CC BY
121
УДК 665.939.351:582.273
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АГАРА ИЗ КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ РОДА AHNFELTIA: РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ
Н. В. Бурова, А. В. Подкорытова
PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERIZATION OF AGAR FROM THE RED ALGAE OF THE GENUS AHNFELTIA: RECOMMENDATIONS FOR ITS APPLICATION
N. V. Burova, A. V. Podkorytova
Представлены результаты исследований физико-химических характеристик агаров из недоиспользуемых красных водорослей Ahnfeltia tobuchiensis и A. plicata, заготовленных в промысловые сезоны 2016-2018 гг., с целью оценки перспектив сбора и переработки этого сырья в процессе производства отечественных гидроколлоидов. Водоросли были добыты способом активного лова в заливе Петра Великого Японского моря, а также собраны из штормовых выбросов на побережьях лагуны Буссе о-ва Сахалин, Соловецких о-вов и Онежского залива Белого моря. Согласно полученным данным выход природного агара из A. tobuchiensis составляет в среднем 3,9, из A. plicata - 9,0 %, а модифицированных щёлочью агаров из дальневосточной и беломорской анфельции - 10,7 и 19,7 % соответственно. В статье представлены коэффициенты эффективности последовательных экстракций агара, развёрнутые данные по содержанию агаровой фракции и неагаровых примесей в неочищенных экстрактах анфельции, а также корреляционный анализ, характеризующий зависимости между этими фракциями. Изучены такие свойства полученных гидроколлоидов, как прочность, прозрачность, температуры застудневания и плавления гидрогелей 0,85%-ных растворов агаров, а также содержание минеральных и азотистых веществ. С помощью ранговых корреляций Спирмена выявлены зависимости между выходом агара и его физико-химическими характеристиками. В результате проведённых исследований установлено, что модифицированный агар из A. tobuchiensis удовлетворяет требованиям ГОСТ 16280 «Агар пищевой» и ГОСТ 17206 «Агар микробиологический». Штормовые выбросы A. plicata являются полноценным сырьём для изготовления пищевого агара высшего сорта. Проведённые исследования показывают высокое качество полученных полисахаридов и целесообразность использования красных водорослей рода Ahnfeltia, не только добываемых активным ловом, но и их штормовых выбросов, для производства агара. Очевидна перспективность практического применения представленных данных при разработке программ импортоза-мещения гелеобразующих полисахаридов.
агарофиты, Ahnfeltia tobuchiensis, A. plicata, гелеобразующие полисахариды, агар, экстракты, характеристика гидрогелей, импортозамещение, корреляционный анализ
The article is devoted to the study of the physicochemical characteristics of agar from underutilized valuable red algae Ahnfeltia tobuchiensis and A. plicata harvested during the 2016-2018 fishing seasons in order to assess the prospects of using this raw material in the production of hydrocolloids. Algae have been harvested by the method of active fishing in Peter the Great Bay (Sea of Japan), and also collected from storm deposits on the coasts of Lake Busse (Sakhalin Island), the Solovetskiy Islands and the Onega Bay (White Sea). According to the data obtained, the yield of natural agar from A. tobuchiensis is on average 3,9, from A. plicata - 9,0 %, and the yield of alkali-modified agar from Ahnfeltia the Far Eastern fish basin and the White Sea basin is on average 10,7 and 19,7 % respectively. The article presents the efficiency coefficients of sequential extractions, detailed data on the content of the agar fraction and impurities in crude extracts of Ahnfeltia, as well a correlation analysis characterizing the relationships between these fractions. We have studied such properties of the obtained hydrocolloids as strength, transparency, gelling and melting temperatures of agar gels, as well as the content of minerals (total ash) and nitrogen. Using Spearman's rank correlation coefficient, the relationships between the yield of agar and its physicochemical characteristics have been revealed. As a result of the carried out studies, it has been found that the alkali-modified agar obtained from A. tobuchiensis satisfies the requirements of Russian standards on food and microbiological agars, and drift algae ashore of A. plicata are of full value raw material for the production of top-grade food agar. The studies have shown the high quality of the polysaccharides obtained and the feasibility of using red algae of the Ahnfeltia genus obtained not only by the method of active fishing , but also from the storm deposits for the production of agars. The prospects for the practical application of the data presented in the development of import substitution programmes for gel forming polysaccharides are obvious.
