Москва, г. Москва и Московская область, Россия
Владивосток, Приморский край, Россия
Предложена параметрическая модель процесса гидролиза-экстрагирования для животного сырья морского происхождения, позволяющая связать параметры управления, состояния, возмущения и наблюдения. Экспериментально подтверждено, что основными влияющими факторами для процесса гидролиза-экстрагирования, оказывающими существенное влияние на состав и функционально-технологические свойства получаемых модификаций из животного сырья морского происхождения, являются продолжительность, гидромодуль, температура, концентрация кислоты (кислотный гидролиз), соотношение фермент-субстрат, размер частиц (ферментативный гидролиз) и кратность обработки (гидротермическая экстракция). Определены рациональные параметры гидролиза-экстрагирования для получения модификаций из нерыбных объектов и отходов их переработки с заданными функционально-технологическими свойствами.
Параметрическая модель, гидролиз-экстрагирование, морское сырье.
Введение
В Мировом океане сосредоточены громадные источники полноценных животных белков и ценных биологически активных соединений. Рационально использовать эти биоресурсы традиционными технологическими методами невозможно, поэтому необходимо разрабатывать и внедрять в промышленность новые эффективные методы обработки сырья морского генеза на основе комплексной безотходной и ресурсосберегающей технологии.
Различные виды двустворчатых моллюсков: гребешок приморский, спизула, мактра, мия и другие – представляют собой перспективные объекты для получения разнообразной деликатесной продукции общего и специального назначения. В настоящее время добыча двустворчатых моллюсков существенно возрастает из года в год. Исследования химического состава двустворчатых моллюсков показывают целесообразность их употребления в пищу как продуктов с высокой пищевой и биологической ценностью.
Основные виды продукции, получаемой из них, – сыромороженые полуфабрикаты и пресервы, для изготовления которых в основном используется мускул-замыкатель или двигательный мускул (нога) [1]. Другие пищевые части моллюска – мантия, мускул-замыкатель (аддуктор), являющиеся источником белков и биологически активных веществ, остаются невостребованными и в основном отправляются в отходы, что является нерациональным, так как, с одной стороны, загрязняет окружающую среду, а с другой – ограничивает перспективы использования ценных биологически активных веществ гидробионтов в питании человека. Использование данных тканей моллюсков для создания пищевых продуктов нового поколения поможет одновременно решить две проблемы: создание безотходных экологически чистых технологий их переработки и повышение доли полноценных белков и биологически активных веществ в рационе современного человека [2].
Цель исследования – разработка параметрической модели процесса гидролиза-экстрагирования и определение рациональных параметров гидролиза-экстрагирования для получения модификаций из нерыбных объектов и отходов их переработки с заданными функционально-технологическими свойствами.
Материалы и методы
В качестве объекта исследования использованы двустворчатые моллюски Дальневосточного региона: гребешок приморский (Patinopecten yessoensis), анадара Броутона (Anadara broughtoni), промысел которых увеличивается с каждым годом.
Мягкие ткани гребешка представлены большим мускулом-замыкателем, мантией и внутренностями, куда относятся печень, жабры и гонады. Мягкие ткани составляют до 36 % массы всего моллюска. Массовая доля съедобных частей – до 22 %. Для анадары мягкие ткани составляют 35,6 % массы всего моллюска. Массовая доля съедобных частей – 23,7 %. В зависимости от размера и массы моллюска массовое соотношение мягких тканей меняется, но общие закономерности сохраняются: самый большой орган – двигательный мускул (25–37 % от массы мягких тканей), затем следует мантия (15,7–18,4 % от массы мягких тканей) и мускул-замыкатель (12,7–13,2 % от массы мягких тканей) [3–5].
В пищу у гребешка могут использоваться мускул-замыкатель, мантия и гонады, у анадары – двигательный мускул и мантия, но на практике используются только аддуктор и двигательный мускул, а все остальное не находит пищевого применения, то есть от 35 до 50 % съедобных частей моллюсков отправляется в отходы, что является нерациональным.
Гидролизу-экстрагированию подвергались различные мягкие ткани двустворчатых моллюсков, из которых получены кислотные (КГ) и ферментативные (ФГ) гидролизаты и гидротермические экстракты (ГТЭ).
Кислотный гидролиз проводили пищевой лимонной кислотой. Пищевые части моллюсков измельчали на волчке. После этого к полученной фаршевой смеси добавляли раствор лимонной кислоты определенной концентрации и проводили гидролиз в жидкостном термостате, где перемешивали, нагревали до температуры 95–97 °С и выдерживали определенное время при постоянном термостатировании. Жидкую фракцию (собственно гидролизат) отделяли от плотного осадка фильтрованием.
