Состав и возможности использования бурых водорослей дальневосточных морей

Опублковано: Вестник ДВО РАН 2007 №6

Н.М.АМИНИНА, Т.И.ВИШНЕВСКАЯ, О.Н.ГУРУЛЕВА,

Л.Т КОВЕКОВДОВА

АМИНИНА Наталья Михайловна - кандидат биологических наук, ВИШНЕВСКАЯ Татьяна Ивановна - кандидат технических наук, ГУРУЛЕВА Ольга Николаевна - кандидат технических наук, КОВЕКОВДОВА Лидия Тихоновна - кандидат биологических наук (ФГУП ТИНРО-Центр, Владивосток).

Биологическая ценность водорослей обусловлена высоким содержанием в них полисахаридов, полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК), минеральных элементов, йода в виде минеральных и органических соединений. Содержание белка в бурых водорослях невысокое, его уровень в значительной степени зависит от времени сбора образцов. Количество незаменимых аминокислот у макрофитов существенно ниже, чем у животных организмов. Белки водорослей устойчивы к действию пищеварительных ферментов, наряду с этим они содержат моно- и дийодтирозин, участвующие в синтезе гормонов щитовидной железы. В водорослях в высоких концентрациях (в сумме до 4-5% на сухую массу) накапливаются свободные аминокислоты, например глутаминовая кислота. Основную часть органических соединений бурых водорослей составляют полисахариды. Хотя некоторые из них, например альгиновая кислота, не расщепляются ферментами пищеварительного тракта, полисахариды способствуют выведению из организма человека токсичных продуктов метаболизма, а также поступающих в организм извне солей тяжелых металлов и радионуклидов. Высокие сорбционные свойства альгиновой кислоты и ее солей являются основой липидкорригирующей, антиоксидантной, иммунокорректирующей активности полисахаридов. Противовоспалительные, обволакивающие, адгезивные свойства альгината натрия играют основную роль в лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта (гастрит, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, колит и др.) . Все это определяет повышенный интерес населения к продуктам питания, содержащим водоросли или биологически активные добавки из водорослей. Так, в Китае в качестве источников лекарственных веществ используется около 60 видов водорослей.

Моря Дальнего Востока отличаются большим разнообразием видового состава растений. Наиболее крупные представители морской растительности - бурые водоросли, образующие пояса вдоль всего дальневосточного побережья.

К промысловым видам побережья Камчатки относятся несколько видов из родов Laminaria, Alaria, Arthrothamnus, а также Fucus evanescens. У побережья о-ва Сахалин основу зарослей бурых водорослей составляет ламинария японская (Laminaria japonica) или ее смешанные поля с Alaria marginata, A. angusta; значительные запасы образуют также Agarum cribrosum, Cystoseira crassipes, Kjellmaniella crassifolia. В Приморье основная биомасса макрофитов представлена Laminaria japonica, Cystoseira crassipes, в значительных количествах произрастают Laminaria cichorioides, Costaria costata.

Химический состав бурых водорослей сильно варьирует в зависимости от их возраста, а также времени и места сбора образцов. Это значительно усложняет анализ межвидовых различий химического состава водорослей.

Целью настоящих исследований является сравнительная оценка химического состава промысловых и потенциально промысловых бурых водорослей порядков ламинариевые (Laminariales) и фукусовые (Fucales).

Изучали бурые водоросли, добытые и заготовленные в июле-августе 2000-2003 гг. в прибрежных водах Дальневосточного региона, включая побережья Приморья, Камчатки, Сахалина (табл. 1).

Для проведения анализов химического состава слоевища водорослей были высушены при комнатной температуре, измельчены до кусочков размером 0,1-0,5 см, подготовлены средние пробы из 3-5 образцов одного вида.

Образцы водорослей исследовали на содержание воды, золы, альгиновой кислоты, маннита, йода стандартными методами.

Макро- и микроэлементный состав водорослей после кислотной минерализации образцов определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на спектрофотометрах «Nippon Jarell Ash» АА-850, «Shimadzu» АА-6800; ртуть определяли на приборе «Hiranu- ma» Hg-1 [8]. Общий азот (N) в сырье определяли по методу Кьельдаля на приборе «Kjeltec auto» 10 SO Analyzer. Относительное содержание белка высчитывали по содержанию общего азота, умноженного на коэффициент 6,25. Общее содержание липидов определяли по методу Блайя-Даера [20]. Для определения фукоидана в биомассе водоросли выход фукозы умножали на 2, исходя из условного среднего содержания фукозы в фукоидане, равного 50%. Содержание фукозы в биомассе водоросли определяли спектрофотометрически по цветной реакции с L-цистеином и серной кислотой.

