Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние и основные тенденции развития технологии полисахаридов из морского растительного сырья 15
1.1 Строение и свойства морских полисахаридов 15
1.1.1 Агар 16
1.1.2 Каррагинан 22
1.1.3 Пектин-зостерин 25
1.2 Современные представления о гелеобразовании в растворах полисахаридов 31
1.3 Современные тенденции развития технологий морских полисахаридов 36
1.3.1 Характеристика сырья, используемого для производства агара и каррагинана
1.3.2 Характеристика химического состава водорослей и трав 43
1.3.3 Применение морских полисахаридов в биотехнологии и технологии пищевых продуктов
1.4 Способы получения морских полисахаридов 65
1.5 Концепция создания технологий полисахаридов из красных водорослей и морских трав с регулярной структурой и заданными функциональными свойствами 80
ГЛАВА 2. Организация, объекты и методы исследований 88
2.1 Методологический подход к организации исследований 88
2.2 Объекты исследований 90
2.3 Методы исследований 92
ГЛАВА 3. Научно-практическое обоснование технологий структурообразующих полисахаридов из красных водорослей и морских трав 106
3.1 Красные водоросли
3.1.1 Агарофиты 106
3.1.2 Каррагинофиты 112
3.2 Морские травы 118
3.3 Классификация красных водорослей и трав, определяющая направленность технологического-процесса
Заключение по главе 127
ГЛАВА 4. Исследование структуры. морских полисахаридов 132
4.1 Особенности структуры полисахаридов красных водорослей 132
4.2 Структура полисахарида морской травы Phyllospadix iwatensis
Заключение по главе 139
ГЛАВА 5. Модификация структуры полисахаридов и морского растительного сырья 140
5.1 Модификация кислого полисахарида на примере обработкх гг морской травы филлоспадикса (I группа сырья) 140
5.2 Модификация нейтрального полисахарида на стади пп
предварительной обработки анфельции (II группа сырья,) 158
Заключение по разделу 176
5.3 Модификация каррагинана на примере обработки водоросл: хондрус (III группа сырья) 194
5.4 Модификация каррагинана из водорослевой смест =т хондрус/анфельция (II и III группа сырья) 194
Заключение по разделу 207
ГЛАВА 6. Регулирование реологических свойст з гелей при создании пищевых систем 209
6.1 Гелеобразные пищевые системы 209
6.1.1 Технология гелеобразного продукта типа мармелад на QCHOFU«F=—-каррагинана 222
6.1.2 Пищевые системы типа желе 229
6.1.3 Технология продукта типа желе на основе смео:с== г полисахаридов 231
6.2. Пищевые системы на основе рыбных фаршей 239
6.2.1 Технология паштетообразного продукта типа суфле 245
6:3 Эмульсионные пищевые системы 247
6.3.1 Исследование влияния концентрации альгината, растительньх масел или рыбного жира на вязкостные свойства и стойкост — эмульсий 248
6.3.2 Обоснование условий изготовления эмульсионного продуктг= з.
типа соуса 252
Заключение по главе 255
ГЛАВА 7. Применение полисахаридов т. Биотехнологии 258
Глава 8. Практическая- реализация технологией модифицированных полисахаридов и
Применения как структурообразующих добаво оценка экономической эффективности 271
Заключение 283
Выводы 291
Список литературы 294
- Каррагинан
- Объекты исследований
- Классификация красных водорослей и трав, определяющая направленность технологического-процесса
- Модификация каррагинана на примере обработки водоросл: хондрус (III группа сырья)
Введение к работе
з
Актуальность темы. В настоящее время в биотехнологии и технологии пищевых продуктов широко используют пищевые добавки - структурообразо-ватели, обладающие биологической активностью. В наибольшей степени это относится к полисахаридам, получаемым с помощью различных биотехнологических методов из растительного сырья, в том числе из водорослей и морских трав. Полисахариды не только улучшают технологические характеристики продуктов, но и повышают их биологическую ценность. Кроме того, морские полисахариды применяют как в биотехнологии пищевых продуктов, так и в микробиологии, биотехнологии лекарственных средств и др.
Разнообразные и громадные запасы водорослей и морских трав в дальневосточных морях России, по экспертным оценкам составляющие около 40-45 млн т сырой массы (Суховеева, Подкорытова, 2008), предопределяют разработку современных способов получения полисахаридов и их применение в биотехнологии пищевых продуктов. Вопросам разработки технологий полисахаридов, изучению структуры и применения в различных областях посвящены многочисленные труды отечественных и зарубежных ученых: И.В. Кизеветтера, B.C. Грюнера, В.А. Евтушенко, Л.П. Шмельковой, B.C. Баранова, А.И. Усова, А.В. Подкорытовой, Ю.Н. Лоенко, Ю.С. Оводова, Р.Г. Оводовой, В.Б. Толстогузова, A. Haug, V.J. Chapman, Е. Dikinson, D.A. Rees, J.F. Kennedy и др.
