Экстракция и характеристика альгината натрия из бурых водорослей Fucus vesiculosus

Целью работы являлось исследование влияния условий получения альгината натрия из бурых водорослей Fucus vesiculosus на выход, молекулярную массу, физико-химические и реологические характеристики полисахарида, а также определение содержания токсичных элементов в полученном продукте для изучения возможности его применения в качестве пищевой добавки. Варьировали время (1 и 5 ч) и температуру (25, 60 и 80 °С) экстракции, а также тип осадителя (C₂H₅OH и HCl). Определение средневязкостной молекулярной массы альгината натрия проводилось методом капиллярной вискозиметрии. Идентификация образцов осуществлялась методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Содержание токсичных элементов в водорослях и альгинате натрия определялось с использованием метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Реологические свойства водных растворов альгината натрия изучались методом сдвиговой реологии. Аппроксимация реологических кривых проводилась с использованием моделей Кросса и Оствальда – де Виля. Установлено, что увеличение времени и температуры экстракции приводит к увеличению выхода продукта, молекулярной массы и реологических характеристик, однако при этом ухудшаются органолептические показатели. Образец, полученный при температуре и времени экстракции 25 °С и 1 ч соответственно, пятикратной промывке и замене стадии центрифугирования на фильтрацию, характеризовался наиболее высокими значениями молекулярной массы (592 кДа) и реологических характеристик. При этом по своим свойствам полученный образец превосходил коммерческий. Показано, что альгинат натрия может применяться в качестве пищевой добавки, поскольку содержание токсичных элементов не превышает предельно допустимых концентраций.

1. Abka-Khajouei R., Tounsi L., Shahabi N., Patel A.K., Abdelkafi S., Michaud, P. Structures, properties and applications of alginates // Marine Drugs. 2022. Vol. 20, no. 6. P. 364. DOI: 10.3390/md20060364.

2. Makarova A.O., Derkach S.R., Khair T., Kazantseva M.A., Zuev Y.F., Zueva O.S. Ion-induced polysaccharide gelation: peculiarities of alginate egg-box association with different divalent cations // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 5. P. 1243. DOI: 10.3390/polym15051243.

3. Łabowska M.B., Michalak I., Detyna J. Methods of extraction, physicochemical properties of alginates and their applications in biomedical field – a review // Open Chemistry. 2019. Vol. 17, no. 1. P. 738–762. DOI: 10.1515/chem-2019-0077.

4. Cattelan G., Guerrero Gerbolés A., Foresti R., Pramstaller P.P., Rossini A., Miragoli M., et al. Alginate formulations: current developments in the race for hydrogel-based cardiac regeneration // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. Vol. 8. P. 414. DOI: 10.3389/fbioe.2020.00414.

5. Nezamdoost-Sani N., Khaledabad M.A., Amiri S., Khaneghah A.M. Alginate and derivatives hydrogels in encapsulation of probiotic bacteria: an updated review // Food Bioscience. 2023. Vol. 52. P. 102433. DOI: 10.1016/j.fbio.2023.102433.

6. Strobel S.A., Knowles L., Nitin N., Scher H.B., Jeoh T. Comparative technoeconomic process analysis of industrial-scale microencapsulation of bioactives in cross-linked alginate // Journal of Food Engineering. 2020. Vol. 266. P. 109695. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2019.109695.

7. Bennacef C., Desobry-Banon S., Probst L., Desobry S. Optimization of core-shell capsules properties (Olive oil/ alginate) obtained by dripping coextrusion process // LWT. 2022. Vol. 167. P. 113879. DOI: 10.1016/j.lwt.2022.113879.

8. Sharma A., Verma C., Singh P., Mukhopadhyay S., Gupta A., Gupta B. Alginate based biomaterials for hemostatic applications: innovations and developments // International Journal of Biological Macromolecules. 2024. Vol. 264. P. 130771. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.130771.

9. Solovieva E.V., Teterina A.Yu., Klein O.I., Komlev V.S., Alekseev A.A., Panteleyev A.A. Sodium alginate-based composites as a collagen substitute for skin bioengineering // Biomedical Materials. 2021. Vol. 16. P. 015002. DOI: 10.1088/1748-605X/abb524.

10. Верещагин А.Л., Морозова Е.А. Химия и технология наполненных гидрогелей для создания альгинатных косметических масок (обзор) // Южно-Сибирский научный вестник. 2020. N 5. С. 12–31. EDN: JSDDDQ.

11. Bojorges H., López-Rubio A., Martínez-Abad A., Fabras M.J. Overview of alginate extraction processes: impact on alginate molecular structure and techno-functional properties // Trends in Food Science & Technology. 2023. Vol. 140. P. 104142. DOI: 10.1016/j.tifs.2023.104142.

