Исключительно благодаря своим коллоидным свойствам фитоколлоиды, выделяемые из морских водорослей, широко применяются в качестве гелеобразователей.
Наиболее важными являются агары, альгинаты и каррагинаны, которые производятся в промышленных масштабах в виде бесцветных порошков.
3.1. АГАР
На Востоке «натуральные агары» в традиционной форме пластинок и крупинок до сих пор используются в домашних условиях для приготовления национальных блюд. В последнее время подобные типы агара появились в современных магазинах, специализирующихся на продаже диетических и натуральных продуктов, в то время как в Японии их заменили порошкообразные агары, получаемые промышленным способом и выпускаемые в таблетированном виде.
Агар – это образующий прочные гели гидроколлоид, получаемый из красных морских водорослей Белого моря и Тихого океана. С химической точки зрения агар построен, с незначительными вариациями, из чередующихся молекул D-галактозы и 3,6-ангидро-1-галактозы с небольшим содержанием сульфатного эфира. Можно также добавить, что агар представляет собой смесь полисахаридов, образованных линейно связанными между собой право- и левовращающимися галактозами.
:
ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС
Считается, что в Японии, где агар используется уже на протяжении нескольких сотен лет, первым в 1658 г. его обнаружил Тараземон Минойа СTarazaemon Minoya). Фактически этот фитоколлоид начали использовать на 200 лет раньше по сравнению с другими гидроколлоидами, такими, например, как альгинаты и каррагинаны. В течение семнадцатого и восемнадцатого веков его употребление распространилось и на другие восточные страны.
На Западе агар впервые был использован в качестве китайского продукта питания С. Пайэном (S. Рауеп) в 1859 г. Использование агара в качестве питательной среды в микробиологии было предложено В. Гессеном (V. Hesseri) в 1884 г. Таким образом, к концу девятнадцатого века агар приобрел известность и на Западе.
А. Смит (A. Smith) в 1905 г. и Ф. Дэвидсон (F. Davidson) своими публичными выступлениями в 1906 г., посвященными сырьевым источникам и способам получения агара в Японии, также во многом способствовали продвижению агара на западном рынке.
Являясь первым фитоколлоидом, который начал использоваться человеком, агар стал также одним из первых пищевых ингредиентов, признанным в 1972 г. безопасным для здоровья (GRAS) Федеральным управлением по вопросам качества продовольствия и медикаментов США. Основанием для такого заключения явились позитивные результаты его применения на протяжении более трехсот лет на Дальнем Востоке. Он прошел также все необходимые испытания, касающиеся проверки его токсикологических (FDA 1973а), тератогенных (FDA 1973b) и мутагенных (FDA 1973с) свойств.
Агар-агар, или агар (Е 406), является в настоящее время классическим представителем класса загустителей, стабилизаторов и гелеобразующих веществ. Название этого полимера имеет малазийское происхождение и означает «желирующий продукт питания из водорослей».
Свойства агара различаются в зависимости от его происхождения. Обычно агар состоит из смеси агароз, различающихся по степени полимеризации; в их состав могут входить разные металлы (калий, натрий, кальций, магний) и присоединяться по месту функциональных групп. В зависимости от соотношения полимеров, вида металлов значительно изменяются свойства агар-агара.
Агар незначительно растворяется в холодной воде и набухает в ней, в горячей же воде образует коллоидный раствор, при остывании превращающийся в прочный студень, обладающий стекловидным изломом.
Применяют его в кондитерской промышленности при производстве желейного мармелада, пастилы, зефира, мясных и рыбных студней, желе, пудингов, мороженого, для предотвращения образования кристалликов льда, а также при осветлении соков. В Японии в настоящее время производится более 100 видов агар-агара для получения продуктов с заданной консистенцией.
С гигиенической точки зрения агар безвреден, и во всех странах допускается его использование в пищевых целях. Концентрация его не лимитирована и обусловлена рецептурами и стандартами на пищевые продукты.
