Оптимизация процесса модификации полисахаридов морского растительного сырья

УДК 668.393.51

Оптимизация процесса модификации полисахаридов

морского растительного сырья

И.А. Кадникова, канд. техн. наук, В.А. Бураго, канд. физ.-мат. наук, доцент

Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр (ТИНРО), г. Владивосток

Ключевые слова: красные водоросли; морские травы; химический состав; полисахариды1; моносахаридыI.

Key words: red seaweed; sea grasses; the chemical structure; polysaccharides; monosaccharides.

Красные водоросли и морские травы - ценное сырье для производства полисахаридов-структурообра-зователей. Характеристика свойств и структуры полисахарида зависит от рода и вида сырья, используемого для его производства. Сравнительные исследования химического состава позволяют провести отбор сырья и прогнозировать технологические подходы к его переработке.

Во многих технологических процессах их получения из красных водорослей предусмотрена модификация полисахаридов на стадии предварительной обработки. В связи с тем, что условия их получения из разного вида сырья неодинаковы, то для каждой группы сырья необходим индивидуальный способ модификации.

Цель настоящей работы - изучение различий в химическом составе красных водорослей и морских трав для оптимизации процесса модификации в технологии полисахаридов.

Объектами исследования служили: красная водоросль анфельция тобучинская Ahnfeltia tobuchiensis (Kanno et Matsubara) Mak. (пролив Старка, бухта Славянка, залив Петра Великого, залив Измены Южно-Курильского р-на); красная водоросль Chondrus armatus (залив Измены Южно-Курильского р-на), образцы корейских красных водорослей -Gelidium amansii (о. Киянг и о. Чеч-жу); Meristotheca papulosa (о. Теджу-до), предоставленные сотрудником Национального института исследований и развития рыболовства д-ром Хо-Донг Юном; морская трава

90'

80'

70-

60-

50-

40-

% 30-

и 20-

I

I

"I

Гелидиум Анфельция Хондрус Меристотека Филлоспадикс Зостера

Минеральные

вещества О Полисахарид

Органические

вещества

Клетчатка

S Азотистые вещества

Рис. 1. Химический состав красных водорослей и морских трав

Phyllospadix iwatensis Мак1по (о. Путятин, залив Петра Великого).

Общий химический состав и моно-сахаридный состав биомассы сырья определяли стандартными методами [1] и современными инструментальными методами с использованием ГЖХ [2].

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили методами многомерного регрессионного анализа [3]. Компьютерные программы составлены на языке К

[4].

Химический состав водорослей и трав в целом представлен комплексом органических и минеральных веществ, количество которых зависит от вида сырья. Сравнительные исследования красных водорослей показали (рис. 1), что больше всего минеральных веществ накапливают каррагинофиты, меньше - агарофи-ты. В морских травах содержание минеральных веществ колеблется от 15,9 до 17,1 %.

Основная технологическая задача при получении полисахаридов -разрушение белково-полисахарид-ного комплекса растительных тканей. Содержание клетчатки определяет технологические параметры обработки сырья при выделении полисахаридов. Больше всего клетчатки содержит филлоспадикс (21,3 %), затем следуют гелидиум (20,0 %), анфельция (14,3-17,6 %), грациля-рия (6,5-7,5%), хондрус (5,97,2 %). Эти данные подтверждают различную жесткость талломов водорослей и трав, и как следствие, прочность связи белково-полисаха-ридного комплекса.

При разрушении белково-полиса-харидного комплекса в растительных тканях деполимеризация полисахаридов должна быть минимальной. Чтобы учесть этот фактор, необ-

ходимо знать тип полисахарида, содержащегося в сырье, его количество и особенности поведения в присутствии гидролизующих агентов.

При исследовании моносахарид-ного состава установлены большие различия по содержанию галактозы, 3,6-ангидрогалактозы и 2-О-метил-3,6-ангидрогалактозы в углеводном составе водорослей и трав (рис. 2). Для красных водорослей характерно высокое содержание этих моносахаридов, которые являются компонентами каррагинана и агара.

Соотношение А/G определяется содержанием галактозы и ангидро-галактозы в водорослях. Мольное отношение производных 3,6-ангид-рогалактозы к галактозе (А/G) несколько ниже в хондрусе по сравнению с анфельцией. В хондрусе больше содержится 3,6-А и галактозы, а в анфельции - 2-О-метилгалактозы, что объясняется структурными особенностями молекул полисахаридов. Выделение этих показателей целесообразно в связи с тем, что содержание данных моносахаридов отражает регулярность структуры и обусловливается не только принадлежностью растения к определенной группе, но и технологическими параметрами.

