DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF THE RECYCLING TECHNOLOGY BASED ON HYDROBIONTS

Клейменова М.Э.

Аспирант, Университет ИТМО

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВТОРИЧНОЙ ПРЕРЕРАБОТКИ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ГИДРОБИОНТОВ С ПОСЛЕДУЮЩИМ ВНЕДРЕНИЕМ НА РЫБОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ СЗФО

Аннотация

Актуальность этого проекта обусловлена сложившейся ситуацией в области экологии и пищевой безопасности. На предприятиях рыбной промышленности существует острая потребность в технологиях, позволяющих перерабатывать отходы их производства; эти технологии не только позволяют решать непосредственно вопросы обращения с отходами, но и получать ценные белковые продукты. В статье рассмотрены методы получения белковых гидролизатов на основе отходов рыбного производства, свойства белковых гидролизатов, перспективность применения и возможности коммерческой реализации готового продукта. Основная цель данного проекта - обоснование применения схемы переработки рыбных отходов на основании технологии ферментативного гидролиза.

Ключевые слова: рыбное производство, вторичная переработка, гидролиз.

Kleimenova M.E.

Postgraduate student, ITMO University

DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION OF THE RECYCLING TECHNOLOGY BASED ON HYDROBIONTS

Abstract

The relevance of this project is due to the situation in the field of environment and food safety. On the enterprises of the fishing industry there is an urgent need to use recycling technology; these technologies not only allow it to solve issues directly handling the waste, but also to receive valuable protein products. The article describes methods of obtaining protein hydrolysates based on fish processing waste, properties of protein hydrolysates, the prospect of the application and possible commercialization of the final product. The main objective of the project is the substantiation of the application of fish waste recycling schemes based on the enzymatic hydrolysis technology.

Keywords: fish manufacturing, recycling, hydrolysis.

В настоящее время имеется дефицит белковых продуктов животного происхождения, пригодных к использованию в различных секторах промышленности, и в тоже время существует острая проблема обращения с отходами рыбного производства и некондиционным рыбным сырьем. Таким образом, логично решать эти две проблемы комплексно на стыке интересов. Этой проблеме посвящено множество научно-исследовательских работ, направленных на исследование возможного применения этого ценного белкового сырья, в большей степени на способы его переработки, интенсификацию процессов получения готовых продуктов, с наилучшими показателями качества состава, физико-химических свойств и безопасности.

Цель исследования – обоснование рациональной переработки отходов рыбного производства на предприятиях Северо-Западного округа и в дальнейшем разработка и внедрение технологической схемы ферментативного белкового гидролиза на рыбоперерабатывающих заводах региона.

Сырье.

В качестве исследуемого сырья целесообразно рассматривать отходы переработки  основных видов промысловых рыб, добываемых в регионе исследования, в данном случае, это СЗ регион, и виды рыб, выбранные для последующего изучения в рамках проекта: скумбрия, лосось, треска и сельдь. Среднее содержание белка у представителей этих видов 18-24%, содержание жира до 30% (у трески до 1%).

Способы получения белковых гидролизатов.

Белковый гидролизат – это продукт с высоким содержанием свободных аминокислот и полипептидов. Процесс белкового гидролиза инициируется и протекает под действием катализирующих веществ, которые разрушают в белковой молекуле структурную связь  C-N.

Рис. 1 - Разрушение С-N связи в молекуле трипептида

 

Таким образом, в зависимости от применяемого в процессе гидролиза катализатора различают химический и ферментативный гидролизы.

Рис. 2 - Классификация методов белкового гидролиза

 

На данный момент химический гидролиз белка является наиболее распространенным способом получения белковых гидролизатов, несмотря на ряд недостатков, одним из которых является сама природа процесса. Химический гидролиз (кислотный) протекает в жестких условиях (при температурах кипения растворов и выше и под давлением), при которых разрушаются не только молекулы белка и патогенная микрофлора, но и ценные аминокислоты. В ходе кислотного гидролиза происходят разрушение триптофана, треонина, серина, дезанимирование аспаргина и глутамина, и разрушение витаминов. Еще один существенный минус применение кислотного гидролиза – это образование побочных продуктов гидролиза в виде солей соответствующих кислот.

