CC BY
303
УДК 661.47: 268.46
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА БУРЫХ ВОДОРОСЛЕЙ БЕЛОГО МОРЯ С ЦЕЛЬЮ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ПЕРЕРАБОТКИ
© Н.В. Коровкин^ , Н.И. Богданович2, Н.А. Кутакова2
1 Северный филиал Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича, ул. Урицкого,17, Архангельск, 163002 (Россия) E-mail: techlab@sevpinro.ru 2Архангельский государственный технический университет, наб. Северной Двины,17, Архангельск, 163002 (Россия) E-mail: lesochim@agtu.ru
Исследован химический состав основных компонентов бурых водорослей (Laminaria saccharina (L.) Lamour, Laminaria digitata (Huds.) Lamour, два вида фукусовых - фукус пузырчатый и аскофиллум узловатый (Fucus vesiculosus (L), Ascophyllum nodosum (L) Le Jolis) в зависимости от сезона, места изъятия, возраста и части растения для дальнейшей переработки с целью получения биологически активных веществ. Полученные результаты позволяют отнести бурые водоросли Белого моря к доступным природным витаминоносителям и сделать вывод о возможности их использования в качестве витаминсодержащей добавки к пище.
Введение
Морские водоросли - это уникальное сырье, способное в короткие сроки формировать большую биомассу, синтезировать химические соединения, выполняющие определенные физиологические функции, и разнообразные биологически активные вещества (БАВ), образование которых обусловлено эволюцией и борьбой за существование в условиях естественно сложившихся экологических систем [1].
Промышленное значение имеют бурые водоросли, большое количество которых сосредоточено в наших северных морях. Флора прилегающих к ним районов суши бедна микроэлементами и витаминами. Водоросли в суровых условиях Крайнего Севера - нередко единственный источник, способный удовлетворить потребности человека в этих веществах, в том числе йоде.
Водоросли обладают способностью извлекать из морской воды и аккумулировать многие элементы. Так, концентрация магния в ламинариевых водорослях превышает таковую в морской воде в 9-10 раз, серы - в 17 раз [2]. По содержанию некоторых химических элементов водоросли значительно превосходят наземные растения, а количество йода в ламинариевых в несколько тысяч раз больше, чем в наземной флоре.
Задача использования целебных свойств макрофитов в профилактике йододефицита становится актуальной в связи с массовым распространением болезней обмена веществ, дефицитом витаминов и минеральных веществ и изменением экологической обстановки [3]. Продукты из водорослей имеют преимущество перед другими йодосодержащими препаратами, так как искусственно созданный продукт не может конкурировать с живой природой: в морских водорослях не просто много йода - они содержит еще и важные для обменных процессов микро- и макроэлементы, витамины, помогающие этот йод усвоить [4].
Химический состав бурых водорослей Белого моря изучен недостаточно.
Белое море является сравнительно закрытым водоемом с ледовым покрытием в зимний период, оно имеет более низкую соленость, чем открытые моря. Все это определяет особенности и сезонную динамику химического состава макрофитов.
Наиболее эффективным способом переработки водорослей является экстрагирование этанолом, в процессе которого извлекается основная часть минеральных и органических веществ, проявляющих биологиче-
* Автор, с которым следует вести переписку.
скую активность [5]. Однако ассортимент продукции из водорослей мал, ресурсы этого уникального природного комплекса до конца не реализованы.
Необходимость данных исследований обусловлена рядом причин: во-первых, требует решения вопрос активного промысла фукоидов без нанесения вреда восстановлению промысловых запасов; во-вторых, более полное изучение химического состава бурых водорослей Белого моря необходимо с целью получения новых видов продукции на основе водно-спиртовой экстракции.
Экспериментальная часть
Использовали бурые водоросли: Laminaria saccharina (L.) Lamour, Laminaria digitata (Huds.) Lamour, два вида фукоидов - фукус пузырчатый и аскофиллум узловатый (Fucus vesiculosus (L), Ascophyllum nodosum (L) Le Jolis). Ламинарии представляют собой крупные растения, достигающие в длину 6 метров. Растут в сублиторальной зоне на каменистом, скалистом, ракушечном или илистом грунтах [6]. Фукоиды имеют слоевище в виде кустов от 10 до 80 см, оливкового цвета различной величины, сильно разветвленных, с небольшим округлым стволиком, оканчивающимся конической подошвой. Растут преимущественно в верхних и средних частях литоральной зоны, но также встречается и в самых верхних горизонтах сублиторали [7].
Для исследования химического состава водорослей в зависимости от сезонных колебаний, возраста и части растения пробы водорослей отбирались в районе Печаковской салмы (о. Соловецкий), два раза в месяц с мая по октябрь 2002 г., от района произрастания - по разрезам Белого моря.