В составе нейтральных моносахаридов филлоспадикса наряду с ман-нозой, глюкозой, ксилозой и галактозой обнаружены апиоза, арабино-за, рамноза, отсутствующие в красных водорослях. Наличие апиозы, арабинозы и рамнозы, невысокое содержание нейтральных сахаров (8,2 %) характерно для углеводов морских трав. Качественный состав нейтральных моносахаридов P. iwatensis аналогичен Z. marina, хотя заметно уступает ей по их количественному содержанию [5] и указывает на содержание кислого полисахарида.

К основным характеристикам для установления направленности технологического процесса получения полисахаридов с высокими прочностными показателями можно отнести состав и соотношение моносахаридов, а также содержание клетчатки, характеризующей прочностные свойства растительных тканей (табл. 1). Химические характеристики, представленные в таблице, были выбраны в качестве классификационных переменных для изучения различий между сырьевыми источ-

MAG Ш G Ra X AG Gl Ар Aj

20

10

5 о

MAG Ma G Ra X AG Gl Ар Aj

% 20

MAG Ma G Ra X AG Gl Ар Aj

Рис. 2. Моносахаридный состав красных водорослей и морских трав: а - анфельция; б - филлоспадикс; в - хондрус

Ар - апиоза в - галактоза Х - ксилоза

в!- глюкоза Аг - арабиноза А- 3,6-ангидрогалактоза

На - рамноза Ма - манноза МАв - 2-О-метил-3,6-ангидрогалактоза

а

никами полисахаридов и возможности разделения их на группы.

Красные водоросли и морские травы разделили на три группы в зависимости от процентного содержания клетчатки K, галактозы G и 3,6-ангидрогалактозы A:

группа I - K> 15, G< 1, A ~ 0,

группа II - 10 < K< 15, 10 < G< 20, A< 10,

группа III - K<10, G > 20,A > 10.

Статистическая обработка данных по химическому составу сырья подтвердила границы значений переменных для деления водорослевого сырья на группы. В результате выделено три группы сырья: первая -филлоспадикс - зостера; вторая -гелидиум, анфельция, грацилярия, одонталия, порфира; третья - хонд-рус, эухема, филлофора, иридея, ти-хокарпус, фурцеллярия. Представленная модель классификации морского растительного сырья позволяет определить принадлежность растения к определенной группе и прогнозировать технологический процесс получения полисахарида.

Для оптимизации технологических режимов при производстве полисахаридов из разных групп сырья разработаны математические модели процесса модификации, отражающие влияние на выход, молекулярную массу (ММ), прочность гелей полисахаридов основных технологических параметров: температуры (Т, °С), продолжительности модификации (t, ч) и концентрации растворов (с, %) реагента. С целью определения оптимальных условий, при которых выход, ММ, прочность гелей бу-

Таблица 1

Химические характеристики сырья для производства структурообразователей

Сырье Клетчатка, % Галактоза, % 3,6-Ангидро-галактоза, %

Филлоспадикс 20,6-21,3 0,95-1,0 -

Зостера1 16,6-17,9 13 7-20 0 0,90-1,0 10 5—11 8 8,0-10,0

Анфельция 12,0-15,6 8,2-9,0 6,3-7,5

Грацилярия2 10,2-14,2 10,5-17,4 9,5-10,0

Одонталия 5,6-8,0 9,2-12,5 4,4-6,2

Филлофора4 1,3-13,0 25,8-26,5 3,7-8,8 3,7-8,8 12,4-13,0

Эухема5 4,9-6,8 24,2-25,2 10,2-12,3 10,2-12,3 12,2-13,2

Тихокарпус5 2,6-5,5 22,8-23,2 10,6-11,8 10,7-12,0

Фурцеллярия4 2,4-3,8 21,5-22,5 13,5-14,1

1 Подкорытова, Кушева, 1997 [6]; 2 Митина, 1980 [7], Митина, Кушева, 1986 [8], Микулич и Анцупова, 2002 [9];3 Usov, Klochkova, 1992 [10]; 4 Микулич, Красильникова, 1986 [11]; 5 Кизеветтер и др., [12], Шмелькова и др. [13].

