Монография исследование водорослей.. Во́доросли. Аутентичного материала
 Скачать 2.99 Mb.
|
|
121 рья (X ) при статическом режиме экстракции не приводило к повышению выхода фукоидана, рекомендовано сырье измельчать до размера 1—3 см. Как показали результаты регрессионного анализа уравнения (1), оно удовлетворительно описывает выход фукоидана в процессе экстракции. Экспериментальная проверка модели в условиях иных, чем те, которые использовались для получения уравнения (1), подтвердила адекватность ее применения для описания процесса (F3Kcn = 5,42; Бта6л = 5,79; р = 0,05). Для масштабирования процесса экстракции фукоидана из Е evanescensнеобходимо учитывать следующие закономерности. На выход фукоидана положительно влияло повышение температуры экстракции. Однако, учитывая, что экстрагирование проводят при достаточно низких значениях рН, повышение температуры выше 70°С может привести к частичному кислотному гидролизу фукоидана. Увеличение кратности экстрагирования также положительно влияло на выход фукоидана. Изменение рН в заданном интервале (1,5—3,5) влияло на выход фракции водорастворимых полисахаридов и содержание фукоидана в этой фракции. Варьируя значение рН от 1,5 до 3,5 и выше можно получать фракцию полисахаридов с разным содержанием фукоидана и альгина-та. Для получения фракции полисахаридов, обогащенной фукоиданом, экстракцию следует проводить при рН 2,0—2,5. Была проведена 3-х кратная экстракция сырья при 65°С, результаты опыта приведены в таблице 5.5. Составы 1 и 2 экстрактов практически идентичны и их следует объединить. При необходимости получения гетерогенного фукоидана можно проводить 3-ю экстракцию, выход которой составляет 12% от суммарного выхода. По результатам оптимизации были выбраны условия экстракции фукоидана: рН 2,5; при 65±5°С; кратность экстракции два раза по 3 ч, гидромодуль 1:15; при этом содержание фукоидана в сумме экстрактивных веществ составило от 40 до 50%. Для очистки фукоидана F. evanescens от ламинарана и низкомолекулярных примесей использовали ультрафильтрацию на мембранах с пределом удерживания 5 кДа. Одновременно с очисткой экстракта происходило его концентрирование. Конечный продукт получали осаждением фукоидана из концентрата этиловым спиртом. Характеристика экстрактов приведена в таблице 5.6. В результате очистки был получен препарат, содержащий 86,7% фукоидана (табл. 5.6). 122 Таблица 5.5 Характеристика экстрактов, выделенных из Е evanescens(рН 2,5; 65°С; 3 часа)
*— % от веса сухой обезжиренной водоросли; **— % от экстрактивных веществ. Таблица 5.6 Характеристика экстрактов (до и после очистки на ультрафильтрационной установке) и конечного продукта из F. evanescens
*— % от веса сухой обезжиренной водоросли; **— содержание фукоидана (% от экстрактивных веществ). Таблица 5.7 Характеристика фукоидана и полисахаридной композиции (БАД «Фуколам-С»), полученных из F. evanescens
123
*— % от веса сухой обезжиренной водоросли; **— % от экстрактивных веществ. Выход фукоидана составил 75—78% от содержания в сырье. Оптимизация условий получения фукоидана из F. evanescensпозволила определить влияние параметров экстракции на качество и количество фукоидана. Предложенные условия экстрагирования и очистки были использованы для получения из бурой водоросли F. evanescensполисахаридной фракции, содержащей фукоидан и водорастворимый альгинат. Эта полисахаридная композиция прошла государственную регистрацию и внесена в Реестр как «Фуколам-С — сырье для пищевой промышленности и производства БАД к пище» (Per. № RU.77.99.11.003.E.003.153.11.10). На основе этой полисахаридной композиции создана БАД к пище «Фуко-лам» (Per. № RU.77.99.11.003.E.054521.12.11). Показана эффективность включения БАД «Фуколам» в комплексную терапию с целью коррекции липидного и углеводного обмена (Майстровский и др., 2008, 2009). БАД «Фуколам-С» была апробирована в качестве основы для иммуноэнтеро-сорбента, рекомендованного для лечения ожоговых больных и больных с гнойно-септическими заболеваниями (Пат. РФ 2329864). Получаемая новая информация о способах очистки, режимах экстракции, фармакологическом применении позволяет усовершенствовать способы очистки веществ с выделением однородных по