CC BY
38
говт питания
УДК 664.95+66.093
Разработка технологии получения продуктов модификации бурой водоросли Costaria costata
в Дальневосточном регионе
О.В. Табакаева, д-р техн. наук, профессор А.В. Табакаев, В.Г. Лукошко
Дальневосточный федеральный университет
Биологические ресурсы морского происхождения, в том числе и водоросли, издавна используются человеком в различных целях - в пищу, как источники БАВ в медицинской, химико-фармацевтической и пищевой промышленности.
На Дальнем Востоке в морской среде водоросли распространены повсеместно. Они имеют огромное значение в хозяйственной деятельности региона, тем не менее возможности их практического использования далеко не исчерпаны [1]. Основными водорослями, использующи-
мися в промышленных масштабах в России, являются водоросли семейств Laminaria и Fucales. Запасы их огромны, так же как и многообразие, что обусловливает определенные различия их состава. Вопросам изучения водорослей уделяется большое внимание в связи с уже доказанной медико-биологической активностью, проявляемой их экстрактами. Установлено, что они обладают противомикробным [2], противоопухолевым [3] и противовирусным [4] действием. Экстракты из водорослей являются основой биологически
активных добавок, используемых как иммуностимуляторы [5], корректоры деятельности щитовидной железы [6], онкопротекторы [7, 8]. Однако подробно изучается только малая часть водорослей, являющихся промысловыми и традиционно использующихся человеком в пищевых технологиях.
В бухтах Японского моря имеется большой запас биомассы потенциально промысловой бурой водоросли Costaría costata с уникальным полисахаридным составом, отличающимся от состава других макрофитов этого отдела. Ее естественный ареал находится в пределах холодных вод близ России, Китая, Кореи и Японии. В странах Азии данный вид водоросли используют в пищу [9, 10].
Бурые водоросли являются перспективным пищевым сырьем не только для традиционного использования в составе пищевого рациона, но и в качестве источника уникальных биологически активных веществ морского генеза. Один из методов получения биологически активных субстанций из бурых водорослей - гидролиз (кислотный, щелочной, ферментативный, гидротермический), позволяющий модифицировать состав исходного сырья. Известно, что при обработке бурых водорослей, в частности ламинарии японской, с целью получения
INNOVATIVE TECHNOLOGIES IN FOOD PRODUCTION
альгиновои кислоты и ее солеи необходимым этапом является предварительная обработка сырья в слабом растворе соляноИ кислоты, при которой в кислый экстракт переходят маннит, свободные аминокислоты, низкомолекулярные фракции альги-ната, минеральные элементы. Затем из данного экстракта маннит выделяется в чистом виде, а все остальное не используется. Также предлагается использовать этот экстракт в высушенном виде в качестве компонента БАД или вкусовой быстрорастворимой приправы [11].
Костария ребристая (Costaría costata) имеет пластину с пятью грубыми продольными ребрами, из них три находятся на одной поверхности пластины, а две расположены между ними на другой поверхности. Кроме ребер пластина имеет отверстия и пучки волосков, поверхность ее изборождена выпуклостями и вмятинами, число которых, так же как и число отверстий, возрастает в местах с ослабленным движением воды. На поверхности ствола заметны мелкие ребрышки. В основании ствола развиты ризоиды. Водоросль является перспективным видом ма-рикультуры на Дальнем Востоке. Костария содержит 27 - 31% альгиновой кислоты, 18 - 25% альгината натрия, 14 - 16% маннита (от сухой массы). Она растет на твердых грунтах, раковинах, а также на других водорослях на глубине 0,5 - 20 м.
На плантациях, где ведется выращивание ламинарии японской, костария рассматривается как сорняк. Это однолетнее растение с коротким вегетационным периодом, ее слоевища-спорофиты появляются в Японском море в конце ноября -начале декабря, достигая максимальных размеров в первой половине лета. Наиболее активный их рост происходит с января по апрель. В Японском море и у Курильских островов средняя масса слоевищ в период максимального развития составляет 240 г, а длина - 150 - 160 см [11].
