CC BY
40
УДК 582.272
СОДЕРЖАНИЕ АЛЬГИНАТОВ У КАМЧАТСКИХ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ
FUCUS EVANESCENS
В.Б. Чмыхалова
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: [email protected]
Приведены данные о содержании альгинатов в бурой водоросли F. evanescens, собранной в разных местах обитания. Показано содержание альгинатов в разных частях таллома водоросли.
Ключевые слова: альгиновая кислота, альгинат, маннит, фукус.
Alginate content in Kamchatka fucus evanescens. V.B. Chmykhalova (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
Data of alginate content in brown algae F. evanescens from different areas are given in this article. The alginate content in different parts of the algae thallus is also considered here.
Key words: alginic acid, alginate, mannitol, fucus.
В России исследования бурых водорослей и разработка технологии получения альгината и маннита были начаты еще в 1930-е гг. В интенсивный исследовательский процесс были включены бурые водоросли Черного, Белого, Баренцева и дальневосточных морей. Производство маннита и альгината было организовано в Архангельске еще в 1948 г., в качестве сырья использовали бурые водоросли Белого и Баренцева морей - ламинарию пальчаторассеченную (L. digitata) и ламинарию сахарину (L. saccharina) для получения маннита и альгината, а также четыре вида фукусовых водорослей (F. vesiculosus, F. distichus, F. serratus, A. nodosum) для получения технического альгината и биологически активных экстрактов [1, 2]. Выбор технологических условий для извлечения альгиновой кислоты предопределяется химическим составом бурых водорослей, поступающих на переработку. Основным показателем возможности их применения для получения альгината считается содержание альгиновой кислоты в интервале 20-40% от сухой массы водорослей [3, 4].
Однако в настоящее время в технологической литературе нет данных, касающихся содержания полисахаридов в камчатских видах бурых водорослей. Эти данные изложены в большинстве литературных источников для водорослей Приморья и беломорских видов бурых водорослей. Отсутствуют также данные об изменении содержания полисахаридов в зависимости от условий обитания водорослей и о выходе полисахаридов (в частности, альгината натрия) в зависимости от степени и характера загрязненности акватории.
Объектом изучения в настоящей работе является представитель рода Fucus - F. evanescens, который является одним из самых массовых представителей камчатской литоральной флоры водорослей-макрофитов.
Изученный нами материал был собран в высокобореальных водах Дальнего Востока: у северных Курильских и Командорских островов и у побережья Камчатки. У западного побережья пробы фукуса были взяты у о. Птичий, м. Амбон, района, расположенного севернее м. Утхолокский, у восточного - в заливах Корф, Анапка, Кроноцкий и Авачинский.
Основной объем данных по биологии развития фукуса был получен при изучении проб водорослей, собранных автором за период исследований в 2010-2011 гг. в Авачинской губе. Пробы фукуса для лабораторных исследований собирали во время сизигийных отливов в среднем горизонте литорали. Для взятия количественных проб использовали рамку 0,25^0,25 м2. Ее накладывали на участок дна с наиболее высокой для района плотностью зарослей, и из нее брали все растения, подошва которых приходилась на площадь, ограниченную рамкой. В одну пробу входило обычно 95-105 растений. На этикетке указывали время и места сбора материала. Сбор проб на выбранных полигонах производили либо в один и тот же день, либо в течение двух дней. Период между помесячным отбором проб составлял 29-30 дней.
Обработку проб в лаборатории начинали в тот же или на следующий день. Во избежание изменения физико-химических показателей собранный материал до конца обработки хранили в
полиэтиленовых пакетах в холодильнике при температуре не выше 4оС.
У каждого растения определяли массу. С этой целью каждый образец взвешивали на аналитических весах ВЛКТ с максимальной нагрузкой до 500 г.
Для определения содержания альгинатов из всех собранных растений готовили среднюю пробу. Их измельчали, перемешивали, затем брали навеску для определения содержания альгинатов. Определение проводили по стандартной методике, разработанной специалистами ТИНРО-центра.
В качестве исходного сырья использовали фукусы, добытые из разных местообитаний. Заготавливали водоросли для этой цели в период с июля по сентябрь включительно. Часть водорослей высушивали при температуре окружающего воздуха до равновесной влажности. Другую часть замораживали в морозильной камере до температуры в толще блока минус 18оС. В процессе работы были использованы водоросли сырец, сушеные, мороженые.
Перед началом обработки проводили подготовку водорослей. С этой целью их промывали в морской или пресной воде, удаляли песок, слизь и другие загрязнения. Сушеные слоевища водорослей замачивали в пресной воде до их полного восстановления. Мороженые водоросли размораживали в пресной воде температурой 15-20°С в течение 2 ч. Сырые и восстановленные слоевища измельчали с помощью размольного механизма.
