Винь разработка технологии гелеобразующих сульфатированных галактанов из культивируемых красных водорослей-каррагинофитов родов kappaphycus и eucheuma
На правах рукописи
ФАН ТХИ КХАНЬ ВИНЬ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИХ СУЛЬФАТИРОВАННЫХ ГАЛАКТАНОВ ИЗ КУЛЬТИВИРУЕМЫХ КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ-КАРРАГИНОФИТОВ РОДОВ KAPPAPHYCUS И EUCHEUMA Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в лаборатории биохимии и технологии рыб, беспозвоночных и водорослей ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «ВНИРО»).
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Подкорытова Антонина Владимировна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, ст.н.с.
Маслова Галина Васильевна доктор технических наук, ст.н.с.
Кадникова Ирина Арнольдовна
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Центр "Биоинженерия" РАН
Защита состоится: «26» декабря 2011 года в 11 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 307.004.03 при ФГУП «Всероссийский научно исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «ВНИРО») по адресу: 107140, г. Москва, ул. Верхняя Красносельская, дом 17.
Факс: (499) 264-91-87;
e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «ВНИРО»)
Автореферат разослан « 25 » ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Татарников В.А
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы (работы). Водорослевые гидроколлоиды широко применяют в пищевой промышленности при создании мясных, молочных, рыбных и гелеобразных продуктов с заданными структурами и свойствами (Беликов В.М. и др., 1969;
Толстогузов В.Б. и др., 1985;
Рогов И.А., Горбатов А.В., 1990;
Богданов В.Д., 1990). Прирост населения, умеренный экономический рост его благосостояния, а также развитие пищевой промышленности приводят к возрастанию потребности в природных гидроколлоидах (МсHugh, 2003). Кроме создания пищевых продуктов с заданной структурой, они придают продуктам определенный вкус и лечебно-профилактические свойства (Nagumo, 1996). В связи с этим в мире активно разрабатываются и совершенствуются технологии промышленного производства гидроколлоидов из сырья растительного происхождения.
Среди множества растительных объектов важное место принадлежит красным водорослям, которые являются уникальным сырьем для производства фикоколлоидов – в том числе каррагинанов различных типов (Zemker-White, Ohno, 1999). Последние десятилетия характеризуются заметным истощением запасов естественных популяций красных водорослей, поэтому возникла проблема, связанная с развитием марикультуры высокопродуктивных быстрорастущих теплолюбивых их видов, в том числе каррагинофитов Kappaphycus и Eucheuma (Блинова, 1990;
Iain C. Neish, 2005). По данным статистики ежегодно только во Вьетнаме выращивают более 3200 тонн в сухом весе этих ценных каррагинофитов. Практически все выращиваемые водоросли реализуются за рубеж, а для удовлетворения внутренних потребностей каррагинаны импортируют в связи с отсутствием технологии его производства (Nang, 1994;
Nang, 1998;
Dang et al., 2007). В дальневосточных российских морях имеются запасы красных водорослей-каррагинофитов рода Chondrus.
Разработана технология производства каппа-каррагинана из Сhondrus armatus и установлено, что природный полисахарид этой водоросли – это каппа- (-) и йота- (-) гибридная форма каррагинана (Подкорытова, Кадникова, Усов, 1995).
Однако запасы этих водорослей недостаточны для добычи и организации стабильного крупно масштабного производства, что приводит к необходимости импорта каррагинанов. В связи с этим, возникает стойкая зависимость российской промышленности от других стран, что вызывает необходимость изучения новых для России видов высокопродуктивных каррагинофитов – Kappaphycus spp. и Eucheuma spp., культивируемых в странах тропического пояса. Кроме того, в научной литературе не достаточно данных с исчерпывающей и систематической физико-химической характеристикой этих видов и разработанных технологий производства каррагинанов из красных водорослей-каррагинофитов, выращиваемых в разных регионах, а также в разные сезоны и сроки.
Таким образом, разработка и внедрение технологии каррагинанов, получаемых из культивируемых красных водорослей – каррагинофитов в разные сроки и сезоны сбора, а также в различных районах – актуальны и экономически целесообразны в связи с возможностью широкого спектра их использования, а также решением проблем безотходной технологии их переработки.
Целью работы является разработка технологии производства сульфатированных гелеобразующих полисахаридов – - и - каррагинанов, фикобилипротеинов из культивируемых красных водорослей - родов Kappaphycus и Eucheuma и рекомендаций по использованию продуктов их комплексной переработки.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
- провести комплексные исследования общего химического, моносахаридного состава и технологических свойств культивируемых красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma, выращенных в разные сроки, сезоны в прибрежной зоне Южного Вьетнама;
- разработать рациональные режимы экстрагирования - и - каррагинанов из красных водорослей Kappaphycus и Eucheuma ;
- разработать рациональные условия осаждения - и - каррагинанов;
- обосновать и разработать оптимальные режимы прессования геля каррагинана;
- разработать способ и обосновать рациональные режимы получения пигментов – фикобилипротеинов из каррагинофитов;
- идентифицировать фикобилипротеины и их состав;
- исследовать физико-химические свойства каррагинанов, выделенных из каррагинофитов после экстракции пигментов;
- разработать рекомендации по использованию геля каррагинана и водорослевых остатков;
- разработать техническую документацию (ТУ и ТИ) на воздушно-сухие водоросли Kappaphycus, Eucheuma и производство - и - каррагинанов;
- рассчитать прогнозируемый экономический эффект производства - и каррагинанов из красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma.
Научная новизна.
1. Установлено, что основным фактором, влияющим на качество каррагинана, получаемого из культивируемых водорослей рода Кappaphycus является сезонность их выращивания.