3.1.1. КРАТКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА АГАРА
В середине XVII в. агар получали исключительно в Японии из красных морских водорослей вида Gelidium amansii, немного позже агар стали производить также в Китае и Корее. Красные водоросли (Rhodophyceae phyllum) были самым распространенным типом водорослей, растущих на побережьях этих стран. Из-за недостатка водорослей вида Gelidium amansii были предприняты попытки использовать другие разновидности водорослей Rhodophyceae.
Из водорослей рода Gracilaria были выделены агары с очень низкой гелеобразующей способностью, которые получили название агароидов. Только в 1938 г., когда Янагава (Janagava) открыл щелочной гидролиз сульфатов, стало возможно повысить прочность геля и начать производство более прочных агаров из этого рода водорослей. Янагава изобрел способ превращения содержащегося в клетках Gracilaria агара с низкой гелеобразующей способностью в намного более эффективный целевой продукт, используя метод щелочного гидролиза сульфатов.
В водорослях родов Gelidium, Gelidiella и Pterocladia происходит ферментативный процесс, который приводит к естественному внутреннему преобразованию – созреванию полисахарида. В то же время в водорослях рода Gracilaria на протяжении всего периода их жизни не происходит образования достаточного количества полисахарида, что обусловливает необходимость при промышленном получении агара из этого типа водорослей перед процессом экстракции проводить предварительную химическую обработку.
Существует несколько типов агаров, предназначенных для разных областей использования в зависимости от их индивидуальных свойств. Чтобы получить различные по химическим свойствам и, следовательно, по назначению агары, их добывают из различных, получаемых с помощью разных технологий, агарофитных водорослей.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС
На японском языке агар звучит как «кантен» (Kanteri), что означает «замерзшее небо», так как впервые он начал производиться ремесленниками именно таким способом: замораживанием и последующим размораживанием выделенного агарового геля на открытом воздухе. Этот метод, основанный на нерастворимости агара в охлажденном состоянии, был описан еще в 1658 г. Тараземоном Минойа. Такой традиционный способ получения агара, получивший широкую известность к середине семнадцатого века, до сих пор иногда применяется восточными ремесленниками для получения «натурального агара» в форме пластинок Qto-Kanten) и крупинок (Kaku-Kanten).
При использовании этого метода водоросли вида Gelidium amansii сначала осторожно промывали, прибегая к приспособлениям, подобным тем, с помощью которых раньше промывали чайные листья. Затем промытую водоросль перебирали вручную, чтобы исключить попадание инородных объектов и других водорослей. Экстрагирование происходило в кипящей воде при установленном уровне кислотности. Раньше для регулирования кислотности использовали уксус или саке, в настоящее время применяется разбавленная серная кислота. Пока жидкий экстракт оставался горячим, его фильтровали через хлопчатобумажные мешки, разливали по деревянным лоткам и при охлаждении получали гель. Гель затем разрезали на квадратики (4 х 6 х 24 см) или экструдировали для получения похожих на спагетти полосок длиной 25-40 см. Гели, приготовленные таким способом, затем помещали на решетки из бамбука и оставляли застывать на всю ночь в открытом месте, часто на крутых обрывах, продуваемых северными ветрами. Когда гель полностью застывал (за одну или две ночи), днем его опрыскивали водой, в результате чего он оттаивал. Затем его высушивали на солнце и предохраняли от морозов. В период между окончанием Второй мировой войны и вплоть до 1960-х гг. существовало около 400 кустарных производств, которые в зависимости от климатических условий производили от 4 до 10 кг агара в день. Очевидно, что этот простейший способ производства агара, сильно зависящий от климатических условий, приводил к получению продукта низкого, нестабильного качества. Тем не менее мы решили описать его в этой главе, поскольку он представляет собой упрощенную модель более сложного промышленного производства агара.
В современных условиях агар получают двумя способами: методом замораживания/оттаивания и синерезиса.
МЕТОД ЗАМОРАЖИВАНИЯ/ОТТАИВАНИЯ
Этот традиционный метод впервые в промышленных условиях был внедрен в 1939 г. компанией American Agar & Со (Сан-Диего, США). Сразу после Второй мировой войны этот же метод начали использовать в Японии, а также при строительстве новых заводов в Испании, Португалии и Марокко.
