Vladivostok, Vladivostok, Russian Federation
Vladivostok
from 01.01.2012 until now
Russian Federation
Russian Federation
The purpose of the study is to substantiate the feasibility of using caviar production waste generated during salmon processing to obtain biologically valuable products with easily digestible protein by hydrothermal impact on secondary raw materials. Objectives: to substantiate the choice of waste generated during the punching of ovaries of Pacific salmon species as a valuable secondary raw material; to determine its biotechnological potential; to substantiate the expediency of using thermohydrolysis to obtain a biologically valuable protein product from caviar production waste. The material of the study is caviar processing by-products generated and collected during the punching of chum salmon ovaries in August 2022 at a fish processing plant located in the Khabarovsk Region. Sampling of raw materials and their preparation for analysis was carried out according to standard methods (GOST 31339-2006, GOST 7631-2008). The determination of the general chemical composition was carried out according to GOST 7636-85 Fish, marine mammals, marine invertebrates and products of their processing. Methods of Analysis. The amino acid composition of proteins was determined by capillary electrophoresis on a Kapel-105 device. The fractional composition of proteins was determined by high performance liquid chromatography with a Phenomenex column (Yarra 3uSEC = 2000). The investigated secondary raw materials have a high technological potential due to the presence of proteins in it, including collagen. The presence of collagen in caviar processing by-products is not constant and can vary depending on many factors. To obtain a biologically available protein, it was proposed to use barometric processing of secondary raw materials at a temperature of 130 °C. As a result of thermal hydrolysis, two fractions were obtained: water-soluble protein in the amount of 39.2 % of the total mass and sediment, which is a mixture of insoluble minerals and proteins. The water-soluble protein hydrolyzate was freeze-dried and analyzed for the presence of biologically valuable low molecular weight protein substances. The dry protein hydrolyzate contained 80.3 % protein and 30.61 % biologically valuable low molecular weight peptides with a molecular weight of less than 10 kDa.
secondary raw materials, caviar processing by-products, collagen, thermal hydrolysis, biological value, low molecular weight peptides
Введение. Российская Федерация обладает значительным потенциалом для конкуренции на мировом рынке биологически ценной продукции из водных биологических ресурсов, поскольку линия морского побережья страны имеет протяженность около 60 тыс. км. Как следует из материалов к заседанию коллегии Федерального агентства по рыболовству РФ, результаты поступления финансовых средств в бюджет государства от предприятий рыбной отрасли составили в 2021 г. 69 710 млн руб., тогда как в 2015 г. эта сумма составляла всего 17 607 млн руб. Согласно мониторинговым данным, за последние пять лет в среднем доля водных биологических ресурсов, добытых на Дальнем Востоке, составила около 70 % от общего их улова. Наиболее массовыми промысловыми видами водных биоресурсов в Дальневосточном бассейне являются тресковые, лососевые, сельдевые виды рыб. При этом тихоокеанские лососевые по объему вылова за последние пять лет трижды выходили на второе место [1].
Вместе с тем рыбная отрасль связана с неизбежным образованием и накоплением отходов. При этом переработка вторичного сырья позволяет не только решать экологические и экономические задачи, стоящие перед рыбоперерабатывающими предприятиями, но и получать биологически ценную продукцию, богатую биологически активными веществами.
Из лососевых видов рыб традиционно производят широкий ассортимент разнообразной пищевой и биологически активной продукции. Наиболее ценным продуктом переработки лососевых является икра. Однако известно, что при производстве зернистой лососевой икры остаются отходы, которые, как правило, подвергаются утилизации. Согласно нормам выхода ястыков и зернистой икры для Дальневосточного региона, количество отходов при производстве икры из тихоокеанских лососевых составляет для большинства районов вылова в зависимости от типа пробивки ястыков от 16,5 до 36,3 % [2], что является значительным количеством в производственных масштабах и подтверждает целесообразность рационального использования отходов икорного производства.
Одним из важных компонентов рыбных отходов, в т. ч. и икорного производства, является коллаген. Преобладание коллагена в рыбных продуктах отмечено многими учеными. По данным Всемирной организации здравоохранения биологически активные добавки на основе рыбного коллагена с успехом используются при лечении атеросклероза, остеохондроза [3, 4].
