CC BY
45
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ПИЩЕВОГО ИЗ ТЕРМОФИЛЬНЫХ СИНЕЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ РОДА PHORMIDIUM
А.А. Ефимов1, М.В. Ефимова2, М.А. Походина3, И.А. Якушева4
1-4Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: [email protected]
В статье обсуждаются вопросы рационального использования синезеленых водорослей как сырья для производства пищевой продукции. Представлена разработанная технология пищевого порошка из синезеленых водорослей гидротерм Камчатки.
Ключевые слова: термофильные синезеленые водоросли, промышленное культивирование, пищевой порошок, биомасса, центрифугирование, сушка, измельчение, показатели качества.
Extraction of food powder from blue-green algae Phormidium. А.А. Efimov1, M.V. Efimova2, М.А. Pohodina3, I.A. Yakusheva4 (1-4 Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatskiy, Russia, 683003)
The article covers the problems connected with rational use of blue-green algae for food products production. The technology of blue-green algae (hot springs of Kamchatka) food powder is given.
Key words: blue-green algae, industrial cultivation, food powder, biomass, extraction, drying, blending, quality index.
Традиционным водорослевым сырьем для технологического использования являются бурые, красные, зеленые водоросли. Однако в последние десятилетия особо пристальное внимание ученых привлекли синезеленые водоросли. Они отличаются высокой продуктивностью (от 2 до 27 г сухого вещества с 1 м2 водной поверхности в сутки); их химический состав характеризуется высоким содержанием белка (до 70-75% органической части), наличием биологически активных веществ (полиненасыщенных жирных кислот, витаминов, пигментов, ферментов).
Большой интерес представляет использование термофильных синезеленых водорослей как сырья для производства пищевых продуктов. Это связано с особенностями химического состава, своеобразием физико-химических, структурных, функциональных свойств всех компонентов клеток термофилов, что обусловлено их приспособленностью к активной жизни при высокой температуре.
На Камчатке первые сборы и описания термофильных синезеленых водорослей были проведены A.A. Еленкиным в 1914 г. В 1955 г. исследования были продолжены С.И. Кузнецовым, а в последующие годы - Г.А. Заварзиным, М.В. Ивановым, Л.М. Герасименко, Т.И. Кузякиной, М.В. Ефимовой и другими. Однако основным направлением этих исследований являлось изучение морфологии и биологии развития синезеленых водорослей гидротерм Камчатки.
Вопросы, касающиеся возможностей использования синезеленых водорослей, представлены в работах таких ученых, как Н.Н. Лизько, Л.И. Домрачева, Т.И. Кузякина, Т.П. Белова, S. Kreitlow, O. Ciferri, Y. Hayakawa, T. Hirahashi, A.N. Glazer и др. Однако существующие методики предполагают выделение из синезеленых водорослей только одного компонента. Кроме того, при общности принципов существующих технологий имеются значительные, иногда совершенно противоположные, различия в конкретных параметрах, режимах. Многие авторы, предложив рекомендации и методики, подчеркивают неуниверсальность своих выводов, необходимость проведения комплекса исследований в каждом конкретном случае.
Промышленное культивирование микроводорослей с целью получения ценных компонентов пищи проводится в настоящее время во многих странах. Основным объектом культивирования являются водоросли рода Spirulina, обитающие в природе в озерах Африки и Мексики. Актуально использование в качестве объектов культивирования видов, обитающих на территории нашей страны.
На Камчатке существует возможность широкомасштабного производства биомассы синезеленых водорослей и их переработки. При получении биомассы перспективно использование термальных растворов в качестве питательной среды и источника энергии, что будет способствовать значительному снижению энергетических затрат в производстве. Поэтому актуально проведение исследований по технологической переработке термофильных синезеленых водорослей, являющихся возобновляемым сырьем, естественная среда обитания которых - гидротермы
Камчатки.
Существующие технологии получения продуктов на основе синезеленых водорослей в основном предусматривают выделение белков из биомассы путем их последовательной экстракции водой, растворами солей, раствором щелочи. При этом в раствор переходит до 70% содержащихся в биомассе белков, то есть наблюдается потеря значительной части белков и других ценных компонентов.