Экстракт из водорослей, который обычно содержит от 1,0 до 1,2% агара, в ходе процесса концентрируют. После оттаивания и отжима (обычно центрифугированием) содержание агара увеличивается в 10 раз и составляет 10-12%. В процессе отжима из агара удаляются олигомеры, органические и неорганические соли, а также белки, включающие фикоэритрины, придающие семейству водорослей Rhodophyceae красный цвет. Это один из возможных способов очистки.
МЕТОД СИНЕРЕЗИСА
Этот метод основан на способности гелеобразующих коллоидов отделять адсорбированную воду при определенном воздействии. Впервые этот метод был использован в Японии исключительно для получения полуочищенного агара из агарофита рода Gracilaria.
Экстракт геля, помещенный в ткань из мелкой сетки, размещали под каменными блоками, чтобы извлечь воду. После этого с помощью маленького гидравлического пресса извлекали остатки воды.
Из основных технологических стадий получения агара можно выделить следующие наиболее значимые.
Обработка. Обычно используется обработка щелочью, которая позволяет добиться лучшей экстракции полисахарида из клеточной стенки. Для того чтобы усилить прочность агарового геля, полученного из водорослей рода Gracilaria, необходима более сильная реакция для проведения щелочного гидролиза сульфатов.
Экстрагирование. Агар, содержащийся в клеточной стенке, отделяется и растворяется в кипящей воде, что часто происходит под давлением. Для получения лучшего результата необходимо контролировать рН.
Фильтрация. Эта стадия требует особого внимания, так как от фильтрации зависит чистота и прозрачность геля. Для этой цели могут быть использованы практически все стандартные методы фильтрации.
3.1.2. СТРУКТУРА АГАРА
Агар – полисахарид, молекула которого является смесью двух полисахаридов, названных агароза и агаропектин.
После внимательного изучения всех разновидностей агара ученые также пришли к выводу о наличии в его составе агаробиозы, структура которой представлена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Разновидности агаробиозы
Очень важными для образования агаробиозы являются такие экологические факторы, как доступность питательных веществ, состав субстрата, на котором произрастают водоросли, а также гидродинамические условия их произрастания. Однако решающим фактором для образования агаробиоз остается период сбора водорослей, так как агар созревает постепенно, на протяжении всего летнего сезона.
Агаробиоза – это часть молекулы агара, которая, по существу, является гелем. Она обладает высокой молекулярной массой, которая составляет более 100 тыс. Да и часто превышает даже 150 тыс. Да, а также характеризуется низким содержанием сульфатов, обычно ниже 0,15%. Другая фракция известна как агаропектин. Его молекулярная масса обычно ниже 20 тыс. Да и наиболее часто составляет около 14 тыс. Да. В некоторых случаях содержание сульфатов доходит от 5 до 8%. Это намного ниже, чем у каррагинанов, содержание сульфатов в которых находится в диапазоне от 24 до 53%.
Агаропектин из-за его ограниченного практического использования менее изучен по сравнению с агарозой. Он не обладает свойствами каррагинанов, которые определяли бы эффективность его применения в пищевых продуктах, а процесс его производства является технологически сложным и дорогостоящим. Как упоминалось ранее, некоторые агаропектины являются полисахаридными предшественниками агароз, в которые они превращаются в результате реакций ферментативной полимеризации и десульфатирования.
3.1.3. СВОЙСТВА АГАРА
Свойства агара обусловлены тем, что он состоит из агарозы и агаропектина в различных соотношениях, которые зависят от источника сырья и способов его обработки. Гелеобразование агара происходит только благодаря содержанию в нем агарозы, посредством образования исключительно водородных связей.
Являясь самостоятельным гелеобразователем, который не нуждается во вспомогательных веществах, агар имеет множество различных применений в качестве пищевого ингредиента, в биотехнологии для культивирования клеток и тканей, а также в качестве носителя в электрофорезе и хроматографии.
Из агарозы получаются так называемые физические гели, т.е. такие водные гели, структура которых образована исключительно полимерными молекулами, соединенными между собой водородными связями. Каждая молекула сохраняет свою структуру совершенно независимой, так что этот процесс является не полимеризацией, а простым электростатическим притяжением. Самым примечательным свойством физических гелей является их обратимость. Они плавятся при нагревании и снова превращаются в гель при охлаждении. Такие превращения можно проводить бесчисленное количество раз при условии отсутствия активных веществ, которые могут гидролизировать молекулы агарозы или разрушить их путем окисления.
