Характеристика морского растительного сырья для производства гелеобразующих полисахаридов

Известия ТИНРО

2008 Том 155

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ГИДРОБИОНТОВ

УДК 577.114:582.26

И.А. Кадникова*

Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4

ХАРАКТЕРИСТИКА МОРСКОГО РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИХ ПОЛИСАХАРИДОВ

Дана технохимическая характеристика морского растительного сырья для производства гелеобразующих полисахаридов. Исследования химического состава морских водорослей и трав позволяют сделать отбор сырья определенного отдела, класса, вида и прогнозировать получение полисахарида, а также определить технологические подходы по их переработке для производства гелеобразователей. Установлено, что основными технологическими характеристиками морского растительного сырья являются содержание минеральных веществ, клетчатки, структурного полисахарида и классификация последнего.

Ключевые слова: красные водоросли, морские травы, полисахариды, моно-сахаридный состав, клетчатка, минеральный состав.

Kadnikova I.A. Characteristic of seaweeds as raw material for extraction the gel-forming polysaccharides // Izv. TINRO. — 2008. — Vol. 155. — P. 312-317.

Chemical and processing characteristics of seaweeds as the raw material for gel-forming polysaccharides are presented. Taking into account the chemical composition, definite class or species of seaweed could be selected as raw material for certain polysaccharide extraction, and technological approaches for the gel-forming agents production could be determined. For the gel-forming agent extraction, polysaccharides of the raw material should be subjected to minimal depolymerization in the technological process. For the process optimization, type of polysaccharide, its quantity, and its reaction to the hydrolysis agents should be considered.

Total content and chemical composition of polysaccharides, monosaccharides, and mineral substances are determined for the three seaweed species: Ahnfeltia tobuchiensis, Chondrus armatus, and Phyllospadix iwatensis. P. iwatensis has the highest portion of cellular tissue (21.3 %) and C. armatus — the lowest one (7.2 %). Polysaccharides are the main compound of seaweeds. Among them, agar prevails in A. tobuchiensis (25 %), carrageenan — in C. armatus (48 %), and pectin — in P. iwatensis (up to 30 %). Monosaccharides composition also depends on the species: the highest contents of galactose and 3,6-angydrogalactose are in C. armatus, A. tobuchiensis has more 2-O-metyl-3,6-angydrogalactose, and the composition of neutral monosaccharides in P. iwatensis is similar to Zostera marina. Mineral substances have the highest content in C. armatus (24 %), but they are minimal in A. tobuchiensis (10 %). Calcium is the most represented among minerals in P. iwatensis (> 2.5 %) because of this element affinity with pectin; the

* Кадникова Ирина Арнольдовна, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: kadnikova@tinro.ru.

highest content of Fe is found in C. armatus, and the highest Mn concentration — in A. tobuchiensis. Microelements composition for P. iwatensis is similar to Z. marina.

Key words: red alga, sea grass, Polysaccharide, monosaccharide, cellular tissue, mineral composition.

Введение

Морские водоросли и травы содержат комплекс веществ, принадлежащих к различным классам соединений. Химический состав морских растений непостоянен и зависит от их вида, возраста, сезона сбора, условий и места произрастания. Известно, что в онтогенезе растений происходят изменения в содержании полисахаридов, а также соотношении органических и минеральных веществ, характерные для каждого вида морских водорослей и трав (Chapman, Chapman, 1980; Аминина, Кадникова, 2005).

Технохимическая характеристика сырья отражает химический состав и показывает возможность его использования для промышленной переработки и получения целого комплекса веществ (полисахаридов, минеральных комплексов, клетчатки и др.) для пищевой промышленности.

Целью настоящей работы было изучение технохимической характеристики красных водорослей и морских трав для производства гелеобразующих полисахаридов.