Для проведения ферментативного гидролиза ферментный препарат выбрали по оптимальному значению рН для проявления активности, совпадающему с диапазоном растворов коллагенового сырья (рН 7–9). Затем вносили ферментный препарат коллагеназа в виде водного раствора в соответствии с характеристикой препарата в концентрации 60 единиц активности на 1 г белка субстрата, обеспечивающей максимальный гидролиз. Пищевые части моллюсков измельчали на волчке. После этого к полученной фаршевой смеси добавляли воду в соотношении 1:2 и ферментный препарат и проводили гидролиз в суховоздушном термостате, где перемешивали, нагревали до температуры 45–48 °С и выдерживали определенное время. После окончания гидролиза фермент инактивировали путем повышения температуры в термостате до 70–75 °С в течение 10 мин и гидролизат концентрировали путем упаривания. Затем для отделения жидкой фракции (собственно гидролизата) от плотного осадка массу фильтровали.
Гидротермическую экстракцию проводили водой при температуре 100 0С в жидкостном термостате способом, аналогичным описанному для кислотного гидролиза.
В ходе гидролиза-экстрагирования контролировали содержание сухих веществ и растворимого белка, а также функционально-технологические свойства (коэффициент поверхностного натяжения, пенообразующая и эмульгирующая способности, стабильность эмульсии) с целью изучения зависимости выбранных показателей от продолжительности процесса.
Содержание сухих веществ определяли методом высушивания навески 10 г при температуре (102+2) 0С до постоянной массы в сушильном электрическом шкафу СНОЛ-3,5.
Определение общего белка проводили спектрофотометрически при 650 нм на СФ VSU-2P, измеряя интенсивность окрашивания раствора, полученного при взаимодействии реактива Фолина с щелочными растворами белков.
Пенообразующие свойства полученных модификаций оценивали по пенообразующей способности, которая определяется отношением начальной высоты столба пены после 1 мин стандартных встряхиваний к 18 мл раствора с разной концентрацией сухих веществ при 21 0С и устойчивостью пены, которая характеризуется высотой столба пены после 10-минутного выдерживания.
Получение эмульсии проводили методом диспергирования с помощью микроизмельчителя тканей РТ-2 при 3000–5000 об/мин. Эмульгирование вели путем постепенного добавления растительного масла по каплям к 18 мл раствора.
Точку инверсии (обращение фаз) определяли по объему добавленного растительного масла. Рассчитывали эмульгирующую способность по отношению максимального количества эмульгированного масла к количеству эмульгатора в системе.
Результаты и их обсуждение
Структурный анализ процессов гидролиза-экстрагирования должен проводиться с учетом совокупности параметров, определяющих степень гидролиза субстрата и количество экстрактивных веществ в экстракте, формируя тем самым определенные свойства получаемой модификации, в первую очередь функционально-технологические. Операторная модель процесса гидролиза-экстрагирования, протекающего в пищевом сырье животного сырья морского происхождения, представлена в виде параметрической схемы (рис. 1).
Переменные описываемой параметрической модели процесса гидролиза-экстрагирования:
– состояния S1 (на выходе): ωп – выход продукта, %; ωб – содержание белков, %; ωу – содержание углеводов, %; σ – коэффициент поверхностного натяжения, Па*с; пс – пенообразующая способность, %; эс – эмульгирующая способность, %; аос – антиокислительная способность, мг/атомов О2/мин;
– управления S2 (на входе): ск – концентрация кислоты, %; d – размер частиц, мм; t – температура, С0; рН – кислотность, ед.; ГМ – гидромодуль, %; E/S – соотношение фермент/субстрат, %; τ – время, мин; ко – кратность обработки, ед.;
– наблюдения S4 (снизу): ωв – массовая доля воды, %; ωэ – массовая доля экстрактивных веществ, %; ао – остаточная активность ферментного препарата, ед.; сг – степень гидролиза, %;
– возмущения S3 (сверху): z1 – разнообразие химического состава сырья; z2 – особенности действия гидролизующих агентов и экстрагентов.
Функция оптимальности для параметрической модели процесса гидролиза-экстрагирования нерыбных объектов имеет вид: Y (SΣ) = f(S1: ωп, ωб, ωу, σ, пс, эс, аос) = f (S2: ск, d, t, рН, ГМ, E/S, τ, ко; S3: z1, z2; S4; ωв, ωэ, ао, сг).