Химические гели содержат полимерные молекулы, объединенные между собой ковалентными связями с образованием больших макромолекул, на основании чего этот процесс можно назвать полимеризацией, вызванной химической реакцией, которая приводит к образованию геля. Химические гели, такие как полиакриламиды, молекулы которых соединены ковалентными связями, являются необратимыми. Другим важным свойством является размер отверстий гелевой сетки, которые в случае агарозы характеризуются очень высокими пределами эксклюзии. Предел эксклюзии определяется размером самого большого глобулярного белка, который может перейти из геля в водный раствор. 2%-ный гель агарозы имеет предел эксклюзии, равный 30 млн Да. Учитывая, что не существует протеина такого размера, для калибровки используют субклеточные частицы, такие как рибосомы или вирусы.
Фракции агаропектина в агаре сужают сетку, понижая, таким образом, предел эксклюзии. Гели, которые требуют наличия катионов для образования гелевых структур, как, например, гели каррагинанов и альгинатов, занимают промежуточное положение между физическими и химическими гелями. Гели, образованные альгиновой кислотой с двух- или трехвалентными катионами, являются полностью необратимыми гелями, которые при нагревании не расплавляются. Такие гели образованы за счет ионных связей. Эти связи могут быть разорваны, например, только путем удаления связывающего иона кальция. Как правило, это осуществляется с помощью комплексообразующего агента – ЭДТА (этилендиаминтетрацетат). Следовательно, такие гели можно назвать ионными химическими гелями, так как они образуют ионные связи и являются необратимыми. Важное свойство гелей агара, которое зависит от содержания в них агарозы, заключается в очень высоком гистерезисе при гелеобразовании. Гистерезис определяется как разница между температурой гелеобразования (около 38°С) и температурой плавления (около 85°С).
Доказано, что степень метоксилирования углерода С 6 агаробиозы в составе агара влияет на температуру гелеобразования: более высокая степень метоксилирования соответствует агарозе из водоросли рода Gelidiella, наименьшая степень метоксилирования – агарозе из водоросли рода Pterocladia. Другими словами, чем выше степень метоксилирования С 6, тем выше температура гелеобразования. При этом метоксилирование других углеродных атомов уменьшает одновременно и температуру гелеобразования, и прочность геля. Причиной этого является неспособность гидроксильной группы, находящейся в молекуле у С 6, образовывать водородные связи из-за их расположения внутри гелевых спиралей, в то время как остальные гидроксильные группы играют роль стыковых зон для возможного образования водородных мостиков.
Традиционно прочность геля пищевого агара определяется по методу японского ученого Суи Никана (Sui Nikari): измеряется усилие (в граммах), при котором под действием в течение 20 с цилиндрического поршня с поверхностью 1 см2 происходит разрушение геля. Этот метод является общепринятым в мире, хотя существуют и другие, более точные методы, основанные на постепенном увеличении нагрузки, что позволяет также определить эластичность геля. Однако при торговых операциях во всем мире используется метод Никана.
Синергизм с камедью рожкового дерева способны проявлять только те агары, которые выделены из водорослей родов Gelidium и Pterocladia. Синергическое действие смеси этих гидроколлоидов увеличивает прочность геля и изменяет его текстуру, улучшая эластичность, в результате чего гель становится менее хрупким. Благодаря этому возможно широкое практическое применение таких смесей.Агары, полученные из водорослей рода Gracilaria, напротив, не проявляют такого синергизма. После того как часть агара была заменена камедью рожкового дерева, прочность геля уменьшилась пропорционально уменьшению содержания агара. Синергизм смеси агар – камедь рожкового дерева имеет место только благодаря наличию агаропектинов в водорослях родов Gelidium и Pterocladia, и, соответственно, в случае с водорослями рода Gracilaria синергизм отсутствует.
