Перспективы применения йодсодержащих полисахаридов в технологии получения энергетических гелей

Фукус – это морская бурая водоросль, один из главных источников фукоидана. Фукоидан – сульфатированный полисахарид, обладающий лабораторно подтвержденными противовирусными, иммуномодулирующими и противоопухолевыми свойствами. Благодаря своему богатому витаминно-минеральному комплексу, фукус наряду с ламинарией считается одной из самых полезных водорослей для человека [1, 21].

Существует 4 вида фукусов: пузырчатый, спиральный, зубчатый, двусторонний. Наибольшее количество полезных веществ находится в фукусе пузырчатом (fucus vesiculosus). Фукус пузырчатый добывается в России на Белом море. Известна способность фукуса синтезировать сульфатированный полисахарид фукоидан, в составе которых находится L-фукоза. Это вещество выполняет важные биологические функции, обеспечивающие развитие организма, его клеток, формирование иммунитета и участие в репродуктивных процессах [22]. Фукоза – натуральный стимулятор и активатор полезной микрофлоры, обитающей в кишечнике человека. Все виды фукуса обладают полезными свойствами для здоровья. Так, фукус пузырчатый благодаря высокому содержанию фукоидана (от 13,4 до 16,5% сухой массы) обладает следующими видами активностей: противовирусная, имуннорегулирующая антибактериальная, противовоспалительная, антивирусная. Этот полисахарид способен сбалансировать синтез мужских и женских половых гормонов, уменьшает риск рака груди. Он поддерживает нормальную работу щитовидной железы, активизирует аминокислотных обмен веществ, биосинтез витаминов, минеральных веществ, способствует активизации метаболизма ненасыщенных жирных кислот [12, 13]. Фукоидан участвует в поддержании тонуса сердечной мышцы, повышая эластичность кровеносных аретрий и вен. Полисахарид из водоросли Фукус связывающий и вывает и выводит соли тяжелых металлов из организма человека, нормализует холестериновый обмен и углеводный индекс. Способен блокировать рост и развитие сети мелких сосудов, питающих новообразования. Положительно сказывается на кровоснабжении сердца и головного мозга, а благодаря ламинарину в составе, укрепляет сосудистую стенку. Фукус применяется и при приготовлении пищи. Это касается не только блюд, но и напитков. Например, смузи с фукусом и ламинарией в гелевой форме может включать в себя добавление фруктов и овощей для дополнительного снабжения организма витаминами и минералами [4].

В технологиях получения пищевых продуктов используют сухие формы полисахаридов [20]. Полисахариды водорослей применяются в качестве загустителей и студнеобразователей в пищевой промышленности при изготовлении структурированных мясных, рыбных продуктов, молочных и кондитерских продуктов эмульсионного и гелеобразного типа, а также в медицине, биотехнологии и др. отраслях народного хозяйства [17]. Полисахариды бурых водорослей используются главным образом как загустители и стабилизаторы суспензий, эмульсий [24, 25, 28].

На основании вышеизложенного целью наших исследований была разработка технологии получения полисахарида фукоидан и гелей на его основе из морских водорослей Фукус (Fucus) с применением фито-биотиков – продуктов растительного происхождения с антибиотическими свойствами.

Материалы и методы исследований

Объектами исследования служили полисахаридные гидрогели, полученные из бурой водоросли Фу- кус (Fucus); пищевые системы гелеобразного и эмульсионного типа на основе гидрогелей или их смесей c фитобиотиками: соки клюквы и брусники, полученные прямым отжимом.

В процессе производства функциональных полисахаридных биогелей использовали следующее сырье:

– питьевая вода – ГОСТ Р 51232-98;

– клюква свежая – ГОСТ 33309-2015;

– брусника свежая – ГОСТ 20450-2019;

- экстракты клюквы, брусники.

Пищевые гелеобразные системы гидрогелей и их композиты разрабатывали с помощью модифицированной методической схемы [20]. Отбор, подготовку проб к анализу, физико-химические свойства полисахаридов проводили по ГОСТу 26185-84. Макро- и микроэлементный состав определяли методом атомноадсорбционной спектрофотометрии на пламенноэмиссионном спектрофотометреICAP 5030, общее содержание азотистых веществ — на приборе «Kjeltec» (Теcator).