Целью работы было исследование модификации бурой водоросли Дальневосточного региона Costaría costata и разработка на ее основе продуктов с использованием кислотного гидролиза пищевой лимонной кислотой и гидротермической экстракции с учетом дальнейшего применения их в технологии пищевой продукции.
В целях разрушения плотной клеточной стенки водорослей первоначально проводили деструкцию методом гомогенизирования. Кислотный гидролиз проводили при 25...55 °С, так как согласно [12], в этих условиях
исключается разрушение биологически активных веществ, в частности фукоидана, присутствующего в данной бурой водоросли. Критерием для оценки возможности дальнейшего использования гидролизатов в технологии пищевых продуктов выбрано содержание углеводов.
Исследована зависимость выбранного показателя от существенно важных факторов: концентрации лимонной кислоты, продолжительности и температуры процесса, гидромодуля. Закономерности при температурах 25 и 55 °С были одинаковыми. Полученные данные представлены в табл. 1.
Полученные данные демонстрируют, что содержание углеводов в ги-дролизате зависит от трех факторов -концентрации кислоты, продолжительности процесса и температуры. Наблюдается прямая корреляция -увеличение концентрации кислоты, продолжительности процесса и температуры приводит к повышению содержания углеводов, но степень их накопления различается с учетом действия каждого фактора. На первоначальных этапах гидролиза продолжительностью до 3 ч прирост содержания углеводов является максимальным, в течение последующих двух часов он существенно замедляется, и его можно считать незначительным. Действие температуры и концентрации кислоты можно считать равномерным - зависимость не обнаруживает резких скачков.
Динамика накопления углеводов в процессе кислотного гидролиза бурой водоросли Costaria costata при температуре 55 °С приведена на рисунке.
Данная иллюстрация динамики накопления углеводов в кислотном ги-дролизате бурой водоросли Costaria costata при температуре 55 °С показывает, что она зависит от концентрации кислоты. При 3 %-ной концентрации повышение содержания углеводов в течение 5 ч является равномерным, без ярко выраженного максимума. При концентрации кислоты 5% максимум наблюдается в интервале гидролиза от 3 до 4 ч, с последующим незначительным снижением содержания углеводов. При концентрации кислоты 8 и 10% закономерности прироста содержания углеводов в гидролизате являются идентичными - максимум наблюдается в интервале от 2 до 3 ч. Таким образом, максимальное извлечение углеводов в гидролизаты из бурой водоросли Costaria costata отмечалось через 3 ч гидролиза при концентрации кислоты 5%. Полученный при данных условиях гидролизат был
5 4,5
со г
о од
со
е
^
е и
го :
X . р
е д
о
и
/*—■
12 3 4
Продолжительность гидролиза, ч
Концентрация кислоты 3% Концентрация кислоты 8%
Концентрация кислоты 5% Концентрация кислоты 10%
Таблица 1
Динамика накопления углеводов в процессе кислотного гидролиза бурой водоросли Costaría costata
Концен- Продолжи- Содержание углеводов, %
трация лимонной кислоты, % тельность гидролиза, ч при t = 25 "С при t = 55 "С
3 1,7+G,G8 2,G+G,1G
5 i 1,9+G,G9 2,3+G,11
8 1 2,1+G,TC 2,5+G,12
10 2,3+G,11 2,8+G,14
3 1,9+G,G9 2,1+G,1G
5 2 2,G+G,1G 2,6+G,13
8 2,3+G,1G 2,9+G,14
10 2,7+G,13 3,2+G,16
3 2,1+G,1G 2,3+G,11
5 3 2,5+G,12 3,G+G,15
8 3,1+G,15 4,G+G,2G
10 4,G+G,19 4,6+G,23
3 2,3+G,11 2,6+G,13
5 4 3,G+G,15 3,9+G,19
8 3,1+G,15 4,G+G,2G
10 4,2+G,2G 4,6+G,23
3 2,8+G,13 3,6+G,18
5 5 3,3+G,15 3,8+G,19
8 3,8+G,18 4,3+G,21
10 4,3+G,21 4,4+G,22
выбран для дальнейших исследований.
