Разработка технологии пищевого красителя хлорофилла из

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОГО КРАСИТЕЛЯ ХЛОРОФИЛЛА
ИЗ ТЕРМОФИЛЬНЫХ СИНЕЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ КАМЧАТКИ
Походина Мария Александровна
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
г. Петропавловск-Камчатский
Новизна и актуальность. Проект направлен на разработку технологии выделения фотосинтетического пигмента хлорофилла а из биомассы термофильных синезеленых водорослей Камчатки. Объектами наших исследований являлись синезеленые водоросли Нижнепаратунских горячих источников Камчатки. Образцы биомассы отбирали в горячих источниках
и на прилегающих к ним термальных полях.
Хлорофиллы – магнийзамещенные производные порфирина – основные фотосинтетические пигменты. В последнее время установлено, что хлорофилл обладает стимулирующим
и тонизирующим действием, оказывает бактериостатическое действие. Производные хлорофилла используются в медицине для фототерапии рака. В литературе описано бактерицидное
и антиоксидантное действие хлорофилла. Хлорофилл применяется как пигмент для окраски
мыла, масел, жиров, кремов, алкогольных и безалкогольных напитков, косметических
средств, одеколона, духов, в качестве дезодоранта и в других целях. В Японии хлорофиллы
используют для подкрашивания рыбных паст и некоторых других кулинарных изделий. В
Европе хлорофилл применяется для подкрашивания масел, жиров, ароматических эссенций.
В настоящее время хлорофилл получают из высших растений.
Согласно ГОСТ Р 52481 «Красители пищевые. Термины и определения», хлорофилл
Е140 – порфириновый краситель, получаемый экстракцией из зеленых растений. Хлорофиллы можно добавлять в некоторые виды сыров, овощи в уксусе, рассоле или масле, джемы,
желе, мармелады и другие подобные продукты. Важно отметить, что, согласно СанПиН
2.3.2.1293 «Гигиенические требования по применению пищевых добавок. Санитарноэпидемиологические правила и нормы», для пищевого красителя хлорофилла не установлен
максимальный уровень в продуктах питания. Его применение должно осуществляться в соответствии с технологической инструкцией.
Данная разработка будет востребована на рынке, т.к. в настоящее время доминирует
применение синтетических пищевых красителей. Вырабатываемый из наземных растений
натуральный краситель хлорофилл Е140 состоит из сине-зеленого хлорофилла а и желтозеленого хлорофилла b, находящихся в соотношении 3 : 1. Применение их в качестве красителя в пищевой промышленности сдерживается их нестойкостью, т.к. при повышенной температуре в кислых средах зеленый цвет переходит в оливковый, затем в грязно-желто-бурый
вследствие образования феофитина.
В Камчатском крае аналогов подобной продукции нет. Проведенные авторами проекта
исследования показали, что предложенный продукт, по сравнению с существующими, имеет
следующие преимущества:
– хлорофиллы разрешается использовать для изготовления всех пищевых продуктов, за
исключением тех, подкрашивание которых не допускается;
– количество вводимого красителя хлорофилла регулируется только необходимой интенсивностью окраски;
– использование термофильных синезеленых водорослей как источника пищевого красителя позволяет получать не смесь сине-зеленого хлорофилла а и желто-зеленого хлорофилла b, как в случае традиционного использования растений, а «чистый» изумрудного цвета хлорофилл а, который к тому же в силу особенностей метаболизма термофилов, устойчив
к воздействию повышенных температур.
1
Микроводоросли являются наиболее удобным объектом культивирования, т.к. они не
требуют специфического искусственного субстрата; синезеленые водоросли, проявляют способность к миксотрофному питанию, характеризуются высокой скоростью прироста.
Таким образом, актуально использовать биомассу синезеленых водорослей для получения пищевых продуктов, в том числе пищевого красителя хлорофилла.
Потребители. Научно-техническая разработка представляет ценность для организаций,
занимающихся производством продукции из водорослей, а также пищевой и косметической
продукции с применением пищевых красителей (кондитерские кремы, зубная паста, мыла,
напитки, овощные консервы и др.). На территории РФ, по данным федеральных реестров Роспотребнадзора, выпускаются следующие виды пищевых продуктов с использованием натуральных зеленых красителей:
– напитки: 2 вида с Е140 и 5 видов с красителем Е141;
– молокосодержащие продукты: 6 видов с Е140, 17 видов с Е141 и 10 видов с Е142;
– кондитерские изделия: 21 вид с Е140, 36 видов с Е141 и 16 видов с Е142;
– соусы: 2 вида с Е140, 2 вида с Е141 и 1 вид с Е142.
Уровень коммерциализации проекта. Установлены связи с потенциальными потребителями продукта на Камчатке. В результате исследований получаем, во-первых, новую
технологию производства хлорофилла, во-вторых, продукт - пищевой краситель хлорофилл.
