CC BY
164
[637.5+637.56].002.2
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПИЩЕВОЙ ЦЕННОСТИ МЯСНОГО И РЫБНОГО СЫРЬЯ
А.А. ЗАПОРОЖСКИЙ, Г.И. КАСЬЯНОВ
Кубанский государственный технологический университет
Все более актуальной сегодня становится проблема рационального, комплексного использования отечественного мясного и рыбного сырья, которую невозможно решить без достижений биотехнологии.
При технологической обработке мясного и рыбного сырья целостность его клеток нарушается, в результате чего из них высвобождаются ферменты, находящиеся в активном состоянии и вызывающие активные изменения различных тканей, что способствует формированию у готовых продуктов свойств, придающих им позитивные органолептические и потребительские характеристики. Перспективным направлением реализации биотехнологических методов в пищевой промышленности является создание принципиально новых технологических решений, основанных на эффективном использовании как собственных ферментных систем биологических объектов, так и экзогенных, т. е. целенаправленно внесенных микроорганизмов, продуцентов ферментов [1].
Все большее распространение в технологии функциональных продуктов питания приобретает метаболически обоснованный уровень расщепления белков мясного и рыбного сырья ферментами, так как это способствует формированию у них свойств, благоприятных с точки зрения физиологии питания [2].
Ферменты, применяемые в пищевой технологии для улучшения свойств биологического сырья, повышения качества продукции и снижения затрат на ее выработку, в основном относятся к группам амилаз, пек-тиназ, изомераз, оксидаз, протеаз и липаз, которые расщепляют или деполимеризируют биополимерные компоненты исходного сырья [3].
По экспертным оценкам, в настоящее время на мировом рынке прогнозируется увеличение объема потребления протеолитических ферментов. Это предопределено тем, что большинство технологических процессов в пищевой промышленности связано с расщеплением белков, а протеолитические ферменты, как известно, способны расщеплять их на субъединицы с меньшей молекулярной массой - вплоть до полипептидов, пептидов и отдельных аминокислот.
Ферментативный протеолиз обладает рядом преимуществ перед физической и химической обработкой пищевого сырья: уникальной специфичностью действия, предотвращающей нежелательные побочные реакции; реализуемостью в мягких условиях обработки, позволяющих избегать применения экстремальных
температур и концентраций; высокой каталитической активностью; простотой инактивации при термообработке продуктов. Это способствует также экономии энергии, потребляемой при химических и физических способах обработки [1, 4].
В целях интенсификации технологических процес -сов и повышения качества пищевых продуктов используют ферментные препараты различного происхождения [5]. Все живые клетки образуют ферменты, поэтому их можно получать из тканей растений, животных и микроорганизмов. В настоящее время в промышленном масштабе выпускают в основном ферменты растительного и животного происхождения, но в силу технологических и экономических причин все большее значение приобретают микробные ферменты.
Следует особо отметить актуальность гидролиза так называемых «вторичных ресурсов» мясной и рыбной промышленности, так как после получения различных изделий пищевого назначения остается около 50% белковых отходов, которые требуют обязательной утилизации как с экологической, так и с практической точки зрения [6].
Действие протеолитических ферментов основано на гидролизе пептидных связей белков мышечной и соединительной ткани. Активность ферментов и полученный эффект гидролиза зависят от вида используемого сырья и ферментного препарата, температуры и рН среды, наличия солей, продолжительности воздействия, концентрации и способа внесения фермента [1, 3].
Большая часть исследований по протеолитическим ферментам внутренностей рыб была предпринята для решения вопросов, касающихся физиологии питания, распределения тех или иных ферментов в пищеварительном тракте, их сходства или отличия от пищеварительных ферментов наземных животных [7]. Известно, что поджелудочная железа (панкреас) у рыб является необходимой составной частью пищеварительной эндокринной системы, отличаясь от подобного органа высших позвоночных лишь особенностями своего строения [8]. У рыб, относящихся к классам Бе1апИ и Dipneusta, поджелудочная железа выделяется в дискретный самостоятельный орган, который содержит типичные панкреатические пищеварительные ферменты в их проферментной форме. Приводятся следующие соотношения протеолитической активности в пилорических придатках, кишечнике и целой рыбе - 1 : 0,4 : 0,01. В пилорических придатках вырабатываются гидролитические ферменты: протеазы, липазы, амилазы, рибо-нуклеазы, кислая и щелочная фосфатазы. В числе про-
теаз идентифицированы трипсин и химотрипсин, кар-боксипептидазы А и В, эластаза, дипептидаза [9].
