме прессования содержание сухих веществ в геле повышается в 14 ± 2 раза по сравнению с исходным значением, что позволяет расширить спектр его использования в пищевых системах. По внешнему виду гели прозрачные и бесцветные вследствие удаления до 46 % минеральных и красящих веществ.

На основании проведенных исследований разработана технологическая схема (рис. 4) получения из водорослей рода Kappaphycus к- и 1-каррагинана из Е. denticulatum, выращенных в течение 60 сут в разные сезоны.

Каррагинаны, полученные с помощью разработанной технологии, соответствуют предъявляемым требованиям по безопасности СанПиН 2.3.2.1078-01 и стандарту JECFA (ФАО/ВОЗ). Результаты исследований физико-химических свойств экспериментальных каррагинанов показали, что прочность и цвет гелей 2 %-ного раствора пищевого каррагинана, полученного по разработанной технологии, выше такового из Chondrus armatus, но несколько меньше каррагинана из Е. соПопп (табл. 3).

Рис. 4. Технологическая схема получения к- и і-каррагинанов из культивируемых красных водорослей-каррагинофитов

Fig. 4. Technological scheme of k- and і-carrageenans production from cultivated red algae-carragееnophytes

Таблица 3

Физико-химическая характеристика экспериментальных (ЭК) и коммерческого каррагинанов

Table 3

Physicochemical characteristics of experimental (ЭК) and commercial carrageenan

Каррагинан Содержание, % Физические характеристики гелей каррагинанов

белка золы Прочность 2 %-ного р-ра, г^м2 Вязкость 1,5 %-ного р-ра, Пас Цвет, % свето-пропускания Температура, 0С

плавле- ния гелеобра- зования

Пищевой, из C. armatus1 (ТИНРО)* Н.д 22,0 300 - 73 61 32

Пищевой, из Е. cottonii1 (Филиппины) Н.д 26,7 820 - 85 54 31

ЭК из K. alvarezii1 0,9 32,5 780 - 75 61 41

ЭК из E. denticulatum2 1,2 36,4 - 8,8 78 61 41

1 Характеристика к-каррагинана и геля его 2 %-ного раствора.

2 Характеристика 1-каррагинана и геля его 1,5 %-ного раствора. * Данные А.В. Подкорытовой (2005).

Выводы

Таким образом, в результате комплексных исследований культивируемых красных водорослей-каррагинофитов установлена возможность использования Kappaphycus и ЕиЛеита, выращенных в течение 45 и 60 сут, для производства каррагинанов, при этом выход к- и 1-каррагинанов составляет соответственно 43,5 и 50,0 % сухой массы водорослей.

Установлена необходимость сортировки сырья по срокам и сезонам выращивания в процессе его заготовки, а также отработки технологического процесса получения каррагинанов в лабораторных условиях в зависимости от химического состава сырья и химико-технологических свойств гелей природных каррагинанов.

Разработаны рациональные режимы экстрагирования и осаждения каррагинанов из водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma: экстракция водой при температуре

— 90 ± 2 0С, гидромодуль — 1 : 60, продолжительность — 2 ч ± 15 мин; осаждение к-каррагинана раствором хлорида калия в соотношении 0,7 г соли на 0,7 г сухих веществ в экстракте; осаждение i-каррагинана раствором хлорида кальция в соотношении 0,4 г соли на 0,8 г сухих веществ в экстракте.

Разработаны оптимальные режимы прессования геля к-каррагинана: толщина слоя — 0,01 м, продолжительность — 15 ч, нагрузка — 0,03 ± 1,0 МПа, позволяющие увеличить содержание сухих веществ в 14 ± 2 раза по сравнению с исходным технологическим гелем.

На основании разработанных рациональных режимов экстрагирования, осаждения к- и i-каррагинанов и оптимизации процесса прессования технологических гелей разработана технология производства каррагинанов двух типов из красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma.

список литературы

Блинова Е.И., макарова г.Е. Культивирование водоросли за рубежом : ОИ / ВНИЭРХ. Сер. Марикультура. — М., 1990. — Вып. 3. — 57 с.

грачев ю.П. Математические методы планирования экспериментов : монография. — М. : Дели принт, 2005. — 296 с.

ермак И.м., хотимченко с.ю. Физико-химические свойства, применение и биологическая активность каррагинана — полисахарида красных водорослей // Биол. моря. — 1997.

— Т. 23, № 3. — С. 129-142.

Подкорытова А.В. Морские водоросли-макрофиты и травы : монография. — М. : ВНИ-РО, 2005. — 175 с.

Подкорытова А.В., Кадникова И.А Качество, безопасность и методы анализа продуктов из гидробионтов. Руководство по современным методам исследований морских водорослей, трав и продуктов их переработки. — М. : ВНИРО, 2009. — 107 c.

Подкорытова А.В., Фан Т.К. Винь. Пигменты и каррагинаны из красных водорослей // Рыб-пром: технологии и оборудование для переработки водных биоресурсов. — 2010. — № 3. — С. 74-78.

усов А.И., Элашвили м.я. Количественное определение производных 3,6-ангидрога-лактозы и специфическое расщепление галактанов красных водорослей в условиях восстановительного гидролиза // Биоорган. химия. — 1991. — № 17. — С. 839-848.

Фан Т.К. Винь, Подкорытова А.В., Игнатова Т.А., усов А.И. Культивирование и переработка красных водорослей-каррагинофитов во Вьетнаме // Рыбпром: технологии и оборудование для переработки водных биоресурсов. — 2010. — № 3. — C. 26-31.

Anderson N.s., Dolan T.c.s., Rees D.A. Carrageenans. Part 7. Polysaccharides from Eucheuma spinosum and Eucheuma cottonii. The covalent structure of iota-carrageenan // J. Chem. Soc. — 1973.

— Vol. 19. — P. 2182-2187.

Dang D.H., Nang H.Q., Hien H.M. Genetic variation of Kappaphycus alvarezii (Doty) grown in different coast of central and southern Vietnam // Abstract book of 19 International Seaweed Symposium. — Kobe, Japan, 2007. — P. 106.

mcHugh D.J. A guide to the seaweed industry : FAO Fisheries Circular № 441. — 2003. — 105 p. Nang H.Q., Dinh N.H. The seaweed resources of Vietnam // Seaweed resources of the World / ed. Critchley Alan T., Masao Ohno. — JICA. Kanagawa International Fisheries Training Centre, Japan, 1998. — P. 62-69.

Neish I.c. Eucheuma sea plant commerce: how value chains link farmers to end users. SEAPlant. net Technical Monograph № 0105-5B. — 2005. — 23 p.

Nussinovitch a. Hydrocolloid applications: gum technology in the food and other industries.

— L. : Blackie Academic & Professional, 1997. — 354 p.

smith D.B., cook W.H. Fractionation of carrageenan // Arsh. Biochem. and Biophys. — 1953.

— Vol. 45. — P. 232.

Поступила в редакцию 24.02.12 г.