Однако недостаток теоретических и экспериментальных исследований в технологии полисахаридов с заданными свойствами, отсутствие системного представления о многоступенчатости процессов их получения, распределения по технологическим цепочкам способов модификации их структуры и регулирования состава приводят к сдерживанию развития производства полисахаридов и их использования в биотехнологических целях в нашей стране.
Таким образом, существуют объективные предпосылки для обоснования научных принципов биотехнологии полисахаридов с регулируемой структурой
и заданными свойствами из красных водорослей и морских трав, а также на их основе функциональных продуктов различного назначения.
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, выполнялись в соответствии с тематическим планом НИР ФГУП «ТИНРО-Центр», составленным согласно контракту с Федеральным агентством по рыболовству, с 1996 по 2008 г.
Концепция направленной модификации полисахаридов в технологии их получения из красных водорослей и морских трав и развития биотехнологических аспектов их применения заключается:
- в модификации полисахаридов морского происхождения вследствие
удаления части ионогенных групп и изменения соотношения в них мономеров,
что обеспечивает высокие структурообразующие свойства агара, агарозы, кар-
рагинана, филлорината;
применении физико-химической модификации структуры полисахаридов при их получении в одном технологическом цикле из смеси красных водорослей С. armatus и A. tobuchiensis;
регулировании структурно-механических свойств пищевых продуктов полисахаридами разной структуры, варьированием их концентрации, а также варьированием концентрации вкусовых добавок и структурообразующих катионов;
- создании физико-химических условий для повышения регулярности
структуры полисахаридов при получении чистых препаратов, используемых
для получения сорбентов и носителей для хроматографии, диагностических и
промышленных микробиологических сред, матриц для иммобилизации живот
ных клеток.
В соответствии с основными положениями концепции поставлена цель и определены направления исследований.
Цель работы: создать научно обоснованные технологии модифицированных полисахаридов из морского растительного сырья, применяемых для регулирования структуры пищевых продуктов и в биотехнологии.
Для реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи:
провести анализ современного состояния и тенденций развития технологий морских полисахаридов из красных водорослей и трав;
разработать концепцию направленной модификации морских полисахаридов в технологии их получения на основе аналитических данных об отечественных и зарубежных экспериментальных исследованиях;
разработать классификацию морских красных водорослей и трав в зависимости от особенностей химического состава, обосновать выбор сырья и направленность технологического процесса для получения полисахаридов с регулярной структурой и заданными свойствами;
исследовать структуру и свойства полисахаридов из сырья, принадлежащего к разным классификационным группам;
обосновать принципы модификации полисахаридов на различных стадиях технологического процесса;
научно обосновать и разработать технологию фракционного извлечения полисахаридов с регулярной структурой из смеси водорослей;
научно обосновать и разработать способы применения полисахаридов для регулирования структуры продуктов на основе рыбного и растительного сырья;
научно обосновать технологии получения высокоочищенных полисахаридов для применения в микробиологии и биотехнологии;
разработать НД на производство полисахаридов и пищевых продуктов с регулируемой структурой;
разработать исходные требования на унифицированную технологическую линию по производству модифицированных полисахаридов;
- разработать бизнес-план и оценить экономическую эффективность раз
работанных технологий модифицированных полисахаридов.
Научная новизна. Сформулирована научно обоснованная концепция направленной модификации полисахаридов из красных водорослей и морских
трав, обеспечивающей регулярность их структуры и стабильность функционально-технологических свойств.
Разработан принцип классификации морских красных водорослей и трав по химическому составу, определяющей направленность технологического процесса для получения полисахаридов с регулярной структурой.
Установлена зависимость между составом моносахаридов, их содержанием и функционально-технологическими свойствами полисахаридов из разных классификационных групп сырья.
Обоснованы и разработаны способы направленной модификации структуры полисахаридов красных водорослей и морских трав методом изменения соотношения ионогенных групп и моносахаридов на различных стадиях технологического процесса.
Впервые обоснован процесс фракционного экстрагирования полисахаридов при получении высокоочищенного агара и агарозы, являющихся основой для хроматографических и диагностических препаратов, питательных сред и матриц в микробиологических и биотехнологических исследованиях.
Впервые созданы научные основы и разработана технология переработки смеси красных водорослей С. armatus/A. tobuchiensis, предусматривающая фракционное извлечение в одном технологическом цикле разных по химической структуре и физическим свойствам полисахаридов - каррагинана и агара.
Разработаны научно-экспериментальные основы применения модифицированных полисахаридов с регулярной структурой и заданными структурно-механическими свойствами в пищевых технологиях, в микробиологических исследованиях и биотехнологии.
Выявлены закономерности регулирования структуры пищевых продуктов в результате применения модифицированных полисахаридов.
Практическая значимость работы и реализация результатов. Создана концептуальная и методологическая база для промышленного внедрения технологий полисахаридов с регулярной структурой и пищевых продуктов на их основе.
Обоснована необходимость расширения сырьевой базы дальневосточного промыслового бассейна за счет освоения новых видов морских растений и их вовлечения в сферу промышленной добычи и переработки.
