Введение
Рыбья кожа, составляющая от 2,0 до 12,6 % от общей массы рыбы, является значимым побочным ресурсом рыбной отрасли, потенциал которой используется лишь частично [1, 2]. Основным компонентом рыбьей кожи является коллаген, составляющий около 70 % ее массовой доли сухого вещества [3–5].
Кожа рыб может быть непосредственно использована в качестве добавки в продуктах питания. Жареная закуска из кожи рыб имеет огромную популярность в Китае, Филиппинах, Тайване, Сингапуре, Таиланде.
Снеки из кожи рыб с различными добавками и брендами (Crispy Fish Skin, Four Seas, Pogs, Snacky & Crisps, Crispy fish skin chicharrons, Golden Duck, Pacific и др.) широко распространены в странах Юго-Восточной Азии и быстро приобретают популярность в Америке и Европе [6–9]. Крекеры с добавкой рыбьей кожи распространены в Индонезии [10]. Кожа рыб является компонентом салатов, закусок, приправ, супов, маринадов и начинки в суши-роллах [11].
Cухие смеси с рыбьей кожей применяются в составе кондитерских, кулинарных, макаронных, хлебобулочных изделий, а также приправ, маринадов, супов, соусов и другой продукции [11, 12].
Основным направлением переработки рыбьей кожи в качестве сырья является производство малорентабельной кормовой рыбной муки [13, 14].
Одним из перспективных направлений переработки кожи рыб является получение коллагеновых (желатиновых) гидролизатов, используемых в различных отраслях (медицина, косметика, пища и др.) [15]. Процесс гидролиза (расщепление коллагена в жидкой среде под действием кислот, щелочей, ферментов, физических методов и др.), как правило, продолжителен по времени, сопровождается значительными потерями сырья и, соответственно, малым выходом готовой продукции, использованием больших объемов применяемых жидкостей и необходимостью их нейтрализации с образованием солей, требует высоких энергозатрат, получаемый продукт может быть горьким на вкус и иметь рыбный запах, что существенно ограничивает его применение в промышленных масштабах [16, 17].
Таким образом, возникает необходимость изыскания экономически приемлемого способа переработки рыбьей кожи для получения пищевой добавки.
Уникальность рыбного (незрелого) коллагена заключается в его способности под действием слабых органических кислот переходить в растворимое состояние, сохраняя при этом природную структуру (три полипептидные цепи, скрученные между собой) [18].
Известны способы получения коллагенсодержащих продуктов, где в качестве сырья используется рыбья кожа, а гидролизной средой (пищевого компонента смеси, не требующей нейтрализации) являются натуральные жидкости природного происхождения, содержащие хотя бы одну органическую кислоту (фруктовые, овощные соки, молоко и продукты его переработки и др.) [19, 20].
Цель работы заключалась в оценке влияния слабых органических кислот натуральных фруктовых и овощных соков на структуру (степень размягчения и набухания) рыбьей кожи с возможностью гомогенизации смеси и получения пищевой добавки (гидрата).
Материалы и методы
Исходным сырьем для получения образцов пищевой добавки (в виде сокосодержащего гидрата рыбного коллагена) являлась кожа судака обыкновенного (Sander lucioperca), вылавливаемого в акватории Калининградской области, полученная от разделки на обесшкуренное филе, а также фруктовые и овощные соки промышленного производства (яблочный сок прямого отжима агрофабрики «На-
турово», томатный сок без соли с мякотью «Сады Придонья», сок тыквенный с мякотью «Сок Полезный») и пищевая лимонная кислота.
Процесс подготовки рыбьей кожи для получения гидрата осуществляли аналогично способу получения пищевых коллагенсодержащих продуктов, разработанному ранее, с некоторыми изменениями [20]. Рыбью кожу с чешуей (внутренняя сторона) предварительно очищали от прирезей мяса, помещали в полимерную сетку (размер ячеи 3,0 × 3,0 мм), которую загружали в перфорированный барабан автоматической стиральной машины (модель LG F2WN2S6S3E; LG, Вроцлав, Польша), обрабатывали при температуре 20 °С в течение 30 мин и отжимали (1 000 об/мин). Промытую кожу порциями (0,4 кг) помещали в двухскоростной смеситель Moulinex Delico FP203 (500 Вт) вместе с пищевой солью NaCl (20 г) и обрабатывали (1 000 об/мин) в течение 5 мин до полного отделения чешуи от кожи. Образовавшуюся смесь промывали водой для удаления соли и красящих веществ (определяли на вкус и визуально) и фракционировали при помощи вращающегося сетчатого барабана, получая очищенную от чешуи кожу и чешую. Далее кожу погружали в емкость с водой при массовом соотношении 1 : 4 с добавлением пищевой поваренной соли и соды (NaHCO3) в количестве 5 и 1 % соответственно от массы рыбного сырья и выдерживали при комнатной температуре в течение 40 мин, затем жидкость сливали, а кожу промывали для удаления соли и красящих веществ (рис. 1).
