Полисахариды бурых водорослей

Альгинат. Альгинаты занимают доминирующее положение среди промышленных продуктов, получаемых их морских водорослей (табл.). Альгинат был открыт английским химиком Е.С. Станфордом (T.C.Stanford) в 1981 году, как побочной продукт при получении йода из морских водорослей.

Альгинаты — это полимерные молекулы, состоящие из блоков маннуроновой и гулуроновой кислот и из изменяющихся цепей этих двух мономеров. Блоки полиманнуроновой кислоты придают вязкость альгинатным растворам, блоки гулуроновой кислоты ответственны за силу геля и специфическое связывание двухвалентных ионов металлов. От изменяющихся цепей зависит структура альгинатов. Состав и структура, и таким образом, свойства альгинатов являются видоспецифичными.

Альгинаты можно получать из более, чем 300 видов бурых водорослей. Альгинаты являются структурными элементами клеточных стенок. Их содержание может достигать до 40% от сухого веса (табл.). Основными источниками альгинатов являются крупные бурые водоросли — представители ламинариевых и фукусовых. Альгинаты производятся, главным образом, и Laminaria hyperborea, Macrocystis pyrifera и Ascophyllum nodosum; в меньшей степени из L.digitata, L. japonica, Ecklonia maxima, Lessonia nigrescens и видов Sargassum.

Таблица. Содержание альгиновой кислоты в морских водорослях Ирландии (% от сухого веса) (по Munda, 1987)

Основными производителями альгинатов являются США, Норвегия, Франция, Великобритания и Япония, и небольшое производство имеется в Чили, Китае, России, Индии и других странах. Мировое производство альгинатов составляет около 27000 т в год (1990 год). Стоимость альгинатов зависит от их свойств и составляет около 5—20$ за кг.

Большинство водорослей, используемых промышленностью, такие как Laminaria digitata, L. japonica, Macrocystis pyrifera и другие богаты маннуроновой кислотой и дают альгинаты с высокой вязкостью и средней силой геля. В мировом масштабе большие количества этих водорослей имеются, при существовании локальных уменьшений запасов в некоторых странах. В целом, для этого типа альгинатов существует баланс между запасами и нуждами промышленности.

Альгинаты с высоким содержанием гулуроновой кислоты получают из Laminaria hyperborea, главным образом из стволиков. Такого типа альгинаты дают плотные гели. Очень немногие виды бурых водорослей характеризуются высоким содержанием гулуроновой кислоты и в мировом масштабе их запасы ограничены.

Применение альгинатов основывается на том, что альгинаты придают структуру (гели, волокна) и вязкость жидким растворам и стабилизируют эмульсии и дисперсанты. Альгинаты находят огромное число применений — от мороженого, крема для обуви, проклеивания бумаги до буровых растворов. Около 30% альгинатов используется в пищевой промышленности, около 15% — в фармакологии и косметике.

Альгинаты используются для производства целого ряда пищевых продуктов (табл.). Альгинаты применяются как стабилизаторы и эмульгаторы при производстве мороженого, для предотвращения потери воды при оттаивании замороженной рыбы. Альгинаты стабилизируют масляно-водные эмульсии, такие как майонез или кетчуп. Альгинаты применяются как дисперсанты плотных веществ в воде — в приправах к салатам, различных соусах. Прополенгликольальгинат используется для суспезирования мякоти в фруктовых напитках, новое применение этого вещества — использование его для стабилизации пены пива.

Различные альгинатные гели — хрупкие, эластичные или мягкие — также находят широкое применение (Indergaard, Ostgaard, 1991).

Таблица. Использование фикоколлоидов в пищевых продуктах (по Indegaard, Ostgaard, 1991)

Примечание. Основные используемые свойства фикоколлоидов: 1 — вязкость/уплотнение; 2 — стабилизация/эмульгирование; 3 — образование геля/связывающее вещество.

В фармакологии в виде смеси водораствоимые и водонерастворимые альгинаты используются как связующее вещество в сухих таблетках. Альгинаты в виде волокон (смесь альгината натрия и кальция) используются для первичной обработки ран, ожогов. Альгинат кальция рекомендуется для выведения из организма радиоактивного стронция и тяжелых металлов. Связывание радионуклеидов и металлов эффективно только в том случае, когда они находятся в пищеварительной системе. Альгинат кальция используется в зубопротезной практике — при приготовлении форм.

В косметике альгинаты используются как стабилизаторы эмульсий в кремах и лосьонах; как среда для приготовлениия кремов, мазей, помад; как стабилизатор мыла, шампуней (De Roeck-Holtzhauer, 1991).

В настоящее время быстро развивается направление по использованию альгинатов для получения медицинских препаратов. Альгинаты, особенно с высоким содержанием гулуроновой кислоты, применяются для иммобилизации клеток и тканей при получении комплексных биомолекул как антибиотики, гормоны, вакцины, энзиомы и т.д. (Smidsrod, Christensen, 1991). В США разработана биотехника по производству моноклональных антител клетками млекопитающих, заклююченных в альгинатный гель. Эти соединения используются для диагностики, при раковой терапии. Разработаны альгинат-хитиновые капсулы, через поры которых идет выделение инсулина, и они могут быть трансплантированы человеку. Успешны исследования по использованию гелей, на основе альгината (вместо более дорогого агара), для выращивания на ранних стадиях деревьев (Jensen, 1993).

Кроме широкого спектра применения альгиновой кислоты и ее солей для различных технических нужд в текстильной, бумажной, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности следует подчеркнуть их способность сорбировать и выводить из организма человека и животных радиоактивные вещества, тяжелые металлы и другие токсические вещества. Экологическая обстановка по уровню загрязнения радиоактивными веществами и тяжелыми металлами в ряде районов нашей страны остается неблагоприятной. Потребность в препарате составляет не менее 500 т/год на 1 млн человек. Потребность в водорослях только для лечебно-профилактического питания в некоторых районах Мурманской области, где создалась неблагоприятная экологическая обстановка в результате деятельности промышленности (загрязнение тяжелыми металлами, радионуклидами), составляет не менее 20—30 тыс. т в год.

Производство альгинатов — это лишь один из аспектов использования бурых водорослей. Значительную ценность представляет также маннит, который используется при консервации крови. Имеются исследования, показывающие, что водоросли являются источником ряда полисахаридов, обладающих противоопухолевой (в том числе злокачественных), гепариновой, радиопротекторной активностью и могут служить в качестве сырья для производства этих ценных медицинских препаратов.

Спрос на фикоколлоиды, получаемые из красных и бурых водорослей, растет и считается, что будет продолжать расти и в будущем. При увеличении численности населения и возрастании уровня жизни спрос на продукты, для производства которых используются агар, каррагинаны или альгинаты, будет увеличиваться. Фикоколлоиды водорослей являются природными продуктами, что всегда предпочтительнее при использовании их в пищевых продуктах. Они имеют сложную химическую структуру и их трудно синтезировать химическим путем. Кроме того, расширение знаний о свойствах этих биополимеров открывает новые возможности их применения, особенно в биотехнологии. Все большее применение находят фикоколлоиды в фармакологии. Для получения этих медицинских препаратов требуется немного фикоколлоидов, но получаемые на их основе лекарственные вещества будут иметь высокую стоимость.