После завершения НИОКР на 2 году реализации проекта планируется оформить заявку
на патент на технологию производства красителя пищевого хлорофилла. Ниже представлена
технико-экономическая эффективность от использования разработки.
Производство продукции в натуральном выражении в год, кг
– 256
Выручка от реализации продукции за год, тыс. руб.
– 1645,8
Численность работающих, чел.
– 3
Себестоимость единицы продукции, тыс. руб.
– 4,1
Прибыль от реализации продукции за год, тыс. руб.
– 484,7
Рентабельность продукции, %
– 56
Капитальные затраты, тыс. руб.
– 3462,4
Дисконтированный доход, тыс. руб.
– 3800,3
Индекс доходности инвестиций, %
– 1,1
Точка безубыточности, кг
– 160,1
Точка безубыточности, руб.
– 1024,6
Основные риски. Для предприятий, реализующих продукты питания, важным является обновление ассортимента для удовлетворения постоянно изменяющихся потребностей
покупателей, повышения конкурентоспособности на рынке. При этом должны учитываться
следующие факторы:
– обеспечение безопасности для потребителей;
– обеспечение безопасности для окружающей среды;
– использование достижений научно-технического прогресса.
Данный проект учитывает все указанные факторы.
Технологический риск. Разработанные технологии будут опробованы в производственных условиях. На разработанные технологии будут иметься патентные права и утвержденный пакет нормативных документов (ТУ и ТИ). Риск минимальный.
Производственный риск. Производственный риск в основном связан с начальной стадией запуска производства, организацией производственного процесса. Необходимо организовать производство на предприятиях, занимающихся переработкой водорослей. В этом случае модернизация линии будет минимальной. Риск минимальный.
Коммерческий риск. В последние годы повышается культура питания населения, многие принимают для себя установку на здоровое питание, использование натуральных продуктов. Поэтому натуральные продукты, безопасные для организма всегда будут пользоваться спросом. Риск незначительный.
Результаты первого года работы:
2
– исследованы способы получения пищевых красителей (хлорофиллов);
– исследованы водоросли как биологические объекты;
– определены виды термофильных синезеленых водорослей Камчатки, перспективных
для технологического использования;
– исследован химический состав синезеленых водорослей, выделены пигменты.
Методы промышленного получения хлорофилла основаны на его химической природе,
на лабораторных методах исследования и получения, доступных для изучения, с корректированием на промышленные условия. Для получения красителя хлорофилла необходимо
проводить дезинтегрцию биомассы (механическая дезинтеграция); приемлемым экстрагентом является этанол; для предотвращения феофитинизации хлорофилла необходимо добавлять в биомассу или в экстрагент карбонат магния или карбонат бария.
Подробно исследованы альгобактериальные сообщества и условия среды их обитания
большой группы гидротерм центральной, восточной, южной Камчатки. Установлено, что синезеленые водоросли рода Phormidium являются доминирующими в сообществах. Таким образом, для исследований были выбраны синезеленые водоросли Ph. ramosum, доминирующие в Средне-Паратунских гидротермах, и Ph. ambiguum, доминирующие в НижнеПаратунских гидротермах, т.к. они характеризуются высокой продуктивностью и нетоксичностью.
Установлены оптимальные параметры культивирования: интенсивность света, температура, реакция питательной среды. Проведены наблюдения за ростом и развитием водорослей, изучено их строение.
Изучен подробно химический состав синезеленых водорослей рода Phormidium, обнаружена значительная доля фикоцианина и хлорофилла а. В результате проведенных анализов
в исследуемых образцах водорослей обнаружены жирорастворимые пигменты – хлорофиллы
и каротиноиды, и водорастворимые пигменты – фикобилины, следовательно, водоросли
можно применять для получения красителей зеленого, желтого, красного, фиолетового цветов. По содержанию тяжелых металлов, показателям радиологической безопасности водоросли соответствуют требованиям СанПиН 2.3.2.1078 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. Санитарно-эпидемиологические правила и
нармативы». Следовательно, синезеленые водоросли рода Phormidium Паратунских гидротерм, перспективно использовать как сырье для производства пищевых продуктов. Анализ
химического состава биомассы синезеленых водорослей показал следующее:
– массовая доля белка от сухого вещества составила 12,94%;
– массовая доля липидов от сухого вещества составила 1,50%;
– массовая доля углеводов 12,94%;
– массовая доля хлорофилла 8,4 мг/г;
– массовая доля фикоцианина 45,2 мг/г;
– массовая доля каротиноидов 2,2 мг/г;
– массовая доля песка 3,21%;
– массовая доля золы 55,13%/
Поставленные задачи решены полностью. Целесообразно продолжать исследования, т.к.