дут максимальными, экспериментально наблюдали влияние указанных факторов, выбирая их значения в следующих диапазонах: температура - от 20 до 120 °С, продолжительность обработки - от 1 до 5 ч, концентрация рабочих растворов - от 0,5 до 2,0 %. Выход, ММ, прочность гелей полисахарида увязывали с входными параметрами. Использовали линейную по параметрам регрессионную модель, в которую в качестве регрессоров входили технологические параметры, их квадраты и смешанные произведения.

С точки зрения технологии филлоспадикс и зостера, отнесенные к

Таблица 2

Влияние температуры и продолжительности модификации на выход и физико-химические показатели агара

Условия обработки

Выход

агара, %

Содержание, % сухого вещества

Минеральные вещества

Сульфаты

Ага-роза

Прочность, г/см2

1 ч, 95 °С 9,6 0,9 0,7 63 500

1 ч, 95 °С 9,6 0,8 0,6 66 570

3 ч, 95 ° С 9,5 0,8 0,6 66 660

1 ч, 100 С 9,5 0,8 0,6 67 550

2 ч, 100 9,2 0,8 0,6 67 540

3 ч, 100 °С 9,1 0,8 0,6 68 650

4 ч, 100 °С 9,4 0,9 0,4 66 660

5 ч, 100 9,2 0,9 0.4 64 660

1 ч, 110 °С 8,5 1,0 0,6 74 780

2 ч, 110 ° С 8,5 0,7 0,3 80 910

1 ч,120 С 7,7 0,6 0,3 73 870

2 ч, 120 С 6,9 0,6 0,3 72 800

Физико Таблица 3 -химическая характеристика каррагинана, модифицированного в водоросли

Темпе- Продол- Содержание, % сухого вещества Прочность геля 2%-ного

ратура, °С жительность, ч минеральные вещества в том числе SO3Na раствора каррагинана, г/см2

20 1 20,1 19,8 500

20 2 20,4 19,0 550

50 1 20,3 18,7 600

50 2 20,1 18,5 660

70 1 20,8 16,5 840

70 2 21,0 16,2 900

первой группе морского растительного сырья, содержат много клетчатки и незначительное количество галактозы. В связи с этим для получения полисахарида из этого вида сырья используют кислотное деметок-силирование при повышенной температуре 50-80°C.

При обработке филлоспадикса раствором НС1 концентрацией 0,5 % в интервале температур от 20 до 85°С выход филлорината минимальный (5,0-5,3 %), он не зависит от температуры кислотного деметоксилиро-вания при низких концентрациях кислоты (0,5 %). Увеличение концентрации соляной кислоты до 1,0 % в том же интервале температур влияет на полноту извлечения филлорината и выход увеличивается до 8,012,0 %. Воздействие 1,5%-ной кислотой в течение 2 ч вызывает деструкцию полисахарида и снижение его выхода.

Влияние температуры кислотного деметоксилирования на стадии предварительной обработки проявляется в большей степени при обработке филлоспадикса раствором 1,5-2,0 %-ной соляной кислоты.

Молекулярная масса (ММ) филлорината зависит как от концентрации соляной кислоты, так и от температуры обработки. При обработке 0,5 %-ной соляной кислотой экстрагируется полисахарид с невысокой молекулярной массой - 12,7-13,1 кДа. При этом изменение температуры обработки от 20 до 85°С практически не влияет на изменение ММ.

При повышении концентрации кислоты до 1,0 % молекулярная масса экстрагируемого полисахарида увеличивается до 21-26 кДа. Влияние температуры при данной концентрации кислоты более выражено - при температуре 55 °С экстрагируется полисахарид с наибольшей ММ - 26 кДа. Увеличение температуры обработки до 85 °С ведет к падению ММ филлорината до 19 кДа.

При температурном режиме 80... 85 °С ускоряется гидролитическое расщепление полисахаридного комплекса, происходит частичная деструкция основной цепи, приводящая к уменьшению молекулярной массы и увеличению доли филлорина в экстракте, что объясняется особенностями поведения пектиновых веществ в растворах гидролизующих агентов.

В результате компьютерной обработки экспериментальных данных получены регрессионные модели изменения выхода и молекулярной массы филлорината, анализ которых позволил выявить области оптимальных значений параметров процесса модификации первой группы сырья. Максимальный выход полисахарида 12,8-13,0 % и молекулярная масса 22,5 кДа достигаются при следующих оптимальных условиях: с = 2 , 1 , Т = 60.

