CC BY
92ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫПЕРЕРАБОТКИСЕЛЬХОЗПРОДУКЦИИ
УДК 639.6
Получение биологически активных веществ из красной водоросли анфельции тобучинской
Т. К. КАЛЕНИК, д-р биол. наук, профессор; И. А. КАДНИКОВА, д-р техн. наук;
Е. В. ДОБРЫНИНА, канд. техн. наук; А. М. ЗАХАРЕНКО, канд. хим. наук; Ясуёши ТОРИ, профессор
Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток
В Российской Федерации анфельция тобучинская (Ahnfeltia tobuchiensis) относится к промысловым видам красных водорослей. На протяжении нескольких десятков лет используют для производства пищевого и микробиологического агара [1]. В настоящее время тонко измельченные водоросли используют в пищевых биотехнологиях как дополнительные источники биологически активных веществ. В анфель-ции высокое содержание белка, полисахаридов, йода, железа, фолиевой кислоты [2]. Ее компонентный состав включает более 200 разнообразных соединений, которые очень ценны для человека — это витамины, микро- и макроэлементы, фенольные соединения, аминокислоты, полиненасыщенные жирные кислоты [3]. Данное растение — природный источник пигментов, таких как хлорофилл, ксантофилл, фикоэритрин, фикоциан [4, 5].
Использование анфельции в виде порошка тонкого помола для обогащения пищевых продуктов, а также для получения пигментов сдерживается трудностями, связанными с измельчением водоросли. Из-за высокого содержания клетчатки водоросль имеет жесткие, прочные, упругие талломы в отличие от сине-зеленых, зеленых и бурых водорослей, для ее измельчения необходимо применение специальных измельчающих устройств [4, 6]. В связи с этим была поставлена цель изучить процесс измельчения анфельции тобучинской на экспериментальных мельницах.
В качестве объекта исследований использовали водоросль A. tobuchiensis мороженую, хранившуюся при —18 °С. Теоретически известно, что ножевые мельницы не способны давать тонкого однородного измельчения. В качестве альтернативного измельчителя была выбрана вариопланетарная мельница Pul-verisette-4 (Fritsch, Германия). Мельница имеет механический реактор из коррозийно-стойкой стали с вставкой из твердого сплава ВК-6. Размалывающие тела представляют собой шары из твердого сплава ВК-6 диаметром 16 мм.
Сравнивали качество измельчения ножевой мельницы TUBE MILL control (IKA, США), (образец № 1), и вариопланетарной мельницы Pulverisette-4 (образец № 2). Перед помолом водоросли дезинтегрировали (4—5 раз замораживали и размораживали для разрушения жесткости клеточных оболочек) [4,6]. Каждое измельчение проводили по 20 мин. Применяли следующий режим: число оборотов главного диска 400 мин-1; число оборотов сателлитов — 800 мин-1; интенсивность
(отношение массы исходных материалов к массе размалывающих шаров) 1:15. В результате получили два экспериментальных образца.
Степень измельчения анфельции тобучинской после помола оценивали на анализаторе размера и формы частиц Morphologi G3-ID (Malvern, Великобритания) в научно-образовательном центре «Нанотех-нологии» Дальневосточного федерального университета. В каждом образце помола было проанализировано 100 000 частиц. Для сравнения были выбраны следующие параметры частиц:
♦ количество и доля частиц с определенным диаметром окружности (CE Diametre Numb и CE Diametre \bl);
♦ количество и доля частиц с определенным диаметром окружности (Size class Numb и Size class Vol);
♦ соотношение частиц по округлости (HS Circularity Numb), соотношение диаметра и округлости частиц (Scattergram).
Из рис. 1 и 2 видно, что размеры частиц образцов в целом совпадают по общему диапазону диаметра окружности частиц. Анализ показал, что в образце № 1, измельченном на ножевой мельнице, наиболее мелкие частицы (1-10 мкм) составляют 95%, в образце № 2 — 99%. Следует отметить, что при измельчении на ножевой мельнице для мелкой фракции характерно наличие двух основных размерных групп частиц — от 0,2 до 0,3 мкм и от 1 до 6 мкм с пиками 0,2 и 1,2 мкм, соответственно. Для образца № 2 характерна одна группа частиц от 1 до 4 мкм с пиком 1,1 мкм.
