CC BY
50
УДК 664.8.022:582.26/.27
ВЛИЯНИЕ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ БИОМАССЫ НА ЭКСТРАГИРОВАНИЕ
ФИКОБИЛИНОВЫХ ПИГМЕНТОВ СИНЕЗЕЛЕНЫХ И КРАСНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ
И.А. Якушева1, А.А. Ефимов2, М.В. Ефимова3
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
'e-mail: [email protected] 2e-mail: [email protected] 3e-mail: [email protected]
В статье приведены результаты исследования влияния деструкции биомассы синезеленых водорослей рода Phormidium и красных водорослей родов Turnerella и Neoptilota на процесс экстрагирования их фикобилиновых пигментов. Показано, что для обеспечения полноты экстрагирования необходима дезинтеграция клеток, так как клеточные стенки препятствуют процессу экстракции.
Ключевые слова: синезеленые водоросли, красные водоросли, фикоцианин, фикоэритрин, экстракция, дезинтеграция, спектр.
blue-green and red algae biomass destruction influence on its phycobiliprotein pigments extraction process. I.A. Yakusheva1, A.A. Efimov2, M.V. Efimova3 (1-3Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
The article gives the results of the following research: blue-green algae (Phormidium species) and red algae (Turnerella and Neoptilota species) biomass destruction influences on its phycobiliprotein pigments extraction process. The necessity of cells disintegration for providing complete extraction is shown, as cellular shells prevent pigments extraction.
Key words: blue-green algae, red algae, phycocyanin, phycoerythrin, extraction, disintegration, spectrum.
Водоросли, отличаясь специфичностью химического состава, привлекают повышенное внимание как сырье для производства пищевых продуктов, в том числе биологически активных добавок и пищевых красителей на основе фотосинтетических пигментов.
Малоисследованными в этом плане являются синезеленые и красные водоросли, которых сближает присутствие в клетках фикобилиновых фотосинтетических пигментов.
Красные водоросли (Rhodophyta) своим названием обязаны содержащемуся в них красному пигменту фикоэритрину, различные соотношения которого с хлорофиллом и синим пигментом фикоцианином обусловливают цвет красных водорослей - от ярко-малинового до синеватого [1]. Красные водоросли содержат также хлорофилл а, фукоксантин, а- и Р-каротины, небольшое количество хлорофилла d [1].
У синезеленых водорослей найдено около 30 различных внутриклеточных пигментов [2], которые можно разделить на три группы - хлорофилл, фикобилипротеиды, каротиноиды [3]. Соотношение между пигментами изменяется в зависимости от вида и условий культивирования [4]. Для синезеленых водорослей, в том числе термофильных, характерна сине-зеленая, оливково-зеленая, желто-зеленая окраска, встречается розовая и почти черная, что связано с наличием таких пигментов, как хлорофилл а, фикобилины и каротиноиды [5, 6].
Фикобилины являются вспомогательными фотосинтетическими пигментами [7]. По своей химической природе они являются белками [1], входят в состав пигментных систем синезеленых и красных водорослей, где вместе с хлорофиллом а выполняют функции фоторецепторов в фотосинтезе [8].
Фикобилины входят в состав фикобилипротеидов. Основной пигмент данной группы -фикоцианин (синего цвета) - комплекс фикоцианобилина с белком, максимум его поглощения лежит в области 630 нм. Фикоэритрин (красного цвета) - комплекс фикоэритробилина с белком, максимум его поглощения - 570 нм. К фикобилинам также относят аллофикоцианин - пигмент синего цвета, максимум поглощения которого - 650 нм. Количество фикобилинов может быть в несколько раз больше, чем основного фотосинтетического пигмента хлорофилла [1].
При идентификации фикобилипротеинов синезеленых водорослей рода Phormidium,
выделенных из гидротерм Камчатки, получили спектр c максимумом поглощения фикоцианина -620, фикоэритрина - 565, аллофикоцианина - 654 нм [9]. Для красных водорослей рода Palmaria, собранных в районе Авачинской губы, б. Малолагерная в октябре 2010 г., определили присутствие фикоцианина и фикоэритрина [10].
Целью проведенного исследования являлось изучение влияния режимов деструкции на процесс экстрагирования фикобилиновых пигментов из синезеленых и красных водорослей.
Объектами исследований являлись синезеленые водоросли рода Phormidium, собранные в октябре 2011 г. в Пущинских гидротермах Камчатки, и красные водоросли родов Turnerella и Neoptilota, собранные в районе м. Вилкова в октябре 2011 г. (рис. 1).
Ж ' ЧХ • ч "
V ч ч
L ГV
а б в
Рис. 1. Синезеленые водоросли рода РИотг^ит (*400) (а) и красные водоросли родов ^еорйОа (б) и ТмгпегвИа (в)
Методы исследования. Для определения пигментного состава образцов водорослей применяли спектрофотометрический метод. Для исследования спектров оптического поглощения использовали спектрофотометр Leki SS2109UV. Для определения степени деструкции применяли микроскоп 2а8Йас2 2М 6/50.
Результаты исследования. Группы пигментов определяли в водных экстрактах. Для приготовления экстрактов биомассу синезеленых водорослей предварительно высушивали на воздухе при комнатной температуре в течение 24 ч и измельчали до порошкообразного состояния, контролируя степень измельчения визуально. Экстрагирование осуществляли в течение 24 ч. В качестве контроля проводили экстрагирование для сырой неизмельченной биомассы и биомассы, растертой в фарфоровой ступке. Исследовали экстракты бледно-зеленого и ярко-синего цветов (рис. 2).
На рис. 3 и 4 приведены полученные спектры поглощения водных экстрактов синезеленых водорослей. Как видно из рис. 3, на графике нет четко видимых максимумов поглощения фикоцианина (в области 620 нм). Это говорит о недостаточном выходе пигмента из клеток, то есть клеточная стенка препятствует процессу экстракции. Следовательно, необходимо проводить измельчение биомассы для разрушения клеточной стенки.
Дезинтеграцию клеток проводили методом циклического замораживания-размораживания и растирания в ступке после высушивания. На рис. 4 виден максимум поглощения фикоцианина (в области 620 нм) в экстракте, полученном из воздушно -сухих дезинтегрированных водорослей.
«J
в " и
Рис. 2. Водные экстракты синезеленых водорослей:
а - сырой биомассы (слева - неизмельченной, справа - измельченной); б - воздушно-сухой биомассы
4 3
Измельченные "Неизмельченные
ооооооооооооооооооо U3ooorsirfU3ooorsirfU3ooO!HrsimLni^cn mmrfrfrfrfrfLnLnLnLnLntDtDtDtDtDtDtD
Длина волны 1, нм
Рис. 3. Спектры поглощения водных экстрактов сырой биомассы синезеленых водорослей
а
и
I-
U
о
X
5
ч с
ГС
га х
о из m
о оо m
о о о о о
о Ol из оо
^ ^ ^ ^
о о
1Л
о гм 1Л
о
1Л
о из Ln
о оо Ln
о о из
о гм из
о m из
о
Ln
из
о из
о <п из
Длина волны 1, нм
2
1
0
4
3
2
1
0
Рис. 4. Спектр поглощения водного экстракта воздушно-сухой дезинтегрированной биомассы
синезеленых водорослей
Красные водоросли подвергали обработке аналогично биомассе синезеленых водорослей. Экстракцию пигментов проводили из сырых водорослей без предварительного измельчения и из измельченных в блендере, а также из растертых в фарфоровой ступке воздушно-сухих, подвергнутых перед сушкой дезинтеграции циклическим замораживанием-размораживанием. Экстрагирование осуществляли при перемешивании во избежание гелеобразования. Продолжительность экстракции составила 24 ч. Исследовали полученные растворы бледно-розового и ярко-красного цвета (рис. 5).
Рис. 5. Водные экстракты красных водорослей: а - сырых неизмельченных; б - сырых измельченных в блендере, в - воздушно-сухих дезинтегрированных красных водорослей; г - воздушно-сухих дезинтегрированных (справа) и раствор сравнения (слева)
На рис. 6 и 7 приведены полученные спектры поглощения водных экстрактов красных водорослей. Хорошо видны максимумы поглощения фикоэритрина в области 500 и 560 нм. По результатам проведенных исследований был сделан вывод о том, что для более полной экстракции такой степени измельчения недостаточно. Экстрагирование фикоэритрина наблюдалось только из
межклеточной жидкости, что подтвердилось при контроле микроскопированием.
а
А I-
а
г
с
к го ас и <и
У
0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0
■ ТигпегеИа ПворИШа
оооооооооооооо ^нтьлр^а^^нтьлр^сл^нтьлр^ ^^^^-^-ьльпьпьпьпиэиэиэиэ
Длина волны к, нм
Рис. 6. Спектры поглощения водных экстрактов сырых неизмельченных красных водорослей
1,5
ё
0,5 -
-ТмгпегеПа •ШеорШоаа
Длина волны Л, нм
Рис. 7. Спектры поглощения водных экстрактов сырых измельченных красных водорослей
Для обеспечения полноты экстракции проводили дезинтеграцию клеток, сушку водорослей и растирание их в ступке. Спектр поглощения полученного экстракта представлен на рис. 8.
1
0
Длина волны Л, нм
Рис. 8. Спектр поглощения водного экстракта воздушно-сухой дезинтегрированной красной водоросли рода ТмгпегвИа На рис. 8 видны два максимума поглощения фикоэритрина в области 500 и 560 нм. Результаты экспериментов приводят к следующим выводам.
— экстракция фикобилиновых пигментов из неизмельченных синезеленых и красных водорослей происходит с низкой скоростью;
тонкое измельчение водорослей, разрушение клеточных оболочек значительно ускоряет процесс экстракции, обеспечивает более полный выход пигментов из клеток водорослей;
- наибольшую эффективность имеет вариант экстракции из предварительно высушенной и дезинтегрированной биомассы водорослей.
Литература
1. Барашков Г.К. Сравнительная биохимия водорослей. - М.: Пищ. пром-сть, 1972. - ЗЗ6 с.
2. ГусевM.B., МинееваЛ.А. Микробиология. - М.: Академия, 200З. - 464 с.
3. Современная микробиология. Прокариоты / Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. -М.: Мир, 2005. - Т. 1. - 654 с.
4. Нетрусов А.И., Котова И.Б. Микробиология. - М.: Академия, 2006. - З52 с.
5. Studies on C-phycocyanin from Cyanidium caldarium, a eukaryote at the extremes of habitat / L.E. Eisele, S.H. Bakhru, X. Liu, R. MacColl, M.R. Edwards // Biochimica et Biophysica Acta BBA. -Bioenergetics, 2GGG. - P. 99-1G7.
б The phycobilisomes of the cyanobacterium Arthrospira (Spirulina) maxima / C. Gómez-Lojero, B. Pérez-Gómez, G. Prado-Flores, D.W. Krogmann, A. Cárabez-Trejo, A. Peña-Diaz // The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. - 1997. - V. 29, № 10. - P. 1191-12G5.
7. Сафронова Т.М., Дацун B.M. Сырье и материалы рыбной промышленности. - М.: Мир, 2GG4. - 274 с.
S. Гавриленко B.Ф., Жигалова T.B. Большой практикум по фотосинтезу. - М.: Академия, 200З. - 256 с.
9. Лощилина М.А., Якушева И.А. Исследование фотопигментов водорослей // Молодежь и наука: путь в будущее: Матер. науч.-практ. конф. студентов и курсантов КамчатГТУ (З1 марта - 2 апреля 2009 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2009. - С. 152-158. 1G. Якушева И.А., Ефимов A.A., Ефимова M.B. Исследование пигментного состава отдельных представителей бурых и красных водорослей Камчатки // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: II Всероссийская науч.-практ. конф. (Петропавловск-Камчатский, 15-18 марта 2011 г.). - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2011. - С. 164-169.
