CC BY
211
УДК 664.959.5:[636.084.413:636.5]
М. Е. Цибизова, Д. С. Язенкова, А. Ю. Акимова
ФЕРМЕНТАЦИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ РЫБНОГО СЫРЬЯ КАК ОДИН ИЗ ЭТАПОВ ПОЛУЧЕНИЯ СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Введение
В настоящее время ведется активный поиск новых источников сырья и способов их переработки в качественную пищевую продукцию. Перед любой отраслью перерабатывающей промышленности всегда стоят задачи по повышению эффективности использования сырья, сокращению отходов производства, расширению ассортимента и повышению качества выпускаемой продукции. Особенно это касается такого ценного исчерпываемого, но возобновляемого при правильной эксплуатации сырья, как гидробионты.
Известно, что в организме наземных и морских животных около одной трети общего количества азотистых веществ приходится на долю коллагеновых соединений, поэтому наиболее перспективным направлением в получении новых видов натуральных и относительно недорогих высококачественных структурообразователей является переработка коллагенсодержащих вторичных рыбных ресурсов (голова, кости, плавники и др.).
Коллагенсодержащее сырье богато ценными минеральными веществами, включает в себя достаточное количество аминокислот, физиологически активных веществ. Основными достоинствами коллагена являются отсутствие токсичности и канцерогенности, слабая антигенность, высокая механическая прочность, устойчивость к ферментам, регулируемая скорость лизиса в организме, способность образовывать комплексы с биологически активными веществами, стимуляция регенерации собственных тканей организма. Именно рыбный коллаген является гипо-аллергенным, т. к. на 96 % идентичен человеческому белку [1].
В пищевой промышленности коллаген и продукты его гидролиза используются при производстве желатина, для получения пищевых плёнок, покрытий, съедобных оболочек колбасных изделий, в качестве структурообразователя в заливках для консервов и рыбных фаршей, формованных рыбных изделий, при производстве аналогов икры, бульонов, студней, соусов, различных оздоровительных напитков и коктейлей, а также в качестве добавки в хлебопекарном и кондитерском производстве [2, 3]. В медицине это многочисленные препараты, используемые при лечении гипертонической болезни, остеоартрита, недержания мочи, выявлен также противораковый эффект рыбного коллагена [4].
В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к производству разделанной рыбы промысловых видов (потрошение, филетирование, производство фарша), соленой, копченой рыбопродукции из воблы, тарани, леща и т. д. Имеются все основания прогнозировать в дальнейшем увеличение объема производства рыбной продукции глубокой степени разделки с целью повышения ее потребительской привлекательности, конкурентоспособности и максимального использования мышечной ткани рыбного сырья.
В связи с широким внедрением глубокой разделки в переработку рыбного сырья возникает проблема стабилизации структуры формованной продукции из рыбного сырья. Одним из показателей качества такой продукции является консистенция. Для придания требуемой структуры в пищевые продукты вводят добавки белковой или полисахаридной природы, которые, как правило, производятся за рубежом [2, 3]. Именно поэтому получение структурообразователей из рыбного сырья является достаточно важной задачей. В связи с этим необходимо разрабатывать научно обоснованные и экономически приемлемые способы переработки коллагенсодержащего рыбного сырья.
В связи с вышеизложенным целью работы являлось исследование возможности применения ферментативных технологий при получении структурообразователей из отходов рыбоперерабатывающей промышленности.
В соответствии с поставленной целью задачами исследования являлись:
— изучение химического состава костной ткани промысловых рыб Волго-Каспийского бассейна;
— установление оптимальных технологических параметров предварительной ферментативной обработки костной ткани рыбного сырья;
— изучение химического состава костной массы рыбного сырья после ферментации.
Материалы и методы исследования
В качестве объектов исследования были использованы отходы от разделки промысловых рыб на филе: костный скелет, жидкий комплекс протеолитических ферментов, полученный из внутренних органов промысловых рыб. Отходы от разделки промысловых рыб весеннего вылова, мороженые, приобретены в рыболовецкой артели «Дельта-Плюс».
Изучение химического состава объектов исследования проводили стандартными методами [5]. Массовую долю коллагена, %, определяли по методу В. П. Воловинской, сущность которого заключается в экстрагировании фракции коллагеновых белков и последующем определении в экстрактах белкового азота [6]. Интенсивность процесса дезагрегации костной ткани промысловых рыб оценивалась по изменению азота концевых аминогрупп (ФТА) гидролизуемой смеси, определение которого проводилось в модификации Черногорцева [7]. Протеолитическая активность жидкого комплекса протеолитических ферментов (ЖКПФ) определялась модифицированным методом Ансона с применением в качестве субстрата 1 %-го раствора казеината натрия [7].