Подобный систематизированный отбор проб бурых водорослей осуществлен впервые. Объем проб - не менее 5 кг, средние пробы составлены квартованием. Водоросли высушены до воздушно-сухого состояния непосредственно на месте добычи. Определение содержания минеральных веществ, легко- и трудногидролизуемых полисахаридов, пигментов и других компонентов проведено общепринятыми методами. Для определения йода использован сертифицированный метод [8]. Содержание витаминов группы В, витаминов С и А определено по методам [9, 10]. Экстрагирование водорослей осуществляли в лабораторных условиях методом настаивания. В экстрактах и послеэкстракционных остатках определено содержание основных компонентов такими же методами, которые использованы для анализа сырья. Медико-биологические испытания продуктов переработки водорослей проведены в Институте вакцин и сывороток (г. Санкт-Петербург) с использованием различных методов определения защитного действия препаратов [11].
Результаты и обсуждение
Результаты исследований динамики изменения химического состава водорослей представлены в таблице и на рисунках 1-5. Сезонные колебания содержания веществ у водорослей литорали (фукоиды) и сублиторали (ламинарии) резко отличаются. Это объясняется тем, что сублиторальные водоросли подвергаются в меньшей степени воздействию резкого изменения условий существования в течение суток. Быстрое обезвоживание литоральных водорослей при отливе приводит к изменению содержания в них некоторых веществ.
По амплитуде изменений содержания суммы углеводов водоросли делятся на две группы: сублиторальные ламинариевые водоросли, которые имеют четкий весенний минимум и осенний максимум содержания углеводов; литоральные (фукоиды), в которых отмечена значительно меньшая амплитуда колебаний (около 5% по сравнению с 15% у ламинарий) (рис. 1).
В зависимости от глубины произрастания меняется содержание йода. По сравнению с ламинариевыми фукусы содержат меньше йода (0,01.. .0,055 и 0,33.. .0,57% соответственно).
Содержание массовой доли йода в водорослях (по разрезам Белого моря)
Район Белого моря Соленость морской воды, %0 F.vesiculosus A.nodosum L.saccharina L.digitata
м. Выгнаволок 23,5 0,010 0,03 0,140 0,26
(Поморский берег) м. Чесменский 25,6 0,012 0,03 0,162 0,33
(Онежский залив) гб. Ковда 26,0 0,012 0,051 0,165 0,40
(Кандалакшский залив) м. Валдай 29,9 0,016 0,055 0,170 0,46
(Терский берег)
дата отбора проб
♦ L. saccharina х L. digitata a F. vesiculosus верхняя часть • F. vesiculosus нижняя часть ж A.nodosum
Рис. 1. Суммарное содержание углеводов в бурых водорослях Белого моря
дата отбора проб
a F.vesiculosus х A.nodosum
Рис. 2. Динамика содержания аскорбиновой кислоты в фукоидах Белого моря
дата отбора проб
♦ L. saccharina ■ L.digitata
Рис. 3. Динамика содержания аскорбиновой кислоты в ламинариевых водорослях Белого моря
дата отбора проб —•—L.saccharina —■—L.digitata a F. vesiculosus х A.nodosum
Рис. 4. Динамика содержания хлорофилла в бурых водорослях Белого моря
Наибольшее влияние на химический состав водорослей оказывает соленость воды. Величина солености оказывает прямое влияние на содержание минеральных веществ, в том числе и йода (табл. 1). Чем выше соленость, тем большее значение имеет названный показатель. При изменении солености воды незначительно изменяется общее содержание углеводов как у ламинариевых, так и у фукоидов (от 19 до 23%).
Водоросли проходят определенный цикл развития, различные стадии которого могут иметь разную направленность. В начале жизненного цикла водорослей направленность синтетических процессов у них структурная (синтез белков), в середине и в конце жизненного цикла она меняется в сторону синтеза запасных веществ.
Из всех углеводных компонентов наибольшим колебаниям подвержены запасные полисахариды (ман-нит). Такой компонент, как альгиновая кислота, в течение сезона заготовки претерпевает сравнительно небольшие колебания.
Определили, что у фукоидов наибольшее содержание витамина С приходится на начало июня и начало октября (рис. 2), у ламинариевых водорослей содержание аскорбиновой кислоты значительно ниже, чем у фукусовых, и плавно уменьшается в течение всего летнего сезона (характер кривых у двух видов ламинариевых водорослей повторяется) (рис. 3).
Впервые проведенные исследования сезонной динамики пигментного состава бурых водорослей Белого моря показали, что в фукоидах обнаружено достаточно высокое содержание хлорофилла: до 0,53% в пересчете на сухую массу у F. vesiculosus и до 0,46% у A. nodosum (рис. 4). Максимальное содержание кароти-ноидов у F. vesiculosus составляет 0,08 мг/г, у A. nodosum - 0,03 мг/г; максимальное содержание ксантофиллов у F. vesiculosus - до 0,02 мг/г, у A. nodosum - до 0,01 мг/г.
отдельные части растений содержат разное количество компонентов и имеют разный химический состав (в количественном отношении). В верхней части водорослей накапливается больше йода, суммарное содержание углеводов (в том числе альгиновых кислот) в нижней части у F. vesiculosus больше, чем в верхней.
Полученные результаты позволяют отнести бурые водоросли Белого моря к доступным природным витаминоносителям и сделать вывод о возможности их использования в качестве витаминсодержащей добавки к пище.
Традиционно основное внимание технологов уделялось изучению технологий переработки ламинариевых водорослей Белого моря. Современные же тенденции развития биотехнологий требуют расширения сырьевой базы. Увеличение потребностей медицины, пищевой промышленностей в биологически активных веществах заставляет уделять внимание новым источникам возобновляемого сырья. С этой точки зрения фукоиды можно рассматривать как перспективный объект благодаря высокому содержанию в них уникальных биологически активных веществ различного спектра действия.
Природные запасы бурых водорослей велики, но добыча глубинной ламинарии зависит от погодных условий, глубины добычи, наличия рациональных орудий лова, а фукоиды произрастают на приливноотливной зоне, что облегчает сбор и не требует особых орудий лова [12].
Рис. 5. Блок-схема спиртового экстрагирования фукоидов
Наиболее рациональным способом извлечения йода является его экстракция этиловым спиртом, при которой извлекается основное количество йода, содержащегося в водорослях. При этом в экстракт переходят и многие другие ценные вещества: маннит, альгиновая кислота, липиды, минеральные вещества, производные хлорофилла, каротиноиды и витамины (жирорастворимые) [13].
Схема спиртового экстрагирования фукоидов представлена на рисунке 5.
В связи с этим проведена работа по изучению процесса спиртового экстрагирования с целью получения йодопродуктов с использованием новых видов сырья. Методика проведения была следующая: процесс экстрагирования контролировали по насыщению экстракта йодом. Концентрирование экстрактов, йодсодержащих проводили отгонкой спирта. Составлены материальные балансы йодопродуктов для оценки их дальнейшего использования в пищевой промышленности. Исследовано влияние технологических параметров на выход и свойства продукта.
Результаты исследования показали, что полученный в результате водно-спиртового экстрагирования водный остаток содержит не только йод (0,2-0,3%), но и природные макро- и микроэлементы: калий - 2,52,8%, кальций - 2,0%, магний - 0,8%, натрий - 2,5-3,0%, железо - 10 мг %.
Медико-биологические испытания показали, что исследуемые продукты переработки фукоидов: водный остаток и остаток водорослей после экстрагирования оказывают выраженное антимикробное действие, защитное действие на модели инфекционного процесса и на моделях иммунодепрессий различного генеза, выраженное антиоксидантное действие, а также обладают противорадионуклидными свойствами [14].
Заключение
Следовательно, продукты переработки фукоидов после спиртового экстрагирования могут быть использованы в пищевой промышленности в качестве источников природных минеральных веществ (в том числе йода), углеводов, белков, витаминов и пищевых волокон.
В настоящее время разработаны нормативные документы на производство пищевой продукции из фукоидов.
Список литературы
1. Зайцев В.П., Ажгихин И.С., Гандель В.Г. Комплексное использование морских организмов. М., 1980. С. 117-118.
2. Кизеветтер И.В., Грюнер В.С., Евтушенко В.А. Переработка морских водорослей и других промысловых водных растений. М., 1967. С. 3.
3. Малявская С.И., Самодов В.А. Иоддефицитные состояния и их коррекция // Применение препаратов водорослевого происхождения в клинике внутренних болезней: Тез. докл. научн. конф. Архангельск, 1998.. С. 11-13.
4. Подкорытова А.В., Вишневская Т.И. Морские водоросли - естественный источник йода // Парафармацевтика. 2003. Сообщ.1. №2. С. 22-23. Сообщ. 2. №3. С. 18-20.
5. Вишневская Т.И., Аминина Н.М., Гурулева О.Н. Разработка технологии йодсодержащих продуктов из Laminaria japonica // Известия ТИНРО-Центра. 2001. Т. 129. С. 2-8.
6. Возжинская В.Б. Донные макрофиты Белого моря. М., 1986. 191 с.
7. Голлербах М.М. Водоросли их строение, жизнь и значение.М., 1951. 176 с.
8. ГОСТ 26185-84. Водоросли, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа; Введ. с 01.01.85. М., 1984. 54 с.
9. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений. М., 1976. 254 с.
10. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М., 1969. 573 с.
11. МУК 2.3.2721-98 Определение безопасности и эффективности биологически активных добавок к пище. Минздрав РФ. М., 1999. 25 с.
12. Пронина О.А. Современное состояние сырьевых ресурсов водорослей Белого моря // Проблемы изучения рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря: материалы VIII региональной научнопрактической конференции. Архангельск, 2002. С. 18-22.
13. Перлюк М.Ф., Лебская Т.К., Шканова Н.Е. Комплексное использование продуктов переработки водорослей Белого моря // Рыбное хозяйство. 1991. №12. С. 45-48.
14. Коровкина Н.В., Богданович Н.И. Переработка фукоидов Белого моря с целью извлечения йода // Сб. науч. трудов. Архангельск, 2004. Вып. IX. С. 124-127.
Поступило в редакцию 13 февраля 2007 г.
После переработки 16марта 2007 г.