Гидролизу-экстрагированию подвергались двустворчатые моллюски, голотурии и отходы их переработки, из которых получены кислотные (КГ) и ферментативные (ФГ) гидролизаты и гидротермические экстракты (ГТЭ).
Рис. 1. Параметрическая модель процесса гидролиза-экстрагирования
Экспериментально подтверждено, что основными влияющими факторами для процесса гидролиза-экстрагирования являются продолжительность, гидромодуль, температура, концентрация кислоты (кислотный гидролиз), соотношение фермент-субстрат, размер частиц (ферментативный гидролиз) и кратность обработки (гидротермическая экстракция). Перечисленные параметры оказывают существенное влияние на состав и функционально-технологические свойства получаемых модификаций.
Проверка адекватности предлагаемой параметрической модели позволила получить параметры достоверности, представленные в табл. 1.
Таблица 1
Параметры достоверности для параметрической модели процесса гидролиза-экстрагирования
|
Параметр |
Выход продукта ωп, % |
Содержание белков ωб, % |
Содержание углеводов ωу, % |
Коэффициент поверхностного натяжения σ, Па*с |
Пенообразующая способность пс, % |
Эмульгирующая способность эс, % |
|
Стандартное отклонение данных |
0,126763 |
0,10527 |
0,14091 |
0,281671 |
10,4755 |
3,2986 |
|
Среднее ошибки |
–0,006178 |
0,01206 |
–0,02672 |
–0,006124 |
–0,0154 |
–0,4109 |
|
Стандартное отклонение ошибки |
0,021428 |
0,17518 |
0,51138 |
0,047392 |
1,6293 |
2,0171 |
|
Среднее абсолютной ошибки |
0,025660 |
0,15708 |
0,39776 |
0,033775 |
1,4001 |
1,6416 |
|
Отношение стандартного отклонения |
0,229945 |
0,23105 |
0,12865 |
0,153946 |
0,1446 |
0,2185 |
|
Корреляция |
0,975272 |
0,96603 |
0,98283 |
0,97533 |
0,98070 |
0,97435 |
После проведения обработки результатов и отсева незначимых коэффициентов получены уравнения регрессии, адекватно описывающие изменение содержания сухих растворимых веществ и азота в гидролизатах из двустворчатых моллюсков в ходе процесса гидролиза при различных условиях (табл. 2).
Данные регрессивные уравнения позволили определить рациональную концентрацию кислоты и продолжительность гидролиза, при которых в гидролизатах обеспечивается максимальное содержание азота: концентрация кислоты 2–6 %, время процесса 4–8 ч.
Таблица 2
Уравнения регрессии, описывающие зависимость содержания сухих веществ
и азота в гидролизатах от концентрации лимонной кислоты и времени
|
Гидролизат |
Уравнение регрессии |
Коэффициент аппроксимации |
|
Из мантии анадары |
Y1 = 0,5487 Х1 + 2,0243Х2 – 0,0097Х12 + 0,0037Х1Х2 – 0,0512Х22 – 9,3865 |
R2 = 0,84 |
|
Z1 = 0,0232Х1 + 0,051Х2 – 0,0006Х12 – 0,0001Х1Х2 – 0,0015Х22 + 0,3694 |
R2 = 0,89 |
|
|
Из мускула анадары |
Y2 = 0,3014Х1 + 3,1512Х2 – 0,0091Х12 + 0,004Х1Х2 – 0,0451Х22 – 5,097 |
R2 = 0,85 |
|
Z2 = 0,0404Х1 + 0,052Х2 – 0,0002Х12 – 0,0006Х1Х2 – 0,0211Х22 + 0,3159 |
R2 = 0,82 |
|
|
Из гонад гребешка |
Y3 = 1,4992Х1 + 0,4473Х2 – 0,0317Х12 + 0,0135Х1Х2 – 0,0067Х22 – 3,4566 |
R2 = 0,83 |
|
Z3 = 0,0139Х1 + 0,1291Х2 – 0,0002Х12 – 0,0001Х1Х2 – 0,0032Х22 + 0,0334 |
R2 = 0,85 |
|
|
Из мантии гребешка |
Y4 = 0,7176Х1 + 0,8643Х2 – 0,0136Х12 + 0,0053Х1Х2 – 0,0198Х22 – 3,4449 |
R2 = 0,86 |
|
Z4 = 0,0316Х1 + 0,0853Х2 – 0,0003Х12 – 0,0008Х1Х2 – 0,0022Х22 – 0,0316 |
R2 = 0,86 |
Примечание. Y (%) – содержание сухих веществ в гидролизате; Z (%) – содержание азота в гидролизате; Х1 (ч) – продолжительность гидролиза; Х2 (%) – концентрация кислоты.