Разработана технология получения агара и агарозы в одном технологическом цикле при комплексной переработке анфельции.
Разработаны методические рекомендации по исследованию полисахаридов из красных водорослей.
Разработана технология рациональной переработки смеси красных водорослей, позволяющая получать каррагинан и агар в одном технологическом процессе, основанная на последовательном экстрагировании полисахаридов.
Разработана технология получения филлорина и филлорината натрия из нового вида сырья - морской травы филлоспадикса, что расширяет перечень пищевых добавок и сырья, используемого для их производства.
Разработаны биотехнологии производства пищевой гелеобразной и эмульсионной продукции с применением полисахаридов из красных водорослей и морской травы.
Проведена производственная проверка разработанных технологий получения каррагинана и агара из смеси красных водорослей, филлорина и филлорината из морской травы филлоспадикса, высокоочищенного агара и агарозы из дальневосточной анфельции. Подтверждена возможность их использования для производства гелеобразных и эмульсионных пищевых продуктов, а также в биотехнологии и микробиологии.
Новизна технических решений защищена патентами на изобретение (Патент РФ №2109461; Патент РФ № 211313; Патент РФ № 2189990; Патент РФ № 2223663).
Практическая значимость результатов работы подтверждена разработанными нормативными документами: ТИ № 36-58-95 по изготовлению пищевых каррагинана и агара из смеси красных водорослей анфельция-хондрус к ТУ № 8411-008-00472012-93; ТИ № 36-132-2000 по изготовлению агарозы к ТУ № 9284-150-
00472012-2000; ТИ № 36-229-02 по изготовлению филлорина-полуфабриката к ТУ 9284-222-00472012-02; ТИ № 36-244-03 по изготовлению изделия желейного «Мозаика» к ТУ № 9284-245-00472012-03; ТИ № 36-218-03 по изготовлению фил-лорината натрия к ТУ № 9284-223-00472012-03; ТИ № 36-293-05 по изготовлению изделия желейного «Фантазия» к ТУ № 9284-293-00472012-05; ТИ № 36-133-2000 по изготовлению консервов «Суфле лососевое» к ТУ 9271-182-00472012-2000; ТУ № 9254-132-00472012-98 на траву морскую - сырец; ТИ № 36-151-03 по изготовлению сушеной анфелыжи к ТУ № 9284-131-00472012-03; ТИ № 36-247-03 по добыче, сбору и первичной обработке анфельции-сырца к ТУ № 9254-129-00472012-03;ТИ № 36-246-03 по добыче, сбору и первичной обработке хондруса-сырца к ТУ № 9254-248-00472012-03, ТУ № 9284-249-00472012-03 «Хондрус воздушно-сухой».
Разработаны исходные требования на проектирование унифицированной линии по получению полисахаридов морских водорослей и трав.
Разработаны рекомендации по использованию каррагинана и альгината как стабилизаторов в пищевой промышленности.
Разработан бизнес-план и рассчитана экономическая эффективность внедрения комплекса технологий модифицированных полисахаридов из дальневосточных красных водорослей и морских трав на ООО "КАЗ" г. Корсаков.
Достоверность результатов исследований подтверждается применением современных методов исследований при характеристике сырья, технологического процесса и готовых продуктов, математической оценки достоверности результатов работ.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Научная концепция направленной модификации полисахаридов в технологии их получения из красных водорослей и морских трав, основанной на изменении моносахаридного состава и ионогенных групп и обеспечивающей регулярность их структуры и стабильность функционально-технологических свойств.
-
Принцип классификации сырья по химическому составу, определяющей направленность технологического процесса получения полисахаридов заданного состава из красных водорослей и морских трав.
-
Технологии структурной модификации полисахаридов морских трав, красных водорослей и смесей водорослей, принадлежащих к разным классификационным группам.
-
Способы регулирования структурно-механических свойств продуктов различного назначения полисахаридами с модифицированной структурой.
Апробация работы. Результаты научных исследований по проблеме ежегодно рассматривались на отчетных сессиях ТИНРО-Центра.
