Обоснование комплексной технологии переработки бурых водорослей (phaeophyta) при получении функциональных пищевых продуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Специальность 05.18.04 - технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств

Обоснование КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ БУРЫХ ВОДОРОСЛЕЙ (PHAEOPHYTA) ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ФУНКЦИОНАлЬНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Вафина Лилия Хаматовна

Москва - 2010

Работа выполнена в лаборатории биохимии и технологии рыб, беспозвоночных и водорослей ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ФГУП «ВНИРО»).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Подкорытова Антонина Владимировна

Официальные оппоненты - доктор химических наук, профессор

Усов Анатолий Иванович

- доктор технических наук, профессор

Васюкова Анна Тимофеевна

Ведущая организация - ФГУП «Северный филиал Полярного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича»

Защита состоится 12 мая 2010 года в 11 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 307.004.03 при ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» Федерального агентства по рыболовству по адресу: 107140, г. Москва, ул. Верхняя Красносельская, д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИРО».

Автореферат разослан «09» апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук В.А. Татарников

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время к пищевым продуктам стали относиться как к эффективному средству, улучшающему физическое и психическое здоровье, снижающему риск возникновения многих заболеваний. В связи со сложной экологической ситуацией возрастает необходимость использования в пищу натуральных пищевых продуктов, сбалансированных по микронутриентам и содержащих биологически активные вещества (БАВ) различного спектра действия, положительно влияющих на функции органов и тканей человека. Морские бурые водоросли и их БАВ могут быть в полной мере использованы для профилактики и лечения ряда «болезней цивилизации», а также для устранения последствий влияния токсических веществ на организм человека [Разумов и др., 2005]. Бурые водоросли содержат комплекс БАВ: полисахариды, свободные аминокислоты, липиды, микро- и макроэлементы, йод. Поэтому водоросли широко используют при производстве пищевых продуктов, а также выделенные из них вещества [Барашков, 1972; Кизеветтер, 1976; Усов и др., 2001; 2002; Подкорытова, 2002]. Ассортимент подобной продукции не велик. В настоящее время ученые уделяют внимание разработке технологий получения функциональных пищевых продуктов (ФПП) из водорослей и их БАВ. Производные бурых водорослей также используют как пищевые добавки, повышающие качество основных продуктов путем сохранения или улучшения их структуры, вкуса, внешнего вида и удлинения сроков хранения [Нечаев и др., 2001]. Кроме того, в прибрежных зонах морей России сосредоточены значительные запасы фукусовых и ламинариевых водорослей, которые способны возобновляться. В связи с этим разработка комплексной технологии переработки бурых водорослей при получении функциональных пищевых продуктов (ФПП) является актуальной.

Разработка и реализация комплекса технологий ФПП позволит не только рационально использовать запасы бурых водорослей, но и расширить ассортимент, что является актуальной задачей для науки и пищевой промышленности. Решение этих задач и выпуск новой продукции обеспечит население низкокалорийными, обогащенными БАВ продуктами, органолептические свойства которых не отличаются от традиционных и сбалансированных по пищевой ценности.

Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы - создание научно обоснованной системы технологий функциональных пищевых продуктов на основе биоэкстрактов и биогелей из бурых водорослей с использованием рыбного сырья и других добавок.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- заготовить в прибрежной зоне Баренцева моря образцы бурых водорослей порядков Fucales и Laminariales (Laminaria saccharina, Laminaria digitata, Fucus vesiculosus, Ascophyllum nodosum);

- изучить химический состав, включая биоактивные компоненты, бурых водорослей порядков Fucales и Laminariales и их безопасность;

- разработать условия экстрагирования водорастворимых биоактивных компонентов из сушеных водорослей;

- исследовать химический состав и безопасность биоэкстрактов;

- разработать технологические режимы и рецептуры напитков на основе водных биоэкстрактов;

- исследовать химический состав и безопасность напитков;

- разработать рациональные условия деминерализации фукусовых водорослей для получения гомогенных фукусовых биогелей;

- исследовать химический состав и безопасность биогелей;

- разработать технологии и рецептуры десертной, желейной продукции, соусов для мясных и рыбных блюд, паштетов с использованием рыбных фаршей на основе водорослевых биогелей;

- провести расчеты аминокислотной и жирнокислотной сбалансированности продукции с рыбными фаршами;

- исследовать химический состав и безопасность разработанной продукции;

- разработать рекомендации по использованию водорослевых биогелей: получение из них альгината натрия и альгината кальция, утилизация остатка;

- разработать техническую документацию на комплекс пищевых продуктов с использованием биоэкстрактов и биогелей из бурых водорослей.

Научная новизна работы.

1. Научно обоснована необходимость применения комплексной технологии переработки водорослей Fucales и Laminariales при получении широкого спектра ФПП с заданным составом биологически активных веществ.

2. Впервые показаны изменения микроструктуры тканей бурых водорослей на всех стадиях технологической обработки: восстановление сушеных водорослей в воде, кислотная и щелочная модификации, гомогенизация.

3. Экспериментально обоснованы условия обработки фукусовых водорослей, повышающих концентрацию водорастворимого альгината натрия в водорослевых биогелях.

4. Выведена математическая зависимость вязкости водорослевого биогеля от условий обработки сырья: концентрации кислоты и температуры деминерализации.

Практическая значимость работы. На основании результатов исследований разработаны технологии получения функциональных пищевых продуктов и напитков из бурых водорослей, а также биологически активных добавок и кормовых продуктов.

Разработаны нормативные документы:

1. ТУ 9284-092-00472124-09 «Напиток чай морской «Фитомарин»;

2. ТУ 9284-091-00472124-09 «Конфеты желейные»;

3. ТУ 9284-084-00472124-09 «Десерт морской»;

4. ТУ 9197-033-00472124-06 «БАД Мигикальгин»;

5. ТУ 9197-034-00472124-06 «БАД Мигикальгин-С».

Разработаны исходные требования к проекту цеха производства ФПП из бурых водорослей. Подготовлена спецификация оборудования и план его расстановки. Рассчитана себестоимость продукции, изготовленной в соответствии с разработанными технологиями. Новизна технического решения подтверждена патентом РФ №2342857 «Биологически активная добавка к пище Мигикальгин» и заявкой на патент № 2008126415 «Способ получения функциональных продуктов питания из морских водорослей и функциональные продукты» (положительное решение на выдачу патента РФ от 03.11.2009).

Реализация результатов исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на научно практической конференции «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество» (Светлогорск, 2005); Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Живые системы и биологическая безопасность населения» (Москва, 2006); Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности использования водных биологических ресурсов» (Москва, 2006); 6^th Asia-Pacific Conference on Algal Biotechnology (Makati City, Philippines, 2006); 7^th Asia-Pacific Conference on Algal Biotechnology (Delhi, India, 2009); научно-практической конференции «Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы» (Калининград, 2006); научно-практическом конгрессе III Всероссийского форума «Здоровье нации - процветание России» (Москва, 2007); Международной конференции «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии» (Ялта - Гурзуф, 2007); научно-практической конференции "Пищевая и морская биотехнология" (Светлогорск, 2008); Международной научно-практическая конференции "Морских прибрежные экосистемы: водоросли беспозвоночные и продукты их переработки» (Владивосток, 2008); Международной научно-практической конференции "Биотехнологические процессы и продукты переработки биоресурсов и водных и наземных экосистемы" (Астрахань, 2008); Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты» (Москва, 2008); юбилейной школе-конференции с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2007); научной конференции, посвященной 70-летию С.М. Коновалова «Современное состояние водных биоресурсов» (Владивосток, 2008); 11^th International Conference on Applied Phycology (Galway, Ireland, 2008); Международной научно-практической конференции «Биотехнология: состояние и перспективы» (Москва, 2009), 7^th Asia - pacific Conference on Algal Biotechnology (Delhi, India, 2009).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 22 публикациях, в том числе в 4 статьях, 18 материалах конференций и 2 патентах.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 179 с., включает 63 таблицы, 18 рисунков. Список литературы содержит 253 наименования, включает 70 зарубежных источников. В приложении приведены: техническая документация, акты о выпуске опытных партий, патенты и т.д.

Положения, выносимые на защиту.

1. Условия экстрагирования водорастворимых биоактивных компонентов и изготовление на их основе функциональных напитков.

2. Условия модификации структуры и свойств альгиновых кислот в тканях фукусовых водорослей и получения биогелей, содержащих растворимый альгинат натрия.

3. Комплексная технология переработки водорослей, позволяющая в едином технологическом цикле получать водные биоэкстракты и биогели из бурых водорослей порядков Fucales и Laminariales, а также ФПП на их основе, биоактивные добавки и корма.

2. Содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы, определена цель исследования и намечены пути ее достижения, сформулирована научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, показана практическая значимость работы.

Глава 1. Обзор литературы. Проведен анализ отечественной и иностранной научной, технической и патентной литературы о химическом составе и составе БАВ бурых водорослей и возможности их использования при производстве функциональных и лечебно-профилактических продуктов. Рассмотрено современное состояние рынка ФПП и их классификация. На основании полученных данных показана целесообразность разработки пищевой продукции на основе фукусовых водорослей. Описаны лечебно-профилактические свойства биокомпонентов бурых водорослей. Представлены современные тенденции использования полисахаридов водорослей при получении эмульсионных и гелеобразных продуктов. На основании анализа литературных данных обоснована цель и определены основные задачи исследования.

Глава 2. Объекты и методы исследований. Разработан общий методологический подход к научному и экспериментальному обеспечению технологий функциональных продуктов питания на основе бурых водорослей порядков Fucales и Laminariales (рис 1). В качестве объектов исследований использовали бурые водоросли: L. japonica, L. saccharina, L. digitata, F.vesiculosus, A.nodosum (июль-август); водные биоэкстракты из водорослей; водорослевые биогели и пищевые продукты, полученные в процессе разработки технологий. При разработке рецептур кормовой продукции использовали отходы водорослей после выделения альгинатов натрия и кальция из биогеля; отходы от переработки беспозвоночных (мидиум); фарш из различных рыб; глюконат натрия; витамины и др. компоненты.

В работе использовали стандартные и общепринятые химические, физические, органолептические и математические методы. Минеральный состав исследовали методом атомно-абсорбционной спектроскопии по ГОСТ 30178-96. Общее содержание азотистых веществ определяли по методу Кьельдаля с применением автоазотоанализатора шведской фирмы FOSS Analytical AB, модель FOSS 2300, аминокислотный состав - на автоанализаторе HITACHI-835 после гидролиза нингидриновым методом [Дэвени и др., 1976]. Содержание фукоидана и альгината определяли спектрофотометрическим методом [Слонкер, 1975; Усов и др., 2001б]. Определение моносахаридного состава водорослей, экстрактов и биогелей выполняли методом газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ) после полного кислотного гидролиза [Слонкер, 1975].

Общее содержание липидов определяли по методу Сокслета на автоматическом экстракторе VELP SER 148/6, в качестве растворителя использовали диэтиловый эфир. При определении содержания липидов водорослей применяли метод Фолча [Folch, 1957]. Определение состава жирных кислот проводили на газовом хроматографе с капиллярной колонкой и автоматической программой обработки хроматографических данных [Руководство по методам анализа…, 1998; Лисицын и др., 2002]. Вязкость биогелей измеряли на вискозиметре Брукфельда модель LVDVII+ (t - 20°С, скорость движения шпинделя: 2,5; 5,0; 10,0; 20,0: 30,0 об./мин). Изменение структуры тканей водорослей изучали методом электронной микроскопии на микроскопе Leica DMLS, увеличение в 20 раз камера для фотографирования Leica JM50 версия 1.20. Экстракты 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.



Определение показателей безопасности проводили в соответствии со следующими документами: ГОСТ 10444.15-94 для КМАФАнМ; ГОСТ 30518-97 для БГКП (колиформы); ГОСТ 30519-97 для патогенных микроорганизмов, в т.ч. Salmonellae; ГОСТ 10444.12-88 для плесеней; ГОСТ 30178-96 для определения содержания тяжелых металлов (кадмий, свинец); ГОСТ 26930-86 для определения содержания мышьяка, ГОСТ 26927-86 для определения содержания ртути.

Математическую обработку данных, полученных при разработке условий обработки фукусовых водорослей, осуществляли при помощи программы Microsoft Excel и Design Expert 7 методом расчета и подбора множественной регрессии [Шириков и др., 2007]. Компьютерное моделирование аминокислотной сбалансированности продукции с рыбными фаршами (паштеты «Algafish») осуществляли по методу академика Липатова Н.Н. [Липатов и др., 1996]. Для оценки жирнокислотной сбалансированности фаршей использовался критерий, представляющий собой частную интерпретацию общего критерия алиментарной адекватности, предложенного академиками Липатовым Н.Н и Лисицыным А.Б. Полученные экспериментальные данные обрабатывали с использованием пакета прикладных программ Microsoft Excel и Statistica 5.5.

Глава 3. Результаты и обсуждение. Химическая и санитарно-гигиеническая характеристика фукусовых и ламинариевых водорослей. Результаты исследований химического состава бурых водорослей показали, что они содержат: маннит - 3,5-23%; ламинаран - 1,2-12%; белки - 4,5-11,2%, липиды - 0,23-0,72% и минеральные вещества - 16,2-32,9% (табл. 1). Кроме того, бурые водоросли содержат йод, как в органической, так и минеральной формах, являющийся наиболее эффективным при ликвидации йоддефицита. Ламинариевые водоросли содержат йода в 5-8 раз больше, чем фукусовые (табл. 1).

В составе углеводных компонентов бурых водорослей преобладает альгиновая кислота, являющаяся структурным полисахаридом макрофитов. Альгинаты обладают свойствами сорбента и способствуют выведению многих токсических веществ из организма человека.

Таблица 1 Химический состав бурых водорослей

Наименование продукта	Содержание, г/100г сухого вещества
	альгиновой кислоты	ман- нита	фукои- дана	ламина- рана	азотис-тых в-в	липидов	мин. в-в	йода
A. nodosum	26,6±1,2	3,5±0,1	10.2±2.0	2,4±0,6	4,66	0,72	19,3±0,3	0,05±0,01
F.vesiculosus	15,4±1,2	5.3±0.2	14.4±2.2	3,4±0,2	4,91	0,62	22,8±0,3	0,02±0,01
L.saccharina	21,2±1,2	22.1±0.2	2.4±1.0	11,6±0,8	9,03	0,57	16,20,3	0,2 ±0,01
L.digitata	22,7±0,2	23.2±0.5	1.8±1.4	2,0±1,0	11,21	0.42	18,7±0,2	0,2 ±0,02
L.japonica	31.0±3.0	9.2±1.2	3.2±2.0	1,2±0,6	7,76	0.23	32,9±4,7	0,4 ±0,2

A. nodosum отличается достаточно высоким содержанием альгината - 26,6%, тогда как в L.japonica содержание его составляет 31% (табл. 1). Содержание фукоидана - биоактивного сульфатированного полисахарида - колеблется в пределах от 1% в L.digitata до 14,4% в F.vesiculosus. Все образцы исследованных водорослей содержат биогенные микро- и макроэлементы: K - 1,5x10³-1,8x10³; Ca - 243-382; Fe - 24,5-28,5; Mg - 333-742 мг/100 г и др. В составе белка водорослей обнаружено 16 аминокислот, в том числе 8 незаменимых, сумма которых колеблется от 4500 до 9800 мг/ 100г в зависимости от вида водоросли. В общем составе аминокислот белка водорослей превалируют глутаминовая кислота (560-1620 мг/100 г), аспарагиновая кислота (401-1220 мг/100 г), аргинин (680-1520 мг/100 г).

Липиды исследованных бурых водорослей содержат полиненасыщенные жирные кислоты семейства щ3: эйкозапентеновую, докозагексаеновую, линоленовую. Их содержание колеблется в пределах 0,9 - 8,8% от общего содержания липидов.

Большие запасы пищевых бурых водорослей, наличие в водорослях ценных для организма человека веществ, а также их вкусовые достоинства предопределяют их использование как в натуральном виде, так и выделенные из них биокомпоненты в технологии пищевых продуктов функционального питания.

Исследования безопасности (микробиологические характеристики и содержание тяжелых металлов) показали, что сырье соответствует требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01.

Таким образом, исследованные водоросли были рассмотрены как источник этих важных биокомпонентов, способных придать функциональные свойства пищевым продуктам.

Разработка условий и режимов экстрагирования водорастворимых биокомпонентов. В связи с тем, что значительное количество биологически активных веществ бурых водорослей находится в растворимом состоянии, целесообразно включать в технологическую схему переработки водорослей экстрагирование их с получением биоэкстрактов.

БАВ водорослей экстрагировали при различных условиях: рН варьировали от 3 до 6, продолжительность 6-12 ч в интервале температур от 16 до 22єС. рН среды регулировали лимонной кислотой. Химический состав экстрактов представлен в таблице 2.

Таблица 2 Химический состав экстрактов, г/100 г экстракта

Содержание	Экстракт из
	L. japonica	F. vesiculosus	A. nodosum
сухих веществ	5,0	2,9	2,1
азотистых веществ (а.с.в.)	6,6	8,0	7,3
альгиновой кислоты	3,9	7,1	6,3
маннита	46,4	22,5	25,7
фукоидана	2,1	5,7	3,5
ламинарана	-	5,9	8,11
золы	2,51	1,81	0,90

Результаты исследований химического состава экстрактов показали, что при экстрагировании ламинариевых в значительном количестве извлекаются маннит (в 2 раза больше, чем из фукусовых), а также растворимые азотистые вещества, альгинаты и минеральные элементы. Из фукусовых водорослей в большей степени экстрагируются фукоидан, минеральные вещества, маннит, азотистые вещества, ламинаран и альгинаты. По составу, соотношению химических компонентов и органолептической оценке экстракты соответствуют требованиям на пищевые добавки. Поэтому методом лиофильной сушки изготовлены пищевые порошки, что привело к сокращению объемов экстрактов, увеличению сроков их хранения и облегчению условий транспортирования. Выход их составил: из A. nodossum - 12,5%, из F. vesiculosus - 9,3%, из L. japonica - 21,7%, а из L.sacсharina - 10,4%.

Исследования химического и моносахаридного состава пищевых порошков (табл. 3, 4) показали, что они содержат комплекс БАВ: фукоидан, ламинаран, альгинаты, свободные аминокислоты, минеральные элементы и йод. Содержание йода достигает 0,01-0,02% в пересчете на сухое вещество.

Порошки из ламинариевых водорослей содержат значительно меньше фукоидана (табл. 3), но больше маннита, чем порошки из фукусовых. Экстракт из L. saccharina содержит больше ламинарана, что характеризует их высокую антивирусную активность [Звягинцева, 2002].

Таблица 3 Химический состав сушенных экстрактов (ВЭ)

Наименование продукции	Содержание, г/100 г
	зола	протеин	маннит	фукоидан	ламинаран	альгинат	йод
ВЭ из F.vesiculosus	39,0	4,5	15,7	5,7	8,1	3,0	0,01
ВЭ из A.nodosum	35,1	5,4	12,5	5,6	6,0	3,0	0,02
ВЭ из L. saccharina	36,6	2,0	23,6	1,9	17,7	2,1	0,01
ВЭ из L. japonica	51,3	6,2	28,4	2,1	0,9	4,1	0,43

Микробиологические и токсикологические исследования показали безопасность экстрактов, стабильность в хранении и, как следствие, возможность их применения в качестве компонента пищевых продуктов.

Таблица 4 Моносахаридный состав высушенных экстрактов (ВЭ), г/100 г порошка

Наименование препарата	Фукоза	Ксилоза	Манноза	Глюкоза	Галактоза	Сумма
ВЭ из F.vesiculosus	1,7	0,3	25,7	8,1	0,2	36,1
ВЭ из A. nodosum	2,8	0,1	22,5	6,0	0,2	31,5
ВЭ из L. saccharina	0,97	-	53,6	17,7	0,39	72,7
ВЭ из L. japonica	1,04	-	46,3	-	-	47,4

Органолептическая оценка в ходе дегустации также подтвердила целесообразность экстрагирования БАВ водой при температуре 18-20°С в течение 6-12 часов. Экстракты, полученные из A. nodosum, F. vesiculosus, L. japonica и L.saсcharina, имели цвет от соломенного до темно-бежевого, в зависимости от вида водоросли, сладковато-солоноватый вкус и карамельно-грибной запах. Фукусовые экстракты обладали легким вяжущим вкусом, который нивелировался при смешивании с ламинариевыми экстрактами. Пищевые порошки, полученные из водных экстрактов, рекомендовано применять в качестве добавки для ФПП, а также для приготовления напитков любого типа.

Разработка технологии водорослевых биогелей. После экстрагирования БАВ остаются восстановленные остатки водорослей, содержащие альгиновую кислоту, связанную с двухвалентными металлами, и другие компоненты. На основании серий экспериментов по установлению рационального режима деминерализации восстановленные водоросли A.nodosum обрабатывали растворами соляной кислоты от 1% до 5% (с шагом 1%) при температуре от 20° до 50єС (с шагом 10°С). При последующей обработке были получены водорослевые биогели. Зависимость вязкости фукусовых гелей от концентрации соляной кислоты и температуры обработки определяли на вискозиметре Брукфельда. Полученные зависимости показали, что наибольшая вязкость биогеля (160000 СПз) отмечается после обработки фукусовых водорослей 3 % раствором соляной кислоты при 20°С. Дальнейшее повышение температуры раствора кислоты до 40-50°С приводит к снижению вязкости биогелей в 4 раза, что очевидно, связано с деструкцией альгиновой кислоты (рис. 2).



Таким образом, установлен рациональный режим деминерализации фукусовых водорослей: концентрация соляной кислоты - 3%, температура - 20єС, время обработки - 120 мин.

Математическая обработка результатов эксперимента. Анализ характера зависимостей вязкости фукусовых гелей от концентрации соляной кислоты, использованной при обработке фукусов, и температуры дает возможность найти значения параметров данных зависимостей числовыми методами.

Получены зависимости (рис. 3 а, 3 б), которые имеют нелинейных характер, как по параметру температур, так и концентраций, что вызвало необходимость провести эмпирический поиск зависимости вязкости от указанных параметров как суперпозицию основных видов алгебраических функций. Зависимость вязкости биогеля от концентрации раствора кислоты (рис. 3 б) имеет вид положительной кривой с двумя экстремумами. Таким образом, была найдена зависимость в виде полинома четвертой степени, так как из числа элементарных алгебраических зависимостей данная в рамках имеющейся погрешности наиболее точно описывает экспериментальные данные (рис. 4, 5).



Таким образом, при использовании числовых методов решения получили искомую зависимость в виде: з=1,05(к+0,53)⁴ +0,92х10 ^-3(t - 35) ³, где з - вязкость, сПз, t - температура обработки (°С), k - концентрация соляной кислоты (%).

Во время обработки водорослей происходят как химические, так и структурные изменения клеток водорослей. Эти изменения тканей нами зафиксированы на клеточном уровне методом электронной микроскопии (рис. 6 а, б, в, г).

Результаты показали, что после восстановления в воде и экстракции клетки сушеной водоросли насыщаются водой, становятся крупными и приобретают форму, приближенную к правильной (рис. 6 а). Водоросли, обработанные в слабокислой среде, вследствие удаления структурно связанных катионов (деминерализации) и образования альгиновой кислоты, а также обезвоживания значительно уменьшаются в размерах (рис. 6 б).

Клетки тканей после термообработки при рН 8,0-8,5 набухают, значительно увеличиваются их размеры и расстояние между ними (межклеточное пространство) заполняется жидкостью (рис. 6 в). После гомогенизации подготовленных таким образом водорослей получена практически однородная масса биогеля, содержащего растворимый альгинат натрия с включениями остатков коровой части слоевища (рис. 6 г). Таким образом, данные электронной микроскопии подтверждают химические и гистологические изменения, происходящие в процессе технологической обработки в тканях водорослей.

Исследования химического состава биогелей (табл. 5) показали существенные различия в количественном содержании биологически активных веществ в фукусовых и ламинариевых гелях. Фукусовые биогели содержат в несколько раз больше фукоидана. В геле из A.nodosum количество альгината сравнимо с гелем из ламинарии, а в геле из F. vesiculosus альгинатов заметно меньше.

Таблица 5 Химический состав фукусовых и ламинариевых гелей, г/100 г

Содержание компонентов	Гель из L.saccharina	Гель из A.nodosum	Гель из F. vesiculosus
Сухих веществ	3,00±0,11	4,80±0,20	5,20±0,17
Альгината натрия	2,8±0,10	3,9±0,15	3,2±0,12
Маннита	0,15±0,005	0,17±0,005	0,11±0,005
Ламинарана	0,52±0,003	0,07±0,003	0,13±0,003
Азотистых веществ	1,02±0,02	0,74±0,02	0,61±0,02
Фукоидана	0,14±0,10	1,50±0,13	1,33±0,09
Золы	0,68±0,10	1,53±0,10	1,32±0,10
Йода	0,023±0,001	0,015±0,001	0,013±0,001

Моносахаридный состав (табл. 6) фукусовых и ламинариевых гелей аналогичен по содержанию галактозы и маннозы, но фукусовые гели содержат на порядок больше фукозы. В них обнаружена ксилоза, которая отсутствует в гелях из ламинарий. Ламинариевый гель, напротив, содержит в 5-10 раз больше глюкозы, что говорит о высоком содержании ламинарана (табл. 6).

Таблица 6 Моносахаридный состав фукусовых и ламинариевых гелей (% сухого вещества)

Наименование геля	Фукоза	Ксилоза	Манноза	Глюкоза	Галактоза
Гель из L.saccharina	1,89	-	3,86	14,30	1,3
Гель из A.nodosum	14,38	3,71	3,45	1,28	0,91
Гель из F. vesiculosus	12,77	1,84	2,05	2,51	1,29

Таким образом, исследования химического состава биогелей показали, что они содержат необходимые для нормального функционирования организма человека вещества: альгинаты, фукоидан, ламинаран, а также йод. Вследствие высокого содержания растворимого альгината в гелях (4-5%) они могут быть основой при создании продуктов эмульсионного и гелеобразного типа.

Разработка технологии функциональных напитков на основе водных экстрактов из фукусовых и ламинариевых водорослей. Содержание биологически активных веществ в биоэкстрактах достаточно высокое (табл. 2, 3, 4), они обладают приятным запахом и вкусом, что свидетельствует о целесообразности приготовления из них функциональных напитков. Сочетание фукусовых экстрактов (ФЭ) с ламинариевыми (ЛЭ) значительно облагораживает вкусовые характеристики ФЭ. Для создания более приемлемого вкуса и аромата и увеличения содержания биоактивных компонентов использовали отвары душистых трав (мята и мелисса). Разработаны рецептуры напитков чай морской «Фитомарин». Химический состав напитков показал, что они содержат БАВ, свойственные экстрактам (табл. 6). По составу и содержанию компонентов важных для нормального функционирования организма чай относится к ФПП, т.к. содержат альгинат, фукоидан и йод, в количестве 10-30% от суточной нормы потребления (табл. 6). Исследования минерального состава напитков показали, что они являются источниками биогенных микро- и макроэлементов, а по некоторым из них более, чем 30% от суточной нормы потребления.

Разработка технологии десертов. Экспериментально для десерта из фукусовых гелей установили соотношение протертый чернослив: гель = 1:2. Для ламинариевых гелей, имеющих зеленоватый цвет, применяли сухой яблочный ароматизатор и сок черной смородины, их количество подбирали опытным путем до обеспечения стойкого аромата и приятного вкуса, соотношение гель: ароматизатор «Яблоко» = 13:1, а гель: сок черной смородины = 5:1.

Таблица 7. Химический состав напитков (г/100 г продукта)

Содержание компонентов	Чай морской «Фитомарин» с мятой	Чай морской «Фитомарин» с мелиссой
Сухих веществ	10,0±0,20	10,3±0,20
Альгината	0,9±0,10	0,7±0,10
Маннита	38,3±0,05	35,1±0,05
Фукоидана	1,9±0,12	1,7±0,12
Ламинарана	11,9±0,23	10,9±0,16
Белка	0,05±0,02	0,2±0,02
Своб. а/к	0,05х10-3	0,2 х10-3
Золы	0,58±0,11	0,57±0,09
Йода	0,003±0,001	0,002±0,001

На основании полученных данных разработаны рецептуры десертов на основе фукусового и ламинариевого геля. Результаты исследований химического состава десертов «Фукус» и «Ламинария» показали, что они содержат БАВ: альгинат - 1,7-2,2%; фукоидан - 0,1-0,8%; ламинаран - 0,05-0,33%; йод - 0,008-0,015% в зависимости от исходного сырья. Десерты также содержат микро- и макроэлементы (Ca, K, Mg и др.) (табл. 7). По содержанию микронутриентов (альгинат, фукоидан, йод и минеральные вещества) десерты относятся к ФПП (табл. 8).

Разработка технологии конфет желейных. Водорослевые гели содержат структурообразующий полисахарид - альгинат натрия и способны образовывать твердую структуру при понижении рН до 3 или при введении катионов кальция.

Таблица 8. Минеральный состав десертов и конфет желейных (г/100 г продукта)

Наименование микроэлемента	Конфеты «Фукус», мг/100 г	Конфеты «Ламинария», мг/100 г	Десерт «Фукус», мг/100 г	Десерт «Ламинария», мг/100 г	АНП*, мг/ сут
Медь	1,7	1,2	1,3	0,9	1
Цинк	9,9	9,1	11,5	10,0	12
Железо	1,8	2,0	2,8	2,5	15
Калий	230,0	80,4	236,0	93,4	2500
Натрий	51,2	40,0	42,1	40,2	2400
Кальций	3,8	2,9	5,0	4,5	1250
Магний	3,5	3,0	4,3	4,3	400
Марганец	72,0	46,1	74,0	48,4	2
Кобальт	0,01	0,001	0,02	0,001	0,01

*АНП - адекватная норма потребления ФАО/ВОЗ, мг/ сут.

Для получения прочных и не склонных к синерезису гелей к альгинату целесообразно добавлять агар. На основе этих данных нами были разработаны рецептуры конфет желейных из фукусовых и ламинариевых гелей с использованием тех же вкусо-ароматических компонентов, что и при приготовлении десертов.

Желейные конфеты содержат: альгинаты (пищевые волокна) - 0,6-0,8%, фукоидан - 0,05-0,4%, ламинаран - 0,01-0,05%, маннит - 0,04-0,05%, йод - 0,004-0,006% (табл. 8) и микроэлементы (K, Na, Mg, Zn, Fe, Cu и др.) (табл. 7).

Таблица 9. Химический состав десертов и конфет желейных (г/100 г продукта)

Содержание компонентов	Десерт	Конфеты желейные
	«Фукус»	«Ламинария»	«Фукус»	«Ламинария»
Альгинат	1,7±0,06	2,2±0,05	0,6±0,06	0,83±0,03
Маннит	0,09±0,005	0,1±0,005	0,05±0,005	0,04±0,005
Фукоидан	0,8±0,06	0,1±0,05	0,4±0,06	0,05±0,05
Ламинаран	0,05±0,003	0,33±0,003	0,03±0,003	0,01±0,003
Белок	1,3±0,02	1,4±0,02	0,6±0,02	0,64±0,02
Зола	1,0±0,10	0,7±0,10	2,22±0,10	0,9±0,10
Йод	0,008±0,001	0,015±0,001	0,004±0,001	0,006±0,001

Разработка рецептур паштетов «Algafish» с рыбными фаршами. На основе водорослевых гелей созданы сбалансированные по аминокислотному составу продукты с рыбными фаршами, способные обеспечить организм не только биокомпонентами водорослей, но и полноценными белками и полиненасыщенными жирными кислотами. В качестве рыбных наполнителей использовали фарши из семги, трески и хека. Ламинариевый биогель, как обладатель наиболее светлого цвета, был использован в качестве структурообразователя при изготовлении паштета из хека. Для сохранения природного цвета фарша из семги и трески в продукт добавляли альгинат натрия, выделенный из ламинариевого биогеля. Опытным путем подобраны соотношения компонентов в паштетах с рыбными фаршами. Паштеты, полученные с использованием альгината натрия, представляли собой гомогенную, плотную массу белого цвета с фаршем из трески, светло-розового цвета - с фаршем из семги. Паштеты с ламинариевым гелем и фаршем хека были темно-кремового цвета. Структура паштетов однородная, не расслаивается после хранения в течение 30 дней при температуре 2-5єС.

Расчет аминокислотной сбалансированности показал, что использование фарша из семги дает высокий показатель сопоставимой избыточности. При уменьшении количества фарша показатель существенно не меняется, поэтому было решено заменить семгу горбушей - рыба того же семейства, но обладающая более сбалансированным аминокислотным составом. Разработанные паштеты содержат БАВ водорослей, рыбные белки и обладают выраженным вкусом соответствующего рыбного фарша.

Разработка рецептур соусов для мясных и рыбных блюд. На основе ламинариевых биогелей разработаны рецептуры соусов с различными наполнителями к мясным («красный») и рыбным («белый») блюдам. Соусы представляют собой густую, текучую массу темно-красного цвета для соуса к мясным блюдам и нежно-кремового цвета с вкраплениями корового слоя водорослей для соуса к рыбным блюдам. Соусы содержат альгинаты, которые обладают лечебно-профилактическими свойствами, а также йод, необходимый для нормальной деятельности щитовидной железы.

Разработка рекомендаций и способов комплексного использования водорослевых биогелей. Биогель, содержащий водорастворимый альгинат натрия, использовали для получении очищенного альгината натрия и альгината кальция, которые рекомендовано применять при получении пищевых продуктов эмульсионного типа и биологически активных добавок к пище (БАД).

Разработка технологии получения БАД «Мигикальгин» и «Мигикальгин-С». Альгинат кальция, в связи со способностью адсорбировать различные элементы, в том числе и азотсодержащие компоненты, например, мидийный гидролизат, является основой для создания новых композиций БАД с полифункциональными свойствами.

Нами разработана технология БАД «Мигикальгин» и «Мигикальгин-С» (с витамином С) на основе альгината кальция, получаемых из биогеля (фукусового или ламинариевого), а также с использованием гидролизата пищевого Миги-К ЛП.

Технология БАД «Мигикальгин» включает получение альгината из биогелей, осаждение геля альгината кальция из экстракта альгината, удаление прессованием избытка жидкости из геля и адсорбции альгинатом кальция мидийного гидролизата в соотношении 1:8 с последующей сушкой в "кипящем слое" или лиофилизацией. БАД «Мигикальгин» и «Мигикальгин-С» являются полноценным источником пищевых волокон (альгинат кальция), свободных аминокислот, полного набора биогенных микро- и макроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот, легко ионизирующихся биологически активных компонентов (ионов кальция и аминокислот), витаминов (для «Мигикальгина-С»). «Мигикальгин» и «Мигикальгин-С» обладают полифункциональными свойствами, характерными для альгината кальция и гидролизата Миги-К ЛП. Институтом Питания РАМН рекомендуется применять «Мигикальгин» и «Мигикальгин-С» в качестве биологически активных добавок - источника кальция и пищевых волокон.

Разработка рецептур кормовой продукции. В процессе выделения альгината натрия и альгината кальция из водорослевого биогеля образуются отходы до 24% от сухой массы водорослей. Водорослевые отходы (ВО) содержат альгинат, азотистые соединения, а также биогенные микро- и макроэлементами. ВО целесообразно использовать в качестве источника этих биокомпонентов и структурообразователя при получении гранулированных кормов. В качестве аттрактантов и источника аминокислот, пептидов и минеральных элементов использовали мидийный гидролизат. Разработаны рецептуры и выпущены опытные партии кормов для различных возрастных категорий крабов, которые прошли апробацию в аквариальных условиях лаборатории воспроизводства ракообразных ВНИРО и на ЗАО "Арктиксервис" (г. Мурманск). Таким образом, была установлена возможность изготовления кормов с использованием ВО и БАД из беспозвоночных для кормления мальков 2-ой стадии развития в течение первого месяца.



На основании проведенных исследований разработана технология функциональных пищевых продуктов при комплексной переработке бурых водорослей порядка Fucales и Laminariales (рис. 7).

Выводы.

1. Научно обоснована технология комплексной переработки бурых водорослей порядков Fucales и Laminariales, позволяющая в едином технологическом цикле получать водные биоэкстракты, биогели и ФПП на их основе, а также БАД и специализированные корма.

2. Обосновано применение водорослей порядков Fucales для приготовления ФПП и напитков. Установлена безопасность фукусовых и ламинариевых водорослей Белого и Баренцева морей. Разработаны рекомендации по их использованию в качестве источников БАВ для производства ФПП.

3. Разработаны условия экстрагирования биоактивных компонентов из фукусовых и ламинариевых водорослей: экстракция водой при температуре 18-20°С в течение 6-12 часов.

4. Разработаны условия деминерализации фукусовых водорослей для получения гомогенных биогелей: концентрация соляной кислоты - 3% при температуре - 20єС, время обработки - 2 часа. Данные условия обработки приводят к модификации структуры и свойств альгиновых кислот в тканях фукусовых водорослей, в результате которой содержание в биогелях растворимого альгината натрия 4-5%.

5. Впервые показаны изменения гистологической структуры тканей бурых водорослей в процессе восстановления сушеных водорослей в воде, деминерализации, щелочной обработки.

6. Разработаны рецептуры, и технологии серии пищевых продуктов и напитков, обладающих функциональными свойствами.

7. Установлена безопасность:

- биоэкстрактов и биогелей из фукусовых и ламинариевых водорослей);

- напитков на основе биоэкстрактов, десертов «Фукус» «Ламинария», конфет желейных «Фукус» и «Ламинария», паштетов с рыбными фаршами и соусов;

- биологически активных добавок и кормовых продуктов.

8. Установлены сроки хранения продукции на основе водорослевых биогелей и водных биоэкстрактов: не менее 4 мес. при температуре 0-5°С.

9. Разработаны и утверждены технические докумены на: биогели, напитки чай морской «Фитомарин», десерты «Фукус» и «Ламинария», конфеты желейные «Фукус» и «Ламинария».

10. Предложены способы реализации отходов, образующихся при выделении альгината натрия и альгината кальция из водорослевых биогелей:

- на основе альгината кальция - получение БАД Мигикальгин;

- на основе водорослевого остатка - получение специализированных кормов.

11. Расчет прогнозируемого экономического эффекта показал, что себестоимость упаковки продукта составляет: чай морской «Фитомарин» (бутылка 250 мл) - 3,1-3,3 руб., десерт (банка 100 г) - 2,9-5,9 руб., конфеты желейные (упаковка по 500 г) - 16,7-17,7 руб., соус (упаковка по 100 г) - 2,2-3,3 руб., паштеты с рыбными фаршами (упаковка 100 г) - 4,7 - 9,5 руб., кормовая продукция (упаковка 1 кг)) - 54,7 руб. Срок окупаемости предприятия - 1,3 года.

12. Разработаны ИТ к проекту цеха производства ФПП и БАД по разработанной технологии. Подготовлена спецификация оборудования и план его расстановки.

химический водоросль напиток биогель

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

Работы, опубликованные в изданиях перечня ВАК

1. A.V. Podkorytova, L.H. Vafina, E.A. Kovaleva & V.I.Mikhailov. 2007. Production of algal gels from the brown alga, Laminaria japonica Aresch., and their biotechnological applications/ Journal of Applied Phycology. Springer Netherlands. - Vol. 19.- № 6, Р. 827-830.

2. Вафина Л.Х., Подкорытова А.В. 2009. Новые продукты функционального питания на основе биоактивных компонентов бурых водорослей// Известия ТИНРО, - Владивосток: Изд.Центр ФГУП "ТИНРО-центр", том 156, - С. 348-357.

3. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Муравьева Е.А., Шарина З.Н. 2009. Санитарно-гигиеническая характеристика бурых водорослей Белого и Баренцева морей//РЫБПРОМ, - Москва. №4, С. 33-39.

4. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Новикова М.В., Михайлов В.И. 2009. Мигикальгин - биологически активная добавка нового поколения с полифункциональными свойствами//РЫБПРОМ, - Москва. №4, С.58-62.

Работы, опубликованные в других изданиях

5. Подкорытова А.В., Ковачева Н.П., Иголкина Л.А., Вафина Л.Х. 2005. Обоснование использования отходов переработки водорослей, их полисахаридов и твердого остатка мидийного гидролизата при получении специализированных кормовых продуктов/Материалы V Международной научно-практической конференции «Производство рыбных продуктов: проблемы, новые технологии, качество», Светлогорск, Калининградская обл., 5-10 сентября 2005. - С. 170-174.

6. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Ковалева Е.А., Михайлов В.И. 2006. Получение водорослевого геля и БАВ из бурых водорослей Laminaria spp. Их использование в лечебно-профилактическом питании и производстве пищевых продуктов/Материалы первой межд. научно-практической конф. «Повышение эффективности использования водных биологических ресурсов». М.: Изд-во ВНИРО. С. 162 - 165.

7. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Чимиров Ю.И., Ковачева Н.П. 2006. Специализированные кормовые продукты на основе полисахаридов водорослей и отходов их переработки/ Материалы научно-практической конференции "Пищевая и морская биотехнология: проблемы и перспективы". Калининград, 4-5 июля 2006. - С. 93-95.

8. Вафина Л.Х., Подкорытова А.В. 2007. Комплексная переработка бурых водорослей: применение продуктов из водорослей в пищевой технологии и медицине /V юбилейная школа-конференция с международным участием «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Москва, 2007, С. 30-32.

9. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Михайлов В.И., Мирошниченко В.А. 2007. Напитки и десерты лечебно-профилактического назначения на основе гелей из морских бурых водорослей/Материалы научно-практических конгрессов III Всероссийского форума "Здоровье нации - процветание России", Том 2, Часть 1, Разделы: "Здоровое питание - Здоровье нации, "Питьевые воды России - 2007", М.: 2007. - С.117-118.

10. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Михайлов В.И., Одинец А.Г. 2007. Использование полисахаридов водорослей в биотехнологии пищевых и лечебно-профилактических продуктов/ Материалы XV Международной конференции “Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии, и экологии”, Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, - 31 мая - 9 июня 2007. - С.148-150.

11. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х. 2008. Водоросли и их полисахариды в биотехнологии пищевых и лечебно-профилактических продуктах / Научная конференция, посвященная 70-летию С.М. Коновалова «Современное состояние водных биоресурсов», Владивосток, 25-27 марта, 2008, С. 923-926.

12. Л.Х.Вафина, А.В.Подкорытова. 2008. Споcоб получения и характеристика фукоидан- из фукусов (Fucus spp.) и альгинатсодержащих экстрактов из ламинариевых водорослей (Laminaria spp.) /1-я Международная научно-практическая конференция "Биотехнологические процессы и продукты переработки биоресурсов и водных и наземных экосистемы". Астрахань, 30 сентября- 3 октября, 2008, С. 98-102.

13. A.V. Podkorytova, L.H.Vafina, E.A.Kovaleva and V.I.Mikhailov. 2009. Emulsive products for a dietary and treatment-and-prophylactic purposes from modified Laminaria /7^th Asia-Pacific Conference on Algal Biotechnology. October 12-15, Makati City, Philippines. P.43.

14. Podkorytova A.V., Vafina L.Кh., Repina O.I. New functional soft drinks and gel products on the basis of biologically active substances from brown alga/11^th International Conference on Applied Phycology, Galway, Irland, June 21-27, 2008, P. 97.

15. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х. и др. 2009. Биологически активная добавка к пище Мигикальгин/ Патент РФ №2342857. Заявка №2006117105/13.19.05.2006. - Опубл. 10.01.2009. - Бюл.№1.

16. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Игнатова Т.А. Заявка № 2008126415 на патент «Способ получения функциональных продуктов питания из морских водорослей и функциональные продукты». Положительное решение на выдачу патента РФ от 03.11.2009.

Размещено на Allbest.ru

...