CC BY
459
УДК 582.272
И. А. Наумов, Е. А. Буркова, З. А. Канарская, А. В. Канарский
ВОДОРОСЛИ - ИСТОЧНИК БИОПОЛИМЕРОВ, БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
И СУБСТРАТ В БИОТЕХНОЛОГИИ ЧАСТЬ 2. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ВОДОРОСЛЕЙ
Ключевые слова: водоросли, маннит, альгинат натрия, переработка отходов.
Бурые водоросли являются перспективным сырьем для получения маннита, альгиновой кислоты, альгината натрия. Вторичные ресурсы переработки бурых водорослей пригодны для биотехнологической переработки.
Keywords: algae, mannitol, sodium alginate, recycling.
Brown algae are a promising raw material for production of mannitol, alginic acid, sodium alginate. Secondary resources processing kelp suitable for biotechnological processing.
Актуальность. Водоросли - аквакультура, по своей продуктивности значительно превосходит деревья и травы, синтезирует значительное количество биомассы и разнообразные биологически активные вещества, выполняющие определенные физиологические функции. Наиболее крупными представителями водорослей, в несколько метров длиной, являются бурые водоросли - ламинариевые (Laminariales) и некоторые фукусовые (Fucales).
В промышленности основными компонентами, извлекаемыми из ламинарии, являются альгино-вая кислота и манит. В настоящее время остальное компоненты водорослей классифицируют как отходы. Однако после дополнительной обработки они могут быть использованы в биотехнологии [1].
Из бурых водорослей получают биологически активные вещества и лекарственные средства. Бурые водоросли являются сырьем для производства:
- маннита, изготовляемого по ВФС 42-342199:
- солей альгиновой кислоты: натриевых (Альгинат натрия для медицинских целей: ФС 423383-97), кальциевых, калиевых, магниевых,
- и других продуктов.
Кроме того, из бурых водорослей производят экстракты и концентраты, содержащие комплекс БАВ. Это липидно-пигментные концентраты (Экстракт ламинарий густой ВФС 42-3294-98, Экстракт «хлорофилловый», «Фукусный»), спиртовые экстракты («Адаптовит» ВФС 42-3295-98), а также другие экстракты, полученные различными способами [2].
Экстракция полисахаридов. Бурые водоросли отличаются по полисахаридному составу от других водорослей и в значительной степени от высших растений. В качестве резервных полисахаридов бурые водоросли содержат ламинараны, которые экстрагируются разбавленными кислотами. Вместе с ламина-ранами извлекается часть сульфатированных полисахаридов (фукоидана). При последующей обработке растворами щелочей можно извлечь также альгино-вые кислоты и фракцию сульфатированных гетеропо-лисахаридов (сложные разветвленные полимеры, часто называемые «фуканы»). Дополнительные количества таких полисахаридов удается экстрагировать оксалатом аммония [3].
Сравнивая между собой выходы фракций, следует отметить, что водоросли с большим содержанием фукоиданов дают сравнительно мало альгиновой кислоты, и наоборот. Представители одного семейства обычно ближе друг к другу, чем находящиеся в отдаленном родстве. Наибольшее количество глюкозы высвобождается из фракции ламинара-на, а фукоидан гидролизуется тем лучше, чем больше в его составе фукозы. Вместе с ламинараном экстрагируются лишь фуканы, состоящие из фукозы и сульфата. Фракция с примесями ксилозы, маннозы и галактозы менее других подвержена гидролизу.
Фукоидан из Fucus vesiculosus получают экстракцией 0.1 Н соляной кислотой и переосаждением 60 % этиловым спиртом. Препарат содержит примеси водорастворимых ламинарана и белков, а выход целевого продукта составляет 80 %.
Получение маннита. В промышленных условиях маннит получают из ламинариевых водорослей, в основном L. sacharina, экстракцией кипящим этиловым спиртом [4]. Сухие измельченные водоросли вываривают в спирте крепостью не менее 82 % в течение часа в соотношении 1:5. Спиртовую вытяжку концентрируют, оставшийся водный раствор маннита - сырца отстаивают, с поверхности удаляют смолу, фильтруют на нутч - фильтре. Фильтрат упаривают и кристаллизуют в течение 16 часов. Полученные кристаллы промывают водой, растворяют при нагревании, фильтруют и снова кристаллизуют. Процедуру перекристаллизации проводят 5-6 раз, выход маннита составляет 56 - 61 %. Для получения маннита марки ЧДА растворы после 6 - 7 перекристаллизаций очищают на ионообменной смоле, например марки ЭДП-10П.