Методом математической обработки получены уравнения регрессии, характеризующие процесс извлечения углеводов в гидролизаты (табл. 2).
Таблица 2
Уравнения регрессии, описывающие накопление углеводов в кислотных гидролизатах из бурой водоросли Costaria costata при температуре 55 °С
Концентрация кислоты в гидро-лизате, % Уравнение регрессии Коэффициент аппроксимации
3 У1=0,1357Х2+0,4443Х+2,36 R2 = 0,98
5 У2=0,0214Х2+0,5586Х+1,68 R2 = 0,91
8 У3= -0,1143Х2 +1,1857Х - 1,3 R2 = 0,94
10 У4=0,1857Х2 +1,5743Х+1,24 R2 = 0,89
Здесь: У - содержание углеводов в гидролизате, %; X - продолжительность гидролиза, ч
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
IITEMA HOMEPAI
Таблица 3
Химический состав гидротермического экстракта из бурой водоросли Costaria costata
Состав гидротермического Содержание, %
экстракта 1-й способ 2-й способ
Сухие вещества 7,20+0,35 7,96+0,38
Азотсодержащие вещества 0,33+0,01 0,92+0,04
Углеводы 5,91+0,28 6,73+0,31
Липиды 0,12+0,05 0,12+0,05
Зола 3,84+0,18 4,20+0,20
Таблица 4
Химический состав кислотного гидролизата и гидротермического экстракта из бурой водоросли Costaria costata
Содержание, мг/ г
БАВ в гидротермическом экстракте в гидролизате
Альгиновая кислота 12,50+0,61 16,70+0,72
Маннит 7,94+0,38 9,03+0,41
Фукоидан 0,78+0,03 0,96+0,04
Полученные уравнения регрессии и коэффициенты аппроксимации показывают, что процесс накопления углеводов в кислотных гидролизатах из бурой водоросли Costaria costata может быть описан квадратичной зависимостью с высокой степенью вероятности.
Для получения кулинарной продукции из водорослей обязательно проведение водной термической обработки. Так, для ламинарии японской варка водоросли производится в промышленных масштабах при изготовлении полуфабриката «Ламинария японская вареная». Отварные воды, содержащие различные вещества, переходящие в них из водорослей в процессе термической водной экстракции, считаются отходами производства и не находят практического применения. В связи с тем, что из костарии могут производиться аналогичные полуфабрикаты, будут получаться в определенных объемах и варочные воды, применение которых может быть перспективным.
Исходя из этого отвар водоросли получали при следующих условиях - гидромодуль 1:1, длительность обработки 20 мин, троекратно в одном объеме воды при 100 °С (1-й способ). Водоросль предварительно измельчали соломкой. Полученный отвар упаривали до уменьшения его объема в 2 раза.
Основными веществами в полученном гидротермическом экстракте являются углеводы и минеральные вещества. Содержание липи-
дов и азотсодержащих соединений мало в связи с низким содержанием данных веществ в нативном сырье. Но в исследованном экстракте не обнаружен биологически активный компонент фукоидан, разрушающийся при температуре 60...80 °С.
Для получения водного экстракта, содержащего биологически активные вещества водорослей, предложено модифицировать способ термической обработки - проводить ее при 55 °С в течение 90 мин в слабокислой среде (рН = 6,0). После экстракции экстракт охлаждали до 40 °С (2-й способ).