Состав экстрактов и молекулярную массу фукоидана изучали методом ВЭЖХ на жидкостном хроматографе «Милихром-6» (Россия) на колонке с обращенной фазой.

Прочность гелей устанавливали на приборе Валента при комнатной температуре, через два часа после получения гелей [10, 11]. Стойкость эмульсионных систем, или процент неразрушенной эмульсии, оценивали по ГОСТу 30004.2-93. Водоудерживающую способность (ВУС) готовых гидрогелей определяли методом прессования (Мельникова, 1977) [20].

Определение массовой доли влаги в сырье и готовых продуктах прводили по ГОСТ 3626-73, ГОСТ Р 51438-99; массовой доли белка – по ГОСТ 251792014, ГОСТ Р 51438-99; массовой доли золы – по ГОСТ Р 51432-99, ГОСТ Р 51463-99; массовой доли жира в сырье и готовых продуктах – в аппарате Сокслета по ГОСТ 5867-90, ГОСТ 8756.21-89; содержания макроэлементов – по ГОСТ Р 51429-99, ГОСТ Р 51430-99, а также согласно рекомендациям (Петухова Е.А., 1989); показателей кислотности (pH) – потенциометрическим методом; активности воды – согласно рекомендациям (Антипова Л.В. и др., 2001); содержания органических кислот – методом ВЭЖХ согласно МУ, прилагаемым к оборудованию; перекисного и кислотного числа – по ГОСТ Р 51487-99 и согласно рекомендациям (Антипова Л.В. и др., 2001); тиобарбитурового числа – фотоэлектроколориметри-чеким методом в соответствии с рекомендациями (Журавская Н.К. и др., 1985).

Исследования проводили в трехкратной повторности по методу наименьших квадратов с использованием пакета программ «Microsoft Office».

Определение показателей качества готового функционального гидрогеля осуществляли в соответствии с ГОСТ 34096-2017«Добавки пищевые. Агенты влагоудерживающие пищевой продукции».

Результаты исследований

Многие пищевые гидрогели, применяемые в спортивном питанийй и в питании ряда групп потребителей отличаются комплексом недостатков [9]. Эти гели имеют низкую механическую прочность, недостаточную осмотическую устойчивость, то есть проявляют существеное увеличение объема при сдвигах кислотности (pH внешней среды), при длительном хранении плохо удерживают жидкость, (она оттедяет-ся при хранени), имеют диффузионные затруднения при сорбции и десорбции веществ даже достаточно малой молекулярной массы и ряд других [7, 26].

Нами была применена технологии получения полисахаридных гидрогелей из бурых морских водорослей Фукус на основе полисахарида фукоидана, состоящая из двух этапов.

Первый этап состоит в выделении фукоидана из слоевища бурой водоросли, второй этап позволил получить диффузионное равновесие полисахаридной системы.

Последовательную обработку сухой бурой водоросли проводили последовательно 50%-ным водным этанолом, ацетоном и хлороформом, куда экстрагируются соли, частично полифенолы, низкомолекулярные вещества. В растворители выделяется из водо- рослево массы в среднем 45% фукоидана, в пересчете на сухого веса таллома [3].

В дальнейшем проводили поэтапную экстракцию фукоидана из остатков таллома Фукуса 0,1 -нормальным раствором НЯ с добавлением 30%-ного раствора формальдегида при температуре 25°С и водой при температуре 75°С.

Такое поэтапной выделение с повышением температуры позволило уже на этапе экстракции разделить полисахариды Фукуса по молекулярной массе, а фукоиданы - по составу мономеров.

На основании проведенных исследований установили, что длительность первого этапа экстракции составляет 20-25 мин при температуре 84-88оС и 45 мин — при температуре 65оС. Температура была определяющим фактором на 1-м этапе экстрагирования. Длительность второго этапа экстрагирования определялась установлением через 65 минут равно-вестной диффузии. Эта фаза была зафиксирована спустя 65 минут при температуре 84-88 оС с и через 180 мин — при температуре 65 оС (рис. 1).

