Агар-агар

В природе агар представляет собой смесь двух компонентов: линейного полисахарида агарозы и гетерогенной смеси более мелких молекул, называемой агаропектином. Он образует опорную структуру в клеточных стенках определённых видов водорослей и высвобождается при кипячении. Эти водоросли известны как агарофиты и относятся к отделу Rhodophyta (красные водоросли). При производстве пищевого агара агаропектин удаляется, и коммерческий продукт представляет собой практически чистую агарозу.

Агар используется как ингредиент в десертах по всей Азии, а также как твёрдый субстрат для содержания культурных сред в микробиологических работах. Агар может применяться как слабительное, средство для подавления аппетита, веганский заменитель желатина, загуститель для супов, во фруктовых консервах, мороженом и других десертах, как осветлитель в пивоварении, а также для проклейки бумаги и тканей^[2].

Слово «агар» происходит от агар-агар, малайского названия красных водорослей (Gigartina, Eucheuma, Gracilaria), из которых производится желе. Он также известен как кантэн (яп. 寒天, «агар, подвергнутый воздействию холода»), японский рыбный клей, китайская трава, цейлонский мох и мох Джафны^[3]. Gracilaria edulis или её синоним G. lichenoides конкретно называется агал-агал или цейлонский агар^[4].

Макроводоросли широко использовались в пищу прибрежными культурами, особенно в Юго-Восточной Азии . На Филиппинах Gracilaria, известная как гуламан (также guraman, gar-garao или gulaman dagat на тагальском языке), собиралась и использовалась в пищу на протяжении веков; её ели свежей или сушёной на солнце и перерабатывали в желе. Самое раннее историческое свидетельство содержится в словаре Vocabulario de la lengua tagala (1754) иезуитских священников Хуана де Носеды и Педро де Санлукара, где golaman или gulaman определялся как «трава, из которой делают варенье наподобие желе, растёт в море» (исп. una yerva, de que se haze conserva a modo de Halea, naze en la mar), с дополнительной статьёй для guinolaman, обозначающей пищу, приготовленную с этим желе.

Каррагинан, получаемый из гусо (виды Eucheuma), который также застывает в желеобразную текстуру, аналогичным образом используется среди народов висайя и был упомянут в ещё более раннем словаре Diccionario De La Lengua Bisaya, Hiligueina y Haraia de la isla de Panay y Sugbu y para las demas islas (ок. 1637) августинского миссионера Алонсо де Ментриды. В книге Ментрида описывает гусо как продукт, который варят до растворения, а затем дают застыть в кислое блюдо.

На острове Амбон (Молуккские острова, Индонезия) агар извлекают из Graciliaria и едят как вид солений или соуса . Желейные водоросли также ценились и собирались малайскими общинами, живущими на побережьях архипелага Риау и Сингапура в Юго-Восточной Азии на протяжении веков. Записи XIX века указывают, что сушёная Graciliaria была одним из основных экспортных товаров Британской Малайи в Китай. Припарки из агара также использовались при опухших коленных суставах и язвах в Джохоре и Сингапуре.

Применение агара в качестве пищевой добавки в Японии, согласно легенде, было открыто в 1658 году Мино Тародзаэмоном (яп. 美濃太郎左衞門), трактирщиком в современном Фусими, который якобы выбросил остатки супа из водорослей (Токоротэн) и заметил, что он зажелировался после зимней ночи на морозе. Обычно агар затвердевает при комнатной температуре без необходимости замораживания^[5].

Впервые агар был подвергнут химическому анализу в 1859 году французским химиком Ансельмом Пайеном, который получил агар из морской водоросли Gelidium corneum^[6].

С конца XIX века агар начал использоваться как твёрдая среда для выращивания различных микробов. Впервые агар был описан для использования в микробиологии в 1882 году немецким микробиологом Вальтером Гессе, ассистентом в лаборатории Роберта Коха, по предложению его жены Фанни Гессе^[7]. Агар быстро вытеснил желатин в качестве основы микробиологических сред благодаря более высокой температуре плавления, что позволяло выращивать микробы при более высоких температурах без разжижения среды.