Материалы и методы

В качестве обьекта исследования использовали красные водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, Chondrus armatus (зал. Измены, район Южно-Курильской гряды), морские травы Phyllospadix iwatensis (восточное побережье о. Путятина, мыс Бартенева, на глубине 80 см, грунт — камни, песок), Zostera marina (северное побережье о. Путятина, на глубине 1-5 м, грунт илисто-песчаный). Собранный материал промывали в морской воде, очищали от ракушечника, диатомовых водорослей и высушивали на воздухе.

Для технохимической характеристики (содержание воды, минеральных и органических соединений, полисахаридов) водорослей и трав использовали стандартные методы (ГОСТ 26-185-84).

Микро- и макроэлементный состав золы определяли атомно-абсорбционным методом на пламенно-эмиссионном спектрофотометре "Nippon JarrelI Ash" модель АА-855 (Ковековдова, 1987).

Общее содержание азотистых веществ находили микрометодом по Кьельда-лю на анализаторе азота "Kjeltek Auto 1030 Analyzer" фирмы "Tecator".

Содержание клетчатки определяли методом Кюршнера и Ганака после гидролиза смесью концентрированной азотной и 80 %-ной уксусной кислот в соотношении 1 : 10 (Бурштейн, 1963).

Моносахаридный состав красных водорослей был определен после полного восстановительного гидролиза с последующим количественным и качественным анализом компонентов гидролизатов методом газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) (Усов, Элашвили, 1991).

Моносахаридный состав морской травы устанавливали после гидролиза методом газо-жидкостной хроматографии в виде ацетатов полиолов с ацетатом мио-инозита в качестве внутреннего стандарта (Слонекер, 1975).

Газо-жидкостная хроматография выполнялась на хроматографе Hewlett-Packard 5890A с пламенно-ионизационным детектором, капиллярными колонками Ultra-1 (для исследования углеводов биомассы красных водорослей), HP Ultra-2 (для исследования углеводов морской травы) и интегратором HP 3393A, в потоке азота, с градиентом температуры от 175 до 290 0С со скоростью 10 0С/мин.

Материалы и методы

Органические вещества морского растительного сырья в основном представлены углеводами и азотистыми веществами. Содержание последних составляет: в филлоспадиксе — 8,7 %; хондрусе — 10,0; анфельции — 20,0 % (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав красных водорослей и морских трав, % к сухому веществу

Table 1

Chemical composition of seaweeds, % of dry matter

Наименование Вода, Минераль- Органичес- Азотистые Клет- Полиса-

сырья % ные в-ва кие в-ва в-ва чатка харид

A. tobuchiensis 9,2 10,0-12,0 86,8 17,0-20,0 17,0 25,0

C. armatus 9,7 24,5 69,8 8,0-10,0 5,9-7,2 38,4-47,9

P. iwatensis 9,8 16,3-17,1 82,9-83,9 7,5-8,7 20,6-21,3 30,0

Z. marina 9,7 15,9-16,7 83,3-84,1 8,4-9,7 12,6-12,9 32,0

Полисахариды являются одними из основных компонентов морских водорослей. В тканях водоросли они связаны с белками, катионами металлов. Основной технологической задачей при получении гелеобразующих полисахаридов является разрушение белково-углеводного комплекса растительных тканей.

Содержание клетчатки в морском растительном сырье определяет технологические параметры обработки сырья при выделении полисахаридов. Больше всего клетчатки содержит филлоспадикс (21,3 %), меньше всего хондрус (7,2 %). Анфельция (17,0 %) и зостера (12,6-12,9 %) занимают промежуточное положение. Филлоспадикс относится к высшим, или цветковым, растениям, в которых содержание клетчатки обычно достаточно высокое (Щербаков, 1999). Кроме того, различное содержание клетчатки можно объяснить особенностями субстрата для прикрепления макрофитов и гидрологическими условиями (Паймеева, 1974).