Щелочной способ гидролиза наименее популярен в промышленности, так как состав гидролизата, получаемого с его помощью имеет неудовлетворительные характеристики качества и безопасности, так как содержит токсичные для человека и животных вещества – структурные части лантионина и лизиноаланина.

В целом химические методы белкового гидролиза нуждаются в значительном аппаратном исполнении и повышенному вниманию к технике безопасности на производстве, так как кислоты и щелочи – являются агрессивными средами и могут выводить технику из строя, за счет своих коррозионных свойств.

Наиболее перспективным для изучения и применения является ферментативный способ получения белковых гидролизатов из рыбных отходов из-за специфичности катализаторов и исходного сырья, требующих индивидуального подбора условий проведения реакции в зависимости от их вида. Наибольшая биохимическая активность у большинства ферментов проявляется только при строго определённых концентрациях водородных ионов, и даже незначительные отклонения рН среды от этого оптимума ослабляет активность фермента, либо изменяет характер его действия. Например, оптимум рН для типичных протеолитических ферментов: трипсин – 7,8-9,5; пепсин – 1,5-2,5. Кроме того, для каждого фермента существует определённый температурный оптимум (для амилазы – 50°С, пепсина и трипсина – 37°С). При нагревании до 70°С большинство ферментов инактивируются, а при 100°С они разрушаются.

Преимущества ферментативного гидролиза заключаются в селективности катализирующих веществ, высокой эффективности, так как данный способ позволяет получать готовый продукт с составом аминокислот идентичным аминокислотному  составу исходного сырья. Сохранность аминокислот обеспечивается, в том числе,  «мягкими» условиями протекания реакции (t⁰ = 35÷50 ⁰C, рН близкие к нейтральным значениям, давление атмосферное). Еще одно существенное преимущество заключается в том, что при ферментативном гидролизе разрушается структурная связь белка с жиром, что позволяет с легкостью отделить последний, чтобы провести последующую сушку белка без побочных продуктов и дополнительных манипуляций.

Рис. 3 - Схема переработки рыбных отходов с применением технологии ферментативного гидролиза

 

Коллоидно-химические свойства ферментативных белковых гидролизатов и области их применения.

Основные показатели к использованию гидролизатов в различных областях промышленности – коллоидно-химические свойства, а именно, вязкость, растворимость, способность к эмульгированию, гелеобразованию, пенообразованию и другие. Данные свойства во многом зависят от вида сырья, подвергаемого гидролизу, от выбранного фермента-катализатора и режима гидролиза, от глубины расщепления белковых молекул.

Растворимость белковых гидролизатов зависит от способа их получения, степени гидролитического расщепления, значений рН, температуры и присутствия солей в растворе. В литературе отмечен факт существенно более высокого  растворения белкового рыбного гидролизата (гидролизат мойвы имеет растворимость более 84% в диапазоне pH 2÷11) по сравнению с нативными белками или гидролизатами бобовых культур (растворимость соевых белковых гидролизатов находится в пределах 20% при рН=4÷5) даже при относительно низкой степени расщепления белковых структур.

Термостабильность – важное качество белковых гидролизатов, представляет собой способность пептидов дольше сохранять свои структуру и свойства при воздействии температур по сравнению с нативными белками. Это свойство присуще для гидролизатов белков молочной сыворотки, казеина, сои, а так же мясных и рыбных гидролизатов, оно обеспечивает возможность сушки гидролизатов на финальных стадиях процесса переработки.

Эмульгирующие свойства играют важную роль для пищевой промышленности. Установлено, что при степени гидролитического расщепления 36% белковый гидролизат сельди показывает хорошую эмульсионную способность, это обусловлено выходом на поверхность гидрофобных аминокислотных остатков, способствующих образованию устойчивых эмульсий. Таким образом, можно сделать вывод, что эмульгирующие свойства напрямую и в значительной степени зависят от гидрофобных свойств гидролизатов, которые влияют на растворимость белковых молекул и пептидов в воде. При увеличении гидрофобности эмульгирующая способность снижается.