а б
Рис. 1. Сырая (а) и предварительно обработанная (б) кожа судака
Fig. 1. Raw (а) and pre-treated (б) pikeperch skin
Обработанную кожу помещали в стеклянную тару, заливали ее соком в массовом соотношении 1 : 4,5. В опытную партию с тыквенным и томатным соком добавляли 0,1 % лимонной кислоты от массы рыбной дисперсии. Стеклянные банки закрывали крышками, маркировали и помещали в холодильник с температурой 4 ± 2 °С (рис. 2).
Рис. 2. Опытные партии образцов рыбьей кожи в различных соках (яблочный, томатный, тыквенный)
Fig. 2. Experimental batches of fish skin samples in different juices (apple, tomato, pumpkin)
Было приготовлено и заложено в холодильник 5 партий опытных образцов рыбьей кожи с различными соками: 1 – с яблочным соком (РКябл), 2 – с тыквенным соком (РКтык), 3 – с тыквенным соком и добавлением 0,1 % лимонной кислоты (РКтык + к-та), 4 – с томатным соком (РКтом) и 5 – с томатным соком и добавлением 0,1 % лимонной кислоты (РКтом + к-та). В процессе исследования проводили измерение толщины кожи с помощью электронного штангенциркуля Mitutoyo (Япония) с точностью измерения 0,01 мм. Определение массы рыбьей кожи до гидролиза и после него осуществляли на аналитических весах Scout Pro SPS202F, дискретность 0,01 г (II высокий класс точности). Титруемую кислотность определяли по ГОСТ ISO 750-2013 «Продукты переработки фруктов и овощей. Определение титруемой кислотности», активную кислотность – при помощи электронного рН-метра HI98103 Ханна с точностью ±0,2 рН. Изменение степени прочности (размягчения) рыбьей кожи в процессе кислотного гидролиза (методом прокола) определяли при помощи прибора Brookfield СТ3 Texture Analyzer.
Результаты исследования и их обсуждение
Термин «гидролиз коллагена» в общем обозначает процесс расщепления молекул коллагена на более мелкие его составляющие в присутствии молекул воды.
Термин «гидрат коллагена» обозначает связанную с водой молекулу коллагена, сохраняющую свое природное (нативное) состояние в виде спирали, состоящей из трех полипептидных цепей, которые плотно скручены друг вокруг друга, и называемой тропоколлагеном [21, 22].
Уникальной особенностью коллагена рыбьей кожи (I типа) является его способность переходить в растворимое состояние и набухать (гидратироваться) в растворах слабых органических кислот без разрушения молекулы тропоколлагена, тем не менее, некоторое количество, например, слабых водородных поперечных связей между его тремя полипептидными цепями очевидно разрушаются, способствуя проникновению жидкости между ними с последующей гидратацией коллагена (данный процесс известен как «нажор» кожи, который может быть как обратимым, так и необратимым).
С некоторым допущением можно сказать, что одной из основных задач исследования было прекращение процесса гидролиза коллагена рыбьей кожи на его первой стадии (гидратации рыбного сырья, позволяющего получить однородную смесь после его гомогенизации), по возможности, до момента начала (следующая стадия гидролиза) непосредственного расщепления (распада тройной цепи) молекул тропоколлагена (основной субъединицы коллагена).
Натуральные природные жидкости, такие как фруктовые и овощные соки, их смеси и кисломолочные продукты переработки молока, содержащие слабые органические кислоты в незначительных количествах (до 1,5 %), могут быть использованы в качестве гидролизной среды для коллагенсодержащего побочного сырья (кожа, чешуя и др.) без необходимости последующей их нейтрализации щелочью с образованием солей, что позволяет значительно снизить себестоимость получаемой рыбной коллагенсодержащей дисперсии (гидрата). Ключевым фактором окончания процесса гидролиза является органолептический показатель – возможность растирания пальцами рук гидролизованной рыбьей кожи без приложения усилий, что позволит гомогенизировать смесь (кожа + сок) с получением однородной массы (пищевой добавки). Внешний вид кожи судака в различных соках в зависимости от продолжительности процесса ее гидролиза представлен на рис. 3–7.