Статистическую обработку результатов проводили на основе подсчета средних значений показателей и стандартной средней ошибки. Для получения достоверных данных использовали результаты 3-5 параллельных определений, относительные стандартные отклонения которых находились в пределах 5-7%.

В 2001-2003 гг. исследован химический состав 16 видов промысловых и потенциально промысловых бурых водорослей, принадлежащих 6 семействам (табл. 1). Для сравнительного изучения использовали растения, собранные за короткий промежуток времени (конец июля-начало августа). Анализ показал, что исследованные бурые водоросли не различаются между собой по составу основных компонентов, однако содержание и соотношение этих компонентов в них значительно варьируют.

Содержание белка составляло в зависимости от вида растений 3,0-17% (на сухую массу) для порядка Laminariales и 5-11% для порядка Fucales (табл. 2). Очень высокое содержание белка у L. dentigera (28,4%), достаточно много его в Agarum cribrosum (16,8%).

С практической точки зрения наибольший интерес представляет анализ содержания полисахаридов водорослей. Разброс литературных данных о содержании альгиновой кислоты в водорослях значителен. Как показывают наши исследования, главным образом это определяется физиологическим состоянием растений и разными условиями взятия образцов для анализа. Для некоторых видов водорослей (Laminaria dentigera, Alaria fistulosa, Agarum cribrosum) данные, полученные с применением другого метода исследований, могут быть близкими с полученными нами результатами (табл. 2). Для других видов (Alaria marginata, Arthrothamnus bifidus) данные анализов значительно различаются. Наибольший разброс литературных данных обнаружен в результатах исследований содержания аль- гиновой кислоты в водорослях из порядка фукусовых. Возможно, это связано с различной степенью экстракции альгиновой кислоты из сухих измельченных водорослей, что является обязательной стадией в различных методах анализа полисахаридов.

В исследованных нами водорослях обнаружена альгиновая кислота - от 15-37% (табл. 2). В среднем ее количество в ламинариевых водорослях составляет 23-28%. Довольно высокое содержание полисахаридов обнаружено у Laminaria yezoensis (37,5%), Arthrothamnus bifidus (36,1%) и Laminaria bongardiana (34,1%), в то же время в Laminaria cichorioides их только 15,7%. Содержание альгиновой кислоты в водорослях порядка Fucales в среднем выше, чем в ламинариевых. Fucus evanescens, Cystoseira crassipes, Sargassum pallidum в летние месяцы содержат от 26,7 до 36,4% полисахарида, поэтому они представляют интерес как сырье для получения альгиновой кислоты или продуктов, содержащих альгинат (табл. 2).

Маннит - один из основных продуктов фотосинтеза бурых водорослей - также интенсивно накапливается в летние месяцы. Максимальное его количество обнаружено в водорослях порядка Laminariales: Laminaria japonica, L. bongardiana, Kjellmaniella crassifolia (12,3-15,3%); только в двух водорослях (Agarum cribrosum, Arthrothamnus bifi- dus) содержание маннита невысокое (4,3-4,4%). Водоросли порядка фукусовые в целом содержат меньше маннита, чем ламинариевые, за исключением Sargassum pallidum (табл. 2).

Фукоиданы представляют собой сульфатированные гетерополисахариды, построенные главным образом из остатков a-L-фукопиранозы. При участии в молекулярном межклеточном взаимодействии фукоиданы блокируют многие биологические процессы и могут быть успешно использованы в терапии ряда заболеваний человека. Содержание фукоидана в бурых водорослях варьирует в пределах 0,6-7,9% на сухую массу . По содержанию фукоидана среди ламинариевых выделяются Laminaria guijanovae, L. bongardiana, L. japonica, среди фукусовых - F. evanescens, C. crassipes (табл. 2). В целом можно отметить, что у водорослей порядка Laminariales фукоидана меньше, чем у Fucales; это согласуется с данными других исследователей.

Важной особенностью состава липидов морских растений, особенно бурых водорослей, является высокое содержание С18- и С20-полиеновых жирных кислот, что отличает их от наземных растений. У большинства бурых водорослей преобладают полиеновые кислоты ю-3 серии - например, у A. angusta их содержание составляет 39,7% от суммы жирных кислот. С20-полиеновые кислоты доминируют в L. bongardiana и L. cichorioides, С18 - в L. japonica, а в L. dentigera их количество приблизительно равное. Низкий уровень полиненасыщенных жирных кислот ю-3 серии характерен для водорослей из семейства Fucaceae. Содержание липидов в разных видах бурых водорослей в летний период меняется от 0,56 до 3,86% (табл. 2), однако наличие огромных запасов макрофитов позволяет рассматривать их в качестве потенциального источника незаменимых жирных кислот.