К ценным соединениям белковой природы относятся пептиды, низкомолекулярные представители которых обладают выраженным фармакологическим влиянием на организм. Пептиды входят во все структурные компоненты клеток организма человека, выполняют ферментативные и гормональные функции, влияют на процессы жизнедеятельности и функционирование отдельных органов и тканей [5].
В настоящее время особенно актуальными становятся отечественные исследования по поиску новых источников коллагена и низкомолекулярных пептидов, а также разработки технологий биологически активной продукции, в т. ч. из вторичного рыбного сырья.
Одним из способов получения и извлечения продуктов распада белков является гидротермическое воздействие на сырье. Термогидролиз позволяет быстро и достаточно просто получить продукты деструкции коллагеновых белков с минимальным содержанием жира, что и обуславливает целесообразность его применения при переработке коллагенсодержащих отходов икорного производства [6].
Цель исследования – обоснование целесообразности использования отходов икорного производства, образующихся при переработке лососевых, для получения биологически ценной продукции с легкоусвояемым белком путем гидротермического воздействия на вторичное сырье.
Задачи: обосновать выбор отходов, образующихся при пробивке ястыков тихоокеанских лососевых видов рыб, как ценного вторичного сырья; определить его биотехнологический потенциал; обосновать целесообразность использования термогидролиза для получения биологически ценного белкового продукта из отходов икорного производства.
Материалы и методы. Основным материалом исследования послужили отходы икорного производства, образующиеся и собранные при пробивке ястыков кеты в августе 2022 г. на рыбоперерабатывающем предприятии, расположенном в Хабаровском крае.
Отбор проб сырья и подготовку их к анализу проводили по стандартным методикам (ГОСТ 31339-2006, ГОСТ 7631-2008).
Определение общего химического состава осуществляли по ГОСТ 7636-85 «Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Методы анализа».
Аминокислотный состав белков определяли методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель-105». Метод основан на проведении кислотного гидролиза образцов, разделении, идентификации и определении массовой доли аминокислот методом капиллярного электрофореза.
Фракционный состав протеинов определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с колонкой Phenomenex (Yarra 3uSEC = 2 000). Сущность метода заключается в разбавлении и фильтровании пробы образцов, разделении на фракции и идентификации средней молекулярной массы фракций на приборе UV-Detektor с диаметром нанофильтра 214 нм. С помощью молекулярного стандарта коррелировалось время выхода молекул.
Статистическую обработку данных проводили стандартным методом оценки результатов испытаний для малых выборок. Цифровые величины представляют собой арифметические средние, надежность которых Р = 0,95, доверительный интервал (Δ)±10 %.
В экспериментальных исследованиях использовали следующее оборудование: термореактор лабораторный РТ-5 с мешалкой и нагревом/охлаждением, центрифугу Megafuge 1.0R, декантер (разделительную воронку), роторный испаритель UL-2000E, лиофильную установку Martin Christ Alpha 1-2.
Результаты и их обсуждение. Экспериментально установлено, что отходы икорного производства, образующиеся при пробивке ястыков кеты, представляют собой сырье с содержанием белка около 20 %. Белковая составляющая исследуемого вторичного сырья имеет специфический состав, в данном сырье содержится значительное количество соединительной ястычной ткани, величина которого колеблется в зависимости от вида рыбы, состояния ее до обработки, типа используемого оборудования, на котором осуществляют пробивку ястыков. Чем меньше икринок попадает в отходы, тем выше содержание коллагена в белковой составляющей отходов.
При обосновании режимов термогидролиза учитывали опыт проведенных раннее исследований, в т. ч. и собственных [7, 8], который показал, что рациональная величина температурного режима при проведении термолиза отходов от переработки водных биоресурсов – 130 °С, а продолжительности – 60 мин. Такие данные обусловлены возможностью получения наибольшего выхода белкового гидролизата при гидротермической деструкции.
При этом для максимального отделения жира осуществляли барометрическую обработку с водой при изменении давления в диапазоне от 0,15 до 0,20 Мпа.