2. Установлены рациональные режимы экстрагирования и осаждения природных каррагинанов из Kappaphycus и Eucheuma со степенью экстракции их до 95±1% и с сохранением природной прочности гелей (до 900 г/см2), позволяющие получать - и - каррагинаны в одном технологическом цикле.
3. Впервые показано, что во всех пигментсодержащих экстрактах из Kappaphycus и Eucheuma содержатся R-фикоэритрин тип I (три максимума поглощения при 498 нм, 533-534 нм и 563 нм), R-фикоцианин с одним максимумом при 615-618 нм и аллофикоцианин с плечом в 651 нм, концентрации и соотношения которых обусловливают различие разновидностей K.striatum (Sacol green и Sacol brown).
4. Экспериментально обоснованы рациональные режимы поэтапного получения фикобилипротеиновых комплексов и каррагинанов, обеспечивающих комплексное извлечение биологически активных компонентов.
Практическая значимость работы. На основании результатов исследований разработана технология получения сушеных порошкообразных - и - каррагинанов и геля -каррагинана. Разработана и утверждена техническая документация: ТУ 9284-018-00472124-11 «Каппафикус сушеный», ТУ 9284-20 00472124-11 «Эухема сушеная», ТУ 9284-024-00472124-11 «-каррагинан пищевой» ТИ к ТУ 9284-024-00472124-11 на производства -каррагинана, ТИ к ТУ 9284-024-00472124-11 на производство геля -каррагинана, ТУ 9284-025 00472124-11 «-каррагинан пищевой», ТИ к ТУ 9284-025-00472124-11 на производство -каррагинана. Новизна технического решения отражена в заявке № 2011108971 на патент «Способ переработки красных водорослей». Проведен расчет экономической эффективности производства готовой продукции, изготовленной в соответствии с разработанными технологиями.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты исследований общего химического и моносахаридного состава биомасс каррагинофитов родов Kappaphycus и Eucheuma, выращиваемых в разных условиях в прибрежной зоне Южного Вьетнама, предназначенных для выбора сырья при производстве высококачественных каррагинанов.
Научно обоснованные режимы получения - и - каррагинанов, а также фикобилипротеиновых комплексов из каррагинофитов родов Kappaphycus и Eucheuma.
Рекомендации по комплексной переработке каррагинофитов, использованию водорослевых остатков и применению -каррагинана в технологии рыбных паштетов.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на V Московском Международном Конгрессе по биотехнологии «Биотехнология состояние и перспективы развития» (Москва, 2009);
Научно-практической конференции «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество» (Светлогорск, 2009);
«20th International Seaweed Symposium» (Ensenada, Baja California, Mexico, 2010);
Международной конференции «Освоение водных биологических ресурсов Арктики и международное сотрудничество», (Тромсе, Норвегия, 2010);
VIII Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2011);
Международной научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология - для здорового питания и решения медико-социальных проблем» (Cветлогорск, 2011);
IV Международной конференции «Морские прибрежные экосистемы. Водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки» (Южно-Сахалинск, 2011).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 2 статьи, 6 материалов конференций, 1 заявка на патент РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 151 страницах, включает 33 таблицы, 37 рисунков, содержит приложений на 60 страницах. Список литературы включает 238 литературных источников, в том числе 129 зарубежных авторов. В приложении приведены техническая документация, акты о выпуске опытных партий продуктов, заявка на патент, протоколы, расчеты прогнозируемой экономической эффективности, спецификация оборудования для линии производства каррагинана.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность исследований.
В первой главе «Обзор литературы» рассмотрены физико-химические свойства каррагинанов, структура полисахаридов, способы и технологии их получения. Показаны направления применения каррагинанов в различных отраслях промышленности. Рассмотрены химический состав каррагинофитов и факторы, влияющие на качество сырья и продуктов из них. Проведен анализ сырьевой базы в России и за рубежом. Рассмотрена техника культивирования каррагинофитов во Вьетнаме. Определена необходимость разработки технологии получения каррагинанов из красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma, культивируемых в разные сроки и сезоны. Сформулированы цели и задачи исследований.
Во второй главе «Объекты и методы исследований» представлена схема проведения исследований (рис. 1), описаны их методы и объекты.
Анализ современного состояния сырьевой базы, технологии переработки каррагинофитов и применения продуктов их переработки Исследование показателей Изучение Исследование факторов, влияющие на химический безопасности водорослей химического состав каррагинофитов и химико-технологические состава свойства (ХТС) природных каррагинанов каррагинанов Изучение общего и их химического и физических моносахаридного состава свойств (ФС) Изучение Изучение влияния Разработка технологий Разработка спектров гидромодуля, получения к- и -каррагинанов технологии поглощения температуры и постадийного фикобили продолжительности получения пигментов Каррагинаны протеинов экстракции на выход каррагинанов и реологические Изучение свойства экстракции Изучение химического состава, Водорослевые технологического пигментов на показателей безопасности и ФС остатки геля ХТС каррагинанов Изучение влияния концентрации соли Разработка рекомендаций по Разработка рекомендации на свойства применению каррагинанов в применения водорослевых остатков в технологического технологии кормовых и гелевых технологии рыбных паштетов геля продуктов Изучение процесса прессования геля Разработка рецептур -каррагинана Разработка технической документации продуктов Рис. 1. Общая схема проведения исследований В качестве объектов исследований использовали 25 образцов Кappaphycus alvarezii, Кappaphycus striatum и Eucheuma denticulatum. К.striatum представлен тремя разновидностями Sacol green, Sacol brown и payaka, отличающихся внешне окраской талломов, и, как предполагалось, свойствами каррагинанов. Все перечисленные водоросли выращивали в разные сроки и сезоны в прибрежной зоне Южного Вьетнама. Кроме того, использовали сухой порошок их красных водорослей Meristotheca papulosa – Южная Корея. Исследовали полученные - и - каррагинаны, фикобилипротеиновые комплексы и продукты с их использованием.