Красные водоросли, принадлежащие ко второй и третьей группе, содержат не только галактозу, но и моносахарид- 3,6-ангидрогалактозу, который разрушается при кислотном гидролизе. В связи с этим целесообразно проведение модификации полисахаридов из этой группы сырья в щелочной среде.

Анфельция, грацилярия, гелидиум и другие водоросли, принадлежащие ко второй группе, содержат также прочный белково-полисахарид-

ный комплекс, но нейтральный полисахарид агар. Получение полисахаридов из этой группы водорослей требует применение модификации сырья в щелочной среде при температуре 80.110 °С.

В связи с этим исследовали влияние параметров модификации на выход и содержание агарозы в агаре на примере обработки анфельции, принадлежащей ко второй группе сырья. Перед экстрагированием агара анфельцию обрабатывали 0,5 %-ным раствором окиси кальция при температуре 95, 100, 110, 120 °С в течение 1, 2, 3, 4 или 5 ч и гидромодуле 1:15. Процесс предварительной обработки контролировали по выходу конечного продукта - агара, содержанию агарозы в нем, прочности гелей.

Результаты показали, что продолжительность обработки анфельции при температуре 95.100 °С существенно влияет на выход и физико-химические показатели агара. В зависимости от условий предобработки выход агара из водоросли изменяется в пределах от 9,1 до 9,6 %. Содержание агарозы в агаре изменяется от 63 до 68 %, минеральных веществ - от 0,75 до 0,90 %, прочность геля 0,85 %-ного раствора увеличивается в образцах до 660 г/см2 (табл. 2).

Увеличение температуры обработки анфельции до 110 °С при продолжительности 1-2 ч способствовало некоторому уменьшению выхода агара до 8,5 %, минеральных веществ - до 0,70 %, сульфатов -до 0,3 %, с увеличением фракции агарозы в агаре до 74-80 %. Прочность гелей стандартных 0,85 %-ных растворов агара достигает 910 г/см 2.

Выход агара сокращается до 6,9 % вследствие увеличения температуры обработки 120 °С. При этом уменьшаются содержание агарозы в агаре и прочность его геля (табл. 2).

Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что с ростом температуры уменьшается выход агара и содержание агарозы в нем. Максимальный выход агара (10,5-10,6 %), но с минимальным содержанием агарозы (60 %) отмечается при концентрации СаО 0,5 %, температуре 80 °С и продолжительности процесса 4-5 ч. Выход агара с максимальным содержанием агаро-зы (80 %) несколько ниже - 8,5 % и

наблюдается при обработке 0,5 %-ным раствором СаО, температуре 110 °С и продолжительности 2 ч. Прочность геля агара изменяется аналогично содержанию агарозы в агаре в пределах установленных параметров процесса модификации.

Водоросли хондрус, тихокарпус, иридея и др. (третья группа) содержат в 2 раза меньше клетчатки и вы-сокосульфатированных полисахаридов (А/в = 0,5-0,6). Получение каррагинанов из красных водорослей этой группы предполагает модификацию в щелочной среде при температуре от 20 до 50 °С. Перед экстрагированием полисахарида хондрус обрабатывали 2 %-ным раствором КОН при температуре 20...70 °С в течение 1-2 ч и гидромодуле 1:20 (табл. 3).

Результаты анализа модифицированного каррагинана в водоросли показывают, что с ростом температуры его выход уменьшается. При этом прочность геля увеличивается до 900 г/см2, содержание сульфогрупп уменьшается до 18,5 %.

Увеличение температуры модификации от 50 до 70°С способствует повышению прочности геля 2%-ного раствора каррагинана, снижению содержание сульфогрупп до 16,2 %, но его выход заметно уменьшается от 28,7 до 15,3 %. При дальнейшем увеличении продолжительности воздействия щелочи на ткани водорослей (до 2 ч) выход каррагинана уменьшается до 13,3 %, вследствие диффузии полисахарида в щелочной раствор в процессе предобработки. Потери полисахарида при модификации составили 14,3-16,3 % в зависимости от продолжительности процесса.