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на международных и российских научных конференциях, симпозиумах: «Рациональное использование биоресурсов Тихого океана», Владивосток, 1991; «Биологически активные добавки как компоненты к пище», Владивосток, 1999; «Человек-Экология-Культура на пороге XXI века», Находка, 2000; «Пищевой белок и экология», Москва, 2000; «Современные средства воспроизводства и использования водных биоресурсов», 7-я международная выставка Инрыбпром-2000, Санкт-Петербург, 2000; « Наука-Техника-Технология на рубеже третьего тысячелетия», Находка, 2001; «Низкотемпературные пищевые технологии и продовольственная безопасность в XXI веке», Санкт-Петербург, 2001; «Пища, экология, человек», Москва, 2001; «Наука-Техника-Технология на рубеже третьего тысячелетия», Находка, 2001; 17th International Seaweed Symposium, South Africa, Capetown, 2001; «Прибрежное рыболовство - XXI век», Южно-Сахалинск, 2001; «III Asian Pacific Phycological Forum Algae», Tsucuba, 2002; 1-я Международная конференция «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки», Москва, 2002; «Наука-Техника-Технология на рубеже третьего тысячелетия», Находка, 2002; «Приморье - край рыбацкий», Владивосток, 2002; «Современные проблемы качества потребительских товаров и продуктов общественного питания», Санкт-Петербург, 2002; «Производство рыбных продуктов: проблемы, новые технологии, качество», Калининград, 2003, «Наука-Техника-Технологии», Находка, 2003; 18th International Seaweed Symposium», Bergen, 2004; «Пищевые биотехнологии: про-
блемы и перспективы в XXI веке», Владивосток, 2004; 2-я Международная конференция «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки», Архангельск, 2005; «Повышение эффективности использования водных биологических ресурсов Мирового океана», Москва, 2005; «Рыбохозяйственные исследования Мирового океана», Владивосток, 2005; конференция по пищевой и морской биотехнологии, Калининград, 2006, «Здоровье нации - основа процветания России», Москва, 2007; «Фундаментальные и прикладные проблемы питания», Санкт-Петербург, 2007; «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество», Светлогорск, 2007; «Морские прибрежные экосистемы. Водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки», Владивосток, 2008.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 71 печатной работе: в монографии (в соавторстве), главе в монографии, 35 научных статьях и материалах конференций, из них 17 статей в изданиях, рекомендованных ВАК; 30 тезисах докладов. Новизна технического решения подтверждена 4 патентами РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 466 стр. Состоит из введения, восьми глав, выводов, списка литературы, включающего 411 источников, в том числе 170 на иностранных языках, приложения — 57 документов. Включает 71 таблицу, 71 рисунок. В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение результатов исследования, нормативная документация, патенты, протоколы дегустационных совещаний, акты производственных испытаний технологий.
Каррагинан
По физико-химическим показателям агароза превосходит агар. Содержание золы колеблется от 0,5 % до 1,5 % (табл. 2). При этом прочность гелей агарозы довольно высокая от 700 до 1200 г/см2. Кроме того, агароза имеет низкий порог концентрации для образования устойчивого геля - 0,1 %. Гели коммерческих агароз производства фирмы «Sigma» обладают высокой прозрачностью - 75 % и практически бесцветны — имеют 95 % светопропускания. Коммерческие агарозы различаются по электроэндосмосу (ЭЭО), показателю характеризующего относительную подвижность белков на гелях агарозы при проведения электрофореза.
Таким образом, агар - это сложная смесь линейных галактанов, которые могут дополнительно содержать неуглеводные заместители - метоксильные, сульфатные и 1-карбоксиэтилиденовые группы, и различающихся степенью "маскировки регулярности". Накопление в структуре полисахарида неуглеводных заместителей, особенно ионогенных групп, приводит к снижению гелеобразующих свойств, вплоть до их полной потери. К основным характеристикам структуры агара относится содержание сульфата, моносахаридный состав, молярное отношение производных 3,6-ангидрогалактозы и галактозы (величина A/G) и молекулярная масса полисахарида. 1.1.2 Каррагинан
Термин "каррагинаны" был предложен более 100 лет тому назад для водорастворимых полисахаридов, получаемых из различных видов Chondrus, Gigartina, а затем его распространили также на полисахариды из Furcellaria, Eucheuma, Iridea, относящихся к порядку Gigartinales (Yaphe, 1959).
Первыми исследователями каррагинана были Стэнфорд, Гедиге, Бауер, которые после гидролиза полисахарида серной кислотой, обнаружили в гидролизате редуцирующие сахара и определили галактозу (Кизеветтер, Грюнер, Евтушенко, 1967). В дальнейшем ряд исследований провел Гаас, который выдвинул теорию, основные положения которой сводились к тому, что каррагинан и агар имеют много общего по строению природных молекул и физическим свойствам (Haas, Russel-Wells, 1929). Каррагинан, так же как и агар - коллоидный полиэлектролит, при кислотном гидролизе дает в основном D-галактозу, серную кислоту и кальций. Однако соотношение этих компонентов в каррагинане несколько иное, и сульфатных групп в нем больше (до 30 %). В каррагинане основные глюкозидные связи, как и в агаре, типа 1- 3 с тем отличием, что в каррагинане они имеют а-форму, а в агаре Р-форму.
Состав каррагинанов зависит от вида водоросли, места произрастания, времени сбора и условий экстракции. Сегодня известно более 18 типов и структур каррагинана (Усов, 1985; Knutsen, 1992).