Для повышения выхода предложено [5] проводить экстракцию кипящим 96 % этанолом в соотношении 1 : 2, фильтровать экстракт при 50 -70°С и подвергать однократной перекристаллизации из кипящего 96 % этанола, а очистку проводить 0,1 % HCl. Преимуществом метода является уменьшение затрачиваемого экстрагента, а также уменьшение количества стадий.
Переработка водорослей с целью получения только маннита малорентабельна, перспективно
создание технологии комплексной переработке водорослевого сырья.
Получение альгиновой кислоты. Для производства альгината натрия используют главным образом ламинарии, фукусы и саргассовые водоросли.
Сырьем обычно служат воздушно-сухие водоросли, однако с успехом могут применяться и влажные водоросли. В последнем случае заготовленные влажные водоросли хранят в плавучих сетчатых мешках, установленных на якорях в прибрежной зоне. Этот способ хранения сырья сопряжен с потерями маннита и калийных солей, однако при переработке водорослей на альгинат натрия хранение в морской воде позволяет создавать запасы на (15 - 20) суток [1].
Существует несколько способов производства альгиновой кислоты, которые складывается из следующих основных процессов [6, 7]:
- подготовка водорослей к обработке;
- химическая обработка подготовленных водорослей для получения альгината натрия;
- подготовка раствора альгината натрия к выделению альгиновой кислоты;
- выделение и очистка альгиновой кислоты;
- получение из альгиновой кислоты альгината натрия.
Предварительная подготовка водорослей способствует увеличению выхода альгината натрия из них. При этом водоросли освобождаются от веществ, затрудняющих очистку и обесцвечивание альгиновой кислоты или альгинатов.
Подготовка сырья заключается в выдерживании промытых водорослей в течение нескольких часов в 0.5 Н серной кислоте для перевода нерастворимых солей альгиновой кислоты в альгиновую кислоту, а также деминерализация сырья. Основные этапы технологического процесса - щелочная экстракция, замачивание водорослей в растворе карбоната натрия, приводят к переводу нерастворимой альгиновой кислоты в растворимый альгинат натрия и к его экстрагированию. В зависимости от вида водорослей требуется различная продолжительность этого этапа, которая может достигать нескольких часов. От остатков водорослей экстракт очищают флотацией, фильтрацией или центрифугированием. Для последующего осаждения аль-гиновой кислоты или ее кальциевой соли используют соответственно серную кислоту или хлорид кальция. Осадок прессуют и сушат при нагревании.
При производстве альгината натрия возможно уменьшение вязкости раствора в связи с деполимеризацией полимера, причинами которого могут служить кислая среда и температурные режимы, а также высвобождение внутриклеточных литических ферментов и развитие бактерий. В течение 4 часов молекулярная масса полимера уменьшалась в 5 раз, от 90 кДа до 16 кДа [8].
Альгинат натрия иногда производят и по упрощенной технологии. Водоросли (свежие или после извлечения маннита) обрабатывают 0,4 % раствором серной кислоты, подвергают экстракции раствором карбоната натрия при нагревании. Экстракт отстаивают, фильтруют, осаждают N2804 и отфильтровывают осадок. Альгинат натрия промывают холодной водой, обезвоживают и сушат на барабанной сушилке. Полученный альгинат натрия представляет собой
пластинки коричневого цвета с содержанием целевого компонента 60 %. Выход альгината 70 - 75 %. Полученный альгинат натрия по рассматриваемой технологии имеет посторонние включения, низкое содержание гулуроновой кислоты, что приводит к снижению его адсорбционных свойств. Кроме того, при предварительной очистке серной кислотой удаляются такие ценные компоненты, как фукоидан, ламинаран, белки [9].