Водоросль предварительно гомогенизировали с целью повышения степени перехода веществ из натив-ного сырья в экстракт. Полученный экстракт имеет приятный зеленоватый цвет со слабо выраженным водорослевым запахом.
В полученном данным способом экстракте наблюдается существенное повышение содержания всех компонентов раствора по сравнению с варочными водами, полученными первым способом. Содержание сухих веществ в экстракте, полученном в слабокислой среде, даже без дополнительного упаривания выше, чем в экстракте, полученном в нейтральной среде. Данные по химическому составу экстрактов из бурой водоросли, полученных в нейтральной и слабокислой среде, представлены в табл. 3. Эти данные демонстрируют, что в гидротермическом экстракте, полученном в слабокислой среде, наблюдается увеличение содержания всех основных составляющих, в особенности сухих и азотсодержащих веществ, углеводов, золы. Так, превышение составляет: сухие вещества -9,7%, азотсодержащие вещества -в 3 раза, углеводы - 13,6%, зола -10,5%. Основными составляющими гидротермических экстрактов являются углеводы и минеральные вещества, которые составляют большую часть сухих веществ. Азотсодержащие вещества и липиды представлены незначительно, что объясняется их низким содержанием в нативном сырье.
Так как при обработке бурых водорослей происходит разрушение клеточных стенок, что обусловливает выход содержимого клетки в окружающую среду, было высказано предположение о частичном переходе основных полисахаридов бурой водоросли Costaria costata в гидроли-заты и экстракты. На основании этого проведено определение содержания основных биологически активных веществ в описанных модификациях из бурой водоросли Costaria
costata (кислотный гидролизат получен при концентрации кислоты 5% и продолжительности процесса 3 ч; гидротермический экстракт - в слабокислой среде).
Результатами изучения химического состава кислотного гидроли-зата и гидротермического экстракта из бурой водоросли Costaría costata подтверждено, что путем кислотного гидролиза и гидротермической экстракции получены модификации, содержащие смесь биологически активных низкомолекулярных соединений - альгиновую кислоту, маннит, фукоидан. Кислотный гидролизат характеризуется более высоким содержанием всех исследованных биологически активных веществ морского генеза по сравнению с гидротермическим экстрактом.
Таким образом, исследование бурой водоросли Costaría costata и разработка технологии получения продуктов ее модификации позволяют утверждать, что рациональным является применение кислотного гидролиза с использованием пищевой лимонной кислоты (концентрация 5%, продолжительность 3 ч, температура процесса 55 °С) и гидротермической экстракции (рН - 6,0, продолжительность 90 мин, температура процесса 55 °С), позволяющее получать модификации, обогащенные биологически активными веществами морского генеза.
Работа поддержана Российским научным фондом (№ проекта 14-50-00034).
ЛИТЕРАТУРА
1. Матишов, Г.Г. Промысловые и перспективные для использования водоросли и беспозвоночные Баренцева и Белого морей/Г.Г. Матишов. - Апатиты: Апатиты, 1998. - 628 с.
2. Герасименко, Н. И. Противоми-кробная и гемолитическая активности низкомолекулярных метаболитов бурой водоросли Laminaria cichorioides Miyabe/Н. И. Герасименко, Е. Л. Чайкина, Н.Г. Бусарова, М. М. Анисимов // Прикладная биохимия и микробиология. -2010. - Т. 46. - С. 467 - 471.
3. Шокур, О.А. Влияние фукоидана, выделенного из бурой морской водоросли Saccharina japónica, на агрегацию тромбоцитов in vitro/ О. А. Шокур, Ю. С. Хотимченко // Биология моря. - 2013. - Т. 39. - № 5. - C. 380 -383.
4. Makarenkova, I.D. Antiviral activity of sulfated polysac-charide from the brown algae Laminaria japonica against avian influenza A (H5N1) virus infection in the cultured ceUs/I.D. Makarenkova,
INNOVATIVE TECHNOLOGIES IN FOOD PRODUCTION
P.G. Deriabin, D. K. L'vov et al. // Vopr. Virusol. 2010. V. 55. P. 41 - 45.