Объемное распределение частиц по диаметру окружности у исследованных образцов A. tobuchiensis имеет значительные отличия (рис. 3, 4). В образце № 1 преимущественную часть (более 63%) общего объема пробы формируют частицы с наибольшим диаметром от 25 до 100 мкм, а наименьшая часть (около 11%) приходится на самые мелкие частицы (1-10 мкм). В образце № 2 на каждую из трех фракций приходятся практически одинаковые доли объемные — от 31,76 до 35,94%. Процентная доля частиц с диаметром 1-10 мкм в образце № 2 после измельчения на вариопланетарной мельнице незначительно выше, чем у образца № 1.
Другой важный параметр частиц, получаемых при помоле, это их округлость. Типичные диаграммы показателей данного параметра у частиц показаны на рис. 5 и 6. Доля наиболее округлых частиц преобладает у образца № 2 (наиболее высокие показатели округлости выражены пиком в диапазоне от 0,8 до 1). В образце № 1, полученном при измельчении на ноже-
Рис. 1. Количественное распределение частиц по диаметру окружности: а — образец № 1; б — образец №2. CE Diameter — диаметр окружности
Мелкие
95,99
Средние 8,482
Крупные
0,525
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
а %
Мелкие
Средние
Крупные
99,1
0,775
0,051
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
б %
Рис. 2. Количественное распределение частиц по условным
Рис. 3. Объемное распределение частиц по диаметру окружности: а — образец № 1; б — образец № 2. CE Diameter — диаметр окружности
Мелкие
Средние
Крупные
10
20
30 40 а
50
60
70
%
Мелкие
Средние
Крупные
31,75
35,94;
22,3
20
б
30
40
%
Рис. 4. Распределение частиц по объему: а — образец № 1;
размерам: а — образец № 1; б — образец №2; мелкие — 1—10мкм; б — образец № 2; мелкие — 1—10 мкм; средние — 10—25 мкм;
средние — 10—25 мкм; крупные — 25—100мкм
крупные — 25—100 мкм
0.20т 0.18 0.16+ 0.14 0.12 * 0.10+ 0.06 0.06+ 0.0« 0.02
Y"
Ж
дг
KJ
/V
4«
-\-4
г "Л
0.00-1— 00
-I-1-1 I I-10.1 0.2 0.3
1
-I-1-1-1-1-1-1 I I-1-1-1
о.4 о.5 о.е HS Circularity
а
0.7 0.8 0.9 1.0
0.0 ai 0.2 0.3 0.4 05 0.в 07 0.8 0.9 1.0 KSCiraianty
Рис. 5. Количественное распределение частиц по округлости: а — образец № 1; б — образец № 2. CE Diameter — диаметр окружности; HS Circularity — округлость
вой мельнице, эти показатели относительно равно- Диаметры окружности частиц порошка, получен-мерно представлены на диаграммах, что указывает на ного на ножевой и вариопланетарной мельницах из преобладание частиц с малой округлостью. талломов анфельции, приведены в таблице.
0
0
СЕ Diameter (|im) CE Diameter (pm)
Параметры частиц различных помолов образцов анфельции
Параметр Образец № 1 Образец № 2
Минимальный диаметр, мкм 0,22 0,22
Максимальный диаметр, мкм 82,43 67,49
Средний диаметр, мкм 3,04 2
Относительное стандартное отклонение, % 131,86 96,92
Рис. 6. Соотношение частиц с учетом их диаметра и округлости: а — образец № 1; б — образец № 2. CE Diameter — диаметр окружности. H Circularity — округлость
Таким образом, исследован процесс тонкого помола талломов A. tobuchiensis для разрушения клеточных стенок на вариопланетарной мельнице Pulverisette-4 (Fritsch, Германия) и ножевой мельнице TUBE MILL control (IKA, США). Установлено, что содержание мелких час-
Литература
1. Cуховеева, М. В. Промысловые водоросли и травы морей Дальнего Востока: биология, распространение, запасы, технология переработки / М. В. Суховеева, А. В. Подко-рытова. — Владивосток: ТИНРО-центр, 2006. — 243 с.
2. Аминина, Н. М. Перспективы использования водорослей и трав Дальневосточных морей в пищевой промышленности / Н. М. Аминина, И. А. Кадникова // Вопросы рыболовства. — 2005. — Т. 6. — № 2 (22). — С. 405-412.