химическому составу групп или индивидуальных соединений с определенной биологической активностью и организовать на этой основе производство новых препаратов. Технологии выделения фукоидана. Технологии выделения фукоидана при комплексной переработке бурых водорослей При выборе объекта для промышленного получения фукоидана решающим фактором является доступность сырья. С практической точки зрения как источники фукоиданов привлекательны бурые водоросли порядка Fucales. В дальневосточных морях наиболее перспективным сырьем является бурая водоросль F. evanescens, которая имеет обширный ареал распространения, растет на мелководье, легко добывается и содержит фукоидан от 7,7 до 13,6% (Усов и др., 2001; Zvyagintseva et al., 2005). В 124 Северной Европе как источники фукоидана используют, в основном, два вида фукоидов: F. vesiculosusи Ascophyllumnodosum, которые содержат этот полисахарид от 13,4 до 16,5% и от 10,0 до 11,5% соответственно (Репина, 2005). В Японии для выделения фукоидана используют водоросли видов Eiseniabicydis, Cladosiphonokamuranus, Sargassumhorneri. В тропических странах источником фукоидана являются водоросли рода Sargassaceae, содержание фукоидана в них невысокое и лишь в отдельных видах может достигать 5,0%. Первыми внедрили в производство фукоиданы в составе продуктов питания и пищевого сырья в Японии (фирма «Takarabio») в 1996 году, выпустив напиток, а затем другие продукты и косметические товары (Sagawa, Kato, 2003). В качестве сырья для выделения фукоидана использовали водоросль Kjellmaniellacrassifolia, из которой при 100°С водой экстрагировали фукоидан, затем его очищали ультрафильтрацией и подвергали ферментативному гидролизу (Pat.WO 9747208). В последние годы в России ряд малых предприятий выпускают лечебно-профилактические средства и биологически активные добавки, содержащие фукоидан. Сотрудниками ТИНРО разработан способ получения фукоидана из ламинарии. По предложенному способу фукоидан экстрагируют из водоросли раствором пищевой кислоты. Далее полученный экстракт фильтруют на мембранах с размером пор от 100 до 300 кДа, фильтрат высушивают с помощью лиофильной, либо распылительной, либо вакуумной сушки (Пат. РФ 2302429). При данном способе выделения и очистки содержание фукоидана в продукте невелико. Продукт представляет смесь фукоидана с сопутствующими полисахаридами и низкомолекулярными примесями. Для дальнейшего использования в профилактической медицине или микробиологии потребуется его дополнительная очистка. Зарубежными компаниями предложены способы получения фукоиданов с низким молекулярным весом. Низкомолекулярный фукоидан, проявляющий антикоагулянт-ную, антитромботическую активности, рекомендован для применения в качестве терапевтической композиции. Эти способы основываются на контролируемом «лизисе» природного фукоидана, выделенного из водорослей порядка Phaeophyceae. В предложенной авторами технологии (Pat. US 5948405) радикальный гидролиз фукоидана проводили в присутствии солей меди и перекиси водорода. В результате были получены фракции с молекулярной массой 14-29 кДа, оптимальной для проявления антикоагулянтной активности. В другом способе (Pat. US 5321133) контролируемый «лизис» фукоидана осуществляли путем кислотного гидролиза, или радиолиза, или ферментативного гидролиза, или разру- 125 шения ультразвуком. Полученный лизат разделяли гель проникающей хроматографией на фракции с молекулярными массами от 5 до 40 кДа. Оба способа многостадийны, экономически затратны, выходы фракций с заданными молекулярными массами нестабильны. Разработаны способы получения фукоидана в технологиях комплексной переработки бурых водорослей (Пат. РФ 2135518, Пат. РФ 2240816). Это позволило снизить себестоимость фукоидана. Комплексные подходы к переработке бурых водорослей наряду с экстракцией включают такие методы, как разделение веществ по химической природе с использованием органических и неорганических реагентов, простые способы химической модификации, хроматографию, биотехнологию, априорно предполагающие более наукоемкие технологии, и сопряженные с ними исследования химических фракций, строения и биологической активности компонентов. Однако, несмотря на это, извлечение