Гистологические исследования показывают, что трипсин, химотрипсин и ряд других панкреатических ферментов находятся в экзокринных клетках пилорических придатков в виде зимогенов; однако выделение зимогенов в данном случае крайне затруднительно. Это объясняется тем, что трипсин в результате особенностей строения пищеварительного тракта рыб постоянно присутствует в содержимом полости кишечника и, скорее всего, является инициатором быстрой активации проферментов во время препарирования и гомогенизации пилорических придатков. В то же время у рыб, имеющих дискретный панкреас (акулы, скаты, двоякодышащие), выделение зимогенов трипсина и химотрипсина не представляет сложности.
Причиной, объясняющей относительную легкость выделения зимогенов ферментов у рыб с дискретным панкреасом, может служить наличие ингибитора трипсина. Последний был обнаружен в поджелудочной железе двоякодышащих рыб, так же как и в поджелудочной железе млекопитающих. Активация зимогенов трипсином в экстракте пилорических придатков трески возрастает во времени.
Спонтанная активация наблюдается в экстрактах пилорических придатков сельди и мойвы, при этом скорость активации можно увеличить добавлением ионов кальция. Максимальная протеолитическая активность наблюдается после 3 ч активации при 20°С и после 7 ч при 4°С, в обоих случаях при добавлении бычьего трипсина. Без добавления бычьего трипсина максимум активности проявляется после 19 ч инкубации при комнатной температуре.
Сравнение стабильности бычьего трипсина и трипсина пилорических придатков сельди и мойвы при различных значениях рН показывает, что в зоне рН 2,0-4,5 бычий трипсин сохраняет 90% активности, трипсин рыб - только 75%. При повышении рН более 4,5 бычий трипсин практически теряет активность, в то время как ферменты рыб сохраняют ее на 70-75%.
Значительная потеря протеолитической активности при низких значениях рН (4,0) отмечается и для трипсина карпа. В настоящее время такая нестабильность трипсина объясняется наличием анионных форм. В пользу этого свидетельствует и тот факт, что в щелочной зоне рН (более 8,0) трипсины сельди, мойвы, тихоокеанских лососей оказались значительно более усто йчивыми к авто протеолизу, чем трипсин быка.
Все авторы, проводившие исследования трипсина рыб, отмечают его видовую специфичность, по крайней мере, по активности. Так, активность этого фермента у сельди и мойвы ниже, у сома и карпа одинакова, а у трески выше, чем у бычьего трипсина [7, 9, 10].
Определение активности ферментов рыбного сырья является важным фактором при производстве пресервов и имеет большое значение как для теоретических исследований свойств сырья, так и для практического использования ферментных систем в различных технологических процессах [11].
Проведен ряд экспериментов по изучению активности комплекса кислых пептидгидролаз мышечной
ткани рыб при рH мышечного сока 6,6-6,7 [12]. Выявлена зависимость активности протеолитических ферментов рыб внутренних водоемов Краснодарского края (берш, карп, лещ, толстолобик) от сезона лова.
Исследования показали, что максимальная активность ферментов у данных видов рыб наблюдается в марте-апреле, во время интенсивного питания, минимальная активность - в преднерестовый и нерестовый период. Затем активность ферментов начинает нарастать и достигает своего второго максимума в сентябре-октябре, в период интенсивного питания рыбы после нереста. В ноябре-декабре активность ферментов снижается, так как из-за похолодания подавляются обменные процессы и соответственно уменьшается потребность в корме.
Hro^K» активность протеолитических ферментов мышечной ткани подтверждают и результаты исследований динамики буферной емкости азотсодержащих веществ в процессе посола. При посоле пестрого толстолобика массой до І кг, выловленного в осеннее время года, в тузлуке плотностью 1,2 г/смЗ при температуре 0-4°С даже через 40 сут буферность составляла менее 40 град.
^много выше активность протеолитических ферментов у берша (особенно весеннего вылова), хотя и значительно ниже, чем у традиционно применяемых для производства пресервов видов рыб, например у скумбрии.