Процесс деминерализации проводили для превращения альгинатов водоросли в альгиновую кислоту. Предварительно подготовленные водоросли загружали в марлевые мешочки, опускали в эмалированную емкость и заливали 2,0%-ным раствором соляной кислоты при температуре 30-35°С в массовом соотношении (ЖК) 1 : 1 (отношение массы сырой водоросли к объему раствора) или (ЖК) 1:15 (отношение массы воздушно-сухой водоросли к объему раствора), выдерживали в течение 2,0 ч при периодическом перемешивании с частотой вращения 10-15 об/мин.
По окончании процесса деминерализации сетчатый мешок с водорослями поднимали, выдерживали для стекания раствора кислоты в течение 15-20 мин, промывали 2-3 раза водопроводной водой температурой 12-20°С при ЖК 1 : 5 с настаиванием в течение 30 мин и периодическим перемешиванием. Промывку проводили до рН 7 в промывных водах.
Деминерализованные промытые водой водоросли помещали в емкость из нержавеющей стали, заливали горячей водой температурой 80°С в соотношении 1 : 30 (воздушно-сухие водоросли : вода), добавляли углекислый натрий (Na2CO3) из расчета 10% к массе исходных сушеных водорослей, доводили до рН 8,5-9,0. Экстракцию проводили в течение 6 ч при температуре 80-90°С, поддерживая рН 8,5-9,0, периодически перемешивая смесь.
Деминерализованные промытые водой водоросли заливали горячей водой температурой 80°С в соотношении 1 : 30 (воздушно-сухие водоросли : вода), добавляли углекислый натрий (Na2CO3) из расчета 10% к массе исходных сушеных водорослей, доводили до рН 8,5-9,0. Экстракцию проводили в течение 8 ч при температуре 80-90°С, поддерживая рН 8,5-9,0, периодически перемешивая смесь. Контролировали рН смеси, поддерживая его уровень 8,5-9,0 в течение всего процесса экстракции.
Водорослевую смесь после экстрагирования фильтровали (отделяли экстракт, содержащий альгинат натрия, от водорослевого остатка). Очищенный экстракт с содержанием примесей не более 0,4 г/л охлаждали до температуры 20 °С.
Альгиновую кислоту осаждали из очищенного альгинатного экстракта введением дозированного объема 18%-ного раствора соляной кислоты. Гель альгиновой кислоты образовывался в виде крупных белых сгустков при достижении рН 2-3. Его выдерживали при периодическом перемешивании в течение 20-30 мин для завершения реакции образования альгиновой кислоты, созревания и уплотнения геля. Гель альгиновой кислоты направляли на вибросито, где промывали водой при температуре 90-95°С до рН 3,0-3,5. Промытый гель отделяли от избытка воды прессованием.
Частично обезвоженный гель альгиновой кислоты помещали в емкость, добавляли 3,5% карбоната натрия и 50% дистиллированной воды. Смесь выдерживали при периодическом перемешивании в течение 5-6 ч, в результате получали густую вязкую пасту. Прохождение процесса реакции контролировали рН-метром.
Пасту альгината натрия заливали спиртом в соотношении 1 : 2, тщательно перемешивали до образования крепких волокон альгината, выдерживали в спирте не менее 30 мин, затем направляли на сито для отделения спирта от осадка.
Обезвоженный спиртом альгинат измельчали на измельчителе, помещали ровным слоем на поддоны и сушили при температуре 50-70°С в до содержания влаги не более 15%.
Готовый продукт представлял собой порошок от кремового до белого цвета, без запаха и вкуса, растворяемый в воде с образованием вязких, клейких растворов при достаточно низкой концентрации (0,2-0,5%). При повышении концентрации альгината натрия до 2-3% в водном
растворе образуются густые нетекучие пасты.
Выход альгината натрия во всех проведенных экспериментах был величиной непостоянной и при одних и тех же условиях извлечения и образования альгинатов в водорослях одного и того же периода сбора зависел от места обитания водорослей. Величина выхода альгината натрия в проведенных экспериментах приведена в табл.1.