На следующем этапе были изучены пенообразующие и эмульгирующие свойства гидролизатов
с минимальным коэффициентом поверхностной активности. Полученные данные представлены в табл. 3.
Таблица 3
Функционально-технологические свойства гидролизатов из животных нерыбных объектов
|
Объект |
Пенообразующая способность, % |
Устойчивость пены, % |
Эмульгирующая способность, см3 масла |
Стойкость эмульсии, % неразрушенной эмульсии |
|
Кислотные гидролизаты |
||||
|
Из мантии анадары |
470+23 |
95,9+4,7 |
3,11+0,15 |
45,8+2,2 |
|
Из мантии гребешка |
490+24 |
93,9+4,6 |
2,67+0,13 |
44,9+2,1 |
|
Из гонад гребешка |
520+26 |
96,2+4,7 |
3,06+0,15 |
49,3+2,4 |
|
Из мускула анадары |
550+27 |
96,2+4,8 |
3,17+0,15 |
55,1+2,7 |
|
Ферментативные гидролизаты |
||||
|
Из мантии анадары |
430+21,0 |
93,0+4,6 |
2,94+0,14 |
53,5+2,6 |
|
Из мантии гребешка |
460+23,0 |
97,8+4,8 |
2,51+0,12 |
54,2+2,7 |
|
Из гонад гребешка |
500+25,0 |
96,0+4,7 |
3,12+0,15 |
52,5+2,6 |
|
Из мускула анадары |
510+25,0 |
98,0+4,9 |
3,04+0,15 |
54,8+2,7 |
В результате проведения серии различных двухфакторных экспериментов установлено, что для получения модификаций из нерыбных объектов, обладающих максимальными функционально-технологическими свойствами, рациональными условиями являются:
1) кислотные гидролизаты: гидромодуль 1:1–2; температура 90–100 0С; продолжительность 4–8 ч; концентрация лимонной кислоты 6–8 %;
2) ферментативные гидролизаты: гидромодуль 1:1–1,5; температура 45 0С; продолжительность 2–8 ч; размер частиц 3–
3) гидротермические экстракты: гидромодуль 1:1; температура 90–100 0С; продолжительность 60–180 мин; размер частиц 5–
Полученные из частей двустворчатых моллюсков были использованы в качестве структурообразующих компонентов в технологии получения масложирового эмульсионного продукта – соуса майонезного. В качестве дополнительного эмульгатора использовалась обезжиренная соевая мука в количестве 3 %. Исследования показали, что гидролизаты и гидротермические экстракты из нерыбных объектов обладают функционально-технологическими свойствами, обеспечивающими создание эмульсии, и одновременно вносят в рецептуру продукта биологически активные вещества гидробионтов. Полученный эмульсионный продукт имел среднюю калорийность, повышенную пищевую и биологическую ценность, но в то же время по органолептическим характеристикам не отличался от традиционного.
Использование в технологии масложировых эмульсионных продуктов биологически активных веществ морской природы, в частности двустворчатых моллюсков, является перспективным направлением, позволяющим получать новые пищевые продукты, обладающие различными лечебно-профилактическими свойствами, и одновременно создавать малоотходные технологии переработки двуствор-чатых моллюсков Дальневосточного региона.
1. Щенникова, Н.В. Технология кулинарной продукции из нерыбного сырья водного происхождения / Н.В. Щен-никова, И.В. Кизеветер. – М.: Пищепромиздат, 1979. – 166 с.
2. Табакаева, О.В. Кислотные гидролизаты из отходов переработки двустворчатых моллюсков Дальневосточного региона // Техника и технология пищевых производств. – 2009. – № 2. – С. 27–30.
3. Дацун, В.М. Вторичные ресурсы рыбной промышленности. – М.: Колос, 1992. – 97 с.
4. Зюзьгина, А.А. Технохимическая и биохимическая характеристика двустворчатого моллюска Anadara broughtoni // Комплексные исследования и переработка морских и пресноводных гидробионтов. – Владивосток: ТИНРО-центр, 2003. – С. 128–130.
5. Киселев, В.В. Технохимическая характеристика некоторых видов двустворчатых моллюсков / В.В. Киселев, Н.М. Купина, Н.Т. Поваляева // XXI век – перспективы развития рыбохозяйственной науки: материалы Всероссийской интернет-конференции молодых ученых. – Владивосток: ТИНРО-центр, 2002. – С. 155–162.