|
а |
б |
в |
|
Рис. 3. Внешний вид кожи судака (в том числе отделенной от жидкой части смеси (РКябл))
Fig. 3. Appearance of pikeperch fish skin (including separated from the liquid part of the mixture (FSapp)) |
||
|
а |
б |
в |
г |
|
Рис. 4. Внешний вид кожи судака (в том числе отделенной от жидкой части смеси (РКтык))
Fig. 4. Appearance of pikeperch fish skin (including separated from the liquid part of the mixture (FSpum)) |
|||
|
а |
б |
в |
г |
|
Рис. 5. Внешний вид кожи судака (в том числе отделенной от жидкой части смеси (РКтык + к-та))
Fig. 5. Appearance of pikeperch fish skin (including separated from the liquid part of the mixture (FSpum + acid)) |
|||
|
а |
б |
в |
г |
|
Рис. 6. Внешний вид кожи судака (в том числе отделенной от жидкой части смеси (РКтом))
Fig. 6. Appearance of pikeperch fish skin (including separated from the liquid part of the mixture (FStom)) |
|||
|
а |
б |
в |
г |
д |
Рис. 7. Внешний вид кожи судака (в том числе отделенной от жидкой части смеси (РКтом + к-та))
в зависимости от продолжительности ее гидролиза:
а – 0 (контроль); б – 5 день; в – 7 день; г – 12 день; д – 26 день
Fig. 7. Appearance of pikeperch fish skin (including separated from the liquid part of the mixture (FStom + acid))
depending on the duration of its hydrolysis: a – 0 (control); б – 5 day; в –7 day; г – 12 day; д – 26 day
Несмотря на значительную продолжительность процесса гидролиза, рыбья кожа (даже в сильно набухшем состоянии) сохраняла форму (см. рис. 3–7), что говорит о ее незначительной степени гидролиза, это также подтверждается другими исследователями [23]. Получаемый продукт сильно гидратирован (увеличение массы и объема за счет связывания молекул воды сока) и фактически является гидратом коллагена (с сохранением трехспиральной структуры нативной молекулы тропоколлагена), что также подтверждено более ранними исследованиями [24].
Изменение толщины и массы кожи судака в процессе гидролиза в различных соках представлено в табл. 1.
Таблица 1
Table 1
Изменение толщины и массы кожи судака в процессе гидролиза в различных соках
Changes in thickness and weight of pikeperch fish skin during hydrolysis in different juices
|
Исследуемый показатель |
Сырая |
Гидролизованная кожа с соком |
||||
|
яблочным |
тыквенным |
тыквенным с кислотой |
томатным |
томатным |
||
|
Толщина, мм |
0,18–1,00 |
2,60–6,30 |
2,12–4,01 |
2,35–3,54 |
0,69–2,08 |
1,27–2,80 |
|
Масса, % |
100,0 |
440,0 |
257,5 |
319,0 |
230,0 |
265,3 |
Толщина кожи судака в процессе гидролиза в различных соках изменялась от 0,18 до 6,60 мм (см. табл. 1), максимальное увеличение массы рыбьей кожи наблюдалось в яблочном соке (440 %), а минимальное в томатном соке (230 %).
Динамика изменения массы рыбьей кожи в зависимости от продолжительности процесса гидролиза представлена на рис. 8.
Рис. 8. Динамика изменения массы кожи судака в зависимости
от продолжительности процесса гидролиза
Fig. 8. Dynamics of change in the weight of pikeperch fish skin depending
on the duration of the hydrolysis process
Продолжительность гидролиза рыбьей кожи зависит от вида применяемого натурального сока (массовой доли, количества и вида органических кислот) и ряда других факторов (см. рис. 8). Очевидно, что яблочный сок, имеющий более высокое содержание органических кислот, способствует более значительному набуханию (и увеличению массы) рыбьей кожи (значительно уменьшая ее прочность) в течение менее продолжительного промежутка времени по сравнению с другими соками.
Динамика изменения рН различных соков и их смесей в зависимости от продолжительности процесса гидролиза с кожей судака представлены в табл. 2.
Таблица 2
Table 2
Динамика изменения рН различных соков и их смесей в зависимости
от продолжительности процесса гидролиза с кожей судака
Dynamics of pH change of different juices and their mixtures depending
on the duration of hydrolysis process with pikeperch fish skin
|
Смесь рыбьей кожи с соком |
рН сока |
Продолжительность кислотного гидролиза рыбьей кожи, сут |
|||||||||
|
3 |
7 |
12 |
19 |
22 |
26 |
30 |
|||||
|
РКябл |
3,24 |
3,69 |
3,95 |
– |
|||||||
|
РКтык |
4,16 |
– |
4,32 |
4,82 |
5,10 |
5,62 |
5,84 |
– |
|||
|
РКтык + к-та |
3,09 |
– |
4,29 |
4,11 |
4,17 |
– |
|||||
|
РКтом |
3,81 |
– |
4,25 |
4,27 |
4,28 |
4,30 |
|||||
|
РКтом + к-та |
3,68 |
– |
4,04 |
4,09 |
4,14 |
4,27 |
4,32 |
– |
|||
Наблюдается общая тенденция раскисления полученных смесей кожи судака с различными соками в процессе гидролиза по отношению к исходным значениям pH используемых соков (см. табл. 2).