agarophytes, Ahnfeltia tobuchiensis, A. plicata, gelling polysaccharides, agar, extracts, characterization of hydrogels, import substitution, correlation analysis
ВВЕДЕНИЕ
Агар - первый гидрофильный коллоид, который был обнаружен в морских водорослях-макрофитах. На протяжении последних четырехсот лет агар активно используют во многих отраслях промышленности исключительно из-за его уникальных гелеобразующих свойств [1, 2]. Агар состоит из двух полисахаридов -агарозы и агаропектина (фракция кислых полисахаридов) [3]. Агароза - это линейный полисахарид, построенный из строго чередующихся остатков 3-О-замещённой Р-О-галактопиранозы (изредка 6-О-метил-Р-О-галактопиранозы) и 4-О-замещённой 3,6-ангидро-а-Ь-галактопиранозы, и обладает ярко выраженной способностью к формированию гелей [4, 5]. Наиболее широкое применение агар получил в микробиологии как универсальный материал при приготовлении питательных сред для выращивания микроорганизмов и их идентификации, а также в пищевой промышленности в качестве натуральной пищевой добавки Е406. Агар используют в текстильной промышленности для проклеивания тканей, в качестве носителя лекарственных препаратов и компонента косметических средств. Агарозу применяют, главным образом, в хроматографии для выделения и очистки биологических макромолекул [1, 6-10]. Глобальный рынок агара демонстрирует стабильный ежегодный рост, его объём в 2016 г. достиг 15 406 т на сумму 247 млн. долл. США [11]. При этом продажа пищевого агара составляет
85-90 % от его общего мирового товарооборота, бактериологического - 4-5, ага-розы - 0,2 % [12]. Сырьевыми источниками пищевого агара в основном являются водоросли семейства Gracilariaceae, значительные объёмы которых культивируют во многих странах мира, главным образом, тропического пояса. Агар высочайшего качества (микробиологический, особой очистки) и агарозу производят, как правило, из водорослей, принадлежащих к порядку Gelidiales. Большинство мак-рофитов этого порядка до настоящего времени заготавливают из естественных популяций в Марокко, Португалии, Испании, Южной Корее, Японии и Мексике, так как попытки их введения в марикультуру оказались коммерчески нежизнеспособными [8, 11, 13-15]. Однако чрезмерная эксплуатация запасов красных водорослей рода Gelidium в последние годы привела к дефициту этого высококачественного сырья и резкому росту оптовых цен на микробиологический агар, стоимость которого достигла 35-45 долл. США/кг. В связи с этим к настоящему времени одной из основных проблем мировой агаровой промышленности является управление цепочкой поставок биомассы морских водорослей для удовлетворения растущих производственных потребностей, а также рынка высококачественных агаров [16-18].
В Дальневосточном и Северном рыбохозяйственных бассейнах Российской Федерации сосредоточены значительные запасы красных агарсодержащих водорослей рода Ahnfeltia. Рекомендуемый вылов A. tobuchiensis в Дальневосточном рыбохозяйственном бассейне в 2018 г. составил около 10,9 тыс. т [19]. Объёмы добычи агарсодержащего сырья также можно увеличить за счёт сбора штормовых выбросов как дальневосточной (A. tobuchiensis), так и беломорской анфельции (A. plicata). Выпуск небольших партий пищевого агара из A. plicata (около 5 т/год) ведётся только на Архангельском опытном водорослевом комбинате, в то время как производства микробиологического агара и агарозы на сегодняшний день в России не существует [20, 21].
Таким образом, красные водоросли рода Ahnfeltia оказались недоиспользуемым видом ценного отечественного сырья, а потребности внутреннего рынка агара практически полностью обеспечиваются за счёт импортных гидроколлоидов, характеризующихся высоким уровнем закупочных цен. В связи с этим проблема развития агаровой промышленности в России и интенсификации процесса импортозамещения агаров разных типов на сегодняшний день приобретает особую актуальность.
Данное исследование посвящено изучению физико-химических характеристик природных и модифицированных агаров, выделенных из красных водорослей рода Ahnfeltia, заготовленных в промысловые сезоны как в Дальневосточном, так и в Северном рыбохозяйственных бассейнах. Оно проведено с целью оценки перспектив использования анфельции активного лова и собранной из штормовых выбросов в процессе производства отечественных высококачественных гидроколлоидов и развития потенциала агаровой промышленности на современном этапе российского промысла и переработки анфельции.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Образцы анфельции были заготовлены способом активного лова в заливе Петра Великого Японского моря и собраны из штормовых выбросов на побережьях лагуны Буссе о-ва Сахалин, а также у Соловецких о-вов и в Онежском заливе
Белого моря в период 2016-2018 гг. Внешний вид талломов анфельции представлен на рис. 1.
Рис. 1. Талломы водорослей A. tobuchiensis (а) и A. plicata (б) Fig. 1. Thalli of algae A. tobuchiensis (a) and A. plicata (б)
Экстракцию природного и модифицированного агаров из водорослей осуществляли в соответствии с известными способами [7, 22-25]. Процесс экстракции агара из A. tobuchiensis проводили в паровом форвакуумном стерилизаторе СПВА-75-1-НН (ЗАО «Транс-Сигнал», Россия), а из A. plicata - на лабораторной водяной бане Экрос ПЭ-4300 (ООО «Экросхим», Россия). Выход агара (Х) в процентах, в пересчёте на сухое вещество, рассчитывали по формуле [22, 25]:
m ■ m2-100-100 m ■ m3 -(100 - m4)
(1)
где т - масса собранного экстракта, г; Ш1 - масса исследуемых водорослей, г; т2 - масса сухого агара в высушенной пробе обесцвеченного геля, г; т3 - масса экстракта, взятая для желирования и обесцвечивания, г; т4 - массовая доля воды в исследуемых водорослях, %.
Содержание неагаровых примесей находили как разность между содержанием сухих веществ в неочищенном экстракте и агаровой фракцией. За агаровую фракцию принимали концентрацию сухих веществ в обесцвеченном геле агара. Для характеристики степени извлечения агара применяли коэффициент эффективности экстракции (К), который рассчитывали по формуле [22]:
K э =-
100 ■ Х t ■ T
(2)
где X - выход агара, %; t - время экстракции, ч; Т - температура при экстракции, °С.
Физико-химические характеристики агаров (содержание азота и золы, прочность, прозрачность, температуры застудневания и плавления гелей 0,85%-ных растворов агаров) оценивали в соответствии с ГОСТ 26185, ГОСТ 31413 и ГОСТ 33331 [26-28]. Содержание азота определяли с использованием автоанализатора Kjeltec™ Foss-2300 («FOSS Analytical АВ», Швеция). Прочность гелей растворов агаров измеряли на приборе Валента, прозрачность -на цифровом спектрофотометре PD-303S («Apel Co., Ltd.», Япония). На рис. 2 изображены гидрогель 0,85%-ного раствора агара, коагель агара (концентриро-
ванный гель, обезвоженный способом замораживания-оттаивания) и сухой агар, полученные нами из А. IоЪисМепага.