Результаты исследования и их обсуждение
Как известно, основной белок костной ткани - коллаген - фибриллярный белок, составляющий основу коллагеновых волокон соединительной ткани и обеспечивающий её прочность. Именно этот белок при кипячении с водой переходит в глютин или клей, которые, в свою очередь представляют собой студнеобразные вещества, обладающие структурообразующими свойствами. Нагревание в водной среде до определенной температуры приводит к изменению физических свойств коллагена, при этом резко падает вязкость раствора, что указывает на потерю волокнистой структуры. Переход коллагена в желатин - это процесс, при котором высокоорганизованное квазикристаллическое, нерастворимое в воде коллагеновое волокно превращается из бесконечной ассиметричной сетки взаимосвязанных тропоколлагеновых единиц в водорастворимую систему независимых молекул с гораздо более низкой степенью упорядоченности [3, 8].
Соотношение высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, в том числе продуктов распада, решающим образом влияет на способность растворов этих веществ к студнеоб-разованию или желатинизации: чем большую долю составляют высокомолекулярные соединения, тем быстрее идет студнеобразование, тем выше температура, при которой оно происходит, и тем более прочными получаются студни [3]. Скорость превращения коллагена в желатин при нагревании сырья во влажной среде зависит от параметров процесса - температуры и рН, а также от свойств сырья [9].
Установлено также, что действие ферментов на коллаген различно. Например, специфические ферменты коллагеназа и коллагенмукопротеиназа - воздействуют целенаправленно на коллагеновые молекулы. Неспецифические ферменты (трипсин, химотрипсин, бактериальные протеиназы, пепсин, папаин, фицин, бромелин, эластаза, мукополисахаридаза, амилаза и др.) имеют различный профиль воздействия и расщепляют в основном денатурированный коллаген на пептиды, способствуя увеличению его растворимости [1].
Температура денатурации рыбного коллагена приблизительно на 13-15 °С ниже значения температуры денатурации, характерного для коллагена шкур млекопитающих. По мнению многих ученых, это связано с меньшей эволюционно-адаптационной организацией теплокровных животных, что обусловило и более низкую структуризацию фибриллярных белков. Следует отметить, что температура денатурации коллагена зависит от места обитания рыбы и составляет для кожи рыб холодных морей 33-52 °С, рыб теплых морей - 49-58 °С [8].
В ряде случаев для гидролиза коллаген- или кератинсодержащих белков, плохо растворимых в воде и обладающих большим количеством пептидных связей, не поддающихся ферментативному гидролизу, используют предварительный кислотный гидролиз, а после частичного или полного перевода белков в растворимое состояние осуществляют дальнейшее превращение в гидролизаты при помощи ферментных препаратов [1]. На наш взгляд, использование кислотного гидролиза требует соответствующего технологического оборудования.
Применение для гидролиза протеолитических комплексов или отдельных ферментных препаратов сдерживается несколькими факторами: ценой; доступностью; активностью ферментов по отношению к расщепляемому субстрату, т. е. субстратной специфичностью, оказывающей непосредственное влияние на степень деструкции белка, определяемую желаемой степенью расщепления, и зависящей от области применения получаемых белковых гидролизатов.
Именно поэтому целесообразным для ферментативной переработки рыбного сырья является использование его собственной полиферментной системы, обладающей широкой субстратной специфичностью и, следовательно, способной обеспечить поливариантность протекающих биохимических процессов.
Так как костная ткань промыслового сырья, как правило, является отходами, полученными после филетирования, то она содержит мышечную ткань, прикрепленную к костному скелету и замедляющую процесс сваривания коллагена кости. Поэтому нами рассматривалась возможность применения ферментативных технологий для предварительной обработки костной ткани с целью удаления ее с кости и перевода белков мышечной ткани в растворимое состояние.
Кроме того, температура сваривания коллагена является мерой стабильности структуры коллагена, характеризующей его изменения в процессе технологической обработки, поэтому предварительная тепловая обработка костного сырья, на наш взгляд, будет способствовать увеличению растворимости коллагена. Для данной обработки нами предлагается использовать ЖКПФ, полученный из внутренних органов промысловых рыб Волго-Каспийского бассейна по технологии, разработанной на кафедре «Пищевая биотехнология и технология продуктов питания» Астраханского государственного технического университета.