Разработан метод получения альгината натрия для медицинских целей, который позволяет повысить содержание альгината натрия до 99,95 %, а также увеличить в нем долю гулуроновой кислоты. К недостаткам метода, однако, можно отнести его сложность и многостадийность, продолжительность, использование агрессивных сред и потери биологически активных веществ на стадии первичной подготовки.
Основными производителями альгинатов являются США, Норвегия, Франция, Великобритания и Япония, и небольшое производство имеется в Чили, Китае, России, Индии и других странах. Мировое производство альгинатов составляет около 27000 т в год (1990 год). Стоимость альгинатов зависит от их свойств и составляет около 5—20 $ за кг.
Электрохимический способ получения аль-гината натрия. Принципиальное отличие электрохимического экстрагирования от традиционного заключается в возможности завершения процесса с сокращенным числом технологических стадий и общей продолжительности процесса. Кроме того, в экстрагенте присутствуют вещества, способствующие восстановлению окисленных при хранении функциональных групп сырья и улучшению прочностных и других качественных показателей альги-ната натрия [6, 12].
Разработана электрохимическая технология обесцвечивания и дезодорирования альгината натрия. В существующей традиционной технологии эта стадия является наиболее экологически несовершенной, так как обесцвечивание осуществляется с использованием агрессивных химических реагентов - гипохлоритов кальция или натрия концентрация активного хлора в которых достигает 3 г/л и рН=12 [6]. При этом происходит деструкция, ухудшение свойств, снижение прочности и частичное хлорирование полимера.
В биосырье всегда присутствует некоторое количество галогенидов и есть опасность галогени-рования полисахаридов при электрообработке последних (как и в традиционной технологии), поэтому подбор условий электролиза исключающих эти реакции является основной задачей.
Технология обесцвечивания и дезодорирования полисахаридов основывается на исследованиях в области очистки (обесцвечивания и минерализации) сточных вод красильных производств [13], а также обработки пищевого и непищевого сырья. При электрохимической обработке органических веществ в объеме электролита галогенирование не происходит при низких концентрациях окислителей и кратковременности электролиза при СА. Х. < 0,3 мг/л и рН > 9,0, БИ < 700 мВ. При этих параметрах
реализуется только окисление электрононенасыщен-ных альдегидных, кетонных, эпокси -,диазо- групп и двойных связей красителей и ароматических веществ, ответственных за цветность и запах полисахаридов. Электрононасыщенные молекулы к которым относятся полимерные цепи полисахаридов, оказываются нереакционоспособны.
Определены условия, обеспечивающие достижение перечисленных параметров электролиза, а также подавление разряда галоген - ионов на аноде. Рекомендуется поддержание потенциала анода на уровне не выше 1,6 В. При плотности тока не выше 500 А/ м2, количество пропущенного электричества Дт <1000 Кл/л при суммарной концентрации электролитов (0,17-0,34) N и содержании галоген-ионов < 0,05 г-и/л.
Электрохимическое обесцвечивание, дезодорирование и обеззараживание обеспечило улучшение органолептических показателей альгината натрия, а также улучшились цвет и прозрачность получаемых растворов [12,13].
При электрохимическом способе деминари-лазация ламинарии проходит за 60 минут в растворе анионита, тогда как в традиционной технологии этот процесс длится не менее 12 часов.
Экстрагирование альгината натрия проводят в катодной камере электролизера, данный процесс проходит за 20 минут, при гидромодуле 1 : 6, силе тока 7 А.
Для отделения биомассы от раствора альги-ната натрия применяют центрифугирование. Затем полученный раствор, содержащий альгинат натрия, заливался в анодную камеру электролизера, где проходит осаждение альгиновой кислоты высокой степени чистоты. Затем альгиновую кислоту отделяют фильтрованием, промывают водой и переводят в аль-гинат натрия карбонатом натрия. Полученный раствор альгината натрия высушивают, измельчают.
Электрохимическое обесцвечивание, дезодорирование и обеззараживание обеспечивает улучшение органолептических показателей альгината натрия, а также улучшает цвет и прозрачность получаемых растворов.
Применение альгината натрия. В пищевой промышленности альгинат натрия используют при изготовлении мороженого для улучшения его структуры (нежность, однородность, пластичность) и повышения устойчивости в хранении. Показано, что по эффекту гомогенизации мороженого (0,2 - 0,3) % альгината натрия заменяют (0,4 - 0,5) % желатина.