Рис. 2. Гидрогель 0,85%-ного раствора агара (а), коагель агара (б) и сухой агар (в) Fig. 2. Hydrogel of a 0,85% agar solution (а), concentrated gel of agar (б), dry agar (в)
Статистическую обработку данных (построение диаграмм рассеяния, вычисление коэффициентов ранговой корреляции Спирмена) проводили с использованием программного пакета Statistica 10.0 («StatSoft Inc.», США).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Водоросли A. tobuchiensis и A. plicata обладают прочными, жёсткими талломами, в связи с чем выход агара из этих макрофитов находится в прямой зависимости от степени их размягчения и набухания. Предварительная обработка ан-фельции и экстракция полисахарида в слабощелочных растворах по сравнению с данными процессами в пресной воде способствуют гораздо большему размягчению тканей водорослей [22]. Выход природного агара из A. tobuchiensis и A. plicata составляет 3,30-4,17 и 7,88-9,96 % соответственно. Суммарный коэффициент эффективности первой, второй и третьей экстракций природного агара в среднем равен 0,80 для A. tobuchiensis и 2,29 - для A. plicata. Однако выход агаров из дальневосточной и беломорской анфельции, которые были получены по технологии, предусматривающей модификацию агара, составляет 8,96-12,06 и 16,9821,58 % соответственно. При этом суммарный коэффициент эффективности первой, второй и третьей экстракций модифицированного агара в среднем равен 2,24 для A. tobuchiensis и 5,02 - для A. plicata. Степень извлечения агара из дальневосточной анфельции закономерно уменьшается при каждой последующей экстракции примерно в два раза, тогда как агар из беломорской анфельции наиболее эффективно извлекается как на этапе первой, так и второй экстракции (табл. 1).
Стоит отметить, что соотношение агаровой фракции и неагаровых примесей в экстрактах анфельции является показателем, объективно влияющим на качество получаемого агара. Неочищенные природные экстракты A. tobuchiensis и A. plicata содержат 0,89-2,99 % сухих веществ, из которых только 0,10-0,62 % приходится на агар. Экстракты анфельции, полученные по классическим технологиям, отличаются более высоким содержанием как целевого продукта, так и загрязняющих веществ. Концентрация агара и неагаровых примесей в первом экстракте анфельции составляет 0,72-1,03 и 2,83-5,01 %, во втором - 0,47-0,76 и 1,613,80 %, в третьем - 0,17-0,45 и 0,74-2,52 % соответственно (табл. 1).
Таблица 1. Состав неочищенных экстрактов и выход природного и модифицированного агаров из A. tobuchiensis и A. plicata
Table 1. The composition of the crude extracts and the yield of natural and modified agars from A. tobuchiensis and A. plicata_
Номер экстракции Неочищенный экстракт, % к массе экстракта Выход агара, % к массе водоросли Коэффициент эффективности экстракции Кэ