3. Титлянов, Э. А. Морские растения стран Азиатско-Тихоокеанского региона, их использование и культивирование / Э. А. Титлянов, Т. В. Титлянова. — Владивосток: Дальнаука, 2012. — 377 с.
4. Суховерхов, С. В. Новый подход к получению пигментов из красной водоросли Ahnfeltia tobuchiensis. Изучение влияния температурной обработки и сроков хранения на их качественный и количественный состав / С. В. Суховерхов // Новое в пищевых технологиях. Вестник ТГЭУ. — 2005. — № 4. — С. 66-76.
5. Лось, С. И. Биохимические особенности получения фико-эритрина из морских водорослей / С. И. Лось //Альгология. — 2008. — Т. 18. — С. 375-385.
6. Якушева, И. А. Влияние дезинтеграции биомассы на экстрагирование фикобилиновых пигментов синезеленых и красных водорослей / И. А. Якушева, А. А. Ефимов, М. В. Ефимова // Вестник КамчатГТУ. — 2012. — № 19. — С. 56-60.
тиц размером 1-10 мкм выше в порошке, полученном на вариопланетарной мельнице. Основная доля частиц мелкой фракции в образце № 2 имеет округлую форму, в то время как в образце № 1 лишь незначительное количество частиц этой фракции имеет высокую степень округлости. Следовательно, помол талломов водоросли на вариопланетарной мельнице является более тонким. Для получения тонкодисперсного порошка из А. tobuchiensis рекомендуется применять вариопланетарную мельницу Pulverisette-4 (Fritsch, Германия).
References
1. Sukhoveeva M. V., Podkorytova A. V. Promyslovye vodorosli i travy morei Dal'nego Vostoka: biologiya, rasprostranenie, zapasy, tekhnologiyapererabotki [Commercial seaweed and grasses of the seas of the Far East: biology, distribution, stocks, processing technology]. Vladivostok, TINRO-center Publ., 2006. 243 p.
2. Aminina N. M., Kadnikova I. A. [Prospects for the use of algaes and grasses of the Far Eastern seas in the food industry]. Voprosy rybolovstva, 2005, vol. 6, no. 2 (22), pp. 405-412. (In Russ.)
3. Titlyanov E. A., Titlyanova T. V. Morskie rasteniya stran Azi-atsko-Tikhookeanskogo regiona, ikh ispol'zovanie i kul'tivirovanie [Marine plants of the countries of the Asia-Pacific region, their use and cultivation]. Vladivostok, Dal'nauka Publ., 2012. 377 p.
4. Sukhoverkhov S. V. [A new approach to obtaining pigments from the red alga Ahnfeltia tobuchiensis. The study of the effect of temperature treatment and shelf life on their qualitative and quantitative composition]. Novoe vpishchevykh tekh-nologiyakh. Vestnik TGEU, 2005, no. 4, pp. 66-76. (In Russ.)
5. Los' S. I. [Biochemical features of obtaining phycoerythrin from seaweed]. Al'gologiya, 2008, vol. 18, pp. 375-385. (In Russ.)
6. Yakusheva I. A., Efimov A. A., Efimova M. V. [Influence of disintegration of biomass on extracting ficobiline pigments of blue-green and red algaes]. Vestnik KamchatGTU, 2012, no 19, pp. 56-60. (In Russ.)
Получение биологически активных веществ из красной водоросли анфельции тобучинской
Ключевые слова
анфельция; вариопланетарная мельница; красные водоросли; ножевая мельница; помол.