С новым применением в микробиологии производство агара быстро возросло. Оно было сосредоточено в Японии, которая производила большую часть мирового агара до Второй мировой войны. Однако с началом войны многие страны были вынуждены создать собственные производства агара для продолжения микробиологических исследований. Во время Второй мировой войны ежегодно производилось около 2500 тонн агара. К середине 1970-х годов мировое производство резко возросло до примерно 10 000 тонн в год. С тех пор производство агара колебалось из-за нестабильных и иногда чрезмерно эксплуатируемых популяций водорослей.

Агар состоит из смеси двух полисахаридов: агарозы и агаропектина, причём агароза составляет около 70 % смеси, а агаропектин — около 30 %. Агароза — это линейный полимер, состоящий из повторяющихся единиц агаробиозы, дисахарида, состоящего из D-галактозы и 3,6-ангидро-L-галактопиранозы. Агаропектин представляет собой гетерогенную смесь более мелких молекул, встречающихся в меньших количествах, и состоит из чередующихся единиц D-галактозы и L-галактозы, сильно модифицированных кислотными боковыми группами, такими как сульфат, глюкуронат и пируват^[8].

Агар демонстрирует явление, известное как гистерезис: при смешивании с водой он затвердевает и образует гель при температуре ниже 32—42 °C (точка гелеобразования), а плавится при температуре выше 85 °C (точка плавления)^[9]. Гистерезис — это свойство наличия разницы между температурами гелеобразования и плавления^[10]. Это свойство обеспечивает подходящий баланс между лёгким плавлением и хорошей стабильностью геля при относительно высоких температурах. Поскольку многие научные приложения требуют инкубации при температурах, близких к температуре человеческого тела (37 °C), агар более подходит, чем другие отвердители, которые плавятся при этой температуре, например, желатин^[11].

Агар-агар является растительным аналогом желатина. Он белый и полупрозрачный, продаётся в упаковках в виде промытых и высушенных полосок или в порошкообразном виде. Его можно использовать для приготовления желе, пудингов и заварных кремов. При приготовлении желе агар кипятят в воде до растворения твёрдых частиц. Затем добавляют подсластитель, ароматизатор, краситель, фрукты или овощи, и жидкость разливают в формы для подачи в качестве десертов и овощных заливных или включают в другие десерты, например, как слой желе в торте.

Агар-агар примерно на 80 % состоит из пищевых волокон, поэтому он может служить регулятором работы кишечника. Его свойство увеличиваться в объёме легло в основу модных диет в Азии, например, диеты кантэн (японское слово для агар-агара^[12]). Попадая в организм, кантэн утраивается в размере и впитывает воду, что приводит к чувству сытости у потребителей.

Одним из применений агара в японской кухне является анмицу, десерт из маленьких кубиков агарового желе, подаваемый в чаше с различными фруктами или другими ингредиентами. Он также является основным ингредиентом в мидзу-ёкан, другом популярном японском блюде. В филиппинской кухне он используется для приготовления желейных брусочков в различных напитках гуламан, таких как саго-т-гуламан, самаламиг, или десертах, таких как буко пандан, агаровый флан, хало-хало, фруктовое желе, а также чёрный и красный гуламан, используемый в различных фруктовых салатах. В вьетнамской кухне желе из ароматизированных слоёв агар-агара, называемое thạch, является популярным десертом и часто готовится в украшенных формах для особых случаев. В индийской кухне агар используется для приготовления десертов. В бирманской кухне сладкое желе, известное как kyauk kyaw, делается из агара. Агаровое желе широко используется в тайваньском чае с шариками.

Агар может использоваться как добавка к (или замена) пектину в желе, джеме или мармеладе, как заменитель желатина благодаря своим превосходным желирующим свойствам, а также как укрепляющий ингредиент в суфле и заварных кремах. Ещё одно применение агар-агара — в блюде русской кухни «птичье молоко», богатом желированном суфле (или мягкой меренге), используемом как начинка для торта или глазированные шоколадом отдельные конфеты.

