Научная статья на тему 'Обоснование технологии экстрагирования пигментов из панциря морского ежа'

Обоснование технологии экстрагирования пигментов из панциря морского ежа Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
647
96
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЭКСТРАГИРОВАНИЕ / EXTRACTION / ПИГМЕНТ / PIGMENT / СПИНОХРОМЫ / ЭХИНОХРОМЫ / ПАНЦИРЬ / SHELL / МОРСКОЙ ЕЖ / SPINOCHROMES / ECHINOCHROMES / SEA HEDGEHOG

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Кадникова И.А., Рогов А.М., Ермаков А.А.

Обоснована и разработана технология выделения пигментного комплекса из отходов переработки морских ежей. Разработаны рациональные режимы экстрагирования пигментных комплексов из панциря морских ежей. Исследованы органолептические свойства полученных пигментов. Установлено, что для получения концентратов пигментов с наибольшей антиоксидантной активностью рекомендуется использовать молочную и фосфорную кислоты для экстракции из свежевыловленного сырья. Экстракты пигментов рекомендовано использовать в качестве натуральных пищевых красителей, например при производстве кровяной колбасы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Кадникова И.А., Рогов А.М., Ермаков А.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SUBSTANTIATION FOR THE TECHNOLOGY OF PIGMENT EXTRACTION FROM A SEA HEDGEHOG SHELL

The technology of pigment complex isolation from the wastes of sea hedgehogs processing has been developed and substantiated. Rational procedures for pigment complexes extraction from sea hedgehogs shell have been developed. Organoleptic properties of the obtained pigments have been investigated. It has been found that to get pigment concentration with the highest antioxidant activity it is recommended to use lactic and phosphoric acids for extraction from freshly caught raw material. It is recommended to use pigment extracts as natural food colorings, for instance while producing blood sausage.

Текст научной работы на тему «Обоснование технологии экстрагирования пигментов из панциря морского ежа»

УДК 577.112:664.951.7

И.А. Кадникова

ведущий научный сотрудник, ФГУП «ТИНРО-Центр», д-р техн. наук, профессор, кафедра биотехнологии продуктов питания из животного сырья и функционального питания, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»

А.М. Рогов

студент, кафедра биотехнологии продуктов питания из животного сырья и функционального питания, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»

А.А. Ермаков

аспирант, кафедра биотехнологии продуктов питания из животного сырья и функционального питания, ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭКСТРАГИРОВАНИЯ ПИГМЕНТОВ ИЗ ПАНЦИРЯ МОРСКОГО ЕЖА

Аннотация. Обоснована и разработана технология выделения пигментного комплекса из отходов переработки морских ежей. Разработаны рациональные режимы экстрагирования пигментных комплексов из панциря морских ежей. Исследованы органолептические свойства полученных пигментов. Установлено, что для получения концентратов пигментов с наибольшей антиоксидантной активностью рекомендуется использовать молочную и фосфорную кислоты для экстракции из свежевыловленного сырья. Экстракты пигментов рекомендовано использовать в качестве натуральных пищевых красителей, например при производстве кровяной колбасы.

Ключевые слова: экстрагирование, пигмент, спинохромы, эхинохромы, панцирь, морской еж.

I.A. Kadnikova, Far Eastern Federal University

A.M. Rogov, Far Eastern Federal University

A.A.Ermakov, Far Eastern Federal University

SUBSTANTIATION FOR THE TECHNOLOGY OF PIGMENT EXTRACTION FROM A SEA HEDGEHOG

SHELL

Abstract. The technology of pigment complex isolation from the wastes of sea hedgehogs processing has been developed and substantiated. Rational procedures for pigment complexes extraction from sea hedgehogs shell have been developed. Organoleptic properties of the obtained pigments have been investigated. It has been found that to get pigment concentration with the highest antioxidant activity it is recommended to use lactic and phosphoric acids for extraction from freshly caught raw material. It is recommended to use pigment extracts as natural food colorings, for instance while producing blood sausage.

Keywords: extraction, pigment, spinochromes, echinochromes, shell, sea hedgehog.