Рис. 1 - Зависимость скорости экстрагирования и выход фукоидана от температуры

На втором этапе наблюдали значительное снижение скорости экстрагирования. Химическая структура обусловила, с одной стороны, внутренний мас-соперенос полисахарида, с другой - уменьшение движущей силы процесса - разности концентраций полисахарида в водоросли и растворе. Выход фукоидана составил 27,6% при температуре экстракции 60оС, 36,0 % — 80оС и 38,8% — при 90 оС.

Выделенные фукоиданы подвергали высокоэффективной жидкостной хроматографии на колонке с обращенной фазой с гидрофобным носителем (поли- тетрафторэтилен). Ламинаран адсорбировался гидрофобным носителем. Высокосульфатированные фукоиданы элюировали водой. Эллюирование проводили смесью спирта с водой: фукоидан - 5%-ный раствор этанола, ламинаран - последовательно 10- и 15%-ный раствор этанола.

Анализ полученных хроматограмм показал, что фукоидан является стабильным неразрушающимся полисахаридов в диапазоне температур до значения 60-80оС.

Рис. 2 - Показатели экстрагирования полисахаридов с содержанием фукоиданов при температурах экстрагирования -  60, 70, 80 и 90 оС (а) и временем экстрагирования- 0,5, 1,5 и 4 ч (б)

Выделение фукоиданов при температуре 90 оС станвится невозможным, так как при этой температуре происходит термическое разрушение полисахарида [5, 14]. Следовательно, будет возрастать его полидисперсность. Об этом свидетельствует наличие двух небольших дополнительных пиков на хроматограмме на рис. 2, а. Термическая деструкция фукоидана в незначительных количествах происходит уже в первые 30 мин экстрагирования и наблюдалась на протяжении всего процесса экстрагирования (рис. 2, б).

Для осаждения фукоидана из полученной смеси применяли 75%-ный раствор этилового спирта. Выделенные таким образом фракции фукоидана подвергали высушиванию в термостате при температуре 35 оС.

На следующем этапе было изучено влияние различных концентраций CaCl 2 на выход и физикохимические показатели гелей на основе фукоидана.

Было сделано предположение, что при помощи различных концентраций ионов Ca ²⁺ можно регулировать количество осаждаемого фукоидана в полисахаридном гидрогеле. Для проверки гипотезы использовали смесь, состоящую из 10 %-ного раствора HCl и CaCl 2 . В ходе анализа полученных результатов установили значение содержания Ca ²⁺ в полисахаридном гидрогеле растет в пределах от 0,36 до 1,68 % при повышение концентрации CaCl 2 в осадительной смеси от 0 до 8,5 % (табл. 1).

Возрастание содержания CaCl 2 выше 1,68 % из меняло однородную структуру биогеля, фукоиданы разделялись на отдельные фракции, гель расслаивался. В дальнейшем такой гель будет снижать свои вязкостные свойства.

Таблица 1 - Концентрация ионов кальция и натрия в фукоидановом гидрогеле при различных концен-________________ трациях хлорида кальция в осадительной смеси    ___________

Концентрация хлорида кальция	Концентрация ионов кальция и натрия (°/о на сух. в-во)		Соотношение Са/Na	Вязкость, Па•с, 10 -3
	Са	Na
0	0,36±0,012	7,25±0,012	0,050	6,8±0,14
2,1	0,48±0,018	7,11±0,012	0,068	7,8±0,12
3,0	0,51±0,011	6,28±0,018	0,081	8,7±0,11
4,8	0,67±0,030	6,02±0,027	0,111	11,8±0,17
6,8	0,84±0,014	5,47±0,040	0,153	24,3±0,18
7,2	1,08±0,016	5,32±0,019	0,203	18,2±0,11
8,5	1,68±0,031	4,95±0,023	0,339	7,2±0,13

На основании этих данных сделали заключение, что рациональными условиями для получения растворимого фукоиданового гидрогеля с содержанием кальция 0,84 % являются осаждение смесью, содержащей 10 % соляной кислоты и 7 % хлорида кальция.