Одновременно с разработкой способов получения и применения ферментных препаратов начались попытки создания схем, позволяющих описать ход процесса гидролиза и тем самым приблизиться к пониманию его механизма.
Одну из первых гипотез о механизме протеолиза предложили Гизелиус и Эриксон-Квенсоль [7, 1З]. Они предположили, что ферментативный гидролиз белков проходит по принципу « все или ничего», т. е. часть молекул белка гидролизуется сразу до конечных продуктов, а остальные молекулы остаются неизменными. Однако попытка описать такую схему с помощью классического уравнения Михаэлиса-Ментен оказалась безуспешна. В начальный момент процесса гидролиза на стационарной фазе величины констант Ми-хаэлиса имели отрицательные значения. Действительно, как показали дальнейшие исследования, в реакционной среде присутствовали не только начальные и конечные продукты, но и промежуточные соединения. В связи с этим было высказано предположение о постепенном гидролизе субстрата.
В литературе описаны также механизмы «частичного протеолиза» и « протеолиза с торможением». При частичном протеолизе происходит избирательное отщепление протеиназой от субстрата одного или нескольких пептидных фрагментов, в результате чего остается крупномолекулярный остаток белковой природы, т. е. механизм частичного протеолиза принципиально не отличается от механизма постепенного гидролиза белка. Пример такого процесса - гидролиз яичного альбумина протеиназой из Вас. subtilis.
«Протеолиз с торможением» по сути дела является примером снижения скорости реакции гидролиза за
счет ингибирования фермента продуктами гидролиза и наиболее часто встречается на практике. Кинетические кривые протеолиза в этом случае практически не имеют начального прямолинейного участка, и скорость гидролиза начинает снижаться с самого начала процесса.
Попытки описания механизма протеолиза в рамках формальной ферментативной кинетики с учетом самых различных типов ингибирования широко практиковались в середине 70-х-начале 80-х годов прошлого века. Однако большинство из предложенных моделей, хотя и позволяет рассчитать кинетические константы, но, как правило, дает удовлетворительные результаты при использовании индивидуальных ферментов и субстратов с известными молекулярными массами. Предложен относительно простой метод определения кинетических констант гидролиза казеина панкреатином с учетом ингибирования фермента продуктами реакции по уравнению
t = Kм /[(1 # C%- C/Kp )ln(C% -Co )/
/(Ct -c o)-(C - Co)/ K p ],
где t - время гидролиза; Co, С, С¥ - концентрации освобождающихся аминогрупп в начальный момент времени, в момент времени t и при теоретически полном гидролизе соответственно; Км, VмаYс и Кр - эффективные константы гидролиза.
В отдельных случаях сложный, меняющийся характер гидролиза и снижение скорости реакции наблюдали и в отсутствии ингибирования фермента продуктами реакции. В этом случае снижение скорости реакции объяснялось тем, что в белке существует большое количество пептидных связей, различающихся по реакционной способности, за счет чего концентрация каждой связи мала и быстро падает в ходе реакции.
С учетом наличия в белке большого количества разных по реакционной способности химических связей высказано предположение, что даже в условиях насыщения фермента субстратом гидролиз каждой из связей происходит с максимальной скоростью. Но эти связи гидролизуются в порядке убывания их реакционной способности, что и приводит к снижению наблюдаемой суммарной скорости гидролитической деградации белка.
В этом случае гипотеза о наличии «быстрой» и «медленной» стадий процесса может с определенной долей вероятности дать сведения об эффективных кинетических константах. В связи с этим следует упомянуть работы, описывающие кинетику и механизм получения неполных ферментативных гидролизатов различных белков, пригодных для получения пищевых модулей [14].
Ввиду сложности механизма протеолиза, много-компонентности белков и ферментных препаратов для описания кинетики таких процессов предлагают пользоваться уравнениями классической кинетики, позволяющими достаточно просто получать положительные значения констант реакции.
Таким образом, можно прийти к заключению о чрезвычайной сложности механизма протеолиза и относительности знаний в этой области исследований.
Наряду с ферментами в мясной и рыбной промышленности успешно применяют микроорганизмы, которые при определенных условиях культивирования в процессе жизнедеятельности могут осуществлять биосинтез ферментов, белков, незаменимых аминокислот, витаминов и др. [15].