ряда биологически активных веществ в едином технологическом цикле сокращает количество отходов производства, приводит к повышению рентабельности производства, снижению себестоимости продукции и является основой рационального использования природных ресурсов. В России до сих пор традиционными продуктами переработки бурых водорослей являются маннит и альгинат натрия. Различная растворимость маннита и альгината натрия в воде и этиловом спирте позволила разработать способ получения этих веществ в рамках единой технологической схемы. При экстракции бурых водорослей этиловым спиртом с концентрацией 80—90% в раствор переходит маннит, который затем выделяют многократной перекристаллизацией из этанола. Остаток водоросли (шрот) экстрагируют водным раствором щелочи для получения альгината натрия. Такой способ комплексной переработки бурых водорослей используется на Архангельском водорослевом комбинате. Наличие в составе бурых водорослей других биологически активных веществ, не менее ценных чем маннит и альгинаты, привело к необходимости разработки новых технологий, позволяющих выделять водорастворимые полисахариды (фукоиданы и ламинараны, полиурониды), липиды, пигменты, экстракты, содержащие комплексы этих веществ. Многочисленные эксперименты по улучшению качества альгината натрия позволили ряду авторов разработать технологическую схему комплексной переработки ламинарии японской (Кизеветтер и др., 1981). Водный экстракт использовали для выделения маннита, хлоридов натрия и калия, йода, ламинарана, а шрот водорослей после очистки формалином и спиртом экстрагировали раствором карбоната кальция для получения альгината натрия. В Японии разработана технология переработки 126 свежезаготовленных водорослей с использованием отбельных глин. В результате получают альгинат натрия в виде пасты и порошка, маннит, а также йод, хлориды натрия и калия (Пат. Япония 910926). Запатентована технология получения альгиновой кислоты, липофильных веществ и полифенольных соединений. Способ основан на последовательной обработке водорослей раствором кислоты, этиловым спиртом и раствором щелочи (Пат. РФ 2360545). Сотрудниками Пятигорской фармацевтической академии предложен способ получения биологически активных веществ из ламинарии для медицинских целей (Пат. РФ 2194525). Заявленным способом в единой технологической схеме получают маннит, полисахарид-белковый комплекс «Ламинарид СБ», альгинат натрия. В технологии использовалась стадия обезжиривания слоевищ ламинарии хлороформом, но экстрагируемые хлороформом липиды и пигменты, как отдельный продукт, не выделялись и не анализировались. Фармакологическое действие «Ламинарида СБ» рассмотрено узко, только как препарата, обладающего слабительным действием. Сотрудники фирмы «Фитолон» предложили свой способ переработки бурых водорослей (Пат. РФ 2132622). Измельченные водоросли подвергали экстракции органическими растворителями с числом атомов углерода от 1 до 6. Получали после отгонки растворителя липидный концентрат и водный экстракт, которые разделяли. Авторы считают, что данный способ позволяет наиболее полно извлечь жирорастворимую часть бурых водорослей и использовать ее в качестве субстанции для производства лечебно-профилактических добавок «Кламин» и «Фитолон». По мнению авторов, при получении в одном производственном цикле водного и липидного концентратов переработка ламинарии и фукуса становится безотходной, т.к. оставшийся после экстракции шрот водоросли можно использовать в качестве пищевых и кормовых добавок, а также в качестве полупродукта для получения альгинатов. Патентуется способ комплексной переработки бурых водорослей с получением йодсодержащих и по-лисахаридных продуктов (Пат. РФ 2233104). Способ предусматривает экстракцию измельченных бурых водорослей водным раствором спирта. Из экстракта удаляют спирт. Водно-липидную эмульсию охлаждают и отстаиванием разделяют на водную и липидную фракции. Причем из водной фракции получают йодсодержащий минерально-маннитный комплекс, а из липидной фракции - йодсодержащий липидный комплекс. Водорослевый остаток экстрагируют раствором соляной кислоты и из экстракта спиртовым осаждением получают концентрат фукоидана. Водорослевый