Одним из путей исключения нитритов и нитратов из производства колбасных изделий является замена их пищевыми красителями. Однако количество красителей, допущенных в нашей стране для добавления в пищевые продукты ограниченно. Кроме того, одни из них имеют оранжевый цвет, не свойственный колбасным изделиям, а другие сохраняют красный цвет только при низком значении рН. В связи с этим ведутся интенсивные поиски сырья для производства натуральных красящих веществ [1, 2].

В морях Дальнего Востока промысловые морские ежи Strongylocentrotus intermedius и Strongylocentrotus nudus имеют красивую окраску, которую им придают хиноидные пигменты -спинохромы и эхинохромы. Панцири и внутренности этих животных, как правило, являются отходами производства, и не используются пищевой промышленностью. В то же время, панцири морских ежей, благодаря содержанию в них хиноидных пигментов, являются перспективным источником натуральных пищевых красителей [2, 3].

Цель данной работы - разработка технологии экстрагирования пигментов из панцирей промысловых морских ежей.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования использовали панцири мор-

ских ежей S. intermedius и S. nudus, добытых в марте 2013 года в заливе Петра Великого Японского моря. Для выполнения поставленной цели панцирь морского ежа очищали от внутренностей и промывали водой для удаления остатков внутренних органов. Для удаления липидов панцирь обрабатывали этиловым спиртом в течение 12 часов. Затем панцирь и иглы высушивали и измельчали. Из панцирей морских ежей выделяли пигментный комплекс. Панцирь обрабатывали 20%-ми растворами органических (молочная, лимонная) и неорганических (фосфорная) кислот, при температурах 20-24 С в течение 12-24 ч и 70-75 С в течение 3-6 ч, гидромодуле 1:10. Эффективность экстрагирования при указанных условиях оценивали по выходу и цвету пигмента.

Общее содержание минеральных веществ определяли методом сухого озоления при полном разложении органических веществ путем сжигания панциря в электропечи, постепенно повышая температуру от 300 до 6000С с последующей минерализацией при этой температуре до получения серой золы [4]. Общее содержание липидов определяли по методу Блая-Дайера [5]. Содержание углеводов определяли колориметрическим методом при длине волны 620 нм [6]. Общее содержание азотистых веществ определяли микрометодом по Кьельдалю на приборе «Kjeltec auto» 10 SO Analyser. Общее содержание пигментов определяли весовым методом [7].

Содержание макро- и микроэлементов в панцире (в том числе токсичных) определяли на пламенно-эмиссионном спектрофотометре «Nippon Jarrell Ash», модель AA-855; As и Cd определяли в графитовой кювете на атомно-абсорбционном спектрофотометре Shimadzu AA-6800. Подготовку проб атомно-абсорбционной спектрофотомерии проводили методом кислотной минерализации с использованием азотной кислоты [8].

Дана оценка органолептических и физико-химических показателей качества получаемых пигментных комплексов. Определение антиоксидантной активности пигментов проводили методом колонометрии свободных радикалов основанным на реакции DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразилом с образцом антиоксиданта [9]. Измерение оптической плотности экстрактов проводили на спекторофотометре Ultraspec 2100 pro при длине волны 200-700 нм.

Результаты и их обсуждение. Характеристика химического состава панциря морских ежей представлена в таблице 1. Основными компонентами панциря являются минеральные вещества (73,4%) и пигменты (13-15%). Содержание азотистых веществ в панцире достаточно высокое - 8,1%, что объясняется наличием остатков внутренностей и гонад внутри панциря, оставшихся после его переработки. Количество липидов и углеводов незначительно и составляет 0,86% и 1,4%, соответственно.

Таблица 1 - Химический состав панциря морского ежа (% сухого вещества)

Минеральные вещества Азотистые вещества Липиды Углеводы Пигменты

73,4 8,1 0,86 1,4 13,0-15,0

Среди биогенных элементов определено 4 макроэлемента и 7 микроэлементов. Отмечено высокое содержание Са (1,78%), К (1,3%), № (1,0%) и низкое Мд (0,3%). Среди микроэлементов в панцире преобладает железо (0,01%). Для панциря морских ежей порядок убывания концентраций макроэлементов имеет следующий вид: Са<К<№<Мд.

Оценка по показателям безопасности панциря показала различие в накоплении токсичных элементов (табл. 2). Однако все представленные значения данных элементов не превышают предельно-допустимых уровней (ПДУ), установленных СанПиН 2.3.2.1078-01 для беспозвоночных.