Присутствие большого количества таниновой кислоты (пента-м- дигаллоилглюкозы) может препятствовать процессу гелеобразования агара. Эта кислота в разных концентрациях содержится в различных плодах, например в тыкве, яблоках, сливах. Во избежание ингибирования процесса гелеобразования обычно достаточно добавить небольшое количество глицерина.
Процессу гелеобразования могут также препятствовать прототропные вещества, которые связывают протоны, разрушая тем самым водородные связи в молекулах агарозы.
В любом случае проблемы использования агара в пищевой промышленности, связанной с прототропными агентами, не существует, так как пищевые продукты не содержат существенных количеств таких веществ, как мочевина или иодид калия.
Как и все полисахариды, агар может подвергаться гидролизу, в результате которого снижаются его молекулярная масса и, как следствие, его студнеобразующая способность. Наиболее распространен кислотный гидролиз агаров как следствие пониженного значения рН и длительного пребывания агара в растворе при высокой температуре. Если агар не подвергается длительному температурному воздействию при рН ниже 5,5, то в целом гидролиз не сказывается на процессе гелеобразования. Щелочной гидролиз практически не идет при значениях рН ниже 8. Что касается ферментативного гидролиза, он не является существенным, поскольку агаразы (ферменты, которые расщепляют агарозу) обнаружены только в морских бактериях в отдельных бациллах и в Esquizosaccharomycetes, которые в пищевых продуктах обычно отсутствуют.
3.1.4. ПРИМЕНЕНИЕ АГАРА
Применение агара целиком основано на его уникальных свойствах, обусловленных его структурой физического геля: хорошей способностью к студнеобразованию, высоким гистерезисом и способностью восстанавливать первоначальную форму. Несмотря на то что агар имеет самые разнообразные области использования, в 80% случаев его применяют в качестве пищевого ингредиента, и только в 20% случаев он используется на различные биотехнологические нужды.
Агар – это пищевая добавка, которая используется во всем мире и классифицируется Федеральным управлением по вопросам безопасности качества продовольствия и медикаментов США как совершенно безопасная (GRAS). В Европе агар признан пищевой добавкой Е 406, его номер в международном химическом регистре (Chemical Abstracts Services) – 9002-18-0.
В способности агара к гелеобразованию важную роль играет его синергизм с другими гелеобразователями. Синергизм агара и камеди рожкового дерева, присущий агарам из агарофитов родов Gelidium и Pterocladia, улучшает прочность и текстуру геля, обеспечивая лучшие вкусовые качества за счет повышенной эластичности и устранения ломкости. Смесь агара и камеди снижает синерезис гелей, что приводит к меньшему выделению из них воды в процессе обработки, транспортировки и хранения. Таким же образом агары из водорослей рода Gracilaria при взаимодействии с сахаром демонстрируют повышение способности к гелеобразованию в продуктах, где содержание сахара не менее 60%, например в джемах и желе.
Добавление глицерина или сорбита в водные гели, изготовленные с использованием агара, уменьшает дегидратацию до такой степени, что при использовании этих влагоудерживающих агентов в достаточном количестве можно избежать высушивания геля на открытом воздухе. Очевидно, что чем выше относительная влажность воздуха, тем меньшее количество таких агентов надо добавлять в гель. На изменение свойств агара в течение срока его годности влияет изменение температуры хранения. Агар не имеет вкуса и абсолютно не ощущается в продуктах с тонким изысканным вкусом. Этим он отличается от гелеобразователей, для действия которых необходимо присутствие катионов (кальций и калий). Такие гелеобразователи, напротив, требуют наличия эффективных вкусоароматических веществ, чтобы скрыть характерный привкус вышеназванных катионов.
Некоторые агары с повышенной температурой плавления, например агары португальской компании Iberagar, используются для производства митцумаме (Mitsumame). Этот популярный японский фруктовый салат представляет собой смесь фруктов и окрашенных кубиков ароматизированного геля. После консервирования он подвергается стерилизации нагреванием, причем кубики агара при этом не расплавляются. Обычно агар растворяется в воде при постоянном перемешивании. При производстве сладких продуктов агар предварительно смешивают с сахаром, а затем эту смесь медленно, во избежание образования комков, добавляют в воду.