Агар-агар также может использоваться как желирующий агент при осветлении гелем — кулинарной технике, используемой для осветления бульонов, соусов и других жидкостей. В Мексике есть традиционные конфеты из агарового желе, большинство из которых имеют форму разноцветных полукругов, напоминающих ломтик дыни или арбуза, и обычно покрыты сахаром. По-испански они известны как Dulce de Agar (сладости из агара).

Агар-агар является разрешённой неорганической/несинтетической добавкой, используемой в качестве загустителя, желирующего агента, текстуратора, увлажнителя, эмульгатора, усилителя вкуса и абсорбента в сертифицированных органических продуктах^[13].

Чашка с агаром или чашка Петри используется для обеспечения питательной среды с использованием смеси агара и других питательных веществ, в которой можно культивировать и наблюдать под микроскопом микроорганизмы, включая бактерии и грибы. Агар не переваривается многими организмами, поэтому рост микробов не влияет на используемый гель, и он остаётся стабильным. Агар обычно продаётся в коммерческих целях в виде порошка, который можно смешать с водой и подготовить аналогично желатину перед использованием в качестве питательной среды. Питательные вещества обычно добавляются для удовлетворения потребностей микробов; формулировки могут быть «неопределёнными», где точный состав неизвестен, или «определёнными», где точный химический состав известен. Агар часто разливают с помощью стерильного диспенсера сред.

Разные водоросли производят различные типы агара. Каждый агар обладает уникальными свойствами, подходящими для разных целей. Благодаря компоненту агарозы агар затвердевает. При нагревании агароза может плавиться, а затем затвердевать. Из-за этого свойства их называют «физическими гелями». В отличие от этого, полимеризация полиакриламида является необратимым процессом, и полученные продукты известны как химические гели.

Существует множество различных типов агара, поддерживающих рост разных микроорганизмов. Питательный агар может быть универсальным, позволяя культивировать любые неприхотливые микроорганизмы; часто используемым питательным агаром для бактерий является агар Лурия — Бертани (LB), который содержит лизогенный бульон, богатую питательными веществами среду для роста бактерий. Кроме того, агар 2216 Marine Broth (MB) с высоким содержанием соли оптимизирован для выращивания гетеротрофных морских бактерий, таких как бактерии рода Vibrio, в то время как агар Terrific Broth (TB) используется для неселективного культивирования высоких урожаев бактерии E. coli. В более общем смысле, обогащённые среды — это разновидность агара, насыщенная необходимыми питательными веществами, требуемыми для роста прихотливых организмов. Несмотря на большое разнообразие агаровых сред, дрожжевой экстракт является общим ингредиентом для всех разновидностей, так как это макронутриент, служащий источником азота для всех типов бактериальных клеток.

Другие прихотливые организмы могут требовать добавления различных биологических жидкостей, таких как кровь лошади или овцы, сыворотка, яичный желток и так далее. Чашки с агаром также могут быть селективными и использоваться для стимулирования роста интересующих бактерий при подавлении других. Различные химические вещества могут быть добавлены для создания среды, благоприятной для определённых типов бактерий или бактерий с определёнными свойствами, но неблагоприятной для роста других. Например, антибиотики могут быть добавлены в экспериментах по клонированию, где отбираются бактерии с устойчивой к антибиотикам плазмидой^[14]. Помимо агара, обработанного антибиотиками, другие селективные и индикаторные чашки с агаром включают TCBS-агар и агар Макконки. Агар с тиосульфатом, цитратом, желчными солями и сахарозой (TCBS) используется для дифференциации видов Vibrio на основе их метаболизма сахарозы, так как только некоторые из них будут метаболизировать сахарозу в чашке и изменять её pH. Индикаторные красители, включённые в гель, покажут визуальное изменение pH, меняя цвет геля с зелёного на жёлтый. Агар Макконки содержит желчные соли и кристаллический фиолетовый для селективного выращивания грамотрицательных бактерий и дифференциации видов с использованием индикаторных красителей pH, демонстрирующих свойства метаболизма лактозы.