Способность раствора альгината натрия после замораживания и дефростации не изменять своих свойств позволяет применять его для стабилизации всякого рода эмульсий и суспензий, разрушающихся от замораживания [15].
Добавление небольших количеств (0,1 - 0,2) % альгината в состав кремовых смесей улучшает их взбиваемость, и, кроме того, они становятся более однородными и устойчивыми; введение альгинатов в состав соусов, майонезов, провансалей, сливочных сыров и кремов делает их более однородными и предохраняет от расслаивания при хранении. Добавление (0,1 - 0,15) % альгината натрия в состав варенья, дже-
мов, повидл эффективно предохраняет их от осаха-ривания [9].
Имеются данные о введении (0,1 - 0,15) % водорастворимых альгинатов в состав теста для торможения процесса черствения хлеба и кондитерских изделий. Остальные органические вещества (клетчатка, азотсодержащие вещества, липиды, красящие вещества и др.) в технологии имеют второстепенное значение, поэтому описание их здесь не приводится.
В медицине стабилизирующие свойства альгината натрия позволяют применять стерильные его растворы (2 - 5) % для приготовления разнообразных мазей, жидкости от ожогов; марлей и ватой, пропитанными в стерильных условиях раствором альгината, можно останавливать кровотечения. Стерильный порошок альгината натрия используют для обработки ран как осушающее и кровеостанавли-вающее средство.
В качестве связующего вещества альгинат натрия применяют при изготовлении таблеток, оболочек для пилюль [9].
В косметике растворы альгината натрия и аммония применяют при изготовлении составов для косметических масок и укладки волос.
Альгинат натрия находит широкое применение в текстильной промышленности, где его используют вместо крахмала. На основе альгинатов, могут быть изготовлены прочные и эластичные пряжа и ткань. Пленки альгинатов, получаемые на поверхности бумаги или картона, существенно улучшают их свойства. В биотехнологии альгинат натрия с успехом применяется для иммобилизации клеток.
Установлено, что на основе альгинатов можно получать прозрачную прочную пленку, более эластичную, чем целлофан.
В качестве загустителя альгинаты натрия и аммония добавляют в состав декстринового и казеинового клея, а также в состав огнеупорных обмазок на основе растворимого стекла [16].
Характеристика отходов производства альгината. Комплексная переработка ламинариевых водорослей основана на их последовательной обработке водой и химическими реагентами. Последовательность этих процессов определяется химическими свойствами и растворимостью компонентов при различных рН среды и оптимальных условиях экстрагирования отдельных веществ, обеспечивающих выход и качество конечных продуктов, сохранение или улучшение их физико-химических и фармакологических свойств [26]. Также важна технология сохранения и транспортировки сырья от места его сбора до места переработки.
Получаемые при предварительной обработке сырья кислые экстракты (рН = 2,0 - 2,5) содержат растворенные вещества с концентрацией (8,0-9,0) г/ л, в которых доля маннита достигает 55 % [14].
При комплексной переработке водорослей воду, подкисленную соляной кислотой до концентрации 1 %, целесообразно использовать для обработки трех партий сухих водорослей. Этим достигается определенный уровень насыщения экстрактов,
содержащих маннит, свободные аминокислоты, минеральные соли и йод, а также экономия воды. После насыщения солянокислого экстракта, составляющего 12 % общего объема стоков, его направляют в технологический процесс, основными операциями которого являются: нейтрализация, фильтрация, упаривание, сушка с целью получения йодсодержащих препаратов, в состав которых также входят свободные аминокислоты, низкомолекулярные фракции альгината, маннит, минеральные элементы. При получении химически чистых продуктов (маннита, аминокислот) дополнительно применяют перекристаллизацию и их переосаждение.