Направленные биотехнологические процессы созревания сырокопченых и сыровяленых колбас характеризуются повышенным количеством кислотообразующих бактерий. Эти бактерии не представляют однородной группы, а состоят из смеси бактерий нескольких родов. Основную их часть составляют Lactobacillus. Наряду с ними, но в гораздо меньших количествах, встречаются бактерии Pediococcus, Leuconostoc и Micrococcus. Все они, обладая антагонистическим действием на нежелательные микроорганизмы, частично помогают обеспечить стойкость продукта при хранении. Lactobacillus образуют молочную кислоту, благодаря чему снижается рН сырья, и колбасы приобретают специфические вкус и аромат.
Многообещающие исследования проведены в США по ферментации северной путассу. Мясо рыбы заливали кипящей водой в течение 10 мин, размельчали и обсеменяли Lactobacillusplautarium по 5 • 108 клеток на 1 г сырья, добавляли от 3 до 5% глюкозы. После 21 ч ферментации при 37°С значение рН достигало 5,3 в первом опыте и 4,7 во втором. Ферментированную смесь экструдировали, добавляя крахмал и красители; рН воды оставалась неизменной, а активность воды снижалась ( aw = 0,9). При рН 5,3 и 4,7 качество продукта оставалось стабильным в течение 25 сут [13].
Была осуществлена ферментация Surimi с Pediococcus cerevisiae. Установлено, что при aw < 0,95 и рН < 5,2 и при aw < 0,9 и рН < 5,0 продукты можно хранить без применения низких положительных температур [16].
Опыт сыровяленой технологии позволил предположить другой способ обработки рыбы [17]. Измельченное мясо рыбы предварительно нагревают до 80 °С в течение 20 мин. К мясу добавляют порошок сыворотки или сахарозы, затем вводят смесь Lactobacillus helveticus и Lactobacillus acidophilus. После 24 ч ферментации при 30°С рН составляет 4,5. Воду удаляют прессованием. Полученные блоки выдерживают в 20%-м растворе соли в течение 30 мин. Помещенный в вакуумную упаковку продукт хранится при комнатной температуре в течение многих месяцев. По мнению авторов, это связано с низкими значениями рН и синтезом антибиотиков в процессе ферментации [17].
Успехи научных исследований в области биотехнологии обусловили разработку новых технологий, позволяющих интенсифицировать производство мясных и рыбных продуктов, улучшить их органолептические свойства, значительно повысить гарантию выработки высококачественных изделий, обеспечить более рациональную переработку вторичного сырья.
В этой связи необходимость дальнейшего развития и совершенствования технологий производства пищевых продуктов, особенно функционального назначения, требует использования потенциала биохимической нанотехнологии, для широкого применения которой необходимо с точки зрения фундаментальных основ нанотехнологии определить текущие и будущие проблемы пищевой индустрии, связанные как с обеспечением безопасности и качества пищевых продуктов, так и с разработкой новых продуктов питания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лисицын А.Б., Липатов Н.Н., Кудряшов Л.С., Алек-сахина В.А. Производство мясной продукции на основе биотехно -логии. - М.: ВНИИМП, 2005. - 369 с.
2. Алферников О.Ю., Касьянов Г.И., Латин Н.Н. Пищевые текстураты. - Краснодар: КНИИХП: КубГТУ, 2007. - 143 с.
3. Кудряшов Л.С. Протеолитические ферменты мяса и их роль в процессах созревания и посола // Изв. вузов. Пищевая техно -логия. - 1987. - № 5.
4. Lin I.J. Genetic engineering and process development for production of food processing enzymes and additives // Food Technology. - 1986. - № 10.
5. Антипова Л.В., Жеребцов Н.А. Биохимия мяса и мясных продуктов. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 1991. - 181 с.
6. Антипова Л.В., Глотова И.А. Основы рационального использования вторичного коллагенсодержащего сырья мясной промышленности. - Воронеж: Ренакорд, 1997. - 248 с.
7. Слуцкая Т.Н. Биохимические аспекты регулирования протеолиза. - Владивосток: Тихоокеан. науч.-исслед. рыбохоз. центр, 1997. - 148 с.
8. Сахарова И.Ю., Литвин Ф.Е. Субстратная специфичность коллагенолитических протеаз из гепатопанкреаса камчатского краба // Биохимия. - 1992. - 57. - Вып. 1. - С. 61-67.