12. Nath P.C., Sharma R., Debnath S., Sharma M., Inbaraj B.S., Dikkala P.K., et al. Recent trends in cellulose-based biodegradable polymers for smart food packaging industry // International Journal of Biological Macromolecules. 2023. Vol. 253. P. 127524. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2023.127524.

13. Saji S., Hebden A., Goswami P., Du C. A brief review on the development of alginate extraction process and its sustainability // Sustainability. 2022. Vol. 14, no. 9. P. 5181. DOI: 10.3390/su14095181.

14. Silva M., Gomes F., Oliveira F., Morais S., Delerue-Matos C. Microwave-assisted alginate extraction from Portuguese Saccorhiza polyschides – influence of acid pretreatment // International Journal of Chemical, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering. 2015. Vol. 9, no. 1. P. 30–33.

15. Chee S.-Y., Wong P.-K., Wong C.-L. Extraction and characterisation of alginate from brown seaweeds (Fucales, Phaeophyceae) collected from Port Dickson, Peninsular Malaysia // Journal of Applied Phycology. 2011. Vol. 23. P. 191–196. DOI: 10.1007/s10811-010-9533-7.

16. Fertah M., Belfkira A., Taourirte M., Brouillette F. Extraction and characterization of sodium alginate from Moroccan Laminaria digitata brown seaweed // Arabian Journal of Chemistry. 2017. Vol. 10. P. S3707–S3714. DOI: 10.1016/j.arabjc.2014.05.003.

17. Mazumder A., Holdt S.L., De Francisci D., Alvarado-Morales M., Mishra H.N., Angelidaki I. Extraction of alginate from Sargassum muticum: process optimization and study of its functional activities // Journal of Applied Phycology. 2016. Vol. 28. P. 3625–3634. DOI: 10.1007/s10811-016-0872-x.

18. Hernandez-Carmona G., McHugh D.J., López-Gutiérrez F. Pilot plant scale extraction of alginates from Macrocystis pyrifera. 2. Studies on extraction conditions and methods of separating the alkaline-insoluble residue // Journal of Applied Phycology. 1999. Vol. 11. P. 493–502. DOI: 10.1023/A:1008114709681.

19. Truus K., Vaher M., Taure I. Algal biomass from Fucus vesiculosus (Phaeophyta): investigation of the mineral and alginate components // Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. Chemistry. 2001. Vol. 50, no. 2. P. 95–103. DOI: 10.3176/chem.2001.2.04.

20. Gomez C.G., Perez Lambrecht M.V., Lozano J.E., Rinaudo M., Villar M.A. Influence of the extraction-purification conditions on final properties of alginates obtained from brown algae (Macrocystis pyrifera) // International Journal of Biological Macromolecules. 2009. Vol. 44, no. 4. P. 365–371. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2009.02.005.

21. Fourest E., Volesky B. Alginate properties and heavy metal biosorption by marine algae // Applied Biochemistry and Biotechnology. 1997. Vol. 67. P. 215–226. DOI: 10.1007/BF02788799.

22. Akbar M., Yaqoob A., Ahmad A., Luque R. Sodium alginate: an overview // Sodium Alginate-Based Nanomaterials for Wastewater Treatment / eds A. Ahmad, I. Ahmad, T. Kamal, A.M. Asiri, S. Tabassum. Elsevier, 2023. P. 1–17. DOI: 10.1016/B978-0-12-823551-5.00012-4.

23. Sartori C., Finch D.S., Ralph B., Gilding K. Determination of the cation content of alginate thin films by FTi.r. spectroscopy // Polymer. 1997. Vol. 38, no. 1. P. 43–51. DOI: 10.1016/S0032-3861(96)00458-2.

24. Подкорытова А.В., Вафина Л.Х., Муравьева Е.А., Шарина З.Н. Санитарно-гигиеническая характеристика бурых водорослей Белого и Баренцева морей // Рыбпром: технологии и оборудование для переработки водных биоресурсов. 2009. N 4. С. 33–39. EDN: KYGTPZ.

25. Ma J., Lin Y., Chen X., Zhao B., Zhang J. Flow behavior, thixotropy and dynamical viscoelasticity of sodium alginate aqueous solutions // Food Hydrocolloids. 2014. Vol. 38. P. 119–128. DOI: 10.1016/j.foodhyd.2013.11.016.

26. Malkin A.Ya., Isaev A.I. Rheology: concepts, methods, and applications. ChemTec Publishing, 2012. 473 p. DOI: 10.1016/C2011-0-04626-4.