Выход маннита марки ХЧ составляет 8 % в расчете на массу сухого исходного сырья; минерального остатка - (16 - 20) %; аминокислотного концентрата - 3 % от массы сухих водорослей, используемых в технологическом цикле. Комплекс минеральных солей, в состав которых входят хлориды калия, натрия, кальция, сульфатные и азотнокислые соли этих же элементов, а также йод и микроэлементы Со, Мо, Ы1, Ре, Мп и др., может быть использован как «морские натуральные соли» для лечебных ванн, в качестве сырья для получения йодсодержащих препаратов или очищенных кристаллических солей. Применяя в технологии переработки водорослей их предварительную промывку в пресной воде для удаления избытка солей, а затем обработку в растворе соляной кислоты, солянокислые экстракты целесообразно использовать для получения быстрорастворимой вкусовой приправы, содержащей необходимые вкусо- и ароматообразующие компоненты: глутаминовую кислоту, маннит, минеральные соли и йод.
Высушенные методом сублимационной или распылительной сушки экстракты используют в качестве компонента при создании различных композиций йодсодержащих биологически активных добавок, применяемых для ликвидации йоддефицита.
Кроме увеличения рентабельности производства в результате получения аминокислотного концентрата, маннита, быстрорастворимой вкусовой приправы и комплекса биологически активных веществ, возможно освоение замкнутого экологически чистого технологического цикла с целью экономии воды. На всех стадиях обработки бурых водорослей довольно большое водопотребление приходится на процессы промывки водорослей, предобработки кислотой, а также осаждения альгиновой кислоты и промывки ее геля от избытка кислоты. После промывки гель альгиновой кислоты обезвоживают прессованием, при этом подпрессовые воды уходят в общий суточный объем стоков, который при проведении этих процессов составляет 39,4 м3 на 1 тонну альгина-та натрия.
После очистки стоки альгинатного производства бесцветны, не имеют постороннего запаха, прозрачны. По показателям взвешенных частиц, ХПК, БПК соответствуют правилам приема в канализацию населенных пунктов. Содержание макро- и микроэлементов в сточных водах на этих этапах производства незначительно, или они присутствуют в количествах, не превышающих ПДУ, что соответствует требовани-
ям, предъявляемым к производственным сточным водам.
Применение электрохимического способа получение альгината натрия позволяет уйти от использования высококонцентрированных кислот и щелочей, и соответственно снизить количество вод на промывку и, следовательно, уменьшить количество сточных вод.
Применение отходов производства альги-ната натрия. При переработке ламинарии на альги-нат натрия остаток водорослей составляет 23 - 24 %.
в расчете на сухой вес материала, закладываемого в технологический процесс. Водорослевый остаток содержит азотистые, минеральные вещества, клетчатку, альгинат [16].
Азотистые вещества, входящие в состав отходов, содержат дефицитные для кормов аминокислоты (лизин), серосодержащие (цистеин и метио-нин) и аминокислоты, стимулирующие рост молодняка сельскохозяйственных животных (аргинин и пролин). Аминокислотный состав водорослевых остатков и наличие биогенных элементов в количествах, достаточных для балансирования минерального состава кормов, обеспечивают их кормовую ценность. Влажные водорослевые отходы содержат около 3,0 % альгината натрия, (рН = 9,0), и в связи с этим обладают высокой водоудерживающей способностью, содержат воды (92 - 96) %, что затрудняет их обезвоживание и сушку, а также использование в необработанном виде.
Однако после дополнительной обработки водорослевых остатков сточными водами, которые содержат кальций, образуется альгинат кальция и отделяется вода. Остаток гранулируют и направляют в сушилки кипящего слоя, где сушат до содержания воды (15 - 18) %, а затем измельчают. Готовый продукт представляет собой порошок [26].
Кормовой порошок из отходов альгинатно-го производства обладает биологической ценностью, так как отношение суммы незаменимых аминокислот к заменимым составляет 47 %. Его используют в качестве белково-минеральной добавки для балансирования состава кормов.
Твердые водорослевые остатки от альги-натного производства целесообразно использовать для получения гидролизатов методом солянокислого гидролиза. Гидролизаты следует направлять на производство глутаминовой кислоты при условии содержания ее в гидролизате не менее 2 %. По аминокислотному и микроэлементному составу, содержанию свободных сахаров гидролизаты из водорослевых отходов рекомендовано использовать при производстве глутаминовой кислоты методом микробиологического синтеза, а также в качестве пищевой и кормовой добавки [26].