Для оценки химического состава красных водорослей, экстрактов из них, каррагинанов и водорослевых остатков, а также для измерения прочности, цвета гелей, температуры плавления и гелеобразования использовали стандартные методы - ГОСТ 26185. Кроме того, использовали современные инструментальные методы исследований, в том числе спектрофотометрические, ГЖХ, реологические и др.
Общее содержание азотистых веществ в образцах определяли по методу Кьельдаля с применением автоазотоанализатора шведской фирмы FOSS Analytical AB, модель FOSS 2300. Определение содержания каррагинана в биомассе водорослей и их остатке проводили по методике (Подкорытова, Кадникова, 2009). Моносахаридный анализ биомассы водорослей, природного каррагинана, образцов - и - каррагинанов фирмы Сигма определяли методом ГЖХ (Усов, Элашвили, 1991). Эксперименты были выполнены в институте органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, г. Москва под руководством д.х.н., профессора Усова А.И.
Цвет геля каррагинана определяли на спектрофотометре APEL PD 303S.
Прочность технологического геля каррагинана и -каррагинана измеряли на приборе Валента. Вязкость гелей - и - каррагинанов измеряли на вискозиметре Брукфельда модель LVDVII+ при температуре 800C, 400C, 200C, со скоростью движения шпинделя 60 об./мин. Степень синерезиса геля освежителя определяли по методике (Lin, 1977). Экстракты и гели сушили методом сублимационной сушки на лабораторной лиофильной установке Consol 12, Virtis, США, в интервале температур от минус 30°С до плюс 40°С, под вакуумом.
Спектры поглощения фикобилипротеиновых комплексов в визуальных и ультрафиолетовых областях были сняты на спектрофотометре CARY 100 Bio.
Для концентрирования и удаления низкомолекулярных примесей пигментсодержащие экстракты фильтровали с помощью ультрафильтратора KIKA Labortechnik ISM 821A V3.00 с размером пор мембран 10 кДа.
Водоудерживающую способность рыбных паштетов определяли весовым методом (ГОСТ 7636). Органолептическую оценку рыбных паштетов проводили профильным методом (Сафронова, 1998). Энергетическую ценность консервов рассчитывали по таблицам академика Покровского А.А. (Покровский, 1986).
Показатели безопасности водорослей, экспериментальных каррагинанов, водорослевых остатков и рыбных паштетов проводили согласно СанПин 2.3.2.1078. Содержание тяжелых металлов и микробиологические показатели анализировали согласно существующим ГОСТам.
Для определения оптимальных параметров прессования геля каррагинана применяли метод центрально композиционного ортогонального планирования (ОЦКП) для трех факторов (Грачев, 2005). Для математической обработки результатов экспериментов использовали пакет прикладных программ по статистической обработке экспериментальных данных «Microsoft Excel» - 2003, Origin 6.0. Расчет экономической эффективности проводили в соответствие с методическим указанием по расчету основных экономических показателей для предприятий пищевых производств (Бобриков, 2006).
Глава 3. Обоснование и разработка технологии каппа- и йота каррагинанов. Результаты исследований общего химического и моносахаридного состава 20 образцов красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma показали, что водоросли Kappaphycus spp. и E.denticulatum содержат и - каррагинан, соответственно, моносахаридный состав которых практически совпадает с известными - и - каррагинанами фирмы Сигма. В связи с различиями в химической структуре, составе моносахаридов и физико химических свойствах каррагинанов, выделенных из культивируемых Kappaphycus spp. используют для получения -каррагинана, а E.denticulatum – для получения -каррагинана.
Исследования биомассы также показали, что моносахаридный состав K.alvarezii и K.striatum, культивируемых в районах Khanh Hoi, Nhon, Phuong Cu прибрежной зоны Южного Вьетнама и содержание в них каррагинана практически идентичны (табл. 1). В связи с этим, одновременно использовать их в одном цикле производства -каррагинана.
При сравнении моносахаридного состава биомассы К.striatum разновидностей Sacol green и Sacol brown не обнаружено существенных различий в углеводном составе. Установлено, что разновидности Sacol green и Sacol brown различаются только пигментной системой, и поэтому могут быть также использованы в виде смеси при производстве -каррагинана.
Таблица 1 - Химический состав красных водорослей рода Kappaphycus, выращенных в прибрежной зоне Южного Вьетнама Содержание, % от сухой массы Ссезон Район Срок, Моносахаридный состав дни Общий химический состав A/G метилгалактоза минеральных каррагинана галактоза манноза глюкоза веществ 3,6-AG SO3Na выращивания белка 6-0 Образец К. alvarezii 45 ХД KH 48,2 7,7 43,2 9,4 1,02 0,63 1,01 14,1 9,2 0, К. alvarezii 45 ХД KN 35,3 6,3 48,0 8,2 1,00 0,71 1,33 13,9 8,7 0, К. alvarezii 45 ХД PC 44,1 8,0 49,0 9,4 1,52 0,53 1,19 14,7 9,8 0, К. alvarezii 45 ЖС CR 31,6 3,7 36,5 6,9 0,59 0,37 0,96 11,1 8,1 0, К. alvarezii 60 ЖС CR 46,3 4,8 48,5 6,6 1,13 следы 3,09 14,2 8,9 0, К. alvarezii 90 ЖС CR 46,3 7,0 39,0 7,8 0,96 0,80 1,19 15,9 7,8 0, К. striatum 45 ЖС CR 32,2 4,3 41,9 7,4 0,73 0,44 0,78 11,0 9,3 0, payaka К. striatum 60 ЖС CR 52,8 4,3 41,1 5,2 0,80 следы 2,38 10,7 6,3 0, payaka К. striatum 90 ЖС CR 53,6 3,4 32,6 7,5 0,98 0,42 1,65 14,1 7,0 0, payaka К. striatum 45 ХД KH 44,5 8,9 42,2 8,9 0,67 0,27 0,79 12,6 9,9 0, Sacol green К. striatum 45 ХД KN 47,2 6,2 42,6 8,6 0,61 0,40 1,31 13,1 8,7 0, Sacol green К. striatum 45 ХД KH 44,2 11,4 43,5 8,9 0,74 0,36 0,80 13,1 8,9 0, Sacol brown К. striatum 45 ХД KN 44,3 9,5 42,9 8,7 0,68 0,42 1,08 13,1 8,5 0, Sacol brown E.denticulatum 45 ХД KH 49,1 6,28 40,7 5,55 Отсу 0,40 1,40 15,0 12,6 0, тств.