Под названием "каррагинан" подразумевается комплекс суль-фатированных линейных галактанов теоретически структурная единица, которых - каррабиоза - представляет собой чередующийся D-галактозный -1- 4 - 3,6-ангидро-0-галактозный дисахарид (O Neill, 1955; Кочетков и др., 1967). В установлении этого факта основная заслуга принадлежит Рису и его сотрудникам, которые выяснили различия между отдельными компонентами каррагинанов (Rees, 1961; Rees, 1972). Эти различия сводятся к распределению в молекуле полисахарида остатков 3,6 ангидро-0-галактозы и сульфатных групп (Craigie, Leigh, 1978; Rees, 1969). Выделяют несколько предельных структур, обозначаемых греческими буквами: каппа-(к), йота-(т ), лямбда-(Х), мю-(ц ), mo-(v ), кси-( ) (рис. 3), из которых только две
Фрагменты структур каррагинанов предельные структуры, а именно к- и т-, склонны к образованию гелей. Кроме того, реальные полисахариды могут быть весьма близки к одной из изображенных на рисунке 3 формул, но гораздо чаще представляют собой многочисленные переходные формы между предельными структурами (Rees, 1969).
Каррагинан из Chondrus crispus - первый достаточно хорошо изученный полисахарид, структура которого отличается от идеализированной тем, что одно из звеньев может быть не только остатком 3,6-ангидро-0-галактозы, но и остатком 2-сульфата, 6-сульфата, 2,6-дисульфата-О-галактозы. В молекуле этого полисахарида встречаются, следовательно, элементы структур ц - и т- каррагинанов (Yaphe, 1973).
Полисахариды, напоминающие компоненты каррагинана из Chondrus crispus, были найдены во многих других водорослях. Следует упомянуть работы по изучению к-каррагинанов из Gigartina tenella, Gigartina scottsfergii, Chondrus ocellatus, Eucheuma spinosum, а также исследованию Х,-каррагинанов из Tichocarpus crinitus (Park, et. al., 1976; Усов, 1979; Tong, et. al., 1981).
Химические свойства каррагинанов зависят от присутствия высокоионизованных сульфатных групп. Эти полисахариды являются линейными полиэлектролитами, которые дают за счёт такой макромолекулярной структуры высоковязкие растворы. Вязкость определяется типом каррагинана, его молекулярной массой, концентрацией, температурой. С увеличением концентрации вязкость растворов экспоненциально возрастает. Реологические свойства растворов каррагинанов сходны с системами, которые называют пластичными или тиксотропными. Их отличительным свойством является уменьшение вязкости при увеличении напряжения сдвига (Richardson, Goycoolea, 1994). Изменения структуры каррагинана обратимы при условии, что нагревание не будет длительным и рН будет оптимальным для каррагинана (рН 7) (Kennedy, 1988, Khomutov, et al., 1994).
Разница между температурой застудневания и температурой плавления гелеобразующих полисахаридов это важный показатель, который регулируется изменением концентраций минеральных солей в системе (Kennedy, 1988).
Прочность геля k-каррагинана зависит от концентрации хлорида калия. Растворы k-каррагинана с ионами натрия образуют сравнительно слабые гели, структура и прочность которых не зависит от их концентрации. С ионами кальция также формируют слабые гели при определённой
Объекты исследований
Теоретическая основа решения проблемы получения, изучения и применения полисахаридов из морских водорослей и трав заложена в трудах отечественных и зарубежных ученых: Баранова B.C.(1973), Усова А.И. (1979, 1985, 1991, 2001), Кизеветтера И.В. (1952, 1961, 1967, 1981), Шмельковой Л.П. (1957, 1988), Подкорытовой А.В. (1992, 1994, 1997), Сафроновой Т.М. (1993), Маслюковой Н.Щ1988), Лоенко Ю.Н. (1997), Оводова Ю.С. (1973, 1980), Оводовой Р.Г. (1971,2000), Толстогузова В.Б. (1987), Haug А. (1966), Chapman V.J. (1953, 1980), Dikinson Е. (1988), Rees D.A.(1961, 1969,1971,1972), Kennedy J.F. (1988) и др.
Анализ показал, что технологические параметры выделения полисахаридов во многом зависят от вида растительного материала, свойств и выхода конечного продукта. Способы получения гелеобразующих полисахаридов несколько различаются в зависимости от вида и качества сырья, сезона добычи, места произрастания, требований к готовому продукту (Whister, Bemiller, 1973).
Существуют различные технологические схемы производства полисахаридов, однако все они имеют общие основные операции, включающие предварительную обработку водорослей, экстракцию, фильтрацию, осаждение, обезвоживание и сушку (Справочник по водорослям, 1971). Предварительная обработка является важным этапом технологичесого процесса. Замачивание воздушно-сухих водорослей облегчает экстрагирование полисахарида и ослабляет цвет получаемых экстрактов. При экстрагировании агара из водорослей (например, анфельции, филлофоры) значительная часть красящих веществ переходит в экстракты.
В последние годы разработаны способы получения агара из водорослей, позволяющие все операции по отбеливанию, проводить до экстракции, подвергая водоросль последовательному обесцвечиванию, экстрактивному удалению красящих веществ или дублению (Кудашова и др., 1987). В технологии получения агаровых веществ часто применяется обработка водорослей перед экстракцией горячими растворами щелочей, которая обеспечивает не только модификацию природного полисахарида, но и удаляет из водоросли значительную долю балластных веществ (пигментов, азотистых соединений) (А.С.№1465008; А.С.№ 719592; А.С.№ 784050). В результате отпадает необходимость дополнительной очистки, осветления продукта, что обеспечивает его высокие органолептические и желирующие свойства (Совр. отеч. и заруб, произв. прод. из водор., 1989).