Еще одним важным показателем для пищевой промышленности является вязкость гидролизата. При расщеплении пептидных связей наблюдается значительное уменьшение вязкости раствора белкового гидролизата по сравнению с раствором нативных белков. Это объясняется существенным снижением гидрофобности гидролизатов, а также увеличением степени их ионизации по сравнению с нативными  белками. Снижение вязкости гидролизата также оказывает положительное воздействие на процесс сушки.

Вывод.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что разработка и внедрение технологии получения ферментативных белковых гидролизатов из недоиспользуемого рыбного сырья является перспективным и востребованным направлением для рыбоперерабатывающей промышленности. Белок, полученный методом ферментативного гидролиза, может быть широко востребован в пищевой, медицинской и кормовой промышленности, благодаря полноценному аминокислотному составу, содержанию в них макро- и микроэлементов, жирных кислот, в том числе полиненасыщенных жирных кислот, а также  благодаря доступности технологии переработки.

Основные планируемые последующие этапы и результаты проекта:

- лабораторное получение белковых гидролизатов из предоставляемого рыбного сырья;

- исследование физико-химических свойств полученных белковых гидролизатов;

- технико-экономическое обоснование реализации проекта на рыбоперерабатывающем предприятии СЗ региона

- внедрение схемы вторичной переработки гидробионтов.

 

Литература

1. Аламдари, Х. Определение оптимальных режимов получения белковых гидролизованных компонентов из кильки для стартовых кормов осетровых рыб / Х. Аламдари, Н. В. Долганова, С. В. Пономарев // Вестник АГТУ. Сер.: Рыбное хозяйство. - 2013. - № 1. - С. 173-179.
2. Антонов, В. К. Специфичность и механизм действия протеолитических ферментов / В.К. Антонов // Биоорган. Химия. - 1980. - Т. 6, № 6. - С. 805-839.
3. Маслова Г.В., Василевский П.Б. Способ получения белка из белоксодержащего раствора. Авторское св-во № 1594727 СССР, 1988.
4. Маслова Г.В., Егорова Е.Э., Василевский П.Б., Прокошенков А.А., Широков С.А. Способ получения белкового гидролизата из гидробионтов. Авторское св-во № 772518 СССР, 1989
5. Максимюк, Н. Н. О преимуществах ферментативного способа получения белковых гидролизатов / Н. Н. Максимюк, Ю. В. Марьяновская // Фундаментальные исследования. - 2009. - № 1. – С. 34-35.

 References

1. Alamdari, H. Opredelenie optimal'nyh rezhimov poluchenija belkovyh gidrolizovannyh komponentov iz kil'ki dlja startovyh kormov osetrovyh ryb / H. Alamdari, N. V. Dolganova, S. V. Ponomarev // Vestnik AGTU. Ser.: Rybnoe hozjajstvo. - 2013. - № 1. - S. 173-179.
2. Antonov, V. K. Specifichnost' i mehanizm dejstvija proteoliticheskih fermentov / V.K. Antonov // Bioorgan. Himija. - 1980. - T. 6, № 6. - S. 805-839.
3. Maslova G.V., Vasilevskij P.B. Sposob poluchenija belka iz beloksoderzhashhego rastvora. Avtorskoe sv-vo № 1594727 SSSR, 1988.
4. Maslova G.V., Egorova E.Je., Vasilevskij P.B., Prokoshenkov A.A., Shirokov S.A. Sposob poluchenija belkovogo gidrolizata iz gidrobiontov. Avtorskoe sv-vo № 772518 SSSR, 1989
5. Maksimjuk, N. N. O preimushhestvah fermentativnogo sposoba poluchenija belkovyh gidrolizatov / N. N. Maksimjuk, Ju. V. Mar'janovskaja // Fundamental'nye issledovanija. - 2009. - № 1. – S. 34-35.