E.denticulatum 45 ХД KN 46,2 9,04 41,1 5,37 Отсу 0,49 0,74 13,9 12,7 0, тств.
Примечание: 1. 3,6-ангидрогалактоза;
2. соотношение 3,6-ангидрогалактоза к галактозе;
ХД-«холодно дождливый» сезон;
ЖС-«жарко-сухой» сезон;
KH- район Khanh NHon;
KN-район Khanh Hoi;
PC-район Phuong Cu;
CR- район Сam Ranh С другой стороны были обнаружены значительные различия в содержании каррагинана в водорослях K.alvarezii, культивируемых в течение 45 и 60 дней (табл. 1), что указывает на необходимость сортировки сырья по срокам выращивания при его заготовке для производства каррагинанов.
При сравнении прочностей гелей природных каррагинанов, полученных из К.alvarezii в пределах одного сезона и срока выращивания различий в этом показателе в зависимости от места выращивания не обнаружено. Однако прочности гелей каррагинанов, полученных из водорослей, выращенных в разные сезоны, существенно отличаются. Гели 2%-ных растворов каррагинанов, выделенных из водорослей, выращенных в «холодно-дождливый» сезон, обладают большей прочностью по сравнению с таковыми из водорослей, выращенных в «жарко-сухой» сезон. Для K.alvarezii прочность гелей составляет 5,9x104 Н / м2 (600 г/cм2), а для K.striatum 7,8x104-9,1x104 Н /м2 (800-930 г/cм2) (табл. 2), что вероятно, это связано с различием температур в «холодно дождливый» сезон (15-240С) и «жарко-сухой» сезон (26-370С).
Таблица 2 - Характеристика природного каррагинана, полученного из водорослей рода Kappaphycus, выращенных в разных условиях Вид водоросли Район Срок, Сезон Физические свойства 2%-ного раствора дни каррагинана температура, 0С выращивания прочность, г/cм плавления гелеобразования Khanh «холодно- 600 56 Nhon 45 дождливый» Cam «жарко- 360 54 K.alvarezi Ranh сухой» Khanh 430 49 Hoi 60 «жарко сухой» Cam 390 50 Ranh K.striatum, Khanh 45 «холодно- 800 58 Sacol brown Hoi дождливый» Khanh «холодно- 930 58 K.striatum, Hoi 45 дождливый» Sacol green Cam «жарко- 390 52 Ranh сухой» Полученные данные свидетельствуют о необходимости разделять по сортам сырье, выращенное в разные сезоны, при заготовке каррагинофитов для производства каррагинанов. Эти же особенности сырья, необходимо учитывать при разработке технологического процесса производства каррагинанов.
Каррагинаны – это сульфатированные полисахариды, растворяющиеся в воде. В связи с этим для получения высокого выхода качественных каррагинанов, процесс водного экстрагирования а Степень экстрагирования изучали при температуре 60-900С.
каррагинана, % ГМ 1:40, 60°C Полученные результаты показали, ГМ 1:40, 90°C ГМ 1:60, 90°C что процесс экстрагирования ГМ 1:60, 80°C ГМ 1:60, 60°C каррагинанов из водорослей K.alvarezii и E.denticulatum 0 10 20 30 40 50 Продолжительность, мин проходил интенсивно в течение б Степень экстрагирования минут со средней степенью их каррагинана, % ГМ 1:40, 60°C извлечения 66±2% (рис. 2а, б).
40 ГМ 1:40, 90°C 30 ГМ 1:60, 90°C Динамика экстракции каррагинана ГМ 1:60, 80°C ГМ 1:60, 60°C 900С) при ГМ 1:40 (Tэкст 0 10 20 30 40 50 Продолжительность, мин аналогична процессу при ГМ 1: Рис. 2. Динамика экстракции каррагинана из K.alvarezii (а) и E.denticulatum (б) (Tэкст 800С). В течение 60 минут экстрагируется до 78±4% каррагинанов из этих видов водорослей.
С целью повышения степени экстрагирования каррагинана исследовали этот процесс в интервалах: продолжительность от 1 до 4 ч, гидромодуль 1:40 и 1:60, температура 80, 85 и 900С. Процесс также контролировали по выходу и реологическим свойствам технологического геля. При увеличении гидромодуля от 1:40 до 1:60, выход каррагинана из K.alvarezii, Е.denticulatum увеличивается в среднем на 25%, 33%, соответственно (рис. 3). Диффузионное равновесие наступает после двух часов экстрагирования и при этом выход каррагинана из K.alvarezii и E.denticulatum достигает 43,5% и 50,0% от сухой массы, соответственно. Степень экстрагирования каррагинана из них составляет 95±1%.