Целью проведенных исследований являлось научное обоснование технологии пищевого порошка из термофильных синезеленых водорослей рода Phormidium, доминирующих в большинстве горячих источников Камчатки.
Объектами исследований являлись биомасса термофильных синезеленых водорослей рода Phormidium (Ph. ramosum B.-Peters. и Ph. ambiguum Gom.) и готовая продукция - пищевой порошок.
Синезеленые водоросли от других видов сырья отличает, помимо наличия полноценного белка, наличие богатого комплекса витаминов и минеральных веществ. Поэтому целесообразно получать продукты из синезеленых водорослей по технологии, обеспечивающей максимальное сохранение всех ценных компонентов. Результаты исследования химического состава термофильных синезеленых водорослей рода Phormidium позволяют судить о целесообразности получения цельного по химическому составу продукта на основе биомассы [1].
Рациональным решением является использование всей биомассы, без удаления или выделения каких-либо пищевых компонентов, максимальное обеспечение сохранения всех биологически активных веществ. Так как наиболее устойчивой при хранении и в то же время удобной для использования формой готовой продукции является сухая порошкообразная или таблетированная, нами была разработана технология производства пищевого порошка.
Технология включает операции: прием сырья, отделение биомассы и промывание,
концентрирование, дезинтеграцию, термическую обработку, сушку, охлаждение, измельчение, магнитное сепарирование, упаковывание, хранение.
В качестве сырья использовали биомассу термофильных синезеленых водорослей рода Phormidium, культивированных в искусственных условиях. Суспензию, содержащую клетки и трихомы водорослей, немедленно направляли на переработку.
Поступающая из фотореактора на обработку суспензия содержала от 5 до 10 г/дм3 сухого вещества биомассы. На поверхности клеток, волокон водорослей находилось большое количество жидкого субстрата, содержащего неорганические соли, в основном сульфаты, продукты метаболизма водорослей.
Биомасса была насыщена кислородом, выделившимся в процессе фотосинтеза и не успевшим раствориться в субстрате или всплыть к поверхности. В связи с этим часть биомассы имела плотность меньшую, чем плотность воды, что затрудняло процесс центрифугирования. Поэтому отделение биомассы удалением культуральной среды и промывание проводили одновременно на сите.
На эффективность промывания оказывали влияние количество воды, интенсивность ее подачи, размер ячеи сита. Промывание осуществляли проточной питьевой водой, соответствующей требованиям СанПиН 2.1.4.1074, температурой не выше 15оС для предотвращения изменения нативных свойств компонентов водорослей, уменьшения деструкционных микробиологических процессов. Воду охлаждали льдом. Процесс вели до исчезновения в промывной воде следов преобладающего в культуральной среде компонента -сульфатов. Наличие сульфат-ионов определяли реакцией с ионами бария. Интенсивность выпадения осадка сульфата бария, мутность раствора определяли с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2.
Для интенсификации процесса промывание осуществляли при перемешивании с использованием блендера «Bos^» при частоте вращения лопастей 0,5; 1; 1,5; 2 с-1. Интенсивность процесса промывания, оцениваемая по времени, необходимому для полного исчезновения сульфат-ионов, увеличивалась с ростом частоты вращения ротора перемешивающего устройства, однако при частоте вращения 1,5 с-1 появлялись признаки разрушения клеточных оболочек и вытекания внутриклеточной жидкости, содержащей растворенные пигменты: промывная вода приобретала сине-фиолетовую окраску. Цвет промывной воды контролировали органолептически.
При медленном перемешивании с частотой оборотов 1,0 с-1 клеточные стенки не повреждались, не происходило их вымывания и потерь внутриклеточного содержимого. При этом продолжительность промывания по сравнению с режимом 1,5 с-1 увеличивалась лишь на 0,5 мин.
Расход воды в десятикратном количестве по отношению к массе влажных водорослей
обеспечивал в проточном режиме полное удаление загрязнений при любых режимах обработки.