Первоначально обработка щелочами часто использовалась в аналитических целях для оценки количества сульфатных групп, занимающих положение С-6 в 4-0-замещенных остатках D-галактозы. Гораздо позднее химическая модификация щелочами красных морских водорослей и их полисахаридов стала использоваться для практических целей, поскольку было отмечено, что модифицированные щелочью полисахариды обладали повышенной гелеобразующей способностью (Cragie, Leigh, 1978). Считают, что щелочную обработку водорослей при повышенной температуре проводить целесообразно, когда в их полисахаридном комплексе присутствуют щелочелабильные сульфогруппы. При обработке в щелочной среде сульфатные группы отщепляются с образованием дополнительного количества 3,6 ангидро-галактозы, что способствует уменьшению содержания в нем золы и возрастанию прочности его геля. Устанавливая оптимальные технологические режимы получения агара и агароподобных вешеств из каждого нового вида сырья, исследователи уделяют определенное внимание режимам предварительной обработки водорослей: концентрации раствора щелочи, его температуре, продолжительности обработки (Бойдык и др., 1978; Okazaki, 1971).
При производстве гелеобразующих полисахаридов из красных морских водорослей выбирают реагент и способ, которые используют для модификации полисахарида, причем для каждого вида сырья подбирают эти режимы индивидуально, учитывая район произрастания, сезон добычи, химический состав водорослей и трав. Концентрация основания используемого для предэкстракции, колеблется в пределах 4-20 %, процесс осуществляют при температуре 50-95 С, продолжительность 0,5-4 ч (Ставров, Томак, 1985). В других литературных источниках сообщается об использовании для обработки красных водорослей 2-5 % раствором едкого натрия (с добавкой или без добавки 1% NaCl; 0,05-0,3 % СаС12) при температуре 60-95 С в течение 1-1,5 ч (Сборник технологич. инстр. по произв. прод. из водор., 1985; Kim, 1970; Matulewicz, Cerezp, 1980).
Экстракцию гелеобразующих полисахаридов обычно проводят при рН среды не ниже 8, причем оптимальное значение рН не является величиной постоянной и изменяется в зависимости от вида водоросли. Экстракцию проводят под атмосферным (в реакторах открытого типа) или под избыточным (в автоклавах) давлением. Повышение давления при экстрагировании агара, агароподобных веществ ускоряет процесс и увеличивает выход продукта. Дальнейшая обработка заключается в очистке экстракта различными способами (центрифугированием, фильтрованием), обезвоживанием (замораживанием-оттаиванием, прессованием), сушки и измельчением (А.С. № 876094; Бушкова, Еремина, 1986; Коллист и др., 1980).
Получение агара и агарозьи Получение пищевого и микробиологического агара из дальневосточной анфельции начинают с предварительной обработки анфельции в известковом растворе в течение 1-24 ч. Готовый известковый раствор обычно содержит 1-2 % окиси кальция к массе воздушно-сухой анфельции при соотношении водоросль-раствор от 1:12 до 1:15. По окончании обработки раствор сливают, анфельцию промывают; после чего проводят 7-ми кратное экстрагирование агара при температуре 115-120 С.
Первое экстрагирование проводят без добавления СаО, на 2-ю,3-ю,4-ю экстракции добавляют СаО в пересчете на активную известь в количестве 8-9 % к массе воздушно-сухой анфельции; на 5-ю,6-ю,7-ю экстракции добавляют горячую воду температурой 85-90С. Полный оборот автоклава -29 ч. Слив экстракта производят через каждые 9-10 ч; затем экстракт агара
Классификация красных водорослей и трав, определяющая направленность технологического-процесса
Экстракция. Первую экстракцию водорослей проводили водой (рН системы 8,5), гидромодуль 1:10, продолжительность 6,5 ч, температура 120 С. Температура экстракции 120 С обеспечивает давление в 1,1 атм (1 кг/см ). При второй экстракции, добавляли, 4 % СаО от массы воздушно-сухой водоросли ( 0,62 % суспензия Са(ОН)2), гидромодуль 1:6,5, продолжительность 4,5 ч, температура 120 С. При третьей экстракции добавляли 2 % СаО ( 0,67 % суспензия Са(ОН)2), гидромодуль 1:3, продолжительность экстракции 2,5 ч, температура 120 С. Первый экстракт направляли на получение агара, второй и третий - на получение агарозы.