С целью организации безотходной комплексной переработки водорослей было предложено использовать отход-полуфабрикат, полученный после экстрагирования альгината натрия, в качестве сырья для биотехнологическиой промышленности.
Эта биомасса богата углеводами, макро и микроэлементами, аминокислотами и может служить основой для создания жидких и твердых пита-
тельных сред, особенно после электрохимической обработки эти компоненты становятся более доступными для микроорганизмов, а потому и ферментация микроорганизмов на таких средах пройдет с большим выходом целевых продуктов.
Ферментативный гидролиз водорослей. Для эффективного гидролиза растительных клеточных стенок, представляющих собой многокомпонентную систему из фибрилл целлюлозы (1,4-р-Э-глюкан), пектиновых веществ, представленных альгиновой кислотой (Р-Б-маннуроновая и а-Ь-гулуроновая кислоты), сульфатированных полисахаридов (Р-1,2-, р-1,3-, р-1,4-фукан с небольшим количеством галактозы и других минорных сахаров) и белкового компонента, необходим целый комплекс ферментов.
Это в основном гидролитические ферменты, относящиеся по субстратной специфичности к разным классам: целлюлазам, гидролизующим 1,4-р-Б-глюканы, и амилазам - 1,4-а-Б-глюканы, пектиназам и протеазам.
Роль пектиновых веществ в матриксе клеточной стенки бурых водорослей выполняет альгиновая кислота, а ферменты, гидролизующие пектиновые вещества (полигалактуроновые кислоты) и альгиназы (полиманнуроновые и гулуроновые кислоты) относятся к одному подклассу ферментов и имеют одинаковый механизм действия [17].
Основываясь на обычной для гидролитических ферментов широкой специфичности действия, можно предположить возможность гидролиза перечисленных выше компонентов клеточных стенок водорослей известными ферментными препаратами, применяющимися на сегодняшний день в других отраслях промышленности.
Поиск ферментов, гидролизующих полисахариды морских организмов, начался еще в первой половине 20 века. Высокая специфичность ферментов была необходима для изучения структуры гидроли-зуемых полисахаридов. Такие ферменты были изолированы преимущественно из морских организмов, моллюсков и бактерий, использующих водоросли в качестве питательных веществ [18].
Гидролитические ферменты, специфичные к полисахаридам водорослей. Ферменты класса О-гликозид гидролаз - полисахаридгидролизующие ферменты: альгиназы, альгитанлиазы, гиалуронидазы, фукоидан-гидролазы, 1,6-р-глюканазы, эндо- и экзо-1,3-р-глюканазы до сих пор остаются наименее изученными по сравнению с широко известными представителями класса О-гликозид гидролаз - лизоцима-ми и амилазами [19]. Они деполимеризуют полисахариды, разрывая гликозидные связи между их мономерами.
1,3-р-Глюканазы (БС 3.2.1.39) катализируют гидролиз полисахаридов, содержащих 1,3-в-Б-О-глюкозидную связь (1,3-в-Б-глюканов) [19]. Уникальными источниками этих ферментов оказались кристаллические стебельки морских двустворчатых моллюсков. Наиболее детально изучены 1,3-в-глюканазы из морских моллюсков Spisula sachalinensis и Chlamys albidus, соответственно. Являясь типичными гидролазами, 1,3-в-глюканазы морских организмов, отличаются от наземных ферментов
подобного действия высокой способностью к катализу реакции трансгликозилирования - переносу гликоновой части субстрата на гидроксилсодержа-щие вещества. Кроме того, у изучаемых ферментов была обнаружена гликозил-трансферазная (или вет-вящая) активность. Продуктами этой реакции для изучаемых эндо-1,3- ß -глюканаз являются более высокомолекулярные, чем исходный ламинаран, разветвленные фракции 1,3;1,6-0-Б-глюканов. Глю-каны, полученные путем обработки природных ла-минаранов бурых водорослей глюканазами обладают радиопротекторной и иммуномодулирующей биологической активностью [20].
Показано, что в пищеварительных трактах наземных моллюсков наряду с эндо- обязательно встречается экзо-1,3-в-глюканаза. Все исследованные морские беспозвоночные содержали только эндо-1,3-#-глюканазы. Отсутствие у морских организмов экзо-1,3-#-глюканазы, которая обеспечивает организм глюкозой, компенсируется особым свойством эндофермента морского организма производить большое количество глюкозы [21].