агаровая фракция неагаровые примеси
Эп Э Эм Эп Э Эм Эп Э Эм Эп Э Эм
A. tobuchiensis (зал. Петра Великого Японского моря, июль 2017 г.)
1 0,25 0,90 1,97 3,47 2,93 7,17 0,61 1,49
2 0,11 0,66 1,52 2,13 1,24 3,58 0,26 0,75
3 - 0,24 - 0,83 - 1,31 - 0,27
Итого 4,17 12,06 0,87 2,51
A. tobuchiensis (побережье лаг. Буссе о-ва Сахалин, июль 2018 г.)
1 0,16 0,72 1,49 2,83 2,18 4,76 0,45 0,99
2 0,10 0,47 0,83 1,61 1,12 2,78 0,23 0,58
3 - 0,17 - 0,74 - 1,42 - 0,30
Итого 3,30 8,96 0,68 1,87
A. tobuchiensis (зал. Петра Великого Японского моря, август 2018 г.)
1 0,23 0,84 1,90 3,76 2,77 6,35 0,58 1,32
2 0,14 0,53 1,54 2,69 1,34 3,16 0,28 0,66
3 - 0,19 - 0,94 - 1,68 - 0,35
Итого 4,11 11,19 0,86 2,33
A. plicata (побережье между г. Беломорском и м. Выгнаволок Онежского залива Белого моря, август 2016 г.)
1 0,53 0,79 2,12 3,65 3,52 8,94 0,90 2,28
2 0,39 0,68 1,34 2,66 2,37 6,98 0,60 1,78
3 0,18 0,41 0,81 1,96 1,99 3,17 0,51 0,81
Итого 7,88 19,09 2,01 4,87
A. plicata (побережье между г. Колежма и м. Пономарев Нос Онежского залива Белого моря, октябрь 2017 г.)
1 0,62 0,94 2,37 4,72 4,70 9,67 1,20 2,47
2 0,31 0,68 1,13 3,01 3,05 8,29 0,78 2,11
3 0,22 0,39 0,67 2,05 1,32 2,97 0,34 0,76
Итого 9,07 20,93 2,32 5,34
A. plicata (о-в Большой Соловецкий Белого моря, май 2018 г.)
1 - 0,73 - 3,48 - 8,34 - 2,13
2 0,64 2,56 6,88 1,76
3 0,37 1,89 1,76 0,45
Итого 16,98 4,34
A. plicata (о-в Тумище Онежского залива Белого моря, сентябрь 2018 г.)
1 0,50 1,03 1,93 5,01 5,08 11,14 1,30 2,84
2 0,37 0,76 1,11 3,80 2,97 7,48 0,76 1,91
3 0,21 0,45 0,74 2,52 1,91 2,96 0,49 0,76
Итого 9,96 21,58 2,55 5,51
Примечания: Эп - экстракция природного агара; Эм - экстракция модифицированного агара
Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена (r), отражающие зависимость между агаровой фракцией и неагаровыми примесями в экстрактах дальневосточной и беломорской анфельции, равны 0,88 и 0,97 соответственно. Данная зависимость наглядно демонстрирует, что при увеличении концентрации агара количество загрязняющих веществ возрастает в большей степени в экстрактах A. plicata, чем в экстрактах A. tobuchiensis (рис. 3). Аналогичные коэффициенты, отражающие связь между агаровой фракцией и неагаровыми примесями в первом, втором и третьем экстрактах анфельции, равны 0,92, 0,83 и 0,97 соответственно. Проведённый анализ позволяет сделать вывод о том, что первый экстракт является наиболее загрязнённым, так как с увеличением агаровой фракции в большей
степени возрастает и количество неагаровых примесей. Величина этого коэффициента для третьей экстракции, напротив, указывает на обратную зависимость, при которой экстракты можно считать наименее загрязнёнными, так как концентрации агара и неагаровых примесей взаимно уменьшаются (рис. 4).
4,0
3,0
2,5
g 1,5
1,0
r=0,88 p<0,05
0,0 0,1 0,2
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Агаровая фракция, %
0,8 0,9 1,0
5,5 5,0 -9 4,5
s 4,0
0
1 3,5 s
& 3,0
5 2,5 fiû
â 2,0 es
M 1,5
<D
И 1,0
0,5
6 В
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Агаровая фракция, %
Рис. 3. Диаграммы рассеяния и коэффициенты ранговой корреляции Спирмена (r), отражающие связь между агаровой фракцией и неагаровыми примесями в экстрактах A. tobuchiensis (а) и A. plicata (б) Fig. 3. Scatter plots and Spearman's correlation coefficients (r) showing a relation of the agar fraction and impurities in extracts of A. tobuchiensis (a) and A. plicata (б)
5,5 5,0 xo 4,5
o^
S 4,0
0
1 3,5
5
6 3,0
S 2,5 a
â 2,0 PS
« 1,5
u
® 1,0
0,5
r=0,92 p<0,05
•
r=0,83
p<0,05
0,0 0,1 0,2
0,3 0,4 0,5 Агаровая
0,6 0,7 фракция.
2,7
2,4
..о
^ 2,1 S
8 1,8 S
5
6 1 5 С 1,5
0,8 0,9 1,0 1,1
%
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Агаровая фракция, %
0,1 0,2 0,3 0,4
Агаровая фракция, %
Рис. 4. Диаграммы рассеяния и коэффициенты ранговой корреляции Спирмена (r), отражающие связь между агаровой фракцией и неагаровыми примесями в первом (а), втором (б) и третьем (в) экстрактах анфельции Fig. 4. Scatter plots and Spearman's correlation coefficients (r) showing a relation of the agar fraction and impurities in first (a), second (б) and third (в) extracts of Ahnfeltia
3,5
2,0
0,5
а
4,0
0,7
0,8
б
а
1,2
0,9
0,6
0,3
0,0
0,5
в
Технологии получения агара из A. tobuchiensis и A. plicata являются многоступенчатыми и предусматривают несколько последовательных экстракций полисахарида, затем полученные экстракты соединяют и очищают одновременно. Анализ результатов проведённого статистического исследования показал, что данный подход очистки экстрактов не является целесообразным, так как степень их загрязнения значительно отличается. Таким образом, выявлена необходимость разработки новых, более рациональных и экономически эффективных подходов поэтапной очистки экстрактов анфельции.
Щелочная модификация оказывает положительное влияние на гелеобразу-ющие свойства полисахарида, так как в процессе его экстракции в слабощелочном растворе происходит отщепление сульфатных групп из сульфатированных звеньев остатков a-L-галактопиранозы и образование 3,6-ангидро-а-Ь-галактопира-нозы [5]. Прочность гелей 0,85%-ных растворов природных агаров анфельции составляет 71-163 г. Однако 0,85%-ные водные растворы модифицированных агаров, полученных из A. tobuchiensis и A. plicata, образуют твёрдые, стойкие гели, характеризующиеся высокой прочностью - 743-1013 и 615-721 г соответственно (табл. 2).
Таблица 2. Физико-химическая характеристика природных и модифицированных агаров из A. tobuchiensis и A. plicata
Table 2. Physicochemical characteristics of natural and modified agars from A. tobuchiensis and A. plicata_
Вид агара Прочность геля с м. д. агара 0,85%, г Прозрачность геля с м. д. агара 0,85%, % светопропуска-ния Температура застудневания раствора с м. д. агара 0,85% (ТзасХ С Температура плавления геля с м. д. агара 0,85% (Тпл), °С О О о и, з) е са ft г" и Н т о 1 К в ип Ь Содержание золы, % Содержание азота, %