Статистический анализ экспериментальных данных показал характер изменения выхода каррагинана после модификации его в хондрусе в зависимости от температуры обработки при продолжительности процесса 1-2 ч. Повышение температуры приводит к снижению выхода. Оптимальные условия процесса модификации определяются значениями параметров: концентрация КОН - 2 %, продолжительность 2 ч, температура -35 °С, при которых выход каррагинана максимальный - 30 %. Выход каррагинана (30 %) при этих параметрах согласуется с экспериментальными данными (29,5 %) после двухчасовой обра-

ботки при температуре 35 °С. При этом прочность каррагинана составляет 600 г/см2.

По основной характеристике геле-образователя - гелеобразующей способности - можно судить о влиянии всех перечисленных факторов на прочностные характеристики получаемого продукта: повышение значений факторов до верхнего уровня в данной области определения (С = 2 %, Т = 2 ч, t = 70...75 °С) определяет максимальное значение прочностных показателей (930 г/ см2), причем положительное влияние оказывает температура чем продолжительность.

Таким образом, экспериментально получены и подтверждены математическим исследованием оптимальные параметры процесса модификации хондруса: концентрация экстра-гента - 2 %, температура - 35 °С; продолжительность - 2 ч, что позволяет получить каррагинан с максимальным выходом 30 % и прочностью 550±50 г/см2.

Приведенная в статье модель классификации растений по химическим признакам на три группы позволяет нам разработать оптимальные параметры процесса модификации полисахарида в сырье для получения различных типов структу-рообразователей. Математические модели процесса модификации при подстановке в них различных значений параметров дают возможность прогнозировать и целенаправленно изменять выход и прочность продукта.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 26 185-84. Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа. -М.: Стандарт, 1984. - 53 с.

2. Усов,А.И. Количественное определение 3,6-ангидрогалактозы и специфических галактанов красных водорослей в условиях полного восстановительного гидролиза/А.И. Усов, М.Я. Элашвилли//Биооргани-ческая химия. - 1991. - Т. 17. -№ 6. - C. 839-848.

3. Дрейпер, Н. Прикладной регрессионный анализ/Н. Дрейпер, Г. Смит. - М.: Изд. дом «Вильямс», 2007. - 912 с.

4. R. Development Core Team. R: A language and environment for statistical computing. - R Foundation

for Statistical Computing, Vienna, Austria, 2008. - URL http://www.R-project.org

5. Лоенко, Ю.Н. Зостерин/Ю.Н. Лоенко [и др.] - Владивосток: Даль-наука, 1997. - 211 с.

6. Подкорытова, А.В. Морские травы дальневосточных морей: химический состав, свойства полисахаридов, направления использования/ А.В. Подкорытова, О.А. Кушева// Известия ТИНРО. - 1997. - Т. 120. -С. 197-203.

7. Митина,Л.Л. Некоторые данные по технологической характеристике грацилярии из Амурского залива. Исследования по технологии новых объектов промысла/Л.Л. Митина. -Владивосток: ТИНРО, 1980. - С. 4952.

8. Митина, Л.Л. Химический состав грацилярии. Исследование по технологии гидробионтов ДВ морей: Сб. науч. тр./Л.Л. Митина, О.А. Кушева. - Владивосток, 1986. - С. 9199.

9. Микулич, Д.В. Химико-технологическая оценка черноморской грацилярии как сырья для производства агара/Д.В. Микулич, Л.В. Анцупова// Материалы первой международной конференции «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки». - М.: ВНИРО, 2002. - С. 154160.

10. Usov, А.1. Polysaccharides of algae. 45. Polysaccharide Composition of Red Seaweeds from Kamchatka Coastel Waters (Northewestern Pasific) Studied by Reductive Hydrolysis of Biomass/A.l. Usov, N.G. Klochkova //Bot.Mar. - 1992.-Vol. 35. - No. 5. - P. 371-378.

11. Микулич, Д.В. Прогнозирование технологических свойств агаро-подобных продуктов, полученных из смесей водорослей/Д.В. Микулич, С.В. Красильников//Известия ВУЗов (Пищевая технология). - 1986. -№ 1. - С. 101-103.

12. Кизеветтер, И.В. Промысловые морские водоросли и травы дальневосточных морей/И.В. Кизеветтер, М.В. Суховеева, Л.П. Шмелькова. -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 85 с.

13. Шмелькова, Л.П. О качестве агара из анфельции с примесью пти-лоты и хондруса/Л.П. Шмелькова, О.В. Калинова, Н.П. Маслюкова// Рыбное хозяйство. - 1988. - № 9. -С. 93-94.