При увеличении гидромодуля до 1 технологический гель слабо структурируется, прочность его составляет 4,4 x 103 Н /м2 (45 г/cм2). При последующей обработке наблюдаются потери каррагинана, что приводит к значительному снижению выхода продукта.
Рис. 3. Выход каррагинана при различных параметрах экстракции из водоросли K.alvarezii (a) и E.denticulatum (b) Таким образом, установлены рациональные параметры экстрагирования каррагинана из Kappaphycus и Eucheuma: температура – 90 ± 20С, гидромодуль – 1:60, продолжительность – 2 ч ± 15 мин.
Специфичными для -каррагинана являются катионы калия, в присутствии которых формируется прочная структура геля, а для -каррагинана - катионы кальция, участвующие в формировании эластичной структуры геля. С целью получения - и - каррагинанов осаждали полисахариды растворами KCl и СaCl из соответствующих экстрактов, содержащих природные каррагинаны. Кроме того, для каждого типа каррагинана существует своя критическая концентрация определенного катиона.
На основании результатов исследований влияния концентрации соли на реологические свойства технологического геля и содержание золы в полученных каррагинанах, установлены рациональные параметры процесса осаждения - и каррагинанов: 0,7 г хлорида калия и 0,4 г хлорида кальция, в расчете на 0,7 и 0,8 г сухих веществ в экстракте из K.alvarezii и E.denticulatum, соответственно.
Для повышения содержания сухих веществ до 10% в геле был применен механический способ его обезвоживания – прессование. Для определения оптимальных параметров прессования было изучено влияние трех факторов продолжительность, толщина слоя и нагрузка на степень удаления жидкости из геля с применением метода центрально композиционного ортогонального планирования (ОЦКП), в результате чего, было получено уравнение, описывающее зависимость изменения степени обезвоживания от параметров прессования:
Y = 56,91-9,16x1+15,93x2+4,53x3-3,54x1x2+8,99x12-5,10x где Y- степень обезвоживания, %;
x 1 – толщина слоя, м;
x 2 – продолжительность, ч;
x 3 – нагрузка, МПа.
Математическими вычислениями и анализом уравнения прессования геля -каррагинана было установлено, что оптимальными технологическими параметрами процесса прессования является нагрузка 0,03+0,01 МПа, продолжительность 15 ч и толщина слоя 0,01 м. Нагрузка регулируется в зависимости от используемых водорослей рода Kappaphycus, выращенных в «холодно-дождливый» или «жарко-сухой» сезоны в связи с большим различием в реологических свойствах технологических гелей каррагинанов (табл. 2).
При установленном режиме прессования содержание сухих веществ в геле повышается в 14±2 раз по сравнению с исходным значением, что позволяет расширить спектр его использования в пищевых системах. По внешнему виду гели прозрачные и бесцветные благодаря удалению до 46% минеральных и красящих веществ. При одинаковой продолжительности (24 ч) прессование позволяет, помимо сокращения затрат на электроэнергию, повысить содержание сухих веществ в 5 раз по сравнению со способом замораживания-оттаивания.
Известно, что -каррагинан содержит две сульфогруппы и является более гидрофильным по сравнению с -каррагинаном. Гель -каррагинана не подвержен к синерезису под механическим воздействием. В связи с этим, нами применен метод замораживания – оттаивания для концентрирования геля -каррагинана и удаления избытка минеральных и красящих веществ.
Каррагинаны, полученные по разработанной технологии, соответствуют предъявляемым требованиям по безопасности СанПиН 2.3.2.1078-01, стандарта JECFA (ФАО/ВОЗ) и Европейского стандарта. Результаты исследования физико химических свойств экспериментальных каррагинанов показали, что прочность и цвет гелей 2%-ного раствора пищевого каррагинана, полученного по разработанной технологии выше такового из C.armatus, но несколько меньше каррагинана из Е.сottonii (табл. 4).
Таблица 4 - Физико-химическая характеристика экспериментальных (ЭК) и коммерческого каррагинанов Каррагинан Содержание, Физические характеристики гелей каррагинанов % температура, 0С светопропускания ного р-ра, г/cм2** прочность 2% вязкость 1,5% ного р-ра, Па.с цвет, % плавления гелеобра белка золы зования Пищевой из Chondrus нет 22,0 300 - 73 61 armatus1 данных Пищевой, нет Филиппины2 из 26,7 820 - 85 54 данных Е.сottonii ЭК из K.alvarezii3 0,9 32,5 780 - 75 61 ЭК из E.denticulatum 1,2 36,4 - 8,8 78 61 Примечание: 1,2,3. Характеристика -каррагинана и его 2%-ного раствора геля;
4.
Характеристика -каррагинана и его 1,5%-ного раствора геля;
** 1 г /c м2 = 98 Н / м2.
На основании результатов исследований разработана технологическая схема производства - и - каррагинанов из культивируемых красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma.
Глава 4. Разработка рекомендаций по комплексной переработке каррагинофитов и использованию продуктов. Кроме каррагинанов красные водоросли - каррагинофиты содержат фикобилипротеины - высокоценные пигменты, используемые для приготовления косметических продуктов, в качестве флуоресцентных метчиков для иммунодиагностики и радиопротектора в онкологии. В качестве экстрагента фикобилипротеинов использовали дистиллированную воду, поскольку они хорошо растворяются в воде. Для увеличения выхода комплекса фикобилипротеинов применяли замораживание свежедобытых водорослей после измельчения их до кусочков размером 1,5–2, мм с целью разрушения структуры водорослей. Экстрагирование проводили при ГМ 5:1, температуре 250С в течение 3 часов и 24 ч, а также при ГМ 5:1, температуре 100С в течение 3 ч. Выход пигментов составлял 5,0±0,1 мг% от сырых водорослей и не отличался в зависимости от режимов экстрагирования.