Гидролиз ламинарана бурых водорослей 1,3-#-глюканазой грибного происхождения представлен уже в 1962 году [22]. Единственным продуктом полного ее расщепления была глюкоза, что говорило о присутствии комплекса ферментов различного действия или же фермента с низкой специфичностью.
a-L-фукозидаза (EC 3.2.1.51) - гидролизует фукоидан и фукоолигосахариды до a-L-фукозы. Данные о фукозидазах морских организмов скудны, а активности обнаруженных ферментов невелики [19]. Фукоиданазная активность обнаружена у нескольких штаммов Pseudoalteromonas citrea. Vibrio sp. 5 и аэробного Flavobacterium sp. [25], а также у моллюска Pecten maximus [26]. Полученные частично очищенные ферменты способны гидролизовать фукоидан в широком диапазоне значений рН с оптимумом при рН 6.5-7.0 [23] и являются внутриклеточными ферментами.
Внеклеточные ферменты получены из штамма Fucobacter marina; это комплекс ферментов, содержащих эндо- a-D-маннозидазу и фукоглюуро-номаннанлиазу, гидролизующей О-гликозидную связь между D-маннозой и D-глюкуроновой кислотой, а присутствие сульфатированной фукозы необходимо для субстратного узнавания [25].
Все фукоидан-гидролизующие ферменты выделены из морских организмов, наземные организмы, видимо, не обладают способностью к специфичному гидролизу этих полисахаридов. Альги-нат лиаза (EC 4.2.2.3) - гидролизует (1,4)-гликозидную связь ß-маннуроновой и a-гулуроновой кислот. Альгиназа была изолирована из морских микроорганизмов и животных. Бактериальная альгиназа синтезируется у представителей рода Pseudomonas: P. mendocina, P. putida и P. malto-phila, Azotobacter vinelandii, Beneckea pelagia, Altermonas sp., Bacillus circulans. Моллюск Littorina sp. и Haliotis (Haliotus rufescens и H. corrugata) являются животными источниками этого фермента.
Перечисленные бактерии синтезируют преимущественно внутриклеточные ферменты, которые способны гидролизовать внутриклеточные полисахариды самих бактерий. Они могут иметь несколько изоформ и чаще действуют преимущественно на по-лиманнуроновую кислоту или гетерополимер. Ферменты, выделенные из моллюсков также содержат изоформы, проявляющие различную субстратную специфичность. Экзоальгиназы предпочтительно гид-ролизуют полигулуроновые кислоты.
Ферменты, специфически гидролизующие полисахариды клеточной оболочки водорослей, активно исследуются, но пока не находят применения в промышленности, в связи с чем не разработаны промышленные методы их получения.
Выводы
Бурые водоросли являются перспективным сырьем для получения маннита, альгиновой кислоты, альгината натрия. Вторичные ресурсы переработки бурых водорослей пригодны для биотехнологической переработки.
Литература
1. J.L. Fortman, Swapnil Chhabra, Aindrila Mukhopadhyay, Howard Chou, Taek Soon Lee, Eric Steen, Jay D. Keasling, Trends in Biotechnology, 2б, 7, 375-381 (2008).
2. E.Д.Облyчинскaя. Дис. канд. фарм. наук, Санкт-Петербург, 2004. 213 с.
3. И.А. Хусаинов, З.А. Канарская, Вест. Казан. технол. унив., 17, б, 208 - 213 (2014).
4. АОВК: Архангельский Опытный Водорослевый Комбинат, ГУП, 1999-2009. Режим доступа к журн.: http://21758.ru.all-biz.info/
5. Патент РФ. 2078579 (1994).
6. E3. Куприна. Дис. д-ра техн. наук, СПбХИ (ГУ), Санкт-Петербург, 2007. 40 с.
7. P. Vauchel, K. Leroux, R. Kaas, A. Arhaliass, R. Baron, J. Legrand, Bioresource Technology, 100, 1291-129б (2009).
8. Peggy Vauchel1, Abdellah Arhaliass, Jack Legrand, Raymond Kaas, Regis Baron, Journal of Phycology, 44, 2, 515517 (2008).