Нами был изучен химический состав костной ткани промысловых рыб ВолгоКаспийского бассейна до ферментирования (табл. 1).
Таблица 1
Химический состав костного скелета промыслового рыбного сырья до ферментирования
Сырье Содержание, %
воды белка жира минеральных веществ
в том числе коллагена
Щука 71,3 ± 1,5 18,5 ± 0,7 6,8 ± 0,2 4,1 ± 0,3 8,0 ± 0,7
Окунь 69,2 ± 1,3 17,9 ± 0,5 6,5 ± 0,2 5,2 ± 0,2 7,8 ± 0,6
Сом 63,2 ± 1,3 17,1 ± 0,7 7,1 ± 0,2 6,5 ± 0,4 8,7 ± 0,8
Сазан 66,1 ± 1,6 18,0 ± 0,4 6,9 ± 0,2 6,4 ± 0,2 9,7 ± 0,5
Толстолобик 69,2 ± 1,8 17,5 ± 0,5 6,7 ± 0,2 5,8 ± 0,3 9,1 ± 0,4
Согласно данным табл. 1, костный скелет промыслового рыбного сырья имеет сходный химический состав и содержит от 17,1 до 18,5 % белка, в том числе коллаген кости составляет 6,5—7,1 % (на сырое вещество). Содержание жира в костной ткани практически не зависит от видовой принадлежности рыб и варьирует от 4,1 до 6,5 %. Костная ткань может быть рассмотрена и как источник макро- и микроэлементов, что подтверждается содержанием минеральных веществ - от 7,8 до 9,7 %. Таким образом, изучение химического состава костного сырья показывает, что костная ткань промысловых рыб Волго-Каспийского бассейна - коллагенсодержащее рыбное сырье и источник получения натурального структурообразователя.
Показатели качества ЖКПФ, полученного из внутренних органов промысловых рыб, представлены в табл. 2.
Таблица 2
Показатели качества и протеолитическая активность ЖКПФ из внутренних органов промысловых рыб
Показатель ЖКПФ из внутренних органов
Щука Окунь Сом Сазан Т олстолобик
Внешний вид Жидкость однородная Жидкость однородная Жидкость однородная Жидкость однородная Жидкость однородная
Запах Естественный, свойственный рыбному сырью, без порочащих признаков Естественный, свойственный рыбному сырью, без порочащих признаков Естественный, свойственный рыбному сырью, без порочащих признаков Естественный, свойственный рыбному сырью, без порочащих признаков Естественный, свойственный рыбному сырью, без порочащих признаков
Цвет Буро-серый Буро-серый Буро-серый Буро-серый Буро-серый
Протеолитическая активность, ед/г 4,2 ± 1,2 4,3 ± 1,2 5,4 ± 1,2 4,9 ± 1,2 4,7 ± 1,2
Изучение показателей качества ЖКПФ, полученного из внутренних органов промысловых рыб весеннего и осеннего вылова (табл. 2), показало, что он представляет собой однородную жидкость буро-серого цвета. Протеолитическая активность ЖКПФ из внутренних органов промысловых рыб Волго-Каспийского бассейна весеннего вылова зависит от видовой принадлежности сырья и достигает максимальной активности (5,4 ед/г) для ЖКПФ из внутренних органов сома. Более низкой активностью обладает ЖКПФ из внутренних органов сазана и толстолобика (4,9 и 4,7 ед/г соответственно), менее активен ЖКПФ из внутренних органов щуки и окуня (4,2 и 4,3 ед/г соответственно).
Нами был изучен химический состав ЖКПФ (табл. 3).
Таблица 3
Химический состав ЖКПФ из внутренних органов промысловых рыб весеннего вылова
Промысловое сырье, внутренние органы Соде] ржание, %
воды белка жира минеральных веществ
Щука 90,3 ± 0,4 7,9 ± 0,3 0,9 ± 0,2 0,9 ± 0,2
Окунь 90,6 ± 0,4 7,5 ± 0,3 1,1 ± 0,3 0,8 ± 0,2
Сом 90,1 ± 0,4 6,9 ± 0,3 1,9 ± 0,2 1,1 ± 0,2
Сазан 90,5 ± 0,4 6,8 ± 0,3 1,8 ± 0,4 0,9 ± 0,2
Толстолобик 89,6 ± 0,4 7,3 ± 0,3 1,9 ± 0,3 1,2 ± 0,2
Данные табл. 3 показывают, что химический состав ЖКПФ из внутренних органов промысловых рыб различной видовой принадлежности незначительно отличается по содержанию белка, жира, минеральных веществ: варьирование содержания белка составляет 6,8-7,9 %, содержания жира - 0,9—1,9 %, содержания минеральных веществ - 0,8-1,2 % независимо от видовой принадлежности рыб, поэтому нами в дальнейших исследованиях использовался ЖКПФ, полученный из внутренних органов промысловых рыб, взятых в равных соотношениях.