проведения экстракции пигментов при 100С в Установлена необходимость течение 3 ч с целью ингибирования жизнедеятельности бактерий. Установлен рациональный размер пор мембран 5 кДа для концентрирования экстрактов пигментов методом ультрафильтрации. Ультрафильтрацию проводили в течение 3 ч, что позволило уменьшить объем экстракта в 3 раза. В отличие от фикобилипротеиновых комплексов из M.papulosa, содержащего СU фикоэритрин, во всех экстрактах, полученных из Kappaphycus spp. и E.denticulatum были обнаружены R-фикоэритрины тип I со тремя максимумами при 498 нм, 533-534 нм и 563-564 нм, R-фикоцианин с одним максимумом в R нм – 618 нм и аллофикоцианин с плечом в 651 нм (рис. 4).
Поглощение, отн.ед Поглощение, отн.ед Рис. 4. Спектры поглощения экстракта до ультрафильтрации a - K. alvarezii, b - K. striatum (Sacol brown), c- K. striatum (Sacol green) d- E. denticulatum, e-Meristotheca papulosa Результаты показали, что соотношение концентрации красного R фикоэритрина и синего R-фикоцианина (R-ФЭ/R-ФЦ), красного R-фикоэритрина и аллофикоцианин (R-ФЭ/R-ФЦ) различаются в зависимости от вида - самое большое значение R-ФЭ/R-ФЦ и R-ФЭ/R-ФЦ отмечено у E.denticulatum (6,7 и 3, соответственно) и самое низкое значение – у K. striatum sacol green (1,4 и 1, соответственно) (табл. 5). Разница в соотношениях концентраций R-ФЭ/R-ФЦ и R-ФЭ/АФЦ обусловливает различную окраску талломов этих видов.
Таблица 5 - Характеристика фикобилипротеинов из различных видов каррагинофитов Показатели K.alvarezii K. striatum K. striatum E. denticulatum Sacol brown Sacol green A498,5 0,3122 0,3271 0,2429 0, A614 0,1694 0,1697 0,2383 0, A651 0,0893 0,1756 0,1751 0, Концентрация ФЭ1, мг/мл 0,0410 0,0424 0,0266 0, Концентрация ФЦ2, мг/мл 0,0167 0,0082 0,0187 0, Концентрация АФЦ3, мг/мл 0,0124 0,0281 0,0264 0, Cоотношение конц. ФЭ/ФЦ 2,4 5,1 1,4 6, Cоотношение конц. ФЭ/АФЦ 3,3 1,5 1,0 3, Примечание: 1. фикоэритрин A498,5 –поглощения экстрактов при длинных волнах 498,5 нм 2. фикоцианин A614 – поглощения экстрактов при длинных волнах 615 нм 3. аллофикоцианин A651 – поглощения экстрактов при длинных волнах 651 нм Выход каррагинана, полученного из остатков водорослей после экстрагирования пигмента уменьшается и составляет от 1,8 до 2,8 % в расчете на массу сырых водорослей (рис. 5 а), что объясняется потерей низкомолекулярных фракций каррагинанов в холодной воде при экстрагировании пигмента.
Таким образом, установлено, что низкомолекулярные фракции каррагинана переходят в экстракт, содержащий пигмент, что приводит к повышению молекулярной массы каррагинанов, благодаря чему, конечные продукты – - и каррагинаны содержат высокомолекулярные фракции, что является одним из важнейших показателей безопасности каррагинана, поскольку содержание каррагинана с молекулярной массой менее 50 кДа не должно превышать 5% (стандарт JECFA (ФАО/ВОЗ) и Европейский стандарт).
Cодержание белка в каррагинанах, полученных после экстрагирования из водорослей пигментов, увеличилось от 0,1 до 1,4% в K..alvarezii и от 0,7 до 1,1% в E.denticulatum (рис. 5 b), что обусловлено измельчением водоросли, увеличением экстрагируемой поверхности и интенсивной диффузией белка в экстракт при высокой температуре (85-900С) экстрагирования каррагинана.
Прочность, г/c м Выход каррагинана, % Содержание белка, % Рис. 5. Выход (а), содержание белка (b), прочность (c) каррагинана из водорослей до экстрагирования пигмента (№ 1- К.alvarezii, № 2- K.striatum sacol brown, № 3 – K. striatum sacol green, № 4- E.denticulatum) и после (№ 1’, № 2’, № 3’, № 4’, соответственно) Применение методов прессования и замораживания-оттаивания при очистке каррагинанов приводит к удалению не только жидкости, но и основной доли белка из геля, в том числе пигментов. По органолептическим и реологическим показателям образцы каррагинанов и их 2%-ных гелей, полученных до и после экстрагирования пигмента, отличаются не существенно.
Способ поэтапного экстрагирования пигментов и каррагинанов рекомендовано применять для свежедобытых водорослей, особенно при неблагоприятной погоде в октябре и ноябре – самые дождливые месяцы в году, когда не возможно осуществлять естественную сушку водорослей.
Красный краситель-комплекс фикобилипротеинов, выделенный из свежедобытых водорослей, содержащий фракции низкомолекулярного каррагинана, может быть рекомендован к применению в косметологии в качестве натурального красителя с кондиционирующим действием.
Известно широкое применение каррагинанов в технологии мясных и молочных продуктов. Однако в технологии рыбных продуктов его применяют не достаточно, хотя положительное влияние на органолептические свойства продуктов очевидно. Нами разработаны рецептуры рыбных паштетов с добавлением геля -каррагинана, содержащего 10% сухих веществ (табл. 6).