Таблица 1
Выход альгината натрия в фукусах из разных местообитаний
Выход альгината натрия, % сухого вещества
б. Вилючинская б. Малая Лагерная Авачинская губа
б. Моховая р-н СРМЗ б. Сероглазка
17,0 16,9 8,7 10,2 11,3
Из табл. 1 видно, что максимальное содержание альгината было обнаружено в водорослях, обитающих в ненарушенной среде, которой можно считать б. Вилючинскую. Немногим меньше его содержание (99,4% от максимального) было в слабо загрязненном месте - б. Малая Лагерная. В фукусах из районов с сильным уровнем загрязнения акватории [5] содержание альгинатов снизилось по сравнению с максимальным. Эта разница составила у растений из б. Моховая - 40%, из б. Сероглазка - 48,8%, из района СРМЗ - 33,5%. Загрязняющие вещества Авачинской губы представлены фенолами, СПАВ, нефтепродуктами и биогенными веществами. Исследованиями разных авторов показано, что наиболее загрязненным районом Авачинской губы является б. Моховая, наименее загрязненным - район Сероглазка. Это объясняет резкое снижение количества альгинатов в растениях из этих районов.
В процессе работы было исследовано содержание альгинатов в водорослях, собранных в разные сезоны года. Динамика этих показателей приведена в табл. 2.
Таблица 2
Содержание альгинатов в фукусах в разные сезоны года
Сезон сбора Содержание альгинатов, % сухого вещества
б. Вилючинская б. Малая Лагерная Авачинская губа
Май-июнь 18,1 17,9 11,0
Август-сентябрь 15,9 15,9 9,1
По данным табл. 2 видно, что во всех районах исследований максимальное количество альгината содержат водоросли в весенний и раннелетний период. К осени количество альгината в растениях из ненарушенной среды обитания (б. Вилючинская) снижается на 12,1%, в растениях из слабо загрязненного района (Малая Лагерная) - на 11,1%, в растениях, обитающих в антропогенных условиях - на 17,2%. Таким образом, по данным табл. 2, в период с июня по сентябрь содержание альгината максимально снизилось в водорослях, обитающих в антропогенной среде. Эти данные могут помочь в определении сроков изъятия водорослей с целью выделения из них альгиновых соединений.
Также было проведено определение содержания альгината в разных частях растения. С этой целью были выделены листовая часть, стебель и верхушки побегов - рецептакулы. Данные о содержании альгината в перечисленных частях растения приведены в табл. 3.
Таблица 3
Содержание альгинатов в фукусах в разных частях растения
Части растения Содержание альгинатов, % сухого вещества
Стебель 16,0
Листовая часть 16,3
Рецептакулы 7,2
Эти данные показывают, что в листовой части содержание альгинатов практически такое же, как в стебле, поэтому при подготовке водорослей следует использовать все растение. Тем не менее содержание альгинатов в рецептакулах значительно меньше - на 45% по сравнению с остальными частями растения. Поэтому зрелые рецептакулы желательно отделять от водоросли при производстве альгината натрия, чтобы не снизить его выход.
Результаты проведенных исследований показывают, что содержание альгинатов в водорослях
- величина непостоянная и зависит от ряда факторов. К ним, в первую очередь, можно отнести загрязненность среды обитания фукуса. Выход альгината натрия заметно снижается по мере увеличения загрязненности среды обитания фукуса.
Немаловажным фактором является различие в содержании альгинатов в разных частях
растений. Если листовая часть и стебель (жилка) фукуса не имеют значительных различий в содержании альгинатов, то по мере созревания рецептакулов в верхушечных частях побегов резко снижается содержание полисахарида. Это говорит о том, что стерильные растения могут быть переработаны полностью, а при созревании рецептакулов последние необходимо отделять от растения, чтобы не снизить выход альгината натрия.
В целом непостоянство содержания альгиновых соединений и нестабильный выход альгината можно также объяснить непостоянством внешних условий литорали.
Литература
1. Баранов B.C. Разработка технологии производства пищевого альгината натрия из фукусов и его использование в промышленности / МИНХ: Реф. НИР и ОКР. - 1982. - Сер. 12, № 6. - 55 с.
2. Бокова Е.М., Титов В.М. Сырьевые и производственные проблемы Архангельского опытного водорослевого комбината // Материалы 1-й Междунар. конф. «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки». - М.: ВНИРО, 2002. - С. 110-116.
3. Репина О.И., Муравьева Е.А., Подкорытова А.В. Химический состав промысловых бурых водорослей Белого моря // Тр. ВНИРО: Прикладная биохимия и технология гидробионтов. - 2004.
- Т. 143. - С. 93-99.
4. Кизеветтер И.В., Грюнер В.С., Евтушенко В.А. Переработка морских водорослей и других промысловых водных растений. - М.: Пищ. пром-сть, 1967. - 416 с.
5. Кизеветтер И.В., Суховеева М.В., Шмелькова Л.П. Морские водоросли и травы дальневосточных морей. - М.: Пищ. пром-сть, 1981. - 113 с.
6. Чмыхалова В.Б. Развитие бурой водоросли F. еvanescens в прикамчатских водах // Автореф... канд. биол. наук. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2005. - 25 с.
УДК: 504.61:911.37(571.66)