На основании проведенных исследований разработан лабораторный способ получения фукоидан-содержащего гидрогеля, физико-химическая характеристика которого представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Химический состав и реологические свойства фукоиданового биогеля

Биогель с фукоиданом	Сухое вещество, %	Содержание, % к сухому веществу				Вязкость биогеля, Пас, l0-з	Прочность биогеля, г/см2
		Углеводы	Зольные вещества	Протеины	Клетчатка
	3,6±0,08	78,2±0,32	9,8±0,1	1,4±0,2	0,7±0,1	3,47±0,12	62-68

Для получения стабильных биогелей желательно повысит содержание CaCl2 в осадительной смеси до 0,84 %. При этом значительно возрастаю прочностные свойства фукоидановых биогелей – до 660 г/см2 (рис. 3, а). Но при этом ухудшаются потребительские характеристики биогеля. При органо-лептичеких ис-следлваниях было установлено, что такие гели приобретают горький привкус. Влияние цитрата калия на прочность гелей проявляется в меньшей степени. Анализ зависимости прочности гелей от концентраций фукоидана, CaCl2 и цитрата калия (рис. 3) показал, что цитрат калия снижает снижает прочностные свойства биогелей в среднем в 1,8 раз. Применение CaCl2 в тех же концен рациях не дает такого эффекта снижения прочности. При введении в биогель соков клюквы и брусники в качестве фитобиотических ком- понентов также не снижал прочностные характеристики. Слеовательно полисахариды вне зависимости от их содержания в биогелях не приволят к снижению прочности геля.

Повышение содержания солей лимонной кислоты при повышенных температурах (например до температуры кипени воды - при 95 ± 5 оС - приводит к полной деструкции фукоиданового биогеля.

Однако полное устрание солей лимонной кислоты невозможно, так как цитрат калия в системе биогеля «фукоидан — углеводы соков клюквы и брусники — цитрат калия» (рекомендуемое содержание солей лимонной кислоты - 0,5 % от общего количества компонентов системы) стабилизирует гелевую структуру за счет остановки кислолтной деполимеризации.

А)

Б)

Рис. 3 - Зависимость прочности гелей от концентраций фукоидана, хлорида калия (а) и цитрата калия (б)

При разработке технологии получения гидрогеля для спортсменов решали задачу создания продукта, обладающего устойчивой структурой.

Внесение соков клюквы и брусники оосновано необходимостью придания продукту антибиотических и функциональных свойств. Однако углеводсодержащие соки могут изменить реологические свойства и стойкость фукоиданового биогеля. Было показано, что увеличение вносимых соков по отдельности и объединенных соков в соотношении 1:1, в концен- трации от 5 до 48 % приводило к увеличению вязкости фукоиданового биогеля (0,38-0,43 до 1,20-1,31 Пас). Вносимые соки также способствовали повышению прочности и стабильности биогеля до 95-98 % (рис. 4). Ожидалось, что чем выше содержание вносимых фитобиотиков, тем выше прочностные свойства и стабильность биогеля. Однако, как показали исследования, повышение концентрации соков более 54 % приводило к расслоению биогеля.

сок брусники сок клюквы и брусники 1:1

Рис. 4 - Зависимость вязкости эмульсии от содержания ягодного сока.

Установлено, что введение в систему соков в количестве 15% позволяет получить стабильный гидрогель, реологические характеристики которого соответствуют пищевым параметрам гидрогелей (табл. 3). Объединенный композит соков клюквы и брусники в соотношении 1:1 улучшает сенсорные показатели фу-коиданового биогеля. Продукт приобретает приятный кисло-сладкий ягодной привкус. Оптимальное содержание ягодных соков - 10%, что способствует наибольшей стабильности структуры биогеля. При снижении содержания соков фитобиотиков стабильность биогеля снижается до 51%. Для увеличения стойкости и улучшения органолептических показате- лей биогеля рекомендуется поддерживать рН гелевой системы в пределах 4,0-4,5 [18].

Проведенные исследования позволили разработать рецептуру функционального гидрогеля для спортсменов на основе бурой водоросли Фукус с внесением соков ягод клюквы и брусники.