A. tobuchiensis (зал. Петра Великого Японского моря, июль 2017 г.)
Ап 85 64 34 73 39 0,19 0,14
Ам 1013 70 34 90 56 1,23 0,16
A. tobuchiensis (побережье лаг. Буссе о-ва Сахалин, июль 2018 г.)
Ап н/ж 0,20 0,22
Ам 743 64 35 87 52 1,07 0,25
A. tobuchiensis (зал. Петра Великого Японского моря, август 2018 г.)
Ап 71 64 34 73 39 0,21 0,20
Ам 826 69 35 89 54 1,29 0,20
A. plicata (побережье между г. Беломорском и м. Выгнаволок Онежского залива Белого моря, август 2016 г.)
Ап 98 77 34 84 50 1,47 0,33
Ам 704 81 37 90 53 3,72 0,30
A. plicata (побережье между г. Колежма и м. Пономарев Нос Онежского залива Белого моря, октябрь 2017 г.)
Ап 114 79 33 85 52 1,30 0,29
Ам 698 82 36 90 54 4,49 0,30
A. plicata (о-в Большой Соловецкий Белого моря, май 2018 г.)
Ам 615 81 38 88 50 5,16 0,32
A. plicata (о- в Тумище Онежского залива Белого моря, сентябрь 2018 г.)
Ап 163 79 33 85 52 1,26 0,28
Ам 721 85 36 91 55 2,86 0,29
Примечания: Ап - природный агар; Ам - модифицированный агар; н/ж - раствор агара не желирует; м. д. - массовая доля
Гели водных растворов агаров с питательной средой, предназначенные для применения в микробиологической практике, должны представлять оптимальную матрицу для визуализации роста микроорганизмов и, следовательно, иметь высокую прозрачность. Данное свойство не менее важно и для пищевой промышленности, так как прозрачные гели легко окрашиваются, а придать им привлекательную яркость и увеличить показатель преломления можно, добавив сахар или глицерин [1, 29]. Гели, приготовленные из модифицированного агара, выделенного из A. plicata, обладают большей прозрачностью (81-85% светопропускания) по сравнению с гелями этого полисахарида, полученного из A. tobuchiensis (64-70% светопропускания) (табл. 2, рис. 5). Известно, что чем более «плотной» структурой обладает полимерная матрица гидрогеля агара, тем более сильной степенью поглощения и рассеяния света и, как следствие, более низкой прозрачностью характеризуется исследуемый гель [29].
Рис. 5. Дистиллированная вода (а) и гидрогели 0,85%-ного раствора агара из
A. tobuchiensis (б) и A. plicata (в) Fig. 5. Distilled water (a) and hydrogels of a 0,85% agar solution from A. tobuchiensis
(б) and A. plicata (в)
Уникальным свойством агара по сравнению с другими желирующими агентами является цикл гистерезиса с диапазоном 40-60°C в золь-гелевом переходе, что обусловлено образованием крупных агрегатов в коллоидном растворе агара, которые диссоциируют при более высокой температуре по сравнению с отдельными спиралями [10]. Известно, что более высокой температуре гелеобразо-вания агара соответствует более высокая степень метоксилирования углерода С6 агаробиозы в составе полисахарида. При этом растворы агара, применяемые в микробиологии, должны иметь низкую температуру гелеобразования (30-37°C), что позволяет добавлять другие материалы (например, антибиотики) в раствор полисахарида с минимальным риском их теплового повреждения [1, 9]. Гели 0,85%-ных водных растворов природных агаров дальневосточной анфельции характеризуются циклом гистерезиса 39°C, беломорской - в среднем 51°C. Цикл гистерезиса гидрогелей 0,85%-ных растворов модифицированных щёлочью агаров дальневосточной и беломорской анфельции - в среднем 54 и 53°C. При этом температура застудневания растворов модифицированного агара A. tobuchiensis
составляет 34-35°C, A. plicata - 36-38°C, а температура плавления гидрогелей -87-90 и 88-91°C соответственно (табл. 2). Стоит отметить, что повышенные температуры гелеобразования водных растворов агаров из беломорской анфельции ограничивают их применение в микробиологической практике, в то время как агары из дальневосточной анфельции по данному показателю не уступают высококачественным гидроколлоидам, получаемым из водорослей порядка Gelidiales.
Важнейшей характеристикой агаров является минимальное содержание в их составе минеральных веществ, определяемых в виде золы, а также азотистых веществ, которые могут повлиять на рост микроорганизмов [1, 2]. Содержание этих веществ в природных агарах A. tobuchiensis составило в среднем 0,20 и 0,19 %, A. plicata - 1,34 и 0,30 % соответственно. Содержание азотистых веществ в модифицированных агарах дальневосточной и беломорской анфельции по сравнению с содержанием таковых в природных полисахаридах практически не изменялось - в среднем 0,20 и 0,30 % соответственно. Однако содержание минеральных веществ в агарах из A. tobuchiensis и A. plicata, полученных по технологии, где предусмотрено внесение щёлочи на стадии экстрагирования, значительно увеличилось и достигло в среднем 1,20 и 4,06 % соответственно (табл. 2).
Результаты исследований зависимости между выходом агара из красных водорослей рода Ahnfeltia и его физико-химическими характеристиками, выраженные с помощью ранговых корреляций Спирмена, показывают высокую связь для большинства пар показателей (табл. 3).
Таблица 3. Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена, выражающие степень связи между выходом агара и его физико-химическими характеристиками Table 3. Spearman's corrélation coefficients expressing the degree of connection between the yield of agar and its physicochemical characteristics_
Наименование показателя Прочность геля с м. д. агара 0,85%, г Прозрачность геля с м. д. агара 0,85%, % светопропускания Температура застудневания раствора с м. д. агара 0,85%, °С Температура плавления геля с м. д. агара 0,85%, °С Содержание золы в агаре, % Содержание азота в агаре, % Выход агара, %
Прочность геля с м. д. агара 0,85%, г 1,00 0,25 0,41 0,81* 0,20 0,09 0,82*
Прозрачность геля с м. д. агара 0,85%, % светопропускания 0,25 1,00 0,49 0,60 0,61 0,54 0,87*
Температура застудневания раствора с м. д. агара 0,85%, °С 0,41 0,49 1,00 0,63 0,63 0,56 0,50
Температура плавления геля с м. д. агара 0,85%, °С 0,81* 0,60 0,63 1,00 0,60 0,25 0,94*
Содержание золы в агаре, % 0,20 0,61 0,63 0,60 1,00 0,61 0,78*
Содержание азота в агаре, % 0,09 0,54 0,56 0,25 0,61 1,00 0,35
Выход агара, % 0,82* 0,87* 0,50 0,94* 0,78* 0,35 1,00
Примечание: * высокая степень связи (p<0,05)
При сравнении полученных средних значений коэффициентов ранговой корреляции Спирмена установлена высокая степень связи между выходом агара и такими его свойствами, как прочность (г=0,82), прозрачность (г=0,87), температура плавления геля с м. д. агара 0,85% (г=0,94), содержание золы в агаре (г=0,78).