Известно, что превалирующей кислотой в яблочном и тыквенном соках является яблочная, а в томатном – лимонная, поэтому определяли общую титруемую кислотность, в том числе в пересчете на яблочную кислоту [25].
Общая титруемая кислотность и титруемая кислотность в пересчете на яблочную кислоту используемых соков, а также динамика изменений их значений в зависимости от продолжительности процесса гидролиза с кожей судака представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Table 3
Общая титруемая кислотность и титруемая кислотность соков в пересчете на яблочную кислоту
Total titratable acidity and titratable acidity of juices in terms of malic acid
|
Сок |
Общая титруемая кислотность, |
Титруемая кислотность |
|
Яблочный |
7,3 |
0,49 |
|
Томатный |
7,0 |
0,46 |
|
Томатный с лимонной кислотой (0,1 %) |
8,7 |
0,58 |
|
Тыквенный |
2,8 |
0,19 |
|
Тыквенный с лимонной кислотой (0,1 %) |
8,5 |
0,56 |
Таблица 4
Table 4
Динамика изменения общей титруемой кислотности
и титруемой кислотности в пересчете на яблочную кислоту различных соков и их смеси
в зависимости от продолжительности процесса гидролиза с кожей судака
Dynamics of changes in total titratable acidity and titratable acidity in terms of malic acid of different juices
and their mixture depending on the duration of the hydrolysis process with pikeperch fish skin
|
Смесь рыбьей кожи с соком |
Общая титруемая кислотность, ммоль Н+ на 100 г (числитель) / титруемая кислотность (знаменатель) в пересчете на яблочную кислоту, %, |
||||||
|
3 |
7 |
12 |
19 |
22 |
26 |
30 |
|
|
РКябл |
1,9 / 0,127 |
2,1 / 0,140 |
– |
||||
|
РКтык |
– |
1,9 / 0,127 |
2,1 / 0,140 |
2,7 / 0,180 |
3,0 / 0,201 |
3,2 / 0,214 |
– |
|
РКтык + к-та |
– |
3,0 / 0,201 |
3,3 / 0,221 |
3,5 / 0,449 |
– |
||
|
– |
5,8 / 0,388 |
6,3 / 0,422 |
– |
6,8 / 0,456 |
7,0 / 0,469 |
8,5 / 0,569 |
|
|
РКтом + к-та |
– |
6,9 / 0,462 |
7,0 / 0,469 |
7,8 / 0,522 |
8,1 / 0,542 |
8,2 / 0,549 |
– |
По данным табл. 3 и 4 видно, что на динамику изменения титруемой кислотности в процессе гидролиза рыбьей кожи влияет вид применяемого в ка-честве гидролизной среды сока.
Для изучения изменения текстуры рыбьей кожи в процессе гидролиза были проведены испытания на прокол и разрыв на приборе Brookfield СТ3 Texture Analyzer, дающие представление о размягчении ткани.
Исследования проводили на протяжении всего процесса гидролиза рыбьей кожи.
Прочность и эластичность рыбьей кожи обусловлены наличием коллагена. На значения прочности кожи влияет место прокола. В разных участках – от головы до хвоста, от спинки к брюшку – прочность и толщина кожи судака различна. На спине и ближе к хвостовой части кожа более толстая и прочная. Поэтому при исследовании для сопоставимости результатов использовали центральную часть поверхности кожи рыбы между спинным плавником и ее животом.
Гидролизованный кусочек кожи помещали под игольчатый зонд (диаметр иглы 2 мм). Зонд опускался со скоростью 2 мм/с и силой воздействия 0,1 N. Площадь зонда 0,64 см2 (площадь после иглы).
На приборе Brookfield исследовались образцы сырой и гидролизованной рыбьей кожи (рис. 9).