Технологический процесс термогидролиза отходов икорного производства осуществляли следующим образом. Предварительно измельченное сырье смешивали с водой при соотношении 2:1 и направляли в гидролизатор. Температура в рубашке аппарата – 160 °С (в продукте соответственно – 130 °С). Процесс происходил при постоянном перемешивании. Выгруженную из аппарата массу, представленную двумя фракциями (рис. 1, а), охлаждали до 60 °С и центрифугировали при 3 900 об/мин, далее разделяли на водорастворимую протеиновую (верхнюю) и нерастворимую осадочную (нижнюю) фракции в делительной воронке (рис. 1, б). Следует отметить, что при этом количество отделенного жира было очень незначительное – около 2 % (рис. 1, в).
Протеиновая водорастворимая фракция составляла 39,2 % от общей массы полученного гидролизата и содержала 7,6 % сухих веществ. В связи с чем данный протеиновый гидролизат перед сушкой направляли на роторный испаритель для предварительного концентрирования сухих веществ до 12 % (оптимального количества влаги для последующей сушки).
Далее протеиновую фракцию сушили при температуре минус 55 °С на лиофильной сушилке. Лиофильный способ обезвоживания белкового гидролизата позволяет максимально сохранить образовавшиеся водорастворимые продукты гидролиза белка (пептиды, аминокислоты), обусловливающие их высокую биологическую ценность.
Выход белкового гидролизата от массы исходного сырья составил около 5 %, содержание влаги в нем – 10,7 %. На рисунке 1, г, представлен высушенный гидролизат, который характеризовался бежево-серым цветом, нейтральным запахом, не свойственным рыбному сырью, и солоноватым приятным вкусом.
Конечный продукт возможно позиционировать как белковый, содержание белка в нем достигло 80,3 %.
Результаты исследования аминокислотного состава белка полученного гидролизата представлены в таблице.
|
|
|
|
|
а
б
в
г
Рис. 1. Этапы технологического процесса термогидролиза отходов икорного производства:
а – гидролизат, полученный в результате термогидролиза; б – водорастворимая фракция
белкового гидролизата; в – жир, отделившийся после гидролиза в результате разделения
фракций; г – высушенный белковый водорастворимый гидролизат
Содержание аминокислот в белке гидролизата и эталонном белке
|
Аминокислота |
Содержание аминокислот в белке гидролизата, г/100 г белка |
Содержание аминокислот в эталонном белке (ФАО/ВОЗ), г/100 г белка |
|
Thr (Треонин) |
2,45 |
2,5 |
|
Ley (Лейцин) |
3,12 |
6,1 |
|
Ile (Изолейцин) |
1,32 |
3,0 |
|
Val (Валин) |
1,68 |
4,0 |
|
Lys (Лизин) |
4,08 |
4,8 |
|
Met (Метионин)+ Cys (Цистеин) |
2,59 |
2,3 |
|
Tyr (Тирозин) + Phe (Фенилаланин) |
2.38 |
4,1 |
|
Сумма незаменимых аминокислот |
17,62 |
– |
|
His (Гистидин) |
1,25 |
– |
|
Arg (Аргинин) |
4,18 |
– |
|
Ser (Серин) |
4,73 |
– |
|
Glu (Глутаминовая кислота) |
12,60 |
– |
|
Gly (Глицин) |
8,72 |
– |
|
Ala (Аланин) |
4,51 |
– |
|
Asp (Аспарагиновая кислота) |
9,46 |
– |
|
Pro (Пролин) |
4,56 |
– |
|
Сумма заменимых аминокислот |
50,01 |
– |
Как видно из представленных результатов, незаменимые аминокислоты в гидролизате составляют 17,62 г в 100 г белка. Преобладающими среди них являются метионин с цистеином, лизин и треонин, которые близки по содержанию в эталонном белке.
Заменимых аминокислот в 100 г белка содержится 50,01 г, т. е. больше в 2,8 раза, чем незаменимых аминокислот, что объясняется наличием значительного количества соединительной коллагенсодержащей ткани в исследуемом материале. Глутаминовой и аспарагиновой кислот, а также глицина в белке гидролизата содержится больше других заменимых аминокислот. Превалирующей аминокислотой является глутаминовая кислота, которая составляет более 25 % от обшей суммы заменимых аминокислот.
