Способ получения гелеобразующего полисахарида агара из красных водорослей

Изобретение относится к пищевой и микробиологической промышленности. Предложен способ получения гелеобразующего полисахарида агара из красных водорослей, включающий подготовку водорослей, предварительную обработку, экстракцию, очистку экстрактов, их обезвоживание и сушку. В качестве сырья используют водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, Ahnfeltia plicata или Gracilaria verrucosa, которые промывают и замачивают в воде в процессе подготовки сырья. Затем проводят обработку водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью, а после этого сырье замачивают в растворе щелочи или после подготовки сырья проводят его замачивание в растворе щелочи, а обработку сырья ферментным препаратом проводят после первой экстракции полисахарида. При этом экстракцию агара из водорослей Ahnfeltia tobuchiensis проводят трехкратно, а из водорослей Ahnfeltia plicata или Gracilaria verrucosa – двухкратно. Перед последней экстракцией водоросли прессуют, полученные экстракты очищают, обезвоживают и сушат с получением агара. Изобретение позволяет повысить выход агара. 4 пр.

 

Изобретение относится к способу получения гелеобразующего полисахарида агара из красных водорослей и может быть использовано в пищевой, микробиологической, фармацевтической и косметической промышленности.

Известен способ получения агара при котором морскую водоросль Ahnfeltia обрабатывают 3-6 мас. %-ным раствором едкого натра, содержащим 1-3 мас. % буры, при модуле 1:20 в расчете на сухое вещество водоросли, в течение 3 ч при 80-85°С. Затем водоросли промывают до рН 6,5-8,0 и экстрагируют водой при модуле 1:19 и температуре 100-130°С, а экстракт фильтруют, охлаждают и коагулируют (см. авторское Свидетельство СССР на изобретение «Способ получения агара», SU 1642954 A3, С08В 37/12, 1990.01, статус: не действует, дата прекращения действия авторского Свидетельства СССР №1642954 «1» июля 1998 года).

Названный способ получения агара делает необходимым использование химических реагентов (гидроксид натрия, тетраборат натрия, серная кислота) в повышенных количествах, а также не позволяет получить высокий выход полисахарида (не более 15,00% к массе сырья).

Известен универсальный способ получения агара из красных водорослей (агарофитов), предусматривающий подготовку водоросли, промывание, экстрагирование и фильтрацию. При подготовке водоросли замачивают в растворе с рН 2-6,9 при соотношении 1:30-1:50 соответственно и выдерживают в течение 0,25-3 ч при температуре смеси 5-30°С. После этого раствор сливают и водоросли промывают водой до установления рН среды 7. Далее проводят экстрагирование водорослей водой при гидромодуле 1:30-1:50 соответственно с добавлением раствора щелочи или кислоты, или буфера до создания рН среды 5-12. Экстрагирование осуществляют при температуре 97-132°С в течение 1-4 ч, экстракт после фильтрации очищают и обезвоживают с получением агара (см. патент на изобретение «Универсальный способ получения агара из красных водорослей (агарофитов)», RU 2435443 C1, A23L 1/0532, 2006.01, статус: действует, дата с которой действие патента №2435443 восстановлено «20» августа 2014 года).

Недостатком рассматриваемого способа является невысокая прочность гелей растворов агара, ввиду того, что предварительная обработка биомассы водорослей в кислой среде приводит к деструкции полисахарида. Кроме того, недостатком данного способа является низкий выход целевого продукта из водорослей рода Ahnfeltia, обладающих высокопрочными, жесткими талломами (в пределах 9,00% к массе сырья).

Известен способ производства агара из анфельции, предусматривающий замачивание части воздушно-сухой анфельции в известковом молоке и последующее промывание, дробление другой части сырья в сухом виде. Далее сухое дробленое и прошедшее замачивание недробленое сырье смешивают, преимущественно в массовом соотношении 1:(4,0-4,5) и обрабатывают в реакторе паром при давлении не менее 2 атм. Образовавшийся конденсат сливают, впоследствии, в этом же реакторе, извлекают агар путем трехкратной варки пропаренного сырья при давлении не менее 1 атм. Полученный навар очищают от механических примесей, желируют, режут на пластины, полученные пластины промывают, отжимают, сушат и дробят с получением порошкового агара (см. патент на изобретение «Способ производства агара из анфельции», RU 2385655 C1, A23L 1/337, 2006.01, статус: действует, последнее изменение статуса патента №2385655 датируется по «16» октября 2020 года).

К недостаткам данного способа относится длительность процесса экстракции агара, а также необходимость применения дорогостоящего оборудования для дробления водорослей в сухом виде.

Известен способ получения высокоочищенного агара и агарозы из красной водоросли анфельции тобучинской, который включает предобработку водоросли в гидроокиси кальция с концентрацией 1-2% в пересчете на окись кальция, при нагревании до 100-105°С и гидромодуле 1:12-15, в течение 60-90 мин с последующим повышением температуры реакционной смеси до 110°С и выдерживанием при этой температуре в течение 60-90 мин, после чего экстракцию проводят трехкратно, причем первую экстракцию проводят при температуре 115-120°С в течение 6-6,5 ч при гидромодуле 1:10-12 без добавления окиси кальция с получением агара высокоочищенного.

Вторую экстракцию проводят при температуре 115-120°С в течение 4-4,5 ч и гидромодуле 1:6-6,5 с внесением окиси кальция в количестве 4,0-4,5% к воздушно-сухой водоросли; третью экстракцию проводят при температуре 115-120°С в течение 2,0-2,5 ч и гидромодуле 1:3-3,5 с добавлением окиси кальция в количестве 2,0-2,5% к массе воздушно-сухой водоросли, экстракты второй и третьей экстракции смешивают и фильтруют, желируют, полученный гель нарезают, промывают настаиванием в пресной воде, затем настаиванием в дистиллированной воде в течение 10-12 ч при гидромодуле 1:2-3. Очистку экстрактов агара и агарозы осуществляют на нутч-фильтре на фильтровальной перегородке, сформированной из слоя фильтровального порошка диатомита, слоем толщиной 0,5-1,0 см и фильтровального картона при температуре 80-85°С (см. патент на изобретение «Способ получения высокоочищенного агара и агарозы из красной водоросли анфельции тобучинской», RU 2189990 C1, С08В 37/12, 2000.01, статус: не действует, дата прекращения действия патента №2189990 «6» апреля 2015 года).

К недостаткам данного способа относится применимость процесса только для одного вида красных водорослей.

Наиболее близким техническим решением является способ получения агара из водорослей, включающий промывание водорослей Furcellaria или Gracilaria в растворе негашеной извести или водопроводной водой. Далее к водорослям добавляют раствор ферментного препарата мацерирующего действия в дозе 50-100 ед. пектаттрансэлиминазы или целлюлолитического действия в дозе 5-10 ед. экзоцеллобиозидгидролазы или их смеси в указанных дозах на 1 г сырья и инкубируют смесь в течение 1-2 ч. После этого осуществляют варку водорослей. Полученный экстракт фильтруют, сушат и проводят измельчение продукта (см. авторское Свидетельство СССР на изобретение «Способ получения агара из водорослей», SU 1763440 A1, С08В 37/12, 2000.01, статус: не действует, дата прекращения действия патента №1763440 официально не указана).

Данный способ не может быть применен для красных водорослей-агарофитов, обладающих высокопрочными, жесткими талломами (Ahnfeltia tobuchiensis, Ahnfeltia plicata). Также недостатком данного способа является низкий выход целевого продукта из водорослей рода Gracilaria (11,25-18,10% к массе сырья).

Технической задачей заявленного изобретения о способе получения гелеобразующего полисахарида агара из красных водорослей является повышение выхода агара из красных водорослей Ahnfeltia tobuchiensis, Ahnfeltia plicata, Gracilaria verrucosa при сохранении качественных характеристик полисахарида, сокращение продолжительности процесса, а также уменьшение количества твердых отходов за счет более эффективной экстракции агара из талломов водорослей.

Поставленная задача достигается предложенным способом получения гелеобразующего полисахарида агара из красных водорослей. Заявленный способ включает подготовку водорослей, обработку сырья ферментным препаратом после подготовки или после первой экстракции полисахарида, замачивание водорослей в растворе щелочи, несколько последовательных экстракций агара, прессование сырья перед последней экстракцией, очистку экстрактов, их обезвоживание и сушку. При этом в качестве сырья используют водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, Ahnfeltia plicata, Gracilaria verrucosa, которые в процессе подготовки промывают и замачивают в воде, затем проводят их обработку ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью, либо сразу проводят замачивание сырья в растворе щелочи, а обработку ферментным препаратом проводят после первой экстракции полисахарида. Далее проводят экстракцию агара, при этом число последовательных экстракций зависит от соотношения агара и целлюлозы в исходном сырье. Если данное соотношение равно или более 4:1 проводят две экстракции, если менее - три. Перед последней экстракцией водоросли прессуют. Экстракты очищают, обезвоживают и сушат с получением агара.

Красные водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, Ahnfeltia plicata, Gracilaria verrucosa являются эндемичными видами для России и имеют огромное практическое значение для получения гелеобразующего полисахарида агара. Рекомендуемый вылов Ahnfeltia tobuchiensis в Дальневосточном рыбохозяйственном бассейне (залив Измены острова Кунашир, залив Петра Великого Японского моря, лагуна Буссе острова Сахалин) составляет около 10,9 тыс.т (Федеральное агентство по рыболовству. Доступно через: http://fish.gov.ru).

Активный лов Ahnfeltia plicata в акватории Белого моря в настоящее время запрещен, однако ее сбор осуществляется из штормовых выбросов, представляющих собой полноценное сырье для производства агара (приказ Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 30 октября 2014 года №414 «Об утверждении правил рыболовства для Северного рыбохозяйственного бассейна» // Российская газета. Спец. вып. 23 янв. 2015. №12/1 (6583/1). С. 2-10; Подкорытова А.В. и др. 2016. Комплексная ресурсосберегающая технология переработки красных водорослей Ahnfeltia plicata, Белое море: получение агара, пищевых волокон и кормовых продуктов // Труды ВНИРО. Т. 159. С. 130-142).

Ahnfeltia tobuchiensis и Ahnfeltia plicata обладают прочными, жесткими талломами, характеризуются низким темпом роста, сложным и длительным циклом развития, что делает их введение в марикультуру неперспективным (Блинова Е.И. 2007. Водоросли-макрофиты и травы морей европейской части России (флора, распространение, биология, запасы, марикультура). М: Издательство ВНИРО. 114 с.; Максимова О.В. 2017. Макрофитобентос Белого моря. Система Белого моря. Т. 4. М.: Издательство «Научный мир». С. 378-422. В отличие от Ahnfeltia tobuchiensis, Gracilaria verrucosa не образует больших скоплений в Дальневосточном рыбохозяйственном бассейне, но этот вид красных водорослей активно выращивают во многих странах мира и, соответственно, он может быть использован как исходный материал для культивирования в России (Скрипцова А.В. 1999. Биологическое обоснование введения в культуру неприкрепленной формы Gracilaria verrucosa: автореф. дис. … канд. биол. наук. Владивосток: Институт биологии моря ДВО РАН. 22 с.).

Способ получения гелеобразующего полисахарида агара из красных водорослей осуществляется следующим образом.

В качестве сырья для получения агара используют красные водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, Ahnfeltia plicata, Gracilaria verrucosa, которые предварительно промывают для удаления посторонних примесей и замачивают в воде в течение 0,5-6 ч с целью уменьшения содержания минеральных веществ в сырье. Затем проводят обработку биомассы водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью (0,5-10,5 единиц эндо-1,4-β-глюканазы на 1 г сырья), в течение 0,5-24 ч при температуре 30-80°С и гидромодуле 1:10-30 с целью разрыва внутренних связей в кристаллической структуре целлюлозы. После этого водоросли выдерживают в растворе щелочи (Са(ОН)₂, NaOH, КОН) с массовой долей 0,5-1,5% в течение 5-15 ч для улучшения гелеобразующих свойств агара. Далее проводят экстракцию агара, при этом число последовательных экстракций зависит от соотношения агара и целлюлозы в исходном сырье. Если данное соотношение равно или более 4:1 проводят две экстракции, если менее - три. Первую экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО), гидроксида натрия (NaOH) или гидроксида калия (КОН) в количестве 2-3% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 3-6 ч при гидромодуле 1:10-30 и температуре от 98°С (нормальное давление) до 120°С (давление 1,962 атм), после чего проводят слив экстракта и обработку водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью (0,5-10,5 единиц эндо-1,4-β-глюканазы на 1 г сырья), в течение 0,5-24 ч при температуре 30-80°С и гидромодуле 1:7-15, если данный процесс не был проведен на этапе предварительной обработки сырья.

Вторую экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО), гидроксида натрия (NaOH) или гидроксида калия (КОН) в количестве 1 -2% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 2-5 ч при гидромодуле 1:7-15 и температуре от 98°С (нормальное давление) до 120°С (давление 1,962 атм). При этом перед последней экстракцией водоросли прессуют, добиваясь разрушения целостности их талломов. Третью экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО), гидроксида натрия (NaOH) или гидроксида калия (КОН) в количестве 0,2-0,8% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 1-4 ч при гидромодуле 1:4-10 и температуре от 98°С (нормальное давление) до 120°С (давление 1,962 атм). Экстракты фильтруют в горячем виде и очищают от нерастворимых взвешенных частиц центрифугированием или вакуумным фильтрованием. Затем экстракты охлаждают с целью формирования структуры геля, а для удаления неагаровых примесей применяют диализ. Далее обесцвеченные гели концентрируют способом замораживания при температуре минус 18-22°С и оттаивания при температуре 2-6°С или прессования, сушат и измельчают с получением агара.

Пример 1. В качестве сырья для получения агара используют сухие красные водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, которые предварительно промывают и замачивают в воде в течение 4 ч. Затем проводят обработку биомассы водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью (5,5 единиц эндо-1,4-β-глюканазы на 1 г сырья), в течение 5 ч при температуре 55°С и гидромодуле 1:12. После этого водоросли выдерживают в растворе гидроксида кальция (Са(ОН)₂) с массовой долей 1% в течение 10 ч. Далее проводят три последовательные экстракции агара. Первую экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО) в количестве 2,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 4,5 ч при гидромодуле 1:12 и температуре 120°С (давление 1,962 атм).

Вторую экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО) в количестве 1,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 3,5 ч при гидромодуле 1:7 и температуре 120°С (давление 1,962 атм). При этом перед последней экстракцией водоросли прессуют, добиваясь разрушения целостности их талломов.

Третью экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО) в количестве 0,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 2,5 ч при гидромодуле 1:4 и температуре 120°С (давление 1,962 атм). Экстракты фильтруют в горячем виде и очищают от нерастворимых взвешенных частиц центрифугированием. Затем экстракты охлаждают с целью формирования структуры геля, а для удаления неагаровых примесей применяют диализ. Далее обесцвеченные гели концентрируют способом замораживания при температуре минус 18-22°С и оттаивания при температуре 2-6°С, сушат и измельчают.Выход агара составляет 18,06%, прочность геля его 0,85% раствора - 754,7 г.

Пример 2. В качестве сырья для получения агара используют сухие красные водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, которые предварительно промывают и замачивают в воде в течение 6 ч. После этого водоросли выдерживают в растворе гидроксида кальция (Са(ОН)₂) с массовой долей 1% в течение 15 ч. Далее проводят три последовательные экстракции агара.

Первую экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО) в количестве 2,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 4,5 ч при гидромодуле 1:12 и температуре 120°С (давление 1,962 атм). Затем проводят слив экстракта и обработку водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью (3,0 единицы эндо-1,4-β-глюканазы на 1 г сырья), в течение 5 ч при температуре 55°С и гидромодуле 1:7.

Затем, не сливая реакционную смесь, проводят вторую экстракцию с внесением оксида кальция (СаО) в количестве 1,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 3,5 ч и температуре 120°С (давление 1,962 атм). При этом перед последней экстракцией водоросли прессуют, добиваясь разрушения целостности их талломов.

Третью экстракцию проводят с внесением оксида кальция (СаО) в количестве 0,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 2,5 ч при гидромодуле 1:4 и температуре 120°С (давление 1,962 атм). Экстракты фильтруют в горячем виде и очищают от нерастворимых взвешенных частиц центрифугированием. Затем экстракты охлаждают с целью формирования структуры геля, а для удаления неагаровых примесей применяют диализ. Далее обесцвеченные гели концентрируют способом замораживания при температуре минус 18-22°С и оттаивания при температуре 2-6°С, сушат и измельчают. Выход агара составляет 17,34%, прочность геля его 0,85% раствора - 810,8 г.

Пример 3. В качестве сырья для получения агара используют сухие красные водоросли Ahnfeltia plicata, которые предварительно промывают и замачивают в воде в течение 2 ч. Затем проводят обработку биомассы водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью (3,0 единицы эндо-1,4-β-глюканазы на 1 г сырья), в течение 5 ч при температуре 55°С и гидромодуле 1:15. После этого водоросли выдерживают в растворе гидроксида натрия (NaOH) с массовой долей 1% в течение 10 ч. Далее проводят две последовательные экстракции агара.

Первую экстракцию проводят с внесением гидроксида натрия (NaOH) в количестве 2,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 4,5 ч при гидромодуле 1:15 и температуре 98°С. При этом перед последней экстракцией водоросли прессуют, добиваясь разрушения целостности их талломов.

Вторую экстракцию проводят с внесением гидроксида натрия (NaOH) в количестве 1,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 3,5 ч при гидромодуле 1:8 и температуре 98°С. Экстракты фильтруют в горячем виде и очищают от нерастворимых взвешенных частиц центрифугированием. Затем экстракты охлаждают с целью формирования структуры геля, а для удаления неагаровых примесей применяют диализ. Далее обесцвеченные гели концентрируют способом замораживания при температуре минус 18-22°С и оттаивания при температуре 2-6°С, сушат и измельчают. Выход агара составляет 27,57%, прочность геля его 0,85% раствора - 700,4 г.

Пример 4. В качестве сырья для получения агара используют сухие красные водоросли Gracilaria verrucosa, которые предварительно промывают и замачивают в воде в течение 1 ч. Затем проводят обработку биомассы водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью (3,0 единицы эндо-1,4-β-глюканазы на 1 г сырья), в течение 5 ч при температуре 45°С и гидромодуле 1:30. После этого водоросли выдерживают в растворе гидроксида натрия (NaOH) с массовой долей 1% в течение 10 ч. Далее проводят две последовательные экстракции агара.

Первую экстракцию проводят с внесением гидроксида натрия (NaOH) в количестве 2,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 4,5 ч при гидромодуле 1:30 и температуре 98°С. При этом перед последней экстракцией водоросли прессуют, добиваясь разрушения целостности их талломов.

Вторую экстракцию проводят с внесением гидроксида натрия (NaOH) в количестве 1,5% к воздушно-сухой массе водорослей в течение 3,5 ч при гидромодуле 1:15 и температуре 98°С. Экстракты фильтруют в горячем виде и очищают от нерастворимых взвешенных частиц центрифугированием. Затем экстракты охлаждают с целью формирования структуры геля, а для удаления неагаровых примесей применяют диализ. Далее обесцвеченные гели концентрируют способом замораживания при температуре минус 18-22°С и оттаивания при температуре 2-6°С, сушат и измельчают. Выход агара составляет 31,90%, прочность геля его 0,85% раствора - 562,3.

Способ получения гелеобразующего полисахарида агара из красных водорослей, включающий подготовку водорослей, предварительную обработку, экстракцию, очистку экстрактов, их обезвоживание и сушку, отличающийся тем, что в качестве сырья используют водоросли Ahnfeltia tobuchiensis, Ahnfeltia plicata или Gracilaria verrucosa, которые промывают и замачивают в воде в процессе подготовки сырья, затем проводят обработку водорослей ферментным препаратом, обладающим эндо-1,4-β-глюканазной активностью, а после этого сырье замачивают в растворе щелочи или после подготовки сырья проводят его замачивание в растворе щелочи, а обработку сырья ферментным препаратом проводят после первой экстракции полисахарида, при этом экстракцию агара из водорослей Ahnfeltia tobuchiensis проводят трехкратно, а из водорослей Ahnfeltia plicata или Gracilaria verrucosa – двухкратно, перед последней экстракцией водоросли прессуют, полученные экстракты очищают, обезвоживают и сушат с получением агара.