Полученные экстракты не смешивали. Из первого экстракта получали 1 фракцию - агар, из второго и третьего экстракта - фракции 2 и 3- агарозу. Экстракты очищали от механических примесей и от водорослевых остатков через фильтровальный картон со слоем диатомита, охлаждали и оставляли для образования геля. Гель резали на кусочки и промывали водопроводной водой до обесцвечивания, промывали в дистиллированной воде в течение 10-12 ч. Промытые гели обезвоживали замораживанием-размораживанием с последующей обработкой этиловым спиртом, досушивали на воздухе. 2.3.2 Получение продуктов типа желе и суфле
Для получения желейного изделия «Фантазия» использовали различные фрукты. Фрукты с мягкой консистенцией (киви, абрикос, персик, клубника) перед внесением в желе обсыпали сахаром, выдерживали 30-60 мин для выделения сока, затем подсушивали 10-15 мин для удаления свободной влаги с поверхности при их обдуве холодным воздухом (20-30С). Фрукты с твердой консистенцией (яблоко, груша) бланшировали 5-10 мин, затем выдерживали в сиропе (концентрация сахара 50%) 40-60 мин.
Паштетообразные системы получали, используя альгинат и каррагинан, гели, и фарш из мышечной ткани лососевых рыб (горбуша) в концентрациях 1,5-3,0 % и 30-70 % соответственно. Фарш готовили следующим образом: мышечную ткань рыб дважды измельчали, перемешивали, вносили соль в количестве 1 % и сухое молоко — 2-2,5 %. Затем фарш смешивали с альгинатно-масляной заливкой, гомогенизировали, фасовали и стеризовали. Совместно с лабораторией технологии и химии процессов консервирования ФГУП ТИНРО был разработан режим стерилизации 5-15-50-20 при 115С, который обеспечивает достаточный стерилизующий эффект. В качестве величины нормативного эффекта использованы данные для группы «Паштеты и икра» (F = 5,5 усл. мин.), как наиболее близкие продукты по величине рН, консистенции. Средняя величина фактического стерилизующего эффекта (Е) из пяти сходных результатов теплофизических исследований для консервов «Суфле лососевое» составила 7,5 усл.мин. (регистрация данных проводилась на приборе фирмы «Эллаб»). 2.3.3. Получение эмульсионных пищевых систем
При получении эмульсионных систем использовали альгинат и его гель с содержанием кальция 0,2 % и 0,6 % и каррагинан и его гель или их смеси. Концентрацию альгината в системах варьировали от 0,5 до 2 %, каррагинана от 0,2 до 0,6%. Каррагинан предварительно растворяли при температуре 50-60 С. Хлорид калия растворяли в минимальном количестве воды и вносили в раствор каррагинана в процессе растворения. Концентрация хлорида калия в эмульсионных системах составляла 0,1 %. В качестве источника липидов использовали подсолнечное, соевое, оливковое масла, рыбный жир, эйконат в концентрациях от 5 до 70- %. Эмульсии на основе каррагинана или смеси альгината и каррагинана готовились взбиванием системы на гомогенизаторе (3 тыс об/мин) при температуре не менее 35-40 С.
Для исследования фракционного состава растворов после предобработки водорослей и трав, неочищенных экстрактов, промывных вод после очистки гелей экстрактов и промытых гелей экстрактов использовали методику хроматографического анализа смесей белков и полисахаридов (разработанную сотрудником лаборатории Суховерховым СВ.) (Суховерхов, 1999; 2000).
Для этого 1 мл раствора после предобработки водоросли или 1 г экстракта помещали в пробирку, доводили дистиллированной водой объем до 10 мл и растворяли при нагревании на водяной бане. Полученный раствор фильтровали через мембранный фильтр Kurabo 25А (Япония) с размером пор 0,45 мкм и анализировали высокоэффективной эксклюзионной хроматографией (ВЭЭХ). Пробы промывных вод после очистки агарового геля перед анализом только фильтровали через мембранный фильтр Kurabo 25А.
Для ВЭЭХ-анализа использовали жидкостный хроматограф Shimadzu LC-6A (Япония), состоящий из насоса LC-6A, гелиевого дегазатора DGU-2A, автоматического инжектора SIL-6B, термостата STO-6А, УФ-детектора SPD-6AV (длина волны 280 нм), рефрактометрического детектора RID-6A и контролера SCL-6B. Запись и обработку хроматограмм проводили интегратором CHROMATOPAC C-R4A (Shimadzu, Япония).
Разделение проводили на колонках Shodex Asahipak GS-320, GS-520, GS-620 и GS-710 (Showa Denko, Япония). Для улучшения разделения колонки Shodex Asahipak GS-520 и GS-620 соединяли последовательно. Колонки термостатировали при температуре 45 С. В качестве подвижной фазы использовали дистиллированную воду. Скорость подвижной фазы 1 мл/мин. Объём вводимой пробы 20-30 мкл.
Модификация каррагинана на примере обработки водоросл: хондрус (III группа сырья)
Каррагинан из красной водоросли М. papulosa является i-x,-каррагинаном с содержанием і-компонента более 80%. Поскольку і-каррагинан несет большой отрицательный заряд по сравнению с %-каррагинаном, то его свойства как гелеобразователя слабо выражены (Iain, 1989). Содержание сульфатных групп в йота-каррагинане составляет порядка 30 %, что на 10 % больше по сравнению с каррагинаном С. armatus.
Таким образом, на примере красных водорослей С. armatus и М. papulosa показано, что нативные полисахариды, как правило, содержат избыточное количество сульфатных групп, их структура нерегулярна и они образуют гели с прочностью 100 г/см . Для получения высококачественных структурообразователей с прочностью более 500 г/см2 структура и свойства нативных полисахаридов необходимо корректировать.
Для определения способности макромолекул полисахаридов красных водорослей формировать гель изучен процесс гелеобразования на примере каррагинана C.armatus и установлены следующие зависимости (рис. 16): на процесс гелеобразования в полисахаридах красных водорослей большое влияние оказывает: 1) соотношение A /G; 2) содержание сульфатных групп в молекуле.
Колебания прочности, геля объясняются совместным влиянием на процесс гелеобразования распределения фрагментов 3,6-ангидрогалактозы внутри молекул полисахарида (чем выше показатель A/G, тем выше прочность геля) и степени сульфатирования (прочность геля повышается с уменьшением содержания сульфата). С ростом прочности геля кривые, относящиеся к соотношению A /G и содержанию сульфатов пересекаются. Прочность, при которой это происходит, равна 600 г/см (рис. 16). Уменьшение количества сульфатных групп в полисахаридах повышает степень регулярности структуры, что приводит к росту ее гидрофобности. Это следует из того факта, что соотношение A/G и прочность увеличивается. Такое поведение характерно для высокорегулярных полисахаридов. Описанные закономерности характерны и для полисахаридов группы агара (Persival, 1972).
Проведенный анализ зависимости свойств полисахаридов от их структуры показал необходимость регулирования структуры и свойств полисахаридов, содержащихся в водорослях. Установленные зависимости являются основой для разработки способов регулирования структуры и свойств полисахаридов из красных водорослей.
Морские травы содержат своеобразные пектины, для. которых характерны низкая степень этерификации карбоксильных групп остатков галактуроновой кислоты и наличие в молекуле довольно редкого моносахарида апиозы. Подробное изучение структуры было сделано только для зостерина - полисахарида, получаемого из морской травы Zostera marina (Ovodova et. al., 1968; Ovodov et. al., 1971; Ovodov et. al., 1975). Относительно структуры аналогичного полисахарида, из Phyllospadix iwatensis в литературе имеется, указание на его большое сходство с зостерином (Ovodova et. al., 1968); В более поздней статье, посвященной полисахаридам другого представителя этого рода, Phyllospadix torreyi, по-видимому, ошибочно утверждается, что пектин содержит не галактуроновую, а маннуроновую кислоту (Woolard, Jones, 1978). В связи с этим нами был исследован моносахаридный состав и структура полисахарида филлоспадикса методоми ГЖХ и ЯМР С. При полном кислотном гидролизе полисахарида в качестве главных компонентов образуются галактуроновая кислота, рамноза, ксилоза, глюкоза. Следовые количества глюкозы (0,08 %), вероятно, входят в состав сопутствующего нейтрального полисахарида, частично извлекаемого в процессе выделения пектина.
Частичный гидролиз для удаления нейтральных Сахаров из молекулы пектина трифторуксусной кислотой в концентрации 0,1 М приводит к образованию деградированного галактуронана свободного от нейтральных моносахаридов, которые присутствуют в полном гидролизате. Это свидетельствует о том, что галактуронан представляет собой главную цепь макромолекулы пектина. Действительно, спектр 13С-ЯМР этого полисахарида указывает на присутствие в углеводной цепи фрагмента 4-связанной a-D-галактуроновой кислоты-1, который дает сигнал аномерного углеродного атома С-1 при 100, 6 м.д. (рис. 17).
Положение сигналов остальных атомов углерода остатков D галактуроновой кислоты С-2 (69,2 м.д.), С-3 (69,6 м.д.), С-4 (80,14 м.д.), С-5 139 (71,7 м.д.) совпадало, таким образом, с хорошо известным спектром полигалактуроновой кислоты (Odonmazig et. al., 1992; Оводова, 2000). Полученные данные позволяют предположить, что полученный препарат относится к полиуронидам. Изученная морская трава филлоспадикс может рассматриваться как новый источник ценного гелеобразующего полисахарида. Полученные результаты обосновывают целесообразность разработки технологических режимов его получения из данного вида сырья. Заключение по главе Практически все полисахариды обладают низкими гелеобразующими свойствами, в связи с нерегулярностью структуры и высоким содержанием сульфогрупп. Для получения высококачественных структурообразователей структура природных полисахаридов нуждается в корректировке. Во многих технологических процессах их получения из красных водорослей предусмотрена модификация сырья на стадии предварительной обработки для повышения гелеобразующих свойств. В связи с тем, что условия модификации полисахаридов разного вида сырья различаются, то для каждой группы сырья необходимо разработать индивидуальный способ модификации.