В соответствие с органолептической оценкой членов дегустационной комиссии рыбные паштеты «Форель» и «Треска» - это продукты с оригинальным вкусом, нежной и устойчивой консистенцией обусловленными присутствием каррагинана.
Таблица 6- Рецептуры рыбных паштетов «Форель» и «Треска» Наименование компонентов Расход компонентов, кг на 100 кг продукта* паштет «Форель» паштет «Треска» Фарш форели 50 Фарш трески - Экспериментальный гель -каррагинана 8 Молоко сухое 2 Соль 1 Растительное масло 10 Вода 31 * с учетом потери в технологическом процессе 2% Средняя энергетическая ценность паштетов «Треска» и «Форель» составляет 139 и 214 ккал, соответственно (табл. 7), что позволяет рекомендовать населению потреблять их без особых ограничений.
Таблица 7 - Химический состав и энергетическая ценность рыбных паштетов Наименование Содержание, % Энергетическая минеральных белка продукта ценность, воды жиров углеводов веществ ккал/100 г продукта Паштет «Треска» 77,2±0,3 1,9±0,2 8,4±0,1 11,2±0,1 1,3± 0,1 Паштет «Форель» 68,3±0,2 1,8±0,2 10,5±0,1 18,1±0,1 1,3± 0,1 В результате переработки каррагинофитов образуется от 528% до 535% сырого водорослевого остатка к массе сушеного сырья. Водорослевые остатки содержат 15,6-16,3% каррагинана, 20,1-22,3% азотистых соединений, а также минеральных веществ 10,2-12,6% в расчете на сухую массу (табл. 8).
Каррагинаны обладают уникальной способностью реагировать с белками вследствие их электростатического взаимодействия и образования комплексов белок – полисахарид. Исходя из этого, водорослевые остатки после экстрагирования каррагинана целесообразно использовать в качестве структурообразователя при получении гранулированных кормов.
С учетом большого содержания воды в водорослевых остатках (97,5%) и остаточного каррагинана (табл. 8) разработаны рецептуры гелевого освежителя воздуха « Algafresh № 1» на основе водорослевого остатка из K.alvarezii, и «Algafresh № 2» на основе смеси водорослевых остатков из K.alvarezii и E.denticulatum, рациональное соотношение которых составляет 70:30, что обеспечивает достаточную прочность геля и низкую степень синерезиса. С высокой температурой плавления (61,0-63,50С) и низкой степенью синерезиса (2,1% и 0,7%) освежители рекомендуются для закрытых помещений в летний и зимний сезоны. Срок службы открытого освежителя массой 100 г составляет от до 2,5 мес. в зависимости от влажности воздуха.
Таблица 8 - Химический состав водорослевых остатков Водорослевый Содержание, % сухих веществ остаток из минераль- органических в том числе воды ных каррагинанов азотистых углеводов 97,5± 0,3 10,2 ± 0,1 89,8 ± 0,3 20,1± 0,1 69,7 ± 0,2 15,8 ± 0, К..alvarezii 97,5± 0,3 12,6 ± 0,1 87,4 ± 0,3 22,3 ± 0,1 65,1 ± 0,2 16,3 ± 0, E.denticulatum Комплексная технологическая схема переработки красных водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma. На основании проведенных исследований по изучению процессов получения - и - каррагинанов из красных водорослей каррагинофитов, экстрагированию и идентификации пигментов фикобилипротеинового комплекса, химического состава водорослевого остатка, способах его переработки, разработки рекомендаций по использованию каррагинанов в технологии рыбных паштетов разработана комплексная технология переработки красных водорослей - каррагинофитов (рис. 6).
Расчет прогнозируемой экономической эффективности от внедрения технологии гелеобразующих полисахаридов-каррагинанов показал, что срок окупаемости линии производства -каррагинана порошка с производительностью 120 т/год составляет 1,2 года, чистая прибыль – 3 977 тыс. руб., рентабельность 20%. Срок окупаемости линии производства -каррагинана порошка с производительностью 150 т/год составляет 1,2 года, чистая прибыль – 4 577 тыс.
руб., рентабельность - 21%. Срок окупаемости линии производства геля каррагинана с производительностью 450 т/год составляет 1,1 года, чистая прибыль – 2 544 тыс. руб., рентабельность - 27%.
Подготовка свежедобытых водорослей Подготовка сушеных водорослей (K.alvarezii, E.denticulatum) родов Kappaphycus, Eucheuma Экстрагирование Измельчение до Остаток (t = 900С, 2 часа, размера 2,0 мм Экстрагирование водоросли гидромодуль 1:60) (t = 900С, 2 часа, гидромодуль 1:6) Замораживание Фильтрование Водорослевый Экстрагирование Каррагинановый остаток (t = 100С, 3 часа, экстракт гидромодуль 5:1) Осаждение Осаждение Фильтрование КСl CaСl Составление композиции Прессование Замораживание Ультрафильтрация -оттаивание (размер пор мембран Гель к 5 кДа) каррагинана Сушка Гелевый Составление Красный краситель освежитель -каррагинан -каррагинан композиции порошок порошок Рыбные паштеты Рис. 6. Схема комплексной переработки красных водорослей-каррагинофитов ВЫВОДЫ 1. Разработана комплексная технология переработки красных водорослей Kappaphycus и Eucheuma, выращиваемых в прибрежной зоне Южного Вьетнама в разные сроки и сезоны, обеспечивающая в едином технологическом процессе получение - и - каррагинанов, геля -каррагинана, красного красителя – комплекса фикобилипротеинов и утилизацию водорослевых остатков.