Представленные результаты исследований позволят в дальнейшем моделировать стабильность биогелей при помощи изменения концентрации углеводов, катионов K + или Ca2+, что позволит разнообразить ассортимент биогелей и предложить новые продукты для различных групп потребителей.

Таблица 3 - Сенсорные показатели и реологические свойства фукоиданового гидрогеля с применением ягодных соков клюквы и брусники (15 %)

Состав эмульсионной системы, % сухого вещества		Характеристика эмульсий
Сок клюквы	Сок брусники	Вязкость, Па •с	Стойкость, %	Вкус
3,0	0	1,02±0,021	42,4±0,84	Кисловато-сладкий, терпкий
1,5	1,5	1,68±0,057	71,2±0,27	Сбалансрованный по кислоте и нежности, свойственный фруктовому пюре
0	3,0	1,48±0,056	48,1±0,54	Очень кислый, с характерной для брусники горечью

Выводы. В ходе проведенных исследований нами была предложена модификация технология производства пищевых углеводных биогелей, полученных на основе полисахарида фукоидана, выделенного из бурых водорослей Фукус. Показана перспектива их использования в расширении линейки гелевых пищевых продуктов с введением в рецептуру соков клюквы и брусники, обладающих фитобиотическими свойствами.

Нами были предложены режимы экстракции фукоиданов методов высокоэффективной жидкостной хроматографии. Предложено установит оптимальную температуру экстрагирования - 80°С, время экстрагирования – 1 час. Такой режим экстрагирования позволяет максимально извлекать фукоидан – до 95% от сухой массы талллом Фукуса. Гидромодуль такой системы составит 1:40. Молекулярная масса выделяемых углеводов – 2000 кДа.

Предложено модифицировать прочностные и реологические свойства биогелей за счет введения в систему биогеля и изменение концентрации като-ионов Ca^{2+ .} При осаждении фукоидана рекмендова-но применять кислую среду за счет использования HCl 10%-ной концентрации и CaCl 2 0,7%-ной концентрации. Такой состав экстрагирующей смеси позволяет повышать вязкость фукоиданового биогеля до 3,47 Па-с.

Показано, что введение в рецептуру фукоидано-вого биогеля соков ягод клюквы и брусники оказывает стабилизирующее действие на вязкость стойкость эмульсии. Биогели, содержащие 10% соков обладают наибольшей вязкостью и стойкостью.

Наши исследования согласуются с результатами исследования ряда ученых. В частности, данные наших исследований, как и работы Толмачева В.О. [19, 27] показали, что обеспечение высокой работоспособности, ускорения восстановительных процес- 53

сов, снижения утомляемости, дегидратации, повышение иммунитета и усиление адаптации к физическим нагрузкам спортсменов невозможны без включения в рацион специализированных продуктов, в том числе БАД к пище, содержащих аминокислоты, макро- и микроэлементы, биологически активные вещества с антиоксидантной направленностью [2, 15, 16]. Результат на длинных дистанциях зависит от целого ряда факторов, и питание во время забега – один из них, в связи с чем мы предлагаем расширить линейку гидрогелей за счет применения фукоидана из бурой водоросли Фукус и внести в рецептуру природные антиоксиданты – соки клюквы и брусники.

Спортивное питание – это отрасль, в которой особое внимание уделяется продуктам с заданными потребительскими свойствами, предназначенными, как для спортсменов, так и для других групп населе- ния. Развитие данного направления в мире обусловлено развитием физической культуры и спорта, а также пропагандой здорового образа жизни. Поэтому продукты питания, первоначально предназначавшиеся для спортсменов, в дальнейшем, находят свое применение для укрепления здоровья и повышения качества жизни широких слоев населения.

Обосновано совместное использование фукоида-нового гидрогеля и фитобиотиов для получения функциональных гидрогелей.

На основании результатов исследований показана перспектива получения пищевых биогелей из бурой водоросли Фукус и возможность введения в гели природных антиоксидантов на осное соков клюквы и брусники. Предложено расширить ассортимент биогелей за счет модификации вносимых фитобиотиче-ских компонентов.