9. Пивненко Т.Н., Аюшин Б.Н., Жданюк В.М. Концентрированные препараты протеолитических ферментов из рыбного сырья // Тез. докл. Всесоюз. семинара «Теория и практика регулиро -вания качества соленой и копченой рыбной продукции ». - Владиво -сток: ТИНРО, 1989. - С. 46.
10. Попова И.М., Бобровская Н.Д., Бикбов Т.М. Протео-литическая и липолитическая активность ферментных препаратов из черноморской хамсы // Соврем. проблемы рыбохоз. исслед. - М., 1989. - С. 123-129.
11. Технология переработки рыбы и морепродуктов / Г.И. Касьянов, Е.Е. Иванова, А.Б. Одинцов и др. - Ростов н/Д: Издат. центр «МарТ», 2001. - 416 с.
12. Сарапкина О.В. Совершенствование технологии производства рыбоо вощных пресервов из рыб внутренних водоемов Крас -нодарского края: Автореф. дис. ... кавд. техн. наук. - Краснодар: КубГТУ, 2007. - 24 с.
13. Касьянов Г.И., Сарапкина О.В., Белоусова С .В. Нанобиотехнология переработки рыбного сырья. - Краснодар: КубГТУ; КрасНИИРХ, 2006. - 151 с.
14. Березин И.В. Исследования в области ферментативного катализа и инженерной энзимологии. - М.: Наука, 1990. - 382 с.
15. Позняковский В.М., Чеботарев Л.Н., Егорчен-ков Л.А. Биотехнология в колбасном производстве // Обзор. ин-форм. Сер. Мясная пром-сть. - М.: АгроНИИТЭИММП, 1988.
16. Богданов В.Д., Сафронова Т.М. Структурообразовате -ли и рыбные композиции. - М.: ВНИРО, 1993. - 172 с.
17. Расулов Э.М., Джаруллаев Д.С., Касьянов Г.И. Рыбные гидролизаты. - Краснодар: КрасНИИРХ, 2000. - 120 с.
Кафедра технологии мясных и рыбных продуктов
Поступила 07.02.07 г.
664.8.022.1.035.15
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДО- И СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ЭКСТРАКЦИИ
С.М. СИЛИНСКАЯ, Н.Л. МАЛАШЕНКО
Кубанский государственный технологический университет
Разработка высокоэффективных технологических процессов, обеспечивающих сохранение и содержание в готовом продукте необходимого количества биологически активных, ароматических и вкусовых веществ, является основной задачей пищевых отраслей промышленности. Определяющий фактор производства полноценных продуктов питания - обогащение их состава недостающими природными ингредиентами [1, 2].
Экстракция является одним из эффективных методов выделения биологически активных веществ (БАВ) из природных растительных материалов и остается основным методом получения ценных компонентов из растительного сырья.
Анализ научно-технической и патентной литературы свидетельствует, с одной стороны, о перспективности использования сжиженных и сжатых инертных газов в качестве экстрагентов ценных компонентов из витаминсодержащего растительного сырья, с другой стороны, об отсутствии единой системы научно обоснованного применения в пищевой промышленности сжиженного и сжатого диоксида углерода [3-7].
Накопленный научный и практический опыт показывает, что СО2 как экстрагент для пряно -ароматического, эфиромасличного и лекарственного растительного сырья в большей мере удовлетворяет требованиям к промышленным растворителям [8, 9].
Фазовые состояния диоксида углерода позволяют рассматривать его в качестве перспективного экстрагента, антисептика и т. д. для широкого спектра сырья. Это обусловлено термодинамическими, физико-химическими и эксплуатационными свойствами газа:
низкая температура кипения и высокая летучесть позволяет осуществить практически мгновенную дистилляцию мисцеллы в щадящих температурных условиях, что обеспечивает получение высококачественных экстрактов, сохраняющих летучие свойства, из эфиромасличного, пряно-ароматического и лекарственного сырья;
возможность проведения экстракции при термодинамических условиях, определяемых до- и сверхкри-тическим давлениями, позволяет существенно изменить селективность процесса, добиваясь получения экстрактов с прогнозируемым составом и направленными свойствами;
высокая внутренняя энергия, относительно небольшая вязкость и скрытая теплота испарения дают воз-