остаток экстрагируют при рН 8-9. К полученному щелочному фильтрату добавляют раствор хлористого кальция или карбоната 127 натрия и получают альгилозу кальция или натрия, соответственно. Предложенный способ переработки водорослей позволяет получить одновременно несколько добавок, содержащих набор биологически активных веществ, максимально извлечь йодсодержащие соединения за счет применения мягких режимов обработки сырья. Однако не все бурые водоросли являются богатым источником йода. Для получения водорастворимых полисахаридов бурых водорослей фукоидана и ламинарана, Звягинцевой с коллегами (Пат. РФ 2135518) разработана технология, которая предусматривает предварительную обработку бурых водорослей органическими растворителями с целью удаления низкомолекулярных веществ. Полученный экстракт предложено использовать в производстве косметических средств. Извлечение водорастворимых полисахаридов проводят раствором соляной кислоты. Фракционирование фукоидана и ламинарана осуществляют с помощью гидрофобной хроматографии. В качестве гидрофобного сорбента используют Полихром-1. В результате применения этого способа упростился процесс разделения водо-ростворимых полисахаридов и увеличился выход целевых продуктов, получены высокоочищенные препараты ламинарана и фукоидана. Способ комплексной переработки фукусовых водорослей, разработанный Мурманским морским биологическим институтом, предусматривает получение в одном технологическом цикле липидно-пигментного комплекса, маннита очищенного, полисахаридного комплекса и альгината натрия. Для получения липидно-пигментного комплекса в качестве экстрагента используют смесь метиленхлорида со спиртом этиловым. Для получения сухого экстракта фукоидана водоросли экстрагируют 5-15% раствором этанола при рН 1-2 при 60°С в течение 6—9 часов с последующим высушиванием. При этом выход фукоидана составляет от 11,6 до 24,1% в зависимости от используемого вида фукуса (Пат. РФ 2337571). Однако, использование слишком разбавленных 15-ти%, а тем более 5-ти% растворов этанола при кислой экстракции фукоидана не приводит к заявленной авторами очистке фукоидана от водорастворимых альгинатов. Способ комплексной переработки бурых водорослей с получением препаратов для медицины и косметологии (Пат. РФ 2240816) был предложен Тихоокеанским институтом биоорганической химии (рис. 5.4). Применяя метод последовательных экстракций и используя экстрагенты различной природы из бурых водорослей предлагается получать различные продукты: водно-этанольный экстракт, содержащий биологически активные низкомолекулярные вещества (табл. 5.8), водорастворимые полисахариды (ламинараны, фукоиданы, маннуронаны), которые можно использовать и как смеси, и после разделения как инди- 128 видуальные препараты, и альгинат натрия (рис. 5.4). Используя разные температурные режимы экстракции водорастворимых полисахаридов, авторы предлагают провести частичное разделение ламинаранов и фукоиданов, имеющих различное строение. Данный способ обладает универсальным характером. Он может быть применен к разным видам бурых водорослей с учетом вариабельности их химического состава. В каждом конкретном случае может быть получен определенный набор кислых и нейтральных полисахаридов и низкомолекулярных веществ (табл. 5.9). Таблица 5.8 Состав низкомолекулярных веществ водно-этанольных экстрактов бурых водорослей
* — образец собран в июле; ** — образец собран в мае. 129
Рис. 5.4. Схема комплексной переработки бурых водорослей Проблема комплексного использования бурых водорослей не перестает быть актуальной для исследователей. Основными задачами для работы в данном направлении являются увеличение технологических выходов целевых продуктов, улучшение их качественных характеристик, снижение материальных и энергетических затрат в процессе производства. Новые способы переработки водорослей позволят расширить ассортимент биологически активных веществ, применяемых для получения продукции природного происхождения с лечебно-профилактическими свойствами. 130 Таблица 5.9 Полисахаридный состав некоторых массовых видов бурых водорослей Японского и Охотского морей
131
132 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||