Коэффициенты корреляции, рассчитанные для выхода полисахарида и температуры застудневания геля с м. д. агара 0,85% (r=0,50), а также содержания азота в агаре (r=0,35) говорят о низкой степени связи между данными показателями (табл. 3). Найденные значения демонстрируют положительное влияние щелочной модификации агара на такие качественные характеристики полисахарида, как прочность, прозрачность и температура плавления гидрогелей.
ВЫВОДЫ
Результаты исследований физико-химических характеристик агара из красных водорослей рода Ahnfeltia, заготовленных в промысловые сезоны 20162018 гг., демонстрируют высокое качество полученных гидроколлоидов, а также позволяют значительно расширить представления о технологических свойствах данного вида сырья, особенно анфельции, собранной из штормовых выбросов.
Показано, что модифицированные агары, выделенные из водорослей A. tobuchiensis, заготовленных способом активного лова и собранных из штормовых выбросов, соответствуют требованиям ГОСТ 16280 «Агар пищевой» и ГОСТ 17206 «Агар микробиологический» [30, 31].
Установлено, что водоросли A. plicata, собранные из штормовых выбросов, являются полноценным сырьём для получения пищевого агара высшего сорта, соответствующего требованиям ГОСТ 16280, что в совокупности с высокими качественными характеристиками агаров свидетельствует о целесообразности их использования для промышленного производства гидроколлоидов и развития поморского и карельского промысла - сбора этих макрофитов.
Показана перспективность практического применения новых данных о качестве сырья и физико-химических характеристиках гелеобразующих полисахаридов из A. tobuchiensis и A. plicata при разработке программ развития отечественной агаровой промышленности и интенсификации процесса импортозаме-щения этих незаменимых гелеобразующих полисахаридов для пищевой отрасли, медицины и микробиологии.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают глубокую признательность и благодарность ведущему инженеру Сахалинского филиала ФГБНУ «ВНИРО» В. А. Сафроненко за сбор и подготовку материала для исследований биомассы анфельции в лагуне Буссе о-ва Сахалин.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Armisen, R. Agar. In: Handbook of hydrocolloids / ed. O. G. Phillips, P. A. Williams / R. Armisen, F. Galatas. - Oxford: Woodhead Publ., 2009. - P. 82-107.
2. Matsuhashi, T. Agar. In: Food gels / ed. P. Harris / T. Matsuhashi. - London: Elsevier Science Publ., 1990. - P. 1-51.
3. Araki, C. Structure of agarose constituent of agar-agar / C. Araki // Bulletin of the Chemical Society of Japan. - 1956. - Vol. 29. - № 4. - P. 543-544.
4. Усов, А. И. Полисахариды красных морских водорослей / А. И. Усов // Прогресс химии углеводов: сборник. - Москва: Наука, 1985. - С. 77-96.
5. Usov, A. I. Polysaccharides of the red algae / A. I. Usov // Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry. - 2011. - Vol. 65. - P. 115-217.
6. Кадникова, И. А. Гидроколлоиды морских водорослей: применение в биотехнологии и технологии пищевых продуктов / И. А. Кадникова // Рыбпром. -2010. - № 3. - С. 47-50.
7. Подкорытова, А. В. Морские водоросли-макрофиты и травы / А. В. Под-корытова. - Москва: Изд-во ВНИРО, 2005. - 174 с.
8. McHugh, D. J. A guide to the seaweed industry / D. J. McHugh. - Rome: FAO Food and Nutrition Paper, 2003. - 441 р.
9. McHugh, D. J. Production and utilization of products from commercial seaweeds / D. J. McHugh. - Rome: FAO Fisheries Technical Paper, 1987. - 198 р.
10. Stephen, A. M. Food polysaccharides and their applications / A. M. Stephen. -New York: Marcel Dekker Inc., 1995. - 664 р.
11. Ferdouse, F. The global status of seaweed production, trade and utilization. Globefish Research Programme / F. Ferdouse, S. L. Holdt, R. Smith, P. Murua, Z. V. Yang. - Rome: FAO Food and Nutrition Paper, 2018. - Vol. 124. - 120 р.
12. Future Market Insights. Agar market: shifting consumer preference towards natural ingredient and gelatin-free products is topping the market growth: global industry analysis and opportunity assessment, 2016-2026. [Электронный ресурс]. URL: https://www.futuremarketinsights.com (дата обращения: 16.09.2019).
13. Bixler, H. A decade of change in the seaweed hydrocolloids industry / H. Bixler, H. Porse // Journal of Applied Phycology. - 2011. - Vol. 23. - P. 321-335.
14. Hurtado, A. Q. Tropical seaweed farming trends, problems and opportunities / A. Q. Hurtado, A. T. Critchley, I. Neish. - NY: Springer Publ. AG, 2017. - 215 p.