Оценка аминокислотного состава белковой составляющей гидролизата, полученного путем термогидролиза из отходов икорного производства, показала, что полученный белковый продукт характеризуется высоким содержанием отдельных биологически ценных незаменимых и заменимых аминокислот с преобладанием последних.
На рисунке 2 представлены результаты исследования молекулярно-массового распределения частиц в белковой фракции гидролизата.
Рис. 2. Молекулярно-массовое распределение частиц в белковой фракции гидролизата
Как видно из рисунка 2, содержание биологически активных низкомолекулярных пептидов в белковом продукте составило 30,61 %. Данный факт подтверждает биологическую ценность белкового гидролизата.
Полученный биологически ценный белковый продукт может быть использован как биодобавка для обогащения пищевых продуктов функциональной направленности и лечебно-профилактического действия, поскольку доля низкомолекулярных пептидов с молекулярной массой менее 10 кДа, как показал анализ фракционного состава протеинов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, составила 30,61 % от общего количества белковой составляющей.
Вторая осадочная фракция, представляющая собой смесь нерастворимых минеральных соединений и белков, может быть использована на кормовые цели.
Заключение. В результате проведенных исследований обоснован выбор тихоокеанских лососей как массовых промысловых видов водных биологических ресурсов на Дальнем Востоке. Осуществлена оценка объема неиспользуемых отходов, образующихся при производстве икорной продукции, которые подвергаются утилизации. Количество отходов после пробивки ястыков лососевых рыб может составлять от 16,5 до 36,3 %. При этом данное вторичное сырье обладает определенным биопотенциалом, который прежде всего определяется наличием в нем белковой составляющей, в т. ч. коллагена. Для получения биологически доступных и полезных для здоровья человека белковых веществ целесообразно применение гидротермического воздействия на вторичное сырье. В результате термогидролиза получен сухой водорастворимый белковый гидролизат, содержащий 80,3 % белка и 30,61 % биологически ценных низкомолекулярных пептидов с молекулярной массой менее 10 кДа.
1. Federal'noe agentstvo po rybolovstvu. Kollegiya Rosrybolovstva. Materialy kollegii. URL: https://fish.gov.ru/about/kollegiya-rosrybolovstva (data obrascheniya: 26.10.2022).
2. Normy vyhoda yastykov i zernistoy ikry tihookeanskih lososey Dal'nevostochnogo basseyna. Vladivostok: TINRO, 2021. 20 s.
3. Makarova E.L., Petrakova I.V. Strukturno-funkcional'nye svoystva kollagena ryb i krupnogo rogatogo skota // Zametki uchenogo. 2019. № 8 (42). S. 32–34.
4. Antipova L.V. Kollageny: istochniki, svoystva, primenenie. Voronezh: VGUIT, 2014. 512 s.
5. Havinson V.H., Umnov R.S., Lin'kova N.S. Molekulyarno-kletochnye mehanizmy peptidergicheskoy regulyacii funkciy mozga. M.: Nauka, 2018. 222 s.
6. Innovacionnye pischevye biotehnologii vodnyh biologicheskih resursov / O.Ya. Mezenova [i dr.]. Kaliningrad: KGTU, 2021. 323 s.
7. Issledovaniya razlichnyh sposobov gidroliticheskogo processa vtorichnogo rybnogo syr'ya konservnogo proizvodstva / A. Heling [i dr.] // Vestnik Mezhdunarodnoy akademii holoda. 2016. № 1. S. 3–8. DOI:https://doi.org/10.21047/1606-4313-2016-16-1-3-8.
8. Shadrina E.V., Maksimova S.N., Goryacheva E.D. Fermentativnyy i kombinirovannyy sposoby gidroliza kak osnova tehnologii kormovyh dobavok iz morskih zvezd // Pischevaya promyshlennost'. 2019. № 8. S. 62–65. DOI:https://doi.org/10.24411/0235-2486-2019-10127.