Рис. 9. Разрыв ткани в момент пиковой нагрузки всей площадью зонда
в конце гидролиза на приборе Brookfield СТ3 Texture Analyzer (справа)
Fig. 9. Tissue rupture at the time of peak loading with the entire probe area at the end
of hydrolysis on the Brookfield CT3 Texture Analyzer (right)
При проведении эксперимента на сырой коже судака конусный кончик иглы зoнда (толщина основной части иглы до ее конуса 2 мм) вошел в кожу примерно на 1 мм, при пиковой нагрузке от 9,0 до 19,0 N, но разрыва кожи при данной нагрузке не происходило. Кожа далее растягивалась (пиковая нагрузка составила от 13,0 до 32,0 N), создавая своеобразный конус (иголка оставалась в коже в одном и том же положении без ее разрыва). Следовательно, значений пиковой нагрузки на разрыв не наблюдалось. В гидролизованной коже на начальном этапе процесса иголка проходила через кожу с незначительным усилием (до 3 N), а в конце гидролиза без заметного усилия (0,3–1,8 N), при этом происходил разрыв кожи по всей площади зонда (плоский участок в месте крепления иглы (см. рис. 9.)), а значения пиковой нагрузки были значительно меньше по сравнению с исходным сырьем (табл. 5).
Таблица 5
Table 5
Значения пиковых нагрузок на прокол и разрыв кожи судака
в зависимости от продолжительности ее гидролиза в различных соках
Values of peak loads for puncture and rupture of walleye fish skin
depending on the duration of its hydrolysis in various juices
|
Гидролиз, сут |
Нагрузка, N |
||||||
|
Сырая рыбья кожа |
РКябл |
РКтык |
РКтык + к-та |
РКтом |
РКтом + к-та |
||
|
0 |
(9,0–19,0) – (13,0–32,0) |
||||||
|
3 |
– |
1,90–3,10 |
– |
||||
|
7 |
0,50–1,40 |
– |
|||||
|
12 |
– |
0,3–1,8 |
– |
0,35–0,62 |
|||
|
19 |
– |
0,60–1,90 |
0,7–1,2 |
0,3–1,8 |
0,45–1,10 |
||
|
22 |
– |
0,52–1,40 |
– |
0,7–1,2 |
0,42–1,20 |
||
|
26 |
– |
0,3–1,8 |
0,30–1,0 |
||||
|
30 |
– |
0,7–1,2 |
– |
||||
Согласно данным табл. 5, можно утверждать, что сила, необходимая для разрыва гидролизованной кожи всей площадью зонда, на порядок меньше, чем для попытки прокола иглой сырой рыбьей кожи при нагрузке (9,0–32,0 N), что говорит о ее значительной прочности. К концу гидролиза (для всех образцов) усилия для разрыва кожи площадью зонда находились в диапазоне от 0,3 до 1,9 N.
Необходимо отметить, что кожа судака сильно набухала во всех партиях, за исключением РКтом + + к-та и РКтом, что является предметом будущих исследований.
Внешний вид гидролизованных РКтык и РКтом представлен на рис. 10.
а б
Рис. 10. Внешний вид гидролизованных рыбьих кож: а – РКтык; б – РКтом
Fig. 10. Appearance of hydrolysed fish skins: a – FSpum; б – FStom
Несмотря на разную степень набухания кожи рыб (см. рис. 10), все образцы были мягкими, легко гомогенизировались, образовавшаяся масса была однородной (рис. 11).
|
|
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
г |
д |
Рис. 11. Гомогенизированная рыбная коллагенсодержащая пищевая добавка (гидрат) на основе натурального сока:
а – РКябл; б – РКтык; в – РКтык + к-та; г – РКтом; д – РКтом + к-та
Fig. 11. Homogenized fish collagen–containing food additive (hydrate) based on natural juice:
a – FSapp; б – FSpum; в – FSpum + acid; г – FStom; д – FStom + acid
Полученная пищевая добавка (см. рис. 11) может быть использована непосредственно в качестве компонента при получении хлебобулочных кондитерских, кулинарных изделий, фаршевой и желеобразной продукции, мороженого, коктейлей, напитков, соусов и др. либо храниться в охлажденном или замороженном виде до обработки. Вкус добавки определяется применяемым для гидролиза соком или жидкостью.
Заключение
Исследовано влияние слабых органических кислот фруктовых и овощных соков в качестве гидролизной среды для кожи судака на степень ее размягчения (увеличения толщины и массы).
Определено, что сильно набухшая кожа судака в процессе ее кислотного гидролиза сохраняла форму и легко гомогенизировалась с получением однородной массы (сокосодержащего гидрата рыбного коллагена).
Определено, что на степень набухания рыбьей кожи в процессе ее кислотного гидролиза влияет вид используемого в качестве гидролизной среды сока.
Дальнейшие исследования будут связаны с применением сокосодержащего гидрата рыбного коллагена в качестве компонента рецептур различной пищевой продукции.