Если процесс требует подкисления, то его следует проводить только после полного растворения всего рецептурного количества агара и желательно при пониженной температуре, чтобы минимизировать риск гидролиза.
Учитывая, что содержание агара в конечном продукте является небольшим (его масса составляет только 0,5-1,5% от общей массы конечного продукта) и он не всасывается в желудочно-кишечном тракте человека, агар практически не обладает пищевой ценностью. Усвояемость агара составляет менее 10% от общего количества, поступившего в организм. Агар также используется при разработке диетических рецептур и в производстве диабетических продуктов питания, поскольку, в отличие от пектинов, ему не требуется наличие сахара в качестве вспомогательного вещества для гелеобразования. Можно разработать такие рецептуры очень низкокалорийных продуктов, в составе которых вместо сахара в смеси с агаром будут использоваться заменители, очищенные от кислот, солей и других примесей.
Уже много лет агар включают в американскую фармакопею как слабительное средство, так как он обладает соответствующим эффектом мягкого объемного наполнителя. С учетом этого свойства агара его вводят в состав некоторых рецептур соответствующего назначения. Агар обладает действием натурального пищевого волокна, причем он полностью растворяется, не подвергаясь гидролизу. Кроме этого, так как пищеварительная система человека не продуцирует агаразы, агар почти не переваривается в желудочно-кишечном тракте.
В настоящее время агар включен в Американский национальный справочник (US National Formulary) в качестве ингредиента лекарственных препаратов пролонгированного действия, который обеспечивает медленное всасывание лекарственных веществ организмом.
Любопытно отметить, что области пищевого применения агара различны в зависимости от национальных особенностей.
В табл. 3.1 показано использование агара в разных странах мира.
Таблица 3.1
Применение агара в различных регионах мира
Примечание. «++» – «широко применяется»; «+» – «применяется»; «-» – «не применяется»;«?» – «сведений нет»;«+?» – «предположительно применяется».
Гелеобразующие свойства агара улучшают состав твердой питательной среды для получения культуры тканей, что изначально было использовано для получения клонов орхидей.
Состав питательной среды подбирается таким образом, чтобы воспроизвести растительные образцы для последующего выращивания из них идентичного растения, но свободного от вирусов. Обычно меристему растений, подлежащих культивированию, выращивают на питательной среде соответствующего состава, обогащенную фитогормонами, такими как ауксины или цитокинины, выбор которых зависит от заданного процесса корнеобразования и (или) регулирования его скорости. После того как будет достигнута необходимая стадия развития растения, оно переносится в растительную почву для продолжения роста.
Культивирование микробов было впервые разработано Р. Кохом в 1882 г., и с тех пор этот метод остается популярным в микробиологии. Благодаря особым свойствам физических гелей, полученных из агара, температурам гелеобразования и плавления, а также их огромному гистерезису и обратимости применение агаровых гелей в микробиологии уникально, и до сих пор достойной замены им не найдено. Более того, их огромная устойчивость к ферментативному расщеплению, не характерная для других гелеобразователей, а также способность образовывать гели в отсутствие катионов позволяют использовать агары для создания питательной среды с регулируемым осмотическим давлением в зависимости от потребности клетки. Это позволяет выращивать эритроциты, бактерии, дрожжи или плесневые грибы.
Агар очень широко применяется в тех областях промышленности, где требуется высокоточная формовка. В США этот состав используется для приготовления слепков в стоматологии, в других же странах – для гипсовых слепков археологических фрагментов или скульптур. В криминалистике агар применяется для сохранения отпечатков следов или других улик. Достоинством агара, определяющим его широкое использование, является способность гелей агара к обратимости, благодаря которой путем простого охлаждения агар превращается из раствора в гель.
Гели можно сохранять очень долгое время в тюбиках, подобных тюбикам для зубных паст. Перед употреблением содержимое тюбика расплавляют в емкости с кипящей водой, а затем расплав переносят в форму, предназначенную для изготовления зубного оттиска. Как только достигается необходимая температура (39°С), делают оттиск зуба (или другого предмета, подлежащего копированию), выдерживая при температуре 36°С до образования агарового геля. Для этой цели, как правило, применяется агар, выделенный из агарофита рода Gelidium.