Нити (трихомы) синезеленых водорослей рода Phormidium длиной около 5-20 мм связаны между собой полисахаридной слизью. Такие структуры хорошо задерживались на сите с крупной (1,5 х 1,5 мм) ячеей. Размер ячеи оказывал влияние на потери биомассы за счет потери отдельных клеток, целых трихомов с промывными водами. Для выбора размера ячеи промывание проводили на ситах с размером ячеи 1,5 х 1,5, 1,0 х 1,0, 0,5 х 0,5 мм. Минимальные потери (0,5% от массы исходного сырья) получили при использовании сита с размером ячеи 0,5 х 0,5 мм. Однако при этом режиме из-за забивания ячеи сита биомассой резко возросла продолжительность промывания. Рациональным решением оказалось промывание биомассы на сите с размером ячеи 1,0 х 1,0 мм.
Целью концентрирования биомассы являлось удаление излишней влаги. После промывания биомассы содержание влаги в ней достигало 98%. На последующих операциях необходимо было удалить влагу из продукта до содержания не более 8%. Основная часть влаги удаляется высушиванием, что требует большого расхода энергии и влияет на качество продукта. Целесообразно максимально возможное количество влаги удалить нетепловыми методами. Значительная часть влаги являлась свободной, находилась на поверхности водорослей и легко удалялась отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием.
Отделение влаги проводили центрифугированием в лабораторных центрифугах ОС -6М и ОпН-8. Центрифугирование проводили при значениях фактора разделения 1000§, 1250§, 1500§, 1750§. Эффективность отделения воды с увеличением значения фактора разделения закономерно увеличивалась (рис. 1).
Продолжительность центрифугирования, мин
Рис. 1. Зависимость изменения содержания влаги в осадке от продолжительности центрифугирования
при разных значениях фактора разделения
Как видно из рис. 1, скорость отделения влаги при увеличении продолжительности процесса уменьшалась и после 2 мин центрифугирования при факторе разделения 1000g становилась незначительной, что указывало на практически полное отделение свободной влаги с поверхности клеток и трихомов. Дальнейшее отделение свободной влаги увеличением продолжительности центрифугирования было нецелесообразно.
Удаление внутриклеточной влаги, как показали эксперименты, достигалось при факторе разделения 1750g, обнаруживались признаки разрушения клеточных оболочек и вытекания внутриклеточного содержимого, центрифугат приобретал мутность и слабый сине-фиолетовый оттенок. Процесс контролировали с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2 измерением оптической плотности центрифугата на длине волны 440 нм, близкой к максимуму пропускания основных водорастворимых пигментов - фикоэритрина и фикоцианина.
Таким образом, рациональным режимом центрифугирования является величина фактора разделения 1500g, продолжительность 3 мин до конечного содержания сухих веществ 15%.
После отделения влаги биомассу измельчали. Измельчение необходимо для сокращения продолжительности последующей сушки, так как клеточные стенки, слизистые чехлы водорослевых нитей препятствуют испарению внутриклеточной влаги. Кроме того, необходимо разрушить волокнистую структуру биомассы, которая препятствует перемешиванию при сушке, затрудняет испарение влаги из волокон, находящихся внутри массы. Эксперименты показали, что при тонком измельчении влажного сырья происходило изменение цвета массы от темно-зеленого до бурого, придававшего продукту непривлекательный вид. Процесс происходил лишь при такой степени измельчения, при которой разрушались клеточные оболочки, высвобождалось внутриклеточное содержимое, вызывавшее понижение рН среды до слабокислой. В кислой среде
хлорофилл превращался в феофитин, имеющий коричнево-серую окраску.
При получении из биомассы хлорофилла для предотвращения феофитинизации добавляют компоненты, предотвращающие понижение рН среды - карбонат кальция, карбонат магния. На последующих этапах обработки эти компоненты остаются в шроте и удаляются с отходами, то есть не загрязняют готовый продукт. При получении водорослевого порошка удалить эти малорастворимые неорганические компоненты из биомассы очень сложно. Поэтому вводить такие добавки в измельченную биомассу нецелесообразно.
Введение в состав смеси растворимых неорганических соединений для регулирования кислотности также нежелательно, так как эти соединения неизбежно перейдут в готовый продукт. Для освобождения от них потребуется введение дополнительных операций.