9. Современное отечественное и зарубежное производство продукции из водорослей. Обработка рыбы и морепродуктов. Рыбное хозяйство. Вып. 4. 46 с. (1989).
10. Пат. РФ. 2197249 (2003).
11. Е.А. Буркова, А.В. Канарский, З.А. Канарская, Вест. Казан. технол. унив, 17, 14, 352 - 357 (2014).
12. И.А. Наумов, А.В. Гарабаджиу, Е.Э. Куприна, З.А. Канарскя, Вест. Каз. технол. унив, 17, 8, 206 - 210 (2014).
13. А.И. Кириллов, И.А. Наумов, А.В. Гарабаджиу, Е.Э. Куприна, А.И. Кириллов, З.А. Канарская, Вест. Казан. технол. унив, 17, 1, 188 - 193 (2014).
14. Ю.В. Марьяновская, Н.Н. Севастьянова, Учён. зап. Института СХПР НовГ У, 14, 3, (2006).
15. М.С. Петров, Бурые водоросли в биотехнолии. Химия, Санкт-Петербург, 2002. 20 с.
16. М.В. Суховеева, А.В. Подкорытова, Промысловые водоросли и травы морей Дальнего Востока: биология, распространение, запасы, технология переработки. ТИНРО-центр, Владивосток, 2006. 243 с.
17. L. Maria, I. Bilan, Alexey A. Grachev, Alexander S. Shashkov, Nikolay E. Nifantiev, I. Anatolii, Carbohydrate Research. 341, 238-245 (2006).
18. I.Yu. Bakunina, O.I. Nedashkovskaya, S.A. Alekseeva, E.P. Ivanova, L.A. Romanenko, N.M. Gorshkova, V.V. Isa-kov, T.N. Zvyagintseva, V.V. Mikhailov, Mikrobiologiya, 71, 1, 49-55 (2002).
19. T.A. Kuznetsova, N.M. Shevchenko, T.N. Zvyagintseva, N.N. Besednova, Khimioter, 49, 5, 24-30 (2004).
20. И.Ю. Бакунина, Вестник ДВО РАН, 6, 105-110 (2006).
21. I.Yu. Bakunina, O.I. Nedashkovskaya, S.A. Alekseeva, E.P. Ivanova, L.A. Romanenko, N.M. Gorshkova, V.V. Isa-kov, T.N. Zvyagintseva, V.V. Mikhailov, Mikrobiologiya, 71, 1, 49-55 (2002).
22. H.A. Ушакова, Г.Е. Морозевич, H.E. Устюжанина, М.И. Билан, А.И. Усов, Н.Э. Нифантьев, М.Е. Преображенская, Биомед. Химия, 54, 5, 597-606 (2008).
23. I. Yu. Bakunina, O. I. Nedashkovskaya, S. A. Alekseeva, E. P. Ivanova, L. A. Romanenko, N. M. Gorshkova, V. V. Isakov, T. N. Zvyagintseva, V. V. Mikhailov, Microbiology, 71, 1, 41-47 (2002).
24. Т.И. Имбс. Автор. дисс. к.х.н., Владивосток, 2010. 122 с.
25. T.N. Zvyagintseva, Applied Biochemistry and Microbiology, 42, 5, 484-491 (2006).
26. R. Daniel, Glycobiology, 12, 4. 273-282 (2002).
© И. А. Наумов - научный сотрудник ОАО «ГИПРОРЫБФЛОТ», г. Санкт-Петербург, [email protected]; Е. А. Буркова -аспирант каф пищевой биотехнологии КНИТУ, [email protected]; З. А. Канарская - канд. тех наук, доц. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, [email protected]; А. В. Канарский - д-р техн. наук, проф. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, [email protected].
© I. A. Naumov - research associate of JSC "GIPRORYBFLOT", St. Petersburg, [email protected]; E. A. Burkova- graduate, Department of Food Biotechnology, KNRTU, [email protected]; Z. A. Kanarskaya - Ph.D, Associate Professor, Department of Food Biotechnology, KNRTU, [email protected]; A. V. Kanarskii - Dr. technical sciences, Prof., Department of Food Biotechnology, KNRTU, [email protected].