С точки зрения технологии, чем выше содержание клетчатки, тем более жесткими должны быть условия предварительной обработки сырья (температура, рН среды, продолжительность) при получении полисахаридов. При этом деполимеризация полисахарида должна быть минимальной (Суховерхов и др., 1999). Чтобы учесть этот фактор, необходимо знать тип полисахарида, содержащегося в сырье, его количество и особенности поведения в присутствии гидролизующих агентов. Известно, что основным полисахаридом А. tobuchiensis является агар (Подкорытова и др., 1999), С. агта^ — каррагинан (Подкорытова и др., 1994), Р. iwatensis — пектин (Кадникова, Кушева, 2004). Максимальное содержание основного полисахарида — каррагинана (47,9 %) — наблюдается в С. armatus, минимальное — в А. tobuchiensis (25,0 %). Морские травы накапливают до 30 % пектинов, что несколько выше, чем в А. tobuchiensis.

В настоящее время моносахаридный состав углеводов можно устанавливать без предварительного выделения их из биомассы (табл. 2). Оценивая данные табл. 2, следует иметь в виду, что глюкоза в продуктах гидролиза образуется из флоридного крахмала — резервного полисахарида, содержание которого зависит от физиологического состояния растения и обычно подвержено наибольшим колебаниям. Ксилоза и манноза образуются при гидролизе соответственно ксилана и маннана клеточных стенок растений. Содержание этих полисахаридов в представителях порядка гигартиновых, к которым относится С. armatus, обычно невелико. В Р. iwatensis содержится в 2,5 раза больше ксилозы — 1,62 %, которая является одним из основных моносахаридов вместе с глюкозой.

В углеводном составе водорослей и трав наблюдаются большие различия по содержанию галактозы, 3,6-ангидрогалактозы и 2-О-метил-3,6-ангидрогалактозы. Для красных водорослей характерно высокое содержание этих моносахаридов, которые являются компонентами каррагинана и агара. Мольное отношение про-

изводных 3,6-ангидрогалактозы к галактозе (A/G) несколько ниже в хондрусе по сравнению с анфельцией (табл. 2). В C. armatus больше содержится 3,6-A и галактозы, а в A. tobuchiensis — 2-0-метил-3,6-ангидрогалактозы, что объясняется структурными особенностями молекул каррагинана и агара (Усов, 1985).

Таблица 2

Моносахаридный состав красных водорослей, % сухого вещества

Table 2

Monosaccharides composition of red seaweeds, % of dry matter

Водоросль ^илоза 2-О-метил- 3,6-A Mанноза Глюкоза Галактоза A/G

3,6-A

C. armatus 0,70 0,51 10,70 0,20 2,40 20,10 0,53

A. tobuchiensis - 9,80 6,30 - 0,10 8,20 0,76

Примечание. A — ангидрогалактоза; A/G — соотношение ангидрогалактозы и галактозы.

Моносахаридный состав Р. iwatensis (в процентах от сухого вещества) выглядит так: апиоза — 1,87; рамноза — 0,52; арабиноза — 0,38; ксилоза — 1,62; манноза — 0,14; глюкоза — 2,69; галактоза — 0,95. Моносахаридный состав зостеры нами не определялся, так как он достаточно изучен.

В составе нейтральных моносахаридов филлоспадикса наряду с манно-зой, глюкозой, ксилозой и галактозой обнаружены апиоза, арабиноза, рамноза, отсутствующие в красных водорослях. Наличие апиозы, арабинозы и рам-нозы характерно для биомассы морских трав и свидетельствует о преобладании в биомассе P. iwatensis кислого полисахарида. Качественный состав нейтральных моносахаридов биомассы P. iwatensis сходен с составом биомассы Z. marina, хотя заметно уступает ей по их количественному содержанию (Лоенко, 1997).

Исследования минерального состава водорослей и трав очень важны для технологии полисахаридов. По минеральному составу морского растительного сырья можно косвенно судить о преобладании в нем определенного типа полисахарида, а затем использовать полученные данные при выборе реагентов и применении их в технологическом процессе получения гелеобразователей.

Сравнительные исследования показали, что больше минеральных веществ накапливает хондрус — 24,5 %, меньше анфельция — 10,0 %, что характерно для данных видов красных водорослей (Подкорытова и др., 1997).

Высокое содержание минеральных веществ указывает на присутствие в хон-друсе кислых полисахаридов типа каррагинана, большая часть анионных групп которых связана с катионами калия, натрия. У морских трав содержание минеральных веществ колеблется от 15,9 до 17,1 %.

В табл. 3 показаны концентрации 13 макро- и микроэлементов. Следует отметить, что главными катионами морского растительного сырья являются кальций, натрий, калий и магний. Преобладающим катионом в составе водоросли хондрус является калий, содержание которого составляет 4,5 %. Анфельция аккумулирует больше кальция, его концентрация достигает 2,0 %. По-видимому, преобладание катиона калия или кальция в красных водорослях связано с типом содержащегося полисахарида (Суховеева, 2006). Концентрация натрия и магния в хондрусе выше, чем в анфельции. По содержанию микроэлементов биомасса C. armatus аналогична близкородственным дальневосточным видам красных водорослей, например Chondrus yendoi (Саенко, 1992).

Особенно примечателен факт концентрирования железа у хондруса и марганца — у анфельции. Причем содержание марганца в анфельции находится в тех же пределах, что и в грацилярии (0, 05 %), это характерно для водорослей, синтезирующих агар (Кадникова, 1989).

Таблица 3

Макро- и микроэлементный состав красных водорослей и морской травы, % к сухому веществу

Table 3

Macro-and microelemental composition of seaweeds, % of dry matter

Элемент A. tobuchiensis C. armatus P. iwatensis

Са 2,00 0,40 > 2,50

Na 0,03 2,20 1,50

K 0,03 4,50 1,80

Mg 0,20 0,60 0,80

Fe 0,006 0,03 0,05

Mn 0,060 0,02 0,0004

Cu < 0,0005 0,0005 0,0005

Ni < 0,0005 0,0005 0,0002

Zn < 0,003 0,003 0,0006

Pb < 0,002 0,0005 > 0,0002

Sn < 0,0002 0,0002 > 0,0003

Sr 0,0008 0,005 0,0001

Co 0,0005 0,0002 0,0003

Морские травы, подобно водорослям, обладают способностью избирательно накапливать минеральные элементы, причем концентрация некоторых элементов (Ca, K , Zn, Fe и др.) в листьях превышает их концентрацию в воде (Барашков, 1972; Подкорытова, Кушева, 1997). Нами показано (табл. 3), что наибольшая концентрация приходится на кальций, содержание которого составляет более 2,5 %, что объясняется сродством основного полисахарида — пектина — к этому элементу.

По содержанию микроэлементов филлоспадикс аналогичен близкородственным дальневосточным видам морских трав, например Z. marina, однако у него отмечены более высокие концентрации меди и более низкие цинка по сравнению с Z. marina (Подкорытова, Кушева, 1997). Тяжелые металлы присутствуют в следовых количествах, мышьяк не обнаружен.

Заключение

Таким образом, химический состав морских водорослей и трав позволяет отбирать сырье определенного отдела, класса, вида и прогнозировать получение полисахарида, а также определить технологические подходы по переработке растений для производства гелеобразователей. Основной характеристикой морского растительного сырья для определения технологического процесса получения полисахаридов является содержание и тип клетчатки, основного структурного полисахарида.

Список литературы

Аминина Н.М., Кадникова И.А. Перспективы использования водорослей и трав дальневосточных морей в пищевой промышленности // Вопр. рыб-ва. — 2005. — Т. 6, № 2(22). — С. 405-412.

Барашков Г.К. Сравнительная биохимия водорослей : монография. — М. : Пищ. пром-сть, 1972. — 355 с.

Бурштейн А.И. Методы исследования пищевых продуктов : монография. — Киев : Госмедиздат, 1963. — 643 с.

ГОСТ 26-185-84. Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа. — М. : Гос. комитет по стандартам, 1984. — 53 с.

Кадникова И.А. Химический состав грацилярии культивируемой, естественной и их полисахаридов // Сб. тез. докл. Всесоюз. конф. "Научно-технические проблемы ма-рикультуры в стране". — Владивосток : ТИНРО, 1989. — С. 76.

Кадникова И.А., Кушева O.A. Обоснование технологии получения пектина низкой степени этерификации из морской травы Phyllospadix iwatensis // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2004. — № l0. — С. 29-31.

Ковековдова Л.Т. Методические рекомендации по подготовке проб, объектов внешней среды и рыбной продукции к атомно-абсорбционному определению токсичных металлов. — Владивосток : ТИНРО, 1987. — 23 с.

Лоенко Ю.Н. Зостерин : монография / Ю.Н. Лоенко, A.A. Артюков, Э.П. Козловская и др. — Владивосток : Дальнаука, 1997. — 211 с.

Паймеева Л.Г. Некоторые черты биологии зостеры залива Петра Великого // Исследования по биологии рыб и промысловой океанографии. — Владивосток : ТИНРО, 1974. — Вып. 5. — С. 35-45.

Подкорытова A.B., Блинов Ю.Г., Кадникова И.А. и др. Высокоочищенный агар из Ahnfeltia tobuchiensis и его микробиологическое тестирование // Изв. ТИНРО. — 1999. — Т. 125. — С. 287-292.

Подкорытова A.B., Кадникова И.А., Усов А.И. Красная водоросль Chondrus armatus (Harv.) Okam. (Gigartinaceae), ее химический состав, содержание каррагинана // Растительные ресурсы. — 1994. — Вып. 1-2. — С. 79-85.

Подкорытова A.B., Кушева O.A. Морские травы дальневосточных морей: химический состав, свойства полисахаридов, направления использования // Изв. ТИНРО. 1997. — Т. 120. — С. 197-203.

Подкорытова A.B., Кушева O.A., Кадникова И^. Технология гелеобразую-щих полисахаридов из смеси дальневосточных красных водорослей // Изв. ТИНРО. — 1997. — Т. 120. — С. 229-232.

Саенко Г.Н. Металлы и галогены в морских организмах : монография. — М., 1992. — 19 с.

Слонекер Д. Газо-жидкостная хроматография ацетатов альдитов // Методы исследования углеводов. — М. : Мир, 1975. — С. 20-24.

Суховеева M.B. Промысловые водоросли и травы морей Дальнего Востока: биология, распространение, запасы, технология переработки : монография / М.В. Сухове-ева, А.В. Подкорытова. — Владивосток : ТИНРО-центр, 2006. — 243 с.

Суховерхов C.B., Кадникова И^., Кушева O.A., Подкорытова A.B. Обоснование технологии получения агарозы из красной водоросли Ahnfeltia tobuchiensis // Изв. ТИНРО. — 1999. — Т. 125. — С. 282-286.

Усов A.^ Полисахариды красных морских водорослей // Прогресс химии углеводов. — М. : Наука, 1985. — С. 77-96.

Усов A.^, Элашвили М.Я. Количественное определение 3,6-ангидрогалактозы и специфических галактанов красных водорослей в условиях полного восстановительного гидролиза // Биоорган. химия. — 1991. — Т. 17, № 6. — С. 839-848.

Щербаков B.r. Биохимия растительного сырья : монография / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова. — М. : Колос, 1999. — 376 с.

Chapman V.J., Chapman D.J. Seaweeds and their uses. — L.; N.Y., 1980. — 334 р.

Поступила в редакцию 11.03.08 г.