Реферат
Рассмотрен процесс измельчения красной водоросли анфельции тобучинской (A. tobuchiensis) в тонкодисперсный порошок. Анфельция тобучинская является источником биологически активных веществ, таких как витамины, минеральные вещества, фенольные соединения, аминокислоты, полиненасыщенные жирные кислоты, пигменты. Использование ее в виде порошка тонкого помола для обогащения пищевых продуктов, а также для получения красящих пигментов, сдерживается трудностями, связанными с измельчением водоросли. Из-за высокого содержания клетчатки водоросль имеет жесткие, прочные, упругие талломы в отличие от сине-зеленых, зеленых и бурых водорослей, поэтому для ее измельчения необходимо применять специальные измельчающие устройства. В связи с этим была исследована возможность применения для измельчения замороженной анфельции ножевой мельницы TUBE MILL control (IKA, США) и вариопланетарной мельницы Pulverisette-4 (Fritsch, Германия). Два варианта помола были проанализированы на системе анализа размера и морфологии частиц Morphologi G3-ID (Malvern, Великобритания) в автоматическом режиме при увеличении 50 раз. В каждом образце помола было проанализировано 100 000 частиц. Для сравнения были выбраны следующие параметры частиц: количество и доля частиц с определенным диаметром окружности; количество и доля частиц с определенным диаметром окружности; соотношение частиц по округлости; соотношение диаметра и округлости частиц. Установлено, что в образце, измельченном на ножевой мельнице, наиболее мелкие частицы (1-10 мкм) составляют 95%, в образце, измельченном на вариопланитарной мельнице, содержание мелких частиц выше — 99%. Основная доля частиц мелкой фракции при этом имеет округлую форму. На основании проведенных исследований рекомендовано для измельчения A. tobuchiensis в тонкодисперсный порошок применять вариопланетарную мельницу Pulverisette-4 (Fritsch, Германия).
Авторы
Каленик Татьяна Кузьминична, д-р биол. наук, профессор; Кадникова Ирина Арнольдовна, д-р техн. наук; Добрынина Елена Викторовна, канд. техн. наук; Захаренко Александр Михайлович, канд. хим. наук; Ясуёши Тори, профессор Дальневосточный федеральный университет, 690922, г. Владивосток, о. Русский, кампус ДВФУ, корпус 25, kaleniktk@rambler.ru, ка0птпа@таН.ш, elena_victory@list.ru, zakharenko.am@dvfu.ru, torii@brs.nihon-u.ac.jp
Preparation of Biologically Active Substances from the Red Seaweed Ahnfeltia Tobuchiensis
Key words
seaweed Ahnfeltia tobuchiensis; varioplanetary mill; red seaweeds; knife mill; grinding.
Abstract
The article deals with the process of crushing red alga A. tobuchiensis, which has a strong, hard thallus, into a fine powder. is a source of biologically active substances, such as vitamins, minerals, phenolic compounds, amino acids, polyunsaturated fatty acids, pigments. The use of A. tobuchiensis in the form of a fine grinding powder for the enrichment of food products, as well as for the production of pigments is constrained by the difficulties associated with grinding algae. Due to the high fiber content A. tobuchiensis has hard, strong, elastic tallums in contrast to blue-green, green and brown algae and for its grinding it is necessary to use special grinders. For this purpose, the possibility of using the TUBE MILL control knife mill (IKA, USA) and the pulp mill Pulverisette-4 (Fritsch, Germany) for grinding frozen Ahnfeltia tobuchiensis, was investigated. Two variants of grinding were analyzed on a system for analyzing the size and morphology ofMorphologi G3-ID particles (Malvern, UK) in automatic mode to increase 50x. In each sample, 100,000 particles were analyzed. For comparison, the following particle parameters were chosen: the number and fraction of particles with a certain diameter of the circle; Number and fraction of particles with a certain diameter of the circle; the ratio of particles by roundness, the ratio of the diameter and the roundness of the particles. It is established that in the sample No. 1, ground on a knife mill, the smallest particles (1-10 microns) are 95%. In sample No. 2, the content of fine particles is higher and is 99% after grinding in a planetary mill. The main fraction of the fine particles in this case is rounded. Based on the studies carried out, it is recommended to grind A. tobuchiensis into fine powder, use the Pulver-isette-4 planetary mill (Fritsch, Germany).
Authors
Kalenik Tatyana Kuzminichna,
Doctor of Biological Sciences, Professor;
Kadnikova Irina Amoldovna, Doctor of Technical Sciences;
Dobrynina Elena Viktorovna, Candidate of Technical Sciences;
Zakharenko Alexander Mikhailovich,
Candidate of Chemical Sciences;
Yasuyoshi Tori, Professor
Far Eastern Federal University,
Housing 25, campus FEFU, i. Russky, Vladivostok, 690922, Russia, kaleniktk@rambler.ru, Kadnirina@mail.ru, elena_victory@list.ru, zakharenko.am@dvfu.ru, torii@brs.nihon-u.ac.jp