Для выбора оптимального гидромодуля и продолжительности автолиза костной массы проводилось изучение динамики накопления ФТА гидролизуемой смеси, состоящей из костей исследуемых видов рыб, взятых в равных соотношениях, при различном соотношении «костная смесь : ЖКПФ», равном 1 : 1—1 : 4, в течение 8 часов при температуре 50 ± 1,0 °С при естественном рН смеси. В качестве контроля рассматривалась динамика накопления ФТА в реакционной смеси, в которой вместо ЖКПФ использовалась водная среда.
Использование данной температуры обосновано данными литературного обзора, который показал, что температура денатурации костей рыб варьирует от 33 до 59 °С. Кроме того, проведенные ранее исследования по получению ЖКПФ из внутренних органов промысловых рыб показали, что оптимальным температурным интервалом для его получения является интервал 40—50 °С [10].
Динамика ФТА в гидролизуемой смеси при различном гидромодуле представлена на рис. 1.
—Ш—Гидромодуль 1 : 2
-----Гидромодуль 1 : 4
—X—Гидромодуль 1 : 3 —Ж— Контроль
Гидромодуль 1 : 1
Продолжительность, ч
Рис. 1. Изменение ФТА в реакционной смеси костного сырья при различном гидромодуле
Согласно данным на рис. 1, наиболее интенсивно процесс накопления продуктов дезагрегации рыбного белка в реакционной смеси наблюдается при использовании ЖКПФ в качестве гидромодуля. Применение воды как гидролизующей среды приводит к незначительному накоплению продуктов дезагрегации рыбного белка, достигающего в конце автолиза 125 мг/100 г.
Применение ЖКПФ активизирует процесс расщепления рыбного белка мышечной ткани и его переход в реакционную среду. При постепенном увеличении гидромодуля наблюдается интенсификация процесса накопления ФТА. Нами установлено, что при гидромодуле 1 : 1 количество ФТА в реакционной смеси после окончания процесса ферментирования составляет 398,0 мг/100 г, при гидромодуле 1 : 2 - 422,0 мг/100 г. Максимальное накопление ФТА - 478,0 мг/100 г - наблюдается при гидромодуле 1 : 3, что объясняется, на наш взгляд, оптимальным соотношением субстрата и фермента и расположением реагирующих атомов в правильной ориентации и на необходимом расстоянии друг от друга - так, чтобы обеспечить оптимальное протекание реакции. Дальнейшее увеличение гидромодуля снижает интенсивность процесса расщепления белка, и количество ФТА в реакционной среде достигает 445 мг/100 г. Снижение динамики накопления ФТА в реакционной смеси при увеличении гидромодуля обусловлено разбавлением субстрата.
Продолжительность процесса дезагрегации рыбного белка также влияет на интенсивность процесса накопления ФТА, которая оценивалась по изменению отношения ФТА к общему азоту (ОА) смеси - ФТА/ОА, % (рис. 2).
—И—Гидромодуль 1 : 2
-----Гидромодуль 1 : 4
—X—Гидромодуль 1 : 3 —Ж— Контроль
—♦—Гидромодуль 1 : 1
0 2 4 6 8
Продолжительность, ч
Рис. 2. Степень дезагрегации белка в реакционной смеси костного сырья при различном гидромодуле
Согласно данным на рис. 2, степень дезагрегации белка мышечной ткани в реакционной смеси увеличивается с течением времени. Максимальная степень расщепления белка реакционной смеси, достигающая 23,1 %, наблюдается через 6 часов автолиза при гидромодуле 1 : 3. Дальнейшее увеличение продолжительности автолиза до 8 часов практически не оказывает влияния на степень расщепления белка, что объясняется стабилизацией процесса ферментиро-вания. Данная зависимость характерна и для гидромодулей 1 : 1, 1 : 2 и 1 : 4, что позволяет прекратить процесс ферментирования костной массы через 6 часов. Таким образом, рекомендуемыми параметрами процесса предварительной подготовки костного сырья при получении структурообразователя является ферментирование костной массы в присутствии ЖКПФ при соотношении 1 : 3, температуре 50,0 ± 1,0 °С и естественном рН смеси в течение 6 часов.
Нами был изучен также химