ОПРЕДЕЛЕНИЕ  НАПРАВЛЕННОСТИ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА  ПРИ  ПОЛУЧЕНИИ  ПОЛИСАХАРИДОВ  ИЗ  КРАСНЫХ  ВОДОРОСЛЕЙ  И  МОРСКИХ  ТРАВ

Кадникова  Ирина  Арнольдовна

д-р  техн.  наук,  ведущий  научный  сотрудник,  ФГУП  ТИНРО-Центр,  профессор  кафедры  ДВФУ,  г.  Владивосток

E-mail: 

DEFENITION  OF  THE  TECHNOLOGICAL  PROCESS  DIRECTION  IN  OBTAINING  POLYCACCHARIDES  FROM  RED  ALGAE  AND  SEA  GRASSES

Kadnikova  Irina  Arnoldovna

doctor  of  Technical  Sciences,  Leading  Scientist,  FSUE  “TINRO-centre”,  professor  of  DVFU,  Vladivostok

АННОТАЦИЯ

Проведены  сравнительные  исследования  химического  состава  красных  водорослей  и  морских  трав.  Установлено,  что  направленность  технологического  процесса  получения  полисахаридов  из  морского  растительного  сырья  определяется  моносахаридным  составом  и  содержанием  клетчатки.  Полученные  данные  позволяют  сделать  отбор  сырья  определенного  отдела,  класса,  вида  и  прогнозировать  получение  определенного  полисахарида,  а  также  технологические  подходы  к  его  переработке  для  производства  полисахаридов  с  заданными  свойствами. 

ABSTRACT

Comparative  studies  of  the  chemical  composition  of  red  algae  and  sea  grasses  have  been  carried  out.  Found  that  the  technological  process  direction  during  obtaining  polysaccharides  from  marine  plant  material  is  determined  by  its  monosaccharide  composition  and  fiber  content.  The  collected  data  allow  us  to  make  the  selection  of  raw  materials  of  the  specific  biological  type  and  to  predict  the  obtaining  of  definite  polysaccharide  as  well  as  the  technological  approaches  to  its  processing  for  the  production  of  polysaccharides  with  the  desired  properties.

Ключевые  слова:  красные  водоросли,  морские  травы,  химический  состав,  моносахариды,  галактоза,  3,6-ангидрогалактоза,  клетчатка,  группы,  технологический  процесс.

Keywords:  red  algae,  sea  grasses,  chemical  composition,  monosaccharides,  galactose,  3,6-anhydrogalactose,  fiber,  groups,  technological  process.

Полисахариды  являются  одним  из  основных  компонентов  биомассы  красных  водорослей  и  морских  трав.  Химический  состав  красных  водорослей  и  морских  трав,  состав  и  свойства  их  полисахаридов,  а  также  технологии  их  получения  отличаются  и  имеют  свои  особенности.  Ранее  было  показано,  что  химический  состав  морского  растительного  сырья  позволяет  установить  его  общие  технологические  характеристики  и  определять  направленность  технологического  процесса  при  получении  полисахаридов  [4.  с.  28].  Однако  этих  данных  оказалось  недостаточно  для  разработки  системного  подхода  к  разработке  технологий  полисахаридов  с  регулярной  структурой  и  заданными  свойствами  из  морского  растительного  сырья. 

Целью  настоящей  работы  было  определение  направленности  технологического  процесса  для  получения  полисахаридов  с  заданными  свойствами  из  красных  водорослей  и  морских  трав.

В  качестве  объектов  исследований  использовали  разные  виды  водорослей  и  трав  (табл.  1). 

Для  химической  оценки  (содержания  воды,  минеральных  и  органических  соединений,  полисахаридов)  водорослей  и  трав  использовали  стандартные  методы  [2.  с.  2,  3,  14].

Общее  содержание  азотистых  веществ  определяли  микрометодом  по  Кьельдалю  на  анализаторе  азота  “Kjeltek  Auto  1030  Analyzer”  фирмы  “Tecator”.

Содержание  клетчатки  определяли  методом  Кюршнера  и  Ганака  после  гидролиза  водорослей  и  трав  смесью  концентрированной  азотной  и  80  %  уксусной  кислот  в  соотношении  1:10  [1.  с.  358].

Таблица  1. 

Объекты  исследования

Моносахаридный  состав  биомассы  красных  водорослей  был  определен  после  полного  восстановительного  гидролиза  с  последующим  количественным  и  качественным  анализом  компонентов  гидролизатов  методом  ГЖХ  [20.  с.  839].

Моносахаридный  состав  биомассы  морской  травы  определяли  после  гидролиза  методом  ГЖХ  в  виде  ацетатов  полиолов  с  ацетатом  мио-инозита  в  качестве  внутреннего  стандарта  [15.  с.  21]. 

  Газожидкостная  хроматография  (ГЖХ)  выполнялась  на  хроматографе  Hewlett-Packard  5890A  с  пламенно-ионизационным  детектором,  капиллярными  колонками  Ultra-1  (для  исследования  углеводов  биомассы  красных  водорослей),  НР  Ultra-2  (для  исследования  углеводов  морской  травы)  и  интегратором  HP  3393A,  в  потоке  азота,  с  градиентом  температуры  от  175⁰С  до  290⁰С  со  скоростью  10⁰С/мин.

  Химический  состав  морского  растительного  сырья  используемого  для  производства  полисахаридов  представлен  в  табл.  2. 

Таблица  2.

Химический  состав  красных  водорослей  и  морских  трав,  используемых  для  производства  полисахаридов

Состав  сухого  вещества  исследуемых  растений  представлен  минеральными  и  органическими  соединениями.  Больше  всего  минеральных  веществ  накапливает  тихокарпус  —  26,6  %,  меньше  всего  гелидиум  —  7,4  %.  Высокое  содержание  минеральных  веществ  указывает  на  присутствие  кислых  полисахаридов  типа  каррагинана  (40  %)  в  тихокарпусе,  большая  часть  анионных  групп  которых  связана  с  катионами  калия,  натрия.  У  морских  трав  содержание  минеральных  веществ  колеблется  от  16,7  до  17,1  %. 

Органические  вещества  биомассы  морского  растительного  сырья  в  основном  представлены  углеводами  и  азотистыми  веществами.  Содержание  последних  изменяется  от  7,5  %  (в  филлоспадиксе)  до  24  %  (в  анфельции)  (табл.  2). 

Полисахариды  в  тканях  водорослей  связаны  с  белками,  катионами  металлов,  а  также  внутри-  и  межмолекулярными  взаимодействиями.  Основной  технологической  задачей  при  получении  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  порфира  и  тихокарпус  (2,0—2,6  %).  Анфельция  занимает  промежуточное  положение  (17,0  %). 

Известно,  что  основным  полисахаридом  A.tobuchiensis,  G.  amansii,  G.verrucosa  является  агар  [12.  с.  290;  6.  с.  264;  11.  с.  91;  9.  с.  156;  5.  с.  76],  C.armatus,  T.  crinitus,  —  каррагинан  [3.  с.  132;  13.  с.  82;  23.  с.  374],  P.  umbricalis  —  порфиран  [17.  с.  177;  18.  с.  80];  O.  Сorymbifera  —  одонталан  [22.  с.  235];  Z.  marina,  P.iwatensis  —  пектины  —  зостерин  и  филлорин  [7.  с.  30;  8.  с.  104;  14.  с.  200].  Максимальное  содержание  основного  полисахарида  —  каррагинана  (47,9  %)  наблюдается  в  C.armatus,  минимальное  в  A.tobuchiensis  (25,0  %).  Морские  травы  накапливают  до  30  %  пектинов,  что  несколько  выше,  чем  в  A.tobuchiensis. 

В  настоящее  время  моносахаридный  состав  углеводов  можно  устанавливать  без  их  предварительного  выделения  из  биомассы  водорослей  [19.  с.  124;  21.  с.  10.].  Данные  полученные  с  помощью  этого  подхода  представлены  в  табл.  3.  Отмечены  большие  различия  по  содержанию  галактозы  и  3,6-ангидрогалактозы  в  углеводном  составе  биомассы  водорослей  и  трав.  Для  красных  водорослей  характерно  высокое  содержание  этих  моносахаридов,  которые  являются  структурными  компонентами  каррагинана  и  агара.  В  составе  нейтральных  моносахаридов  морских  трав  отмечено  низкое  содержание  галактозы  по  сравнению  с  красными  водорослями  и  свидетельствует  о  преобладании  в  их  биомассе  кислого  полисахарида  [7.  с.  31].

Сравнительный  анализ  химического  состава  морского  растительного  сырья  показал,  что  основными  характеристиками  для  установления  направленности  технологического  процесса  получения  полисахаридов  являются  состав  и  соотношение  моносахаридов,  а  также  содержание  клетчатки,  характеризующей  прочностные  свойства  растительных  тканей  (табл.  3). 

Химические  характеристики  были  выбраны  в  качестве  классификационных  переменных  для  изучения  сходства  и  различий  между  сырьевыми  источниками  полисахаридов,  а  также  возможности  разделения  их  на  группы.

Анализ  собственных  экспериментальных  данных  и  сопоставление  их  с  данными  литературы  позволил  нам  обосновать  и  предположить  разделение  морского  растительного  сырья  на  группы,  определяющее  технологические  параметры  получения  гелеобразующих  полисахаридов.

  Красные  водоросли  и  морские  травы  разделили  на  3  группы  в  зависимости  от  содержания  клетчатки  (К),  галактозы  (G)  и  3,6-ангидрогалактозы  (А):  1-ая  группа  —  К>15,  G  <  1,  А=  0  %;  2-ая  группа:  10<  К  <15,  10  <  G  <20,  A<10  %;  3-я  группа:  К<  10,  G  >20,  A  >  10  %.

Таблица  3. 

Химические  характеристики  сырья  для  производства  гелеобразователей  (%  сухого  вещества)

Примечание:  данные  —  ¹Микулич  Д.В.,  Красильниковой  С.В.  (1986)  [10.  с.  101—102];  ²  Кизеветера  И.В.  в  соавторстве  (1981)  [8.  с.  77],  ³Усова  А.И.,  Клочковой  Н.Г.  (1992)  [23.  с.  374—375].

С  точки  зрения  технологии,  филлоспадикс  и  зостера,  отнесенные  к  первой  группе  морского  растительного  сырья,  содержат  очень  прочный  белково-полисахаридный  комплекс  и  кислый  полисахарид.  Известно,  чем  выше  содержание  клетчатки,  тем  более  жесткими  должны  быть  условия  предварительной  обработки  сырья  (температура,  рН  среды,  продолжительность).  При  этом  деполимеризация  полисахарида  должна  быть  минимальной  [16].  В  связи  с  этим,  для  получения  полисахарида  из  этого  вида  сырья  требуется  кислотная  деминерализация  и  модификация  при  повышенной  температуре,  и  постоянном  контроле  молекулярной  массы  полисахарида. 

Красные  водоросли,  принадлежащие  ко  второй  и  третьей  группе,  содержат  в  своем  составе  моносахарид  —  3,6-ангидрогалактозу,  который  разрушается  при  кислотном  гидролизе.  В  связи  с  этим  целесообразно  проведение  модификации  сырья  в  щелочной  и  слабощелочной  среде. 

Водоросли  анфельция,  грацилярия,  гелидиум,  одонталия,  порфира,  принадлежащие  ко  второй  группе,  содержат  также  прочный  белково-полисахаридный  комплекс,  но  нейтральный  полисахарид  агар.  Получение  полисахаридов  из  этой  группы  водорослей  требует  применение  модификации  сырья  в  щелочной  среде  при  температуре  выше  100⁰С  и  постоянном  контроле  прочности  технологического  геля.

Водоросли  хондрус,  тихокарпус  (третья  группа),  содержат  в  2  раза  меньше  клетчатки  и  высокосульфатированные  полисахариды,  которые  хорошо  растворяются  в  воде  при  температуре  50—60⁰С.  Следовательно,  получение  каррагинанов  из  красных  водорослей  этой  группы  предполагает  модификацию  в  щелочной  среде  при  температуре  от  20  до  50⁰С. 

Таким  образом,  сравнительные  исследования  химического  состава  красных  водорослей  и  морских  трав  позволяют  сделать  отбор  сырья  определенного  отдела,  класса,  вида  и  прогнозировать  получение  определенного  полисахарида,  а  также  технологические  подходы  к  его  переработке  для  производства  полисахаридов  с  заданными  свойствами.  Установлено,  что  основными  характеристиками  морского  растительного  сырья  для  определения  технологического  процесса  является  моносахаридный  состав  и  содержание  клетчатки,  которые  необходимо  учитывать  при  разработке  технологии  полисахаридов  с  заданными  свойствами. 

Список  литературы:

1. Бурштейн  А.И.  Методы  исследования  пищевых  продуктов.  —  Киев:  Госмедиздат.,  1963.  —  643  с.
2. ГОСТ  26-185-84.  Водоросли  морские,  травы  морские  и  продукты  их  переработки.  Методы  анализа.  —  Введен  7.05.84.  —  53  с. 
3. Ермак  И.М.,  Хотимченко  Ю.С.  Физико-химические  свойства,  применение  и  биологическая  активность  каррагинана-полисахарида  красных  водорослей  //  Биология  моря.  —  1997.  —  Т.  23.  —  №  3.  —  С.  129—142.
4. Кадникова  И.А.  Технохимическая  характеристика  морского  растительного  сырья  для  производства  гелеобразующих  полисахаридов//Хранение  и  переработка  сельхозсырья.  —  2011.  —  №  9.  —  С.  26—29.
5. Кадникова  И.А.  Химический  состав  грацилярии  культивируемой,  естественной  и  их  полисахаридов  //  Сб.  тезисов  Всесоюзн.  Конф.  «Научно-технические  проблемы  марикультуры  в  стране».  —  Владивосток,  1989.  —  С.  76.
6. Кадникова  И.А.,  Подкорытова  А.В.,  Суховерхов  С.В.  и  др.  Исследование  технологических  свойств  красной  водоросли  Gelidium  amansii,  произрастающей  вдоль  побережья  республики  Корея,  и  агара//Известия  ТИНРО.  —  2001.  —  Т.  129.  —  С.  261—269. 
7. Кадникова  И.А.,  Кушева  О.А.  Обоснование  технологии  получения  пектина  низкой  степени  этерификации  из  морской  травы  Phyllospadix  iwatensis  //Хранение  и  переработка  сельхозсырья.  —  2004.  —  №  10.  —  С.  29—31. 
8. Кизеветтер  И.В.,  Суховеева  М.В.,  Шмелькова  Л.П.  Промысловые  морские  водоросли  и  травы  дальневосточных  морей.  —  М.:Лег.  и  пищ.  пром-ть,  1981.  —  110  с.
9. Микулич  Д.В.,  Анцупова  Л.В.  Химико-технологическая  оценка  черноморской  грацилярии  как  сырья  для  производства  агара  //Материалы  первой  международной  конференции  «Морские  прибрежные  экосистемы:  водоросли,  беспозвоночные  и  продукты  их  переработки».  Москва:  ВНИРО,  2002.  —  С.  154—160.
10. Микулич  Д.В.,  Красильникова  С.В.  Прогнозирование  технологических  свойств  агароподобных  продуктов,  полученных  из  смесей  водорослей  //Изв.  ВУЗов  (Пищевая  технология).  —  1986.  —  №  1.  —  С.  101—103. 
11. Микулич  Д.В.  Исследование  состава  и  физико-химических  свойств  агара  из  черноморской  грацилярии  //Тезисы  докладов  Межд.  Симпозиума  по  марикультуре,  1995.  —  С.  91. 
12. Подкорытова  А.В.,  Блинов  Ю.Г.,  Кадникова  И.А.,  Суховерхов  С.В.,  Сухотская  Л.Ю.,  Хо-Донг  Юн  Высокоочищенный  агар  из  Аhfeltia  tobuchiensis  и  его  микробиологическое  тестирование//Известия  ТИНРО,  1999.  —  Т.  125.  —  С.  287—292.
13. Подкорытова  А.В.,  Кадникова  И.А.,  Усов  А.И.  Красная  водоросль  Chondrus  armatus  (Harv.)  Okam.  (Gigartinaceae),  ее  химический  состав,  содержание  каррагинана//Растительные  ресурсы,  1994.  —  Bып.  1—2.  —  С.  79—85.
14. Подкорытова  А.В.,  Кушева  О.А.  Морские  травы  дальневосточных  морей:  химический  состав,  свойства  полисахаридов,  направления  использования  //  Изв.  ТИНРО,  1997.  —  Т.  120.  —  С.  197—203.
15. Cлонекер  Д.  Газожидкостная  хроматография  ацетатов  альдитов/Методы  исследования  углеводов  /под  ред.  Уистлера  и  Бемиллера.  —  М.:  Мир,  1975.  —  C.  20—24.
16. Суховерхов  С.В.,  Кадникова  И.А.,  Кушева  О.А.,  Подкорытова  А.В.  Обоснование  технологии  получения  агарозы  из  красной  водоросли  Ahnfeltia  tobuchiensis  //Известия  ТИНРО.  —  1999.  —  Т.  125.  —  С.  282—286.
17. Усов  А.И.  Сульфатированные  полисахариды  красных  морских  водорослей.  —  В  кн.:  Успехи  биологической  химии.  М.:  Наука,  1979.  —  Т.  20.  —  C.  169—191.
18. Усов  А.И.  Полисахариды  красных  морских  водорослей  //  Прогресс  химии  углеводов.  М.:  Наука,  1985.  —  С.  77—96.
19. Усов  А.И.,  Элашвилли  М.Я.  Восстановительный  гидролиз  —  новый  метод  определения  моносахаридного  состава  и  частичного  расщепления  галактанов  красных  водорослей.  Тез.  докл.  Всесоюзн.  совещ.  БАВ  гидробионтов  —  новые  лекарственные,  лечебно-профилактические  и  технические  препараты.  —  Владивосток,  1991.  —  С.  124—125.
20. Усов  А.И.,  Элашвили  М.Я.  Количественное  определение  3,6-ангидрогалактозы  и  специфических  галактанов  красных  водорослей  в  условиях  полного  восстановительного  гидролиза//Биоорганическая  химия.  —  1991.  —  Т.  17.  —  №  6.  —  С.  839—848.
21. Усов  А.И.  Проблемы  и  достижения  в  структурном  анализе  сульфатированных  полисахаридов  красных  водорослей//Химия  растительного  сырья.  —  2001.  —  №  2.  —  С.  7—20. 
22. Усов  А.И.,  Кочетков  Н.К.  Полисахариды  водорослей.  2.Полисахариды  красной  водоросли  Odonthalia  corymbifera  (Gmel.)  J.Ag.  Выделение  6-О-метил-D-галактозы//Журнал  общей  химии.  —  1968.  —  Т.  38.  —  С.  234—238. 
23. Usov  A.I.  Klochkova  N.G.  Polysaccharides  of  algae.45.  Polysaccharide  composition  of  red  seaweed  from  Kamchatka  coastal  waters  (Northwestern  Pacific)  studied  by  reductive  hydrolysis  of  biomass//Botanicа  Marina.  —  1992.  —  V.  35.  —  P.  371—378.