15. Melo, R. A. Gelidium commercial exploitation: natural resources and cultivation / R. A. Melo // Journal of Applied Phycology. - 1998. - Vol. 10. - P. 303-314.
16. Callaway, E. Lab staple agar hit by seaweed shortage / E. Callaway // Nature. - 2015. [Электронный ресурс]. URL: https://www.nature.com/news/lab-staple-agar-hit-by-seaweed-shortage-1.18970 (дата обращения: 16.09.2019).
17. Porse, H. The seaweed hydrocolloid industry: 2016 updates, requirements, and outlook / H. Porse, B. Rudolph // Journal of Applied Phycology. - 2017. - Vol. 29. -Is. 5. - P. 2187-2200.
18. Santos, R. Global shortage of technical agars: back to basics (resource management) / R. Santos, R. A. Melo // Journal of Applied Phycology. - 2018. - Vol. 30. -P. 2463-2473.
19. Федеральное агентство по рыболовству. [Электронный ресурс]. URL: http://fish.gov.ru (дата обращения: 16.09.2019).
20. Красиков, Н. В. Реструктуризация рыбопромышленного комплекса, стабилизация и роль в экономике региона (на примере Архангельской области) / Н. В. Красиков // Современные исследования социальных проблем: электронный научный журнал. - 2012. - №7. [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru (дата обращения: 16.09.2019).
21. Подкорытова, А. В. Производство пищевого и микробиологического агара / А. В. Подкорытова // Рыбное хозяйство. - 2002. - № 6. - С. 56-57.
22. Кизеветтер, И. В. Переработка морских водорослей и других промысловых водных растений / И. В. Кизеветтер, В. С. Грюнер, В. А. Евтушенко. -Москва: Пищевая промышленность, 1967. - 416 с.
23. Куприна, Е. Э. Теория и практика переработки водорослей электрохимическим способом / Е. Э. Куприна, М. А. Малыгина // Рыбпром. - 2010. - № 3. -С. 36-42.
24. Пат. № 2189990. Способ получения высокоочищенного агара и агарозы из красной водоросли анфельции тобучинской: МПК C08B 37/12 / А. В. Подкоры-това, И. А. Кадникова, О. А. Кушева, В. М. Соколова, С. В. Суховерхов, опубл. 27.09.2002. - 12 с.
25. Подкорытова, А. В. Качество, безопасность и методы анализа продуктов из гидробионтов: Руководство по современным методам исследований морских водорослей, трав и продуктов их переработки / А. В. Подкорытова, И. А. Кадникова. - Москва: Изд-во ВНИРО, 2009. - 107 с.
26. ГОСТ 26185-84. Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа. - Москва: ФГУП «Стандартинформ», 2010. - 34 с.
27. ГОСТ 31413-2010. Водоросли, травы морские и продукция из них. Правила приёмки и методы отбора проб. - Москва: ФГУП «Стандартинформ», 2011. - 9 с.
28. ГОСТ 33331-2015. Водоросли, травы морские и продукция из них. Методы определения массовой доли воды, золы и посторонних примесей. - Москва: ФГУП «Стандартинформ», 2015. - 8 с.
29. Jaeger, P. A. Beyond agar: gel substrates with improved optical clarity and drug efficiency and reduced autofluorescence for microbial frowth experiments / P. A. Jaeger, C. McElfresh, L. R. Wong, T. Ideker // Journal of Applied and Environmental Microbiology. - 2015. - Vol. 81. - №16. - P. 5639-5649.
30. ГОСТ 16280-2002. Агар пищевой. - Москва: ИПК «Издательство стандартов», 2003. - 9 с.
31. ГОСТ 17206-96. Агар микробиологический. - Москва: ИПК «Издательство стандартов», 2002. - 9 с.
REFERENCES
1. Armisen R., Galatas F. Agar. In: Handbook of hydrocolloids. Ed. O. G. Phillips, P. A. Williams. Oxford, Woodhead Publ., 2009, pp. 82-107.
2. Matsuhashi T. Agar. In: Food gels. Ed. P. Harris. London, Elsevier Science Publ., 1990, pp. 1-51.
3. Araki C. Structure of agarose constituent of agar-agar. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 1956, vol. 29, no. 4, pp. 543-544.
4. Usov A. I. Polisakharidy krasnykh morskikh vodorosley [Polysaccharides of red seaweed]. Progress khimii uglevodov, Moscow, Izdatel'stvo "Nauka", 1985, pp. 7796.
5. Usov A. I. Polysaccharides of the red algae. Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry, 2011, vol. 65, pp. 115-217.
6. Kadnikova I. A. Gidrokolloidy morskikh vodorosley: primenenie v bio-tekhnologii i tekhnologii pishchevykh produktov [Seaweed hydrocolloids: application in biotechnology and food technology]. Rybprom, 2010, no. 3, pp. 47-50.
7. Podkorytova A. V. Morskie vodorosli-makrofity i travy [Marine macrophytic algae and grasses]. Moscow, Izdatel'stvo VNIRO, 2005, 174 p.
8. McHugh D. J. A guide to the seaweed industry. Rome, FAO Food and Nutrition Paper, 2003, 441 р.
9. McHugh D. J. Production and utilization of products from commercial seaweeds. Rome, FAO Fisheries Technical Paper, 1987, 198 p.
10. Stephen A. M. Food polysaccharides and their applications. New York, Marcel Dekker Inc., 1995, 664 p.
11. Ferdouse F. S., Holdt L., Smith R., Murua P., Yang Z. V. The global status of seaweed production, trade and utilization. Globefish Research Programme. Rome, FAO Food and Nutrition Paper, 2018, vol. 124, 120 p.
12. Future Market Insights. Agar market: shifting consumer preference towards natural ingredient and gelatin-free products is topping the market growth: global industry analysis and opportunity assessment, 2016-2026, available at: https://www.futuremarketinsights.com (Accessed 16 September 2019).
13. Bixler H., Porse H. A decade of change in the seaweed hydrocolloids industry. Journal of AppliedPhycology, 2011, vol. 23, pp. 321-335.
14. Hurtado A. Q., Critchley A. T., Neish I. Tropical seaweed farming trends, problems and opportunities. New York, Springer Publ. AG, 2017, 215 p.
15. Melo R. A. Gelidium commercial exploitation: natural resources and cultivation. Journal of Applied Phycology, 1998, vol. 10, pp. 303-314.
16. Callaway E. Lab staple agar hit by seaweed shortage. Nature, 2015, available at: https://www.nature.com/news/lab-staple-agar-hit-by-seaweed-shortage-1.18970 (Accessed 16 September 2019).
17. Porse H., Rudolph B. The seaweed hydrocolloid industry: 2016 updates, requirements, and outlook. Journal of Applied Phycology, 2017, vol. 29, iss. 5, pp. 21872200.
18. Santos R., Melo R. A. Global shortage of technical agars: back to basics (resource management). Journal of Applied Phycology, 2018, vol. 30, pp. 2463-2473.
19. Federal'noe agentstvo po rybolovstvu [Federal Agency for Fishery], available at: http://fish.gov.ru (Accessed 16 September 2019).
20. Krasikov N. V. Restrukturizatsiya rybopromyshlennogo kompleksa, stabili-zatsiya i rol' v ekonomike regiona (na primere Arkhangel'skoy oblasti) [Restructuring of the fishing industry, stabilization and role in the economy of the region (on the example of the Arkhangelsk region)]. Sovremennye issledovaniya sotsial'nykh problem: elek-tronnyy nauchnyy zhurnal, 2012, no. 7, available at: https://cyberleninka.ru (Accessed 16 September 2019).
21. Podkorytova A. V. Proizvodstvo pishchevogo i mikrobiologicheskogo agara [Production of food and microbiological agar]. Rybnoe khozyaystvo, 2002, no. 6, pp. 56-57.
22. Kizevetter I. V., Gryuner V. S., Evtushenko V. A. Pererabotka morskikh vodorosley i drugikh promyslovykh vodnykh rasteniy [Processing algae and other commercial aquatic plants]. Moscow, Pishchevaya promyshlennost', 1967, 416 p.
23. Kuprina E. E., Malygina M. A. Teoriya i praktika pererabotki vodorosley el-ektrokhimicheskim sposobom [Theory and practice of algae processing by electrochemical method]. Rybprom, 2010, no. 3, pp. 36-42.
24. Podkorytova A. V., Kadnikova I. A., Kusheva O. A., Sokolova V. M., Su-khoverkhov S. V. Patent № 2189990. Sposob polucheniya vysokoochishchennogo agara i agarozy iz krasnoy vodorosli anfel'tsii tobuchinskoy [The method of obtaining highly purified agar and agarose from the red alga Ahnfeltia tobuchiensis]. MPK C08B 37/12, 2002, 12 p.
25. Podkorytova A. V., Kadnikova I. A. Kachestvo, bezopasnost' i metody analiza produktov iz gidrobiontov: rukovodstvo po sovremennym metodam issledovaniy mor-skikh vodorosley, trav iproduktov ikhpererabotki [Quality, safety and analysis methods of products from aquatic organisms: guide to modern research methods for algae, herbs and their processed products]. Moscow, Izdatel'stvo VNIRO, 2009, 107 p.
26. GOST 26185-84. Vodorosli morskie, travy morskie i produkty ikh pererabotki. Metody analiza [Seaweeds, marine herbs and their processed products. Analysis methods]. Moscow, FGUP "Standartinform", 2010, 34 p.
27. GOST 31413-2010. Vodorosli, travy morskie i produktsiya iz nikh. Pravila priemki i metody otbora prob [Seaweeds, marine herbs and products thereof. Acceptance rules and sampling methods]. Moscow, FGUP "Standartinform", 2011, 9 p.
28. GOST 33331-2015. Vodorosli, travy morskie i produktsiya iz nikh. Metody opredeleniya massovoy doli vody, zoly i postoronnikh primesey [Algae, marine herbs and products thereof. Methods for determining the mass fraction of water, ash and impurities]. Moscow, FGUP "Standartinform", 2015, 8 p.
29. Jaeger P. A., McElfresh C., Wong L. R., Ideker T. Beyond agar: gel substrates with improved optical clarity and drug efficiency and reduced autofluorescence for microbial frowth experiments. Journal of Applied and Environmental Microbiology, 2015, vol. 81, no. 16, pp. 5639-5649.
30. GOST 16280-2002. Agarpishchevoy [Food agar]. Moscow, IPK Izdatel'stvo standartov, 2003, 9 p.
31. GOST 17206-96. Agar mikrobiologicheskiy [Microbiological agar]. Moscow, IPK Izdatel'stvo standartov, 2002, 9 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Бурова Наталья Викторовна - Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (Москва); аспирант;
E-mail: [email protected]
Burova Natalia Viktorovna - Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography (Moscow); Postgraduate Student;
E-mail: [email protected]
Подкорытова Антонина Владимировна - Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии (Москва); доктор технических наук, профессор; главный научный сотрудник отдела инновационных технологий; E-mail: [email protected]
Podkorytova Antonina Vladimirovna - Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography (Moscow); Doctor of Technical Science, Professor; Principal Research Scientist, Department of Innovative Technologies;
E-mail: [email protected]