применение красителей многовариантно (пищевая, медицинская, косметическая промышленность), к тому же в настоящее время растет спрос на натуральные безвредные пищевые красители.
План выполнения НИОКР на 2-й год:
– исследования установок для культивирования термофильных синезеленых водорослей, обоснование лабораторной установки для культивирования термофильных синезеленых
водорослей;
– установление рациональных режимов получения биомассы термофильных синезеленых водорослей (разработать поэтапно сбор водорослей, температуру и расход воды при
промывании биомассы, температуру высушивания, упаковывание, условия хранения);
3
– обоснование и разработка общей схемы изготовления красителя пищевого из термофильных синезеленых водорослей;
– разработка способов измельчения (до какой степени и каким образом лучше измельчать водоросли);
– обоснование выбора растворителя (каким экстрагентом наиболее полно и быстро извлекается хлорофилл, сравнить свойства экстрагентов);
– разработка технологии экстракции хлорофилла (температура, продолжительность
процесса и т.д.);
– разработка технологии консервирования;
– разработка оптимальных способов фасования (рекомендации по применению тары с
затемненным стеклом);
– определение условий хранения (сроки и условия);
– оценка качества готовой продукции и определение сроков ее хранения;
– определение показателей качества пищевого красителя хлорофилла;
– определение микробиологических показателей пищевого красителя хлорофилла;
– обоснование технологических параметров процессов получения пищевых добавок из
термофильных синезеленых водорослей;
– согласование и утверждение документации на пищевые добавки из синезеленых водорослей.
Срок превращения идеи в конечный продукт с выходом на рынок – 3 года.
3 год: разработка и утверждение нормативной документации; открытие своего малого
предприятия; апробация технологии в производственных условиях; выпуск опытной партии
продукции; поиск инвесторов.
4–5 год: выведение продукции на рынок; расширение производственных мощностей.
Лощилина М.А., Якушева И.А. Исследование водорослей как сырья для получения пищевых добавок /
Молодежь и наука: путь в будущее. Матер. науч-практ. конф студентов и курсантов КамчатГТУ, (31 марта – 2
апреля 2009 г.) – Петропавловск-Камч.: КамчатГТУ, 2009. – С. 38–43.
2.
Лощилина М.А., Якушева И.А. Исследование фотопигментов водорослей / Молодежь и наука: путь в
будущее. Матер. науч-практ. конф студентов и курсантов КамчатГТУ, (31 марта – 2 апреля 2009 г.) – Петропавловск-Камч.: КамчатГТУ, 2009. – С. 152–158.
3.
Лощилина М.А., Доронина Н.В., Ефимов А.А. Изучение поведения нитчатых синезеленых водорослей
в природных источниках и при культивировании в лабораторных условиях / Природно-ресурсный потенциал
региона: современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование / Сборник материалов
межрегиональной науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых 23-25 марта 2010 г. – С. 29-33
4.
Лощилина М.А., Москал С.В., Ефимов А.А. Обоснование получения пищевого красителя хлорофилла
из водорослей / Природно-ресурсный потенциал региона: современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование / Сборник материалов межрегиональной науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и
молодых ученых 23-25 марта 2010 г. – С. 33-37
5.
Лощилина М.А., Пакляченко С.А., Ефимова М.В. Анализ фракционного состава белков мышечной ткани на основе их растворимости / Вестник КамчатГТУ, 2010. – № 13. – С. 15-19
6.
Походина М.А., Ефимов А.А. Подбор оптимальных режимов экстракции жиро- и водорастворимых
пигментов синезеленых водорослей / Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и
техническое использование / II Всероссийская научно-практическая конференция 15-18 марта 2011 г. – Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2011. – С. 122-129
Ефимов А.А., Ефимова М.В., Якушева И.А., Походина М.А. Разработка технологии получения порошка пищевого из термофильных синезеленых водорослей рода Phormidium / Вестник КамчатГТУ, 2011. – № 15. – С. 3845
7.
Ефимова М.В., Ефимов А.А., Походина М.А. Особенности поведения нитчатых цианобактерий в природных источниках и в лабораторных условиях / Вулканизм, биосфера и экологические проблемы / Сборник
материалов VI междунар. науч. конф. 25-30 сентября 2011 г. – Майкоп: Изд-во АГУ, 2011. – С. 184-186
1.
Разработчик: Походина М.А., 1987 г. рожд., аспирантка ФГБОУ ВПО «Камчатский государственный технический университет» по специальности 05.18.04 «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств», моб. тел.: 8-909-835-5575-, E-mail: Pohodina.ma@gmail.com
Научный руководитель: Ефимов А.А, к.т.н., доцент кафедры «Технология рыбных продуктов» ФГБОУ ВПО
«Камчатский государственный технический университет», моб. тел.: 8-909-833-11-65, E-mail: efimoff-a@mail.ru
4