5. Wang, J. Potential antioxidant and anticoagulant capacity of low molecular weight fucoidan fractions extracted from Laminaria japonica/J. Wang, Q.B. Zhang, Z.S. Zhang // Int.J. Biol. Macromol. -2010. - V. 46. - P. 6 - 12.
6. Lapicova E. S., Drozd N. N., Tolstenkov A. S., Makarov V. A., Zvyagintseva T. N., Shevchenko N. M., Bacunina I. U., Besednova N.N., Kuznetsova T. A. Inhibition of thrombin and factor Xa by Fucus evanescens fucoidan and its modi-fied analogs // Bull. Exp. Biol.
Med. - 2008. - V. 146. - N 3. -P. 328 - 333.
7. El Gamal, A.A. Biological importance of marine algae // Saudi Pharm. J. - 2010 -V. 18. - P. 1 - 25.
8. Vilchez, C., Forjan E., Cuaresma M., Bedmar F., Garbayo I., Vega J.M. Marine Carotenoids: Biological Functions and Commercial Applications // Mar. Drugs. -2011. - V. 9. - P. 319 - 333.
9. Андрианов, А.В. Таксономический каталог биоты залива Петра Великого Японского моря/ А. В. Андрианов, О.Г. Кусакин. - Владивосток: Дальнаука, 1998. - 350 с.
10. Шунтов, В. П. Биология дальневосточных морей России/В. П. Шунтов. 2001. - 580 с.
11. Суховеева, М.В. Промысловые водоросли и травы морей Дальнего Востока: биология, распространение, запасы, технология переработки/ М. В. Суховеева, А. В. Подкорытова. - Владивосток: ТИНРО-центр, 2006. - 243 с.
12. Усов, А. И. Полисахариды водорослей. Бурая водоросль Laminaria saccharina (L.) Lam. как источник фу-коидана/ А. И. Усов, Г.П. Смирнова // Биоорганическая химия. - 1998. -Т. 24. - С. 437 - 445.
Разработка технологии получения продуктов модификации бурой водоросли Costaria costata в Дальневосточном регионе
Ключевые слова
биологически активные вещества; бурая водоросль Costaria costata; гидротермическая экстракция; кислотный гидролиз
Реферат
На Дальнем Востоке в морской среде водоросли распространены повсеместно, тем не менее возможности практического использования далеко не исчерпаны. Бурые водоросли являются перспективным пищевым сырьем не только для традиционного использования в составе пищевого рациона, но и в качестве источника уникальных биологически активных веществ морского генеза. Целью работы было исследование бурой водоросли Дальневосточного региона Costaria costata и разработка технологии получения продуктов ее модификации с использованием кислотного гидролиза пищевой лимонной кислотой и гидротермической экстракции с учетом дальнейшего использования их в технологии пищевой продукции. Кислотный гидролиз проводили при 25...55 °С. Исследована зависимость содержания углеводов в гидролизате от существенно важных факторов: концентрации лимонной кислоты, продолжительности процесса и температуры. Установлено, что увеличение концентрации кислоты, продолжительности и температуры процесса приводит к повышению содержания углеводов, но степень их накопления различается с учетом действия каждого фактора. На первых этапах гидролиза (до 3 ч) прирост содержания углеводов является максимальным, в течение последующих двух часов он существенно замедляется и его можно считать незначительным. Максимальное извлечение углеводов в гидролизаты из бурой водоросли Costaria costata отмечалось через 3 ч гидролиза при концентрации кислоты 5%. Полученный при данных условиях гидролизат был выбран для дальнейших исследований. Гидротермические экстракты из бурой водоросли Costaria costata получали в нейтральной и слабокислой среде. Доказано, что в гидротермическом экстракте, полученном в слабокислой среде, наблюдается увеличение сухих и азотсодержащих веществ, углеводов, золы по сравнению с гидротермическим экстрактом, полученным в нейтральной среде. Так, превышение составляет: сухие вещества - 9,7%, азотсодержащие вещества - в 3 раза, углеводы - 13,6%, зола - 10,5%. Основными составляющими гидротермических экстрактов являются углеводы и минеральные вещества. Результатами изучения химического состава кислотного гидролизата и гидротермического экстракта из бурой водоросли Costaria costata подтверждено, что путем кислотного гидролиза и гидротермической экстракции получены модификации, содержащие смесь биологически активных низкомолекулярных соединений морского генеза - альгиновую кислоту, маннит, фукоидан. Кислотный гидролизат характеризуется более высоким содержанием всех исследованных биологически активных веществ по сравнению с гидротермическим экстрактом.