Высокое содержание минеральных веществ (до 70% в панцире) свидетельствует, что для выделения пигментов необходимо разрушить минеральный комплекс. Для проведения

процесса деминерализации сырья обычно используют различные кислоты [10].

Исследовали процессы деминерализации и экстракции панциря с иглами 20%-ми растворами молочной, фосфорной, соляной и лимонной кислот (при соотношении панцирь: кислота 1:10). Первоначально процесс деминерализации пигментов исследовали из сухого панциря морских ежей. При обработке панциря растворами кислот одновременно с деминерализацией проходит процесс экстрагирования пигментов. В результате деминерализации и экстракции были получены окрашенные экстракты.

Таблица 2 - Макро- и микроэлементный состав панциря морских ежей (% сухого вещества)

Наименование Са № К Мд Fe Zn Си РЬ* As* Cd*

панцирь 1,8 1,0 1,3 0,3 0,01 0,002 0,0001 9,0 4,9 0,22

норма по СанПиН (не более) - - - - - - - 10,0 5,0 2,0

*- содержание мг/кг сырой массы

Экстракты, полученные в результате деминерализации панциря соляной и лимонной кислотами, имели темно-красный цвет. Экстракт, полученный в результате деминерализации фосфорной кислотой, обладал ярко выраженным оранжевым цветом. Деминерализация панциря морского ежа молочной кислотой позволила нам получить экстракт, идентичный цвету гемоглобина крови.

После деминерализации в кислые экстракты для удаления солей добавляли этиловый спирт (экстракт: спирт 2:1) и оставляли на 12 часов при 4...8 С. В экстрактах выпадали соли, которые удаляли фильтрованием. После фильтрации экстракты пигментов нейтрализовали до рН 5...6 карбонатом натрия. Остатки карбоната натрия из экстракта удаляли фильтрованием. Полученные экстракты пигментов упаривали под вакуумом при температуре 40 С и лиофильно высушивали. Высушенный пигментный комплекс растворяли в этиловом спирте и снова высушивали.

Выделенные пигментные комплексы имели различные характеристики, которые отличались визуально на этапах деминерализации и лиофильного высушивания, а также имели различный выход в зависимости от применяемого экстрагента. Наибольший выход пигмента был определен при использовании молочной кислоты и составил 13%. Выход пигмента при экстрагировании фосфорной кислотой был несколько ниже и составил 10% (рис. 1).

Рисунок 1 - Выход пигмента в зависимости от используемого экстрагента

Полученные результаты показали, что солянокислые и лимоннокислые экстракты оказались нестойкими. Пигменты разрушались в процессе их получения. В результате высушивания экстрактов пигментов, полученных после обработки лимонной и соляной кислотами, были получены неокрашенные порошки. Высушенные экстракты фосфорной и молочной кислот имели вид маслянистой капли. Комплексы пигментов, полученных в результате экстракции молочной и фосфорной кислотами, имели стабильный темно-красный цвет.

Согласно литературным данным, хиноидные пигменты обладают основной полосой поглощения в пределах 200...300 нм. Производные 1,4-нафтохинона и юглона, к которым относятся спинохромы и эхинохром А, имеют активную полосу поглощения при волне около 240 нм, а также менее активную полосу при длине волны в районе 280 нм. Главные полосы 1,4 нафтохи-нонов локализуются в областях 245 нм, 257 нм и 335 нм. Хиноны поглощают свет видимой области спектра.

В связи с вышеизложенным, спектрометрические исследования полученных пигментных комплексов проводили при длинах волн от 200...700 нм. Идентификацию выделенных пигментов проводили сравнением их спектров со спектрами поглощения хиноидных пигментов, представленных в исследованиях Бриттона [11].

Спектрометрические исследования полученных пигментных комплексов представлены на рисунке 2.

о------

200 МО 400 500 МО 700 200 300 400 Ы» Ы>и

I*) (6)

Рисунок 2 - Спектры поглощения пигментных комплексов:

а - экстракция 20% молочной кислотой; б - экстракция 20% фосфорной кислотой

На рисунке 2а представлен спектр поглощения пигмента, где в качестве экстрагента использовали 20% молочную кислоту. Максимум поглощения лежит в пределах 210...250 нм, что соответствует пределам поглощения 1,4-нафтохинонов. Второй максимум поглощения составил 269 нм, что так же соответствует пределам поглощения хиноидных пигментов.