Рациональным решением явилось ограничение степени измельчения разрушением волокнистой структуры биомассы. Определение необходимой степени измельчения волокон производили, основываясь на структурно-механических свойствах получаемой измельченной массы, пригодности ее для перемешивания во время сушки, отсутствия комкования. Данные параметры определяли органолептически.
Размер измельченных волокон, определяющий рациональные режимы проведения дальнейших операций, составил 2-5 мм. При этом не происходило комкование, накручивание волокон на рабочие органы перемешивающего устройства, достигалась структурная однородность продукта, его равномерное распределение при последующей сушке. При такой степени измельчения не отмечали изменение цвета массы - она оставалась темно-зеленой, без коричневого оттенка. Требуемой степени измельчения достигали в мельнице РМ 120 при скорости вращения ножей 17 с-1 в течение 10 с. При микроскопировании отмечали незначительное количество разрушенных трихомов и клеток. Полученная в результате операции пюреобразная масса содержала 85% влаги.
Зависимость изменения содержания влаги от продолжительности сушки определяли по времени достижения в образцах содержания влаги 8% (рис. 2). Начальное содержание влаги составляло 85%.
й
X
Л
и
«
о
О
100,0
80,0
60,0
40.0
20.0 0,0
■1 м> = -0,0793т3 + 2,9607т2 - 33 ,122т+121,69
К= 0,9965
■ 1 1 1
0
№1
№2
№3
1,5
2
0,5 1
Продолжительность сушки, ч
Рис. 2. Зависимость изменения содержания влаги от продолжительности сушки: образец № 1 - измельчен до размера волокон 2-5 мм, образец № 2 - измельчен до разрушения трихомов (0,1-0,2 мм), образец № 3 - измельчен до разрушения клеточных стенок (0,0005-0,0006 мм)
Как видно по кривым сушки (рис. 2), в образце № 1 критическая точка, означающая окончание первого периода сушки и удаление свободной влаги, достигалась через 1 ч процесса высушивания - на 30 мин позже, чем в образце № 3. Общая продолжительность сушки образца № 1 до содержания влаги 8% составила 1,5 ч, что на 0,5 ч больше, чем продолжительность сушки образца № 2, измельченного до разрушения трихомов. Тем не менее выбранную степень измельчения до длины волокон 2-5 мм (образец № 1) следовало принять оптимальной, так как при ней биомасса не изменяла цвет и приобретала приемлемые структурно-механические свойства.
При переработке синезеленых водорослей необходимо учитывать некоторые особенности их биохимического состава. Как все быстрорастущие организмы, они содержат значительное количество нуклеиновых кислот. Их повышенное содержание в пище приводит к избыточному образованию мочевой кислоты, что, в свою очередь, может привести к подагре, отложению камней в почках и мочевом пузыре, к аллергии [2]. Некоторые виды водорослей в определенных условиях жизнедеятельности могут образовывать токсичные вещества. В процессе культивирования в биомассе может развиваться посторонняя микрофлора. Эти параметры контролируются на стадии культивирования. Тем не менее необходимо было ввести операцию, целью которой является нейтрализация указанных негативных факторов при технологической обработке.
Денуклеизация и детоксикация достигались тепловой обработкой при температуре 100°С в толще массы в течение 10 мин [3, 4]. Измельченную массу подвергали тепловой обработке
в песочной бане при указанном режиме.
Сушку осуществляли с целью удаления из массы большей части влаги для обеспечения сохранения качества при хранении готового продукта.
Удаление влаги проводили инфракрасным излучением в электросушилке ЭСБИК -1,25/220 «Икар». Сушку осуществляли в тонком, не более 2 мм, слое продукта при постоянном движении со скоростью 0,5—1,0 м/с нагретого тэнами воздуха. Температура продукта при сушке не должна превышать 80-85°С для предотвращения спекания и пригорания продукта, разрушения термолабильных аминокислот и витаминов [3].
Для предотвращения пересушивания верхнего слоя процесс проводили в два этапа. На первом этапе процесс вели при температуре 65-70°С до содержания влаги в слое продукта 18-20%. На втором этапе сушки температуру понижали до 40-50°С. При этом слой продукта высыхал равномерно, без образования пересушенных, изменивших цвет участков.