Авторы
Табакаева Оксана Вацлавовна, д-р техн. наук, профессор, Табакаев Антон Вадимович,Лукошко Валентина Георгиевна Дальневосточный федеральный университет, 69009l, г. Владивосток, ул. Суханова, д. 8, yankovskaya68@ mail.ru, [email protected],
Development of Technology for Modifying Products of Brown Algae Costaría costata in the Far East
Key words
acid hydrolysis, hydrothermal extraction, brown alga of Costaria costata, biologically active agents
Abstracts
In the Far East in the marine environment of an alga are widespread everywhere. They have huge value in economic activity of the region, however the available opportunities of practical use of seaweed aren't exhausted yet. Brown seaweed are perspective food raw materials not only for traditional use as a part of a diet, but also as sources of unique biologically active agents of sea genesis. Research and development of receiving products of modification of a brown alga of the Far East region of Costaria costata with use of acid hydrolysis by food lemon acid and hydrothermal extraction taking into account their further use in technology of food products was the purpose of work. Acid hydrolysis was carried out at temperatures of 25 - 55 °C. Dependence of the content of carbohydrates in a hydrolyzate from significantly important factors is investigated: concentration of lemon acid, duration and temperature. It is established that the content of carbohydrates in a hydrolyzate depends on all studied factors. Direct correlation - increase in concentration of acid is observed, durations and temperatures of process leads to increase of the content of carbohydrates, but extent of accumulation differs taking into account action of each factor. At initial stages of hydrolysis up to 3 hours the gain of the content of carbohydrates is maximum, within the next two hours it is significantly slowed down and it can be considered insignificant. The maximum extraction of carbohydrates in hydrolyzates from a brown alga of Costaria costata was noted in 3 hours of hydrolysis at concentration of acid of 5%. The hydrolyzate received under existing conditions was chosen for further researches. Hydrothermal extracts from a brown alga of Costaria costata were received in the neutral and subacidic environment. It is proved that in the hydrothermal extract received in the subacidic environment the increase in dry and nitrogen-containing substances, carbohydrates, ashes in comparison with the hydrothermal extract received in the neutral environment is observed. So, excess makes: solids - 9,7%, nitrogen-containing substances - by 3 times, carbohydrates - 13,6 %, ashes - 10,5 %. The main components of hydrothermal extracts are carbohydrates and mineral substances. With results of studying of a chemical composition of an acid hydrolyzate and hydrothermal extract from a brown alga of Costaria costata it is confirmed that by acid hydrolysis and hydrothermal extraction the modifications containing mix of biologically active low-molecular connections of sea genesis - alginic acid, a mannitol, ^yKougaH are received. The acid hydrolyzate is characterized by higher content of all studied biologically active agents in comparison with hydrothermal extract.
Authors
Tabakaeva Oksana Vatslavovna, Doctor of Technical Science, Professor, Tabakaev Anton Vadimovich, Lukoshko Valentina Georgievna Far Eastern Federal University, 8, Sukhanova St., Vladivostok, 690091, [email protected], [email protected],