Спектр поглощения на рисунке 2б принадлежит раствору пигмента, выделенного с помощью 20% фосфорной кислоты. Интенсивные полосы поглощения лежали в областях 231 нм и 274 нм, что соответствует спектрам поглощения 1,4-нафтохинонов.

Идентификация комплекса пигментов из панциря морских ежей по спектрам поглощения показала наличие в экстрактах комплекса спинохромов и эхинохрома. Таким образом, на основании проведенных исследований установлены рациональные условия экстрагирования пигментного комплекса из панциря морских ежей с применением в качестве экстрагентов 20%-ные растворы молочной или фосфорной кислот при продолжительности 6 часов и температуре 700С.

Установленный рациональный режим экстракции пигментов из сухого панциря был применен к свежевыловленному сырью. Для экстракции и деминерализации панцирей свежевы-ловленных ежей нами была использована молочная кислота в концентрации 20%.

Для выполнения поставленной цели панцирь морского ежа очищали от внутренностей и промывали водой - для удаления остатков внутренних органов. Для удаления липидов панцирь обрабатывали этиловым спиртом в течение 12 часов. Затем панцирь и иглы высушивали и из-

мельчали до кусочков 2...3 мм. Далее измельчённый панцирь обрабатывался по той же схеме, что и сухой. В результате экстрагирования были получены концентраты с разным содержанием пигментов. При экстрагировании свежевыловленного панциря морского ежа 20% раствором молочной кислоты выход пигмента составил 35,98%.

Спектр поглощения пигментов, выделенных из свежего сырья 20% молочной кислотой, были аналогичны спектрам поглощения пигментов, полученных из сухого панциря. Таким образом, для повышения выхода пигментного комплекса рационально проводить экстракцию молочной кислотой в тех же условиях из свежевыловленного сырья.

Полученный пигментный комплекс имел вид сиропообразной густой жидкости тёмнокрасного цвета, напоминающий гемоглобин крови, и обладал свойственным исходному сырью запахом. Качественные характеристики пигмента, а также его выход зависят от выбранного экс-трагента. Наиболее близкие органолептические показатели к концентратам натуральных красителей, используемых в мясной промышленности, показал комплекс, выделенный с помощью 20% молочной кислотой (табл. 3).

Таблица 3 - Органолептические показатели пигментного комплекса

Наименование показателя Характеристика

Внешний вид и консистенция Сиропообразная густая жидкость

Цвет Однородный тёмно-красный цвет

Запах и вкус Кисловатый, запах свойственный исходному сырью

С целью замены нитрита натрия на пигментный комплекс в колбасных изделиях исследовали антиоксидантную активность в зависимости от используемых экстрагентов (рис. 3). Установлено, что пигментный комплекс, полученный в результате деминерализации и экстракции фосфорной кислотой, показал самую высокую антиоксидантную активность (1,6 мг/г аскорбиновой кислоты). На втором месте по антиоксидантной активности находится пигментный комплекс, полученный в результате экстрагирования молочной кислотой (1,2 мг/г аскорбиновой кислоты).

Рисунок 3 - Антиоксидантная активность полученных пигментов (мг/г аскорбиновой кислоты)

Таким образом, с целью получения концентратов пигментов с наибольшей антиокси-дантной активностью рекомендуется использовать молочную и фосфорную кислоты для деминерализации панциря и их экстракции из свежевыловленного сырья. Разработаны рациональ-

ные условия выделения пигментных веществ 20%-ми растворами молочной и фосфорной кислот при продолжительности 6 часов и температуре 70 С. Выход пигмента составляет 13-35% к массе сухого панциря; экстракты пигментов рекомендовано использовать в качестве натуральных пищевых красителей, например при производстве кровяной колбасы.

Очистка панциря

* ~

Измельчение панциря и игл

Обработка измельченного панциря

Деминерализация и экстрагирование Фильтрация от остатков минеральных

Удаление выпавшего осадка

Растворение и очистка пигментного комплек-

Хранение полученного пигмента в тёмном

Рисунок 4 - Технологическая схема получения пигментного комплекса из панциря морского ежа

По результатам научных исследований была разработана технологическая схема получения пигментного комплекса из панциря морского ежа (рис. 4). Разработанная технология включает следующие процессы: очистка, измельчение панциря, обработка панциря органическим растворителем перед экстрагированием пигментов, деминерализация панциря и экстрагирование пигментов, очистка от солей, нейтрализация экстрактов и лиофильное высушивание.