Как гель, агаровая или агарозная среда пористая и поэтому может использоваться для измерения подвижности и мобильности микроорганизмов. Пористость геля напрямую связана с концентрацией агарозы в среде, поэтому можно выбирать различные уровни эффективной вязкости (с «точки зрения» клетки) в зависимости от целей эксперимента.

Обычный идентификационный тест включает культивирование образца организма глубоко внутри блока питательного агара. Клетки будут пытаться расти внутри структуры геля. Подвижные виды смогут мигрировать, хотя и медленно, по всему гелю, и скорость инфильтрации можно будет визуализировать, тогда как неподвижные виды покажут рост только вдоль теперь уже пустого пути, проложенного при первоначальном внесении образца.

Другая установка, часто используемая для измерения хемотаксиса и хемокинеза, использует тест миграции клеток под агарозой, где слой агарозного геля помещается между популяцией клеток и хемоаттрактантом. По мере развития градиента концентрации от диффузии хемоаттрактанта в гель, различные популяции клеток, требующие разных уровней стимуляции для миграции, могут быть визуализированы с течением времени с помощью микрофотографии, когда они туннелируют вверх через гель против гравитации вдоль градиента.

Агар исследовательского класса широко используется в биологии растений, так как он опционально дополняется смесью питательных веществ и/или витаминов, что позволяет проращивать семена в чашках Петри в стерильных условиях (при условии, что семена также стерилизованы). Добавление питательных веществ и/или витаминов для Arabidopsis thaliana является стандартом в большинстве экспериментальных условий. Обычно используются питательная смесь Мурасиге — Скуга (MS) и витаминная смесь Гамборга B₅. Раствор 1,0 % агара / 0,44 % MS + витамины в дистиллированной воде подходит для питательных сред при нормальных температурах роста.

При использовании агара в любой питательной среде важно знать, что затвердевание агара зависит от pH. Оптимальный диапазон для затвердевания составляет от 5,4 до 5,7. Обычно требуется применение гидроксида калия для повышения pH до этого диапазона. Общая рекомендация — около 600 мкл 0,1 М KOH на 250 мл среды. Всю эту смесь можно стерилизовать, используя жидкостный цикл автоклава.

Эта среда хорошо подходит для применения определённых концентраций фитогормонов и т. д. для индукции специфических паттернов роста, так как можно легко подготовить раствор, содержащий желаемое количество гормона, добавить его к известному объёму среды и автоклавировать для стерилизации и испарения любого растворителя, который мог использоваться для растворения часто полярных гормонов. Этот раствор гормона/среды можно распределить по поверхности чашек Петри, засеянных проросшими и/или этиолированными сеянцами.

Однако эксперименты с мхом Physcomitrella patens показали, что выбор желирующего агента, в том числе агара или Gellan gum (Gelrite) — влияет на чувствительность клеточной культуры растения к фитогормонам.

Агар используется:

• Как слепочный материал в стоматологии.
• Как среда для точной ориентации образца ткани и его фиксации путём предварительного заключения в агар (особенно полезно для мелких биопсийных образцов эндоскопии) для гистопатологической обработки.
• Для изготовления солевых мостиков и гелевых пробок для использования в электрохимии.
• В формикариях как прозрачный заменитель песка и источник питания.
• Как натуральный ингредиент при создании пластилина для детских игр.
• Как разрешённый компонент биоудобрений в органическом земледелии^[15].
• Как субстрат для реакций преципитации в иммунологии.
• В разное время как заменитель желатина в фотоэмульсиях, аррорута при подготовке серебряной бумаги и как заменитель рыбного клея при травлении с резистом.
• Как упругий гелевый фантом МРТ для имитации механических свойств тканей в магнитно-резонансной эластографии.
• В искусстве, например, в «микробном искусстве», где агар выступает в роли холста, а микробы — в роли краски.

Агар из гелидиума используется в основном для бактериологических чашек. Агар из грацилярии используется главным образом в пищевых целях.

В 2016 году японская компания AMAM разработала прототип коммерческой системы упаковки на основе агара под названием Agar Plasticity, предназначенной для замены пластиковой упаковки на нефтяной основе^[16][17].