2. Установлены значительные различия в химическом составе и технологических свойствах водорослей рода Кappaphycus, обуславливающие их сортировку по срокам и сезонам выращивания в процессе заготовки сырья, а также корректировку технологического процесса получения каррагинанов.
3. Разработаны рациональные режимы экстрагирования и осаждения каррагинанов из водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma: экстракция водой при температуре – 90±20С, гидромодуль – 1:60, продолжительность – 2 ч ± мин;
осаждение -каррагинана раствором хлорида калия в соотношении 0,7 г соли на 0,7 г сухих веществ в экстракте;
осаждение -каррагинана раствором хлорида кальция в соотношении 0,4 г соли на 0,8 г сухих веществ в экстракте.
Установлено, что выход - и - каррагинанов из Kappaphycus и Eucheuma (60 дней выращивания) составляет 44,0%, 58,0% от сухой массы водорослей, соответственно.
4. Разработаны оптимальные режимы прессования геля к-каррагинана:
толщина слоя 0,01 м, продолжительность 15 ч, нагрузка 0,03±1 МПа, позволяющие увеличить содержание сухих веществ в 14±2 раз по сравнению с исходным технологическим гелем.
5. Разработаны рациональные параметры технологического процесса получения красного красителя – комплекса фикобилипротеинов из свежедобытых водорослей родов Kappaphycus и Eucheuma: экстрагирование при температуре 100C (ГМ 5:1) в течение 3 часов, ультрафильтрация в течение 3 ч с использованием мембраны с размером пор 5 кДа.
6. Установлено, что экстракция фикобилипротеинов из свежедобытых водорослей не оказывает влияния на реологические свойства каррагинанов, но вызывает изменения в их химическом составе: cодержание белка в каррагинане из K..alvarezii увеличивается от 0,1 до 1,4% и из E.denticulatum от 0,7 до 1,1%.
7. Разработаны рецептуры рыбных паштетов «Треска» и «Форель» с добавлением геля -каррагинана в расчете 8% к массе продукта, что привело к получению нежной, устойчивой консистенции и оригинального вкуса.
8. Установлено, что в водорослевых остатках после экстрагирования каррагинана содержится 15,6-16,3% каррагинана, 20,1-22,3% белка, что позволяет рекомендовать их использовать в качестве структурообразователя кормовых добавок.
9. Разработаны рецептура и технологическая схема получения гелевых освежителей воздуха на основе водорослевых остатков с добавлением эфирных масел 2-3% в зависимости от типа ароматизатора.
10. Разработана и утверждена техническая документация на воздушно сушеные водоросли - каррагинофиты и производство - и - каррагинанов.
11. Расчет прогнозируемого экономического эффекта показал, что при рентабельности предприятия 20-21%, срок окупаемости линии производства - и - каррагинанов порошкообразных с производительностью 120-150 т/год составляет 1,2 года;
cрок окупаемости линии производства геля -каррагинана с производительностью 450 т/год составляет 1,1 года, рентабельность - 27%.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих изданиях:
Работы, опубликованные в изданиях перечня ВАК 1. Фан Т.К. Винь, Подкорытова А.В., Усов А.И., Игнатова Т.А. Культивирование и переработка красных водорослей-каррагинофитов во Вьетнаме// РЫПРОМ, № 3. - С.26-31.
2. Подкорытова А.В., Фан Т.К. Винь, 2010. Пигменты и каррагинаны из красных водорослей// РЫПРОМ, № 3.- С.74-78.
Работы, опубликованные в других изданиях 3. Подкорытова А.В., Усов А.И., Игнатова Т.А., Тран Т.Т.Ван, Фан Т.К.
Винь. 2009. Красные водоросли культивируемые во Вьетнаме – перспективное сырье для производства агара и каррагинана в России // Пятый Московский международный конгресс «Биотехнология-состояние и перспективы развития» - М., часть 2, С.120-121.
4. Phan KV, Podkorytova AV, Ignatova TA, Usov AI. 2010. Chemical composition of biomass of Eucheuma, Kappaphycus cultivated in Vietnam and properties of their carrageenan// Materials of 20th International Seaweed Symposium - Ensenada, Baja California, Mexico, February, 22-26.- P.144.
5. Подкорытова А. В., Фан Т.К. Винь. 2010. Сравнительная характеристика красных водорослей северных морей рода Chondrus и тропических каррагинофитов родов Kappaphycus и Eucheuma// Сборник тезисов Международного семинара «Освоение водных биологических ресурсов Арктики и международное сотрудничество», 15-17 сентября/ Мурманск. гос. тех. ун-т. – Мурманск: Изд-во МГТУ.
– С. 79-82.
6. Фан Т.К. Винь, Подкорытова А.В. 2010. Перспективный источник каррагинана из красных водорослей-каррагинофитов, культивируемых во Вьетнаме// Материалы VIII Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопастность населения» - М.: МГУПБ, С.72-73.
7. Фан Т.К. Винь, Подкорытова А.В. 2011. Пигменты из красных водорослей – каррагинофитов во Вьетнаме// Материалы IV Международной научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология - для здорового питания и решения медико-социальных проблем». – Светлогорск. C. 116-117.
8. Фан Т.К. Винь, Подкорытова А.В. 2011. Пигменты и каррагинаны из красных водорослей – каррагинофитов культивируемых во Вьетнаме// Тезис докладов Четвертой Международной научно-практической конференции «Морские прибрежные экосистемы. Водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки». – Южно Сахалинск: CахНИРО. C. 246-247.
Заявка на патент РФ:
9. Подкорытова А.В., Фан Т.К. Винь. Заявка № 2011108971 на патент «Способ переработки красных водорослей». Приоритет от 11 марта 2011.