Известно, что йод, содержащийся в растительных пищевых продуктах, лучше усваивается щитовидной железой, чем вводимый в виде препарата йодистого калия. В бурых водорослях йода в органической и минеральной формах значительно больше, чем в других гидробионтах (в среднем 0,1-0,2% на сухую массу). Органически связанный йод присутствует в бурых водорослях в виде соединений с аминокислотами и белками. Основное различие между фукусовыми и ламинариевыми водорослями состоит в количестве накапливаемого ими йода. Чаще всего в ламинариевых водорослях содержание йода колеблется в пределах десятых долей процента, а в фукусовых оно на порядок меньше (табл. 2). Из ламинариевых только в четырех видах водорослей йода оказалось меньше 0,1%. Минимальное его количество обнаружено у Costaria costata, что сравнимо с содержанием йода в представителе фукусовых - Sargassum pallidum (табл. 2).

Установлено, что содержание минеральных веществ в биомассе ламинариевых водорослей в общем выше, чем фукусовых, - 10,5-30,1% и 10,7-18,6% соответственно (табл. 2). Наиболее высоко оно у Kjellmaniella crassifolia и Costaria costata (26,6 и 28,2% соответственно). Значительное количество минеральных соединений обнаружено у представителей из рода Alaria. В составе минеральных веществ определено 10 основных макро- и микроэлементов (табл. 3). Практически у всех видов водорослей, независимо от места обитания, соотношение макроэлементов - калия, натрия и магния - находится в одном диапазоне, причем характерно преобладание калия над натрием, за исключением Fucus evanescens. Содержание натрия в этой водоросли, так же как и в Laminaria yezoensis, Sar- gassum pallidum, минимальное, а количество магния максимальное по сравнению с другими водорослями. Содержание кальция во всех исследуемых видах водорослей сходно.

Концентрации микроэлементов в водорослях значительно варьируют (табл. 3). Определено высокое содержание железа в Cystoseira crassipes (77,5*10-3%) и Fucus evanescens (66,5*10-3%), принадлежащих порядку фукусовые, а также в Costaria costata (57,5* 10-3%) и Laminaria yezoensis (53,0* 10-3%), принадлежащих порядку ламинариевые. Следует отметить и высокое содержание меди в некоторых видах водорослей, особенно порядка Fucales (табл. 3). Однако количество микроэлементов в водорослях в значительной степени зависит от места произрастания и не может быть специфической характеристикой их таксономической принадлежности.

Для обоснования введения новых видов сырья в промысел нами был проведен анализ содержания токсичных элементов в биомассе водорослей. При пересчете содержания элементного состава на массу свежей водоросли установлено, что количество токсичных элементов - свинца, ртути, кадмия и мышьяка не превышает ПДК, установленных СанПиН 2.3.2.1078-01 (табл. 4).

Таким образом, исследованиями химического состава 16 видов бурых водорослей дальневосточных морей порядков ламинариевые (Laminariales) и фукусовые (Fucales) установлено, что в фукусовых водорослях содержание основных компонентов (белка, маннита, альгиновой кислоты, липидов) сравнимо с содержанием их в ламинариевых. Наибольшую ценность представляют собой Laminaria japonica, L. bongardiana, L. yezoensis, Arthrothamnus bifidus, Kjellmaniella crassifolia, Alaria marginata, A. angusta, Fucus evanescens, Cystoseira crassipes, Sargassum pallidum. Представители порядка Fu- cales содержат больше фукоидана, чем порядка Laminariales, поэтому могут служить наиболее перспективными источниками этого полисахарида. Среди ламинариевых водорослей высокое содержание фукоидана обнаружено в Laminaria gurjanovae, L. bongardiana, L. japonica.

Содержание йода в водорослях из порядка фукусовые в 10-125 раз ниже по сравнению с основными промысловыми водорослями из рода Laminaria.

Сравнительный анализ элементного состава показал, что у всех видов водорослей, независимо от места обитания, соотношение калия, натрия и магния находится в одном диапазоне, за исключением Laminaria yezoensis, Fucus еvanescens и Sargassum pallidum. Содержание кальция во всех исследуемых видах водорослей мало различается, микроэлементный состав значительно варьирует.

По результатам токсикологических исследований изученные бурые водоросли соответствуют нормам СанПиН 2.3.2.1078-01 и могут быть использованы как сырье для пищевой промышленности.