Список литературы:

1. Машенцева Н.Г. Функциональные стартовые культуры в мясной промышленности / Н.Г. Машенцева, В.В. Хорольский. М.: ДеЛи принт, 2008. 336 с.

2. Фищенко Е.С. Разработка биотехнологии инкапсулированных форм пищевых красителей из отходов переработки иглокожих: дис. ... канд. техн. наук. Владивосток, 2005. 152 с.

3. Кольцова Е.А. Хиноидные пигменты морского ежа // Химия природных соединений. 2009. № 3. С. 369.

4. ГОСТ 26185-84 Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа Введ. 1985 01-01. М.: Стандартинформ, 1985. 34 с.

5. Blight E.G. A rapid method of total lipid extraction / E.G. Blight, W.J. Dayer // Canad. J. Biochem. Phisiol. 1959. № 37. P. 911-917.

6. Крылова Н.Н. Физико-химические методы исследования продуктов животного происхождения / Н.Н. Крылова, Ю.Н. Лясковская. М.: Пищевая пром-сть, 1965. С. 34-38.

7. Уткина Н.К. Хиноидные пигменты иглокожих. Антрахиноны морской звезды Henricia Leviuscula / Н.К. Уткина, О.Б. Максимов // Химия природных соединений. 1979. № 2. С. 148-151.

8. ГОСТ 26929-94 Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов Введ.1996-01-01. М: Стандартинформ, 1996. 12 с.

9. Хасанов В.В. Методы исследования антиоксидантов / В.В. Хасанов, Г.Л. Рыжкова // Химия растительного сырья. 2004. № 3. С. 63-75

10. Аминина Н.М. Исследование процессов экстракции биогенных и токсичных элементов из бурых водорослей, произрастающих в различных по загрязненности акваториях Японского моря / Н.М. Аминина, Т.И. Вишневская // Известия ТИНРО. 2011. Т. 164. С. 384-391.

11. Бриттон Г. Биохимия природных пигментов: пер. с англ. / Г. Бриттон. М.: Мир, 1986.

422 с.

List of references:

1. Mashetseva N.G., Khorolskiy V.V. Functional starter cultures in the meat industry. M.: DeLi print, 2008.

Р. 336.

2. Fischenko E.S. Development of encapsulated forms of food colorings biotechnology from the wastes of echinoderms processing: cand. of Eng. Sc. thesis. Vladivostok , 2005. Р. 152.

3. Koltsova E.A. Sea hedgehog quinoid pigments // Chemistry of natural compounds. 2009. № 3. P. 369.

4. GOST 26185-84 Seaweeds, sea grass, and products of their processing. Analysis methods, Introd. 1985 01-01. М.: Standartinform, 1985. 34 р.

5. Blight E.G., Dayer W.J. A rapid method of total lipid extraction // Canad. J. Biochem. Phisiol. 1959. № 37. Р.

911-917.

6. Krilova N.N., Lyaskovskaya Yu.N. Phisical and chemical methods for investigation of animal origin products. M.: Food Industry, 1965. P. 34-38.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. Utkina N.K. Quinoid pigments of echinoderms. Sea star anthraquinones. Henricia Leviuscula / Utkina N.K., Maksimov O.B. // Chemistry of natural compounds. 1979. № 2. P. 148-151.

8. GOST 26929-94 Raw Material and Food Products. Sample preparation. Mineralization for toxic elements content determination. Introd. 1996-01-01. M.: Standartinform, 1996. 12 p.

9. Khasanov V.V., Rizhkova G.L. Methods for antioxidant investigations // Chemistry of plant materials. 2004. № 3. P. 63-75.

10. Aminina N.M., Vishnevskaya T.I. Investigation of extraction processes of biogenous and toxic elements from brown algae growing in the Japanese sea area of different pollution levels // TINRO Izvestiya. 2011. V. 164. P. 384-391.

11. Britton G. Biochemistry of natural pigments: transl. from English. M.: Mir, 1986. P. 422.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.