Сушку осуществляли до содержания влаги в продукте не выше 8%. После сушки продукт охлаждали в сушилке потоком холодного воздуха до температуры не выше 20°С.
Высушенную массу измельчали в мельнице «Циклон» МЛ-1 до порошкообразного состояния. Готовый порошок содержал не более 12% частиц размером до 60 мкм, 80% частиц размером 60120 мкм, 8% - размером 120-200 мкм. Порошок пропускали через магнитный сепаратор УМП-1-
0,5 для удаления металлических примесей. Содержание металлических примесей в готовом продукте не должно превышать 3,0 мг/кг.
Образцы порошка хранили в течение 6 мес в пакетах из модифицированных пленок на основе полипропилена, обладающих барьерными свойствами по отношению к водяному пару, при режимах, соответствующих режимам хранения аналогичных продуктов - при температуре воздуха не выше 18оС, относительной влажности не выше 75%, в условиях, предотвращающих застой воздуха.
На рис. 3 представлена технологическая схема получения пищевого порошка из биомассы термофильных синезеленых водорослей.
Рис. 3. Технологическая схема получения порошка пищевого из термофильных синезеленых водорослей рода Phormidium Оценка качества готового порошка пищевого включала исследование его органолептических, химических показателей и показателей безопасности.
На пищевой водорослевой порошок разработан проект ТУ 9284-004-00471585-07 и
разработана и утверждена ТИ № 005-07.
Органолептическую оценку качества продукции проводили на дегустационном совещании. Результаты оценки органолептических и химических показателей качества приведены в табл. 1.
Таблица 1
Показатели качества порошка пищевого
Наименование показателей Характеристика
Внешний вид Мелкий рассыпчатый порошок без комков и посторонних включений
Цвет Сине-зеленый, серо-зеленый, зеленовато-бурый
Вкус и запах Свойственный сухим водорослям, без постороннего запаха и привкуса
Содержание влаги, % 8,7
Содержание белка, % от сухого вещества 21,2
Содержание жира, % от сухого вещества 1,0
Содержание усваиваемых углеводов, % от сухого вещества 5,7
Энергетическая ценность 100 г продукта, ккал 116,6
Посторонние примеси Нет
Результаты оценки безопасности пищевого порошка из синезеленых водорослей приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Микробиологические показатели порошка пищевого
Наименование показателей Единицы измерения Результаты испытаний Норма по СанПиН 2.3.2.1078. Индекс 1.3.7.8
КМАФАнМ КОЕ/г 1,2 х 103 Не более 5 х 104
Плесени КОЕ/г 0 Не более 100
БГКП в 0,1 г продукта (колиформы) - Не обнаружены Не допускаются
Патогенные, в т. ч. сальмонеллы в 25 г продукта - Не обнаружены Не допускаются
Таблица 3
Химические показатели безопасности порошка пищевого
Наименование показателей Единицы измерения Результаты испытаний Норма по СанПиН 2.3.2.1078. Индекс 1.3.7
Токсичные элементы
Свинец мг/кг 0,193 Не более 0,5
Мышьяк мг/кг 0,137 Не более 5,0
Кадмий мг/кг 0,063 Не более 1,0
Ртуть мг/кг Менее 0,004 Не более 0,1
Радионуклиды
Цезий-137 Бк/кг 0+2 Не более 200
Стронций-90 Бк/кг 3,86±2 Не более 100
Таким образом, результаты исследования качества и безопасности пищевого порошка из синезеленых водорослей позволяют сделать вывод о соответствии продукта требованиям нормативно-технической документации.
Для определения биологической ценности (табл. 4) и безопасности тестирование проводили с использованием инфузорий Tetrahymena pyriformis. Результаты биотестирования показали, что во всех образцах наблюдалась полная выживаемость инфузорий, отмеченная на основных стадиях приготовления водорослевого порошка (биомасса-сырец, готовый водорослевой порошок). Полученные данные подтверждают биологическую безопасность продукции.
Таблица 4
Исследуемый образец Относительная биологическая ценность, %
Биомасса синезеленых водорослей-сырца 52,1
Водорослевой порошок 68,3
Из данных табл. 4 следует, что в результате проведения технологических операций, включающих дезинтеграцию клеток и высокотемпературную обработку, вызывающую денатурацию белков синезеленых водорослей, повысилась относительная биологическая ценность продукта.
С целью установления сроков хранения порошка пищевого исследовали органолептические и микробиологические показатели. На протяжении контрольного периода хранения (207 сут) органолептическая оценка, которая проводилась на дегустационном совещании, не выявила изменений качества продукта. Микробиологический анализ продукта по истечении срока хранения показал соответствие показателей требованиям СанПиН 2.3.2.1078 (табл. 5). Из данных табл. 5 видно, что при хранении порошка пищевого стабильные значения микробиологических показателей наблюдались в течение всего срока хранения. При этом сроки хранения можно продлить, однако, в соответствии с п. 10.5 МУК 4.2.1847 [5], мы ограничили сроки хранения по фактически полученным результатам.
Таблица 5
Изменение микробиологических показателей порошка пищевого в процессе хранения
Наименование показателей Продолжительность хранения, сут.
0 60 120 180 207
КМАФАнМ, КОЕ/г 1,2 х 103 1,2 х 103 1,2 х 103 1,2 х 103 1,2 х 103
Плесени, КОЕ/г Отсутств. Отсутств. Отсутств. Отсутств. Отсутств.
БГКП в 0,1 г продукта (колиформы) Отсутств. Отсутств. Отсутств. Отсутств. Отсутств.
Патогенные, в т. ч. сальмонеллы в 25 г продукта Отсутств. Отсутств. Отсутств. Отсутств. Отсутств.
В процессе разработки технологии порошка пищевого определили нормы потерь на технологических операциях и выход готовой продукции в соответствии с Методикой по определению отходов, потерь, выхода готовой продукции и расхода сырья и материалов при производстве пищевой, кормовой и технической продукции из гидробионтов (табл. 6). Коэффициент расхода сырца на единицу готовой продукции составил 5,1046.
Таблица 6
Нормы потерь, выхода продукции, расхода сырья при производстве порошка пищевого из синезеленых водорослей рода РНогтШит
Характеристика направленного сырья Потери в % к массе сырья, поступившего на операцию / от исходного сырья Всего потерь в % к массе направленного сырья Выход готовой продукции в % к массе направленного сырья Коэффициент расхода сырья на единицу готовой продукции
Концен- триро- вание Дезин- тег- рация Терми- ческая обра- ботка Сушка, охлажде ние Из- мель- чение
Синезеленые водоросли рода Phormidium -сырец 13.0 13.0 01 0,08 0 6 1 0, 77,0 66,25 10 0,22 80,41 19,59 5,1046
Таким образом, в процессе проведенных исследований научно обоснована технология порошка пищевого, основанная на сушке дезинтегрированной, денуклеизированной биомассы, обеспечивающая выход готовой продукции в количестве 19,59% от массы направленного сырья, позволяющей максимально сохранить все ценные компоненты химического состава сырья; разработана и утверждена технологическая инструкция по производству порошка пищевого, а также разработаны проекты технических условий на синезеленые водоросли рода Phormidium -сырец и на порошок пищевой из синезеленых водорослей рода Phormidium.
Литература
1. Ефимов А.А., Ефимова М.В. Обоснование технологии получения пищевой добавки из синезеленых водорослей / Производственные технологии: Материалы науч. междунар. конф. 9-16 сентября 2007 г. (Римини) // Фундаментальные исследования. - 2007. - № 11. - С. 84-85.
2. Толстогузов В.Б. Новые формы белковой пищи. - М.: Агропромиздат, 1987. - 304 с.
3. Грачева И.М., Иванова Л.А., Кантере В.М. Технология микробных белковых препаратов, аминокислот и биоэнергия. - М.: Колос, 1992. - 375 с.
4. Попова Т.Е. Развитие биотехнологии в СССР. - М.: Наука, 1988. - 200 с.
5. МУК 4.2.1847-04. Санитарно-эпидемиологическая оценка обоснования сроков годности и условий хранения пищевых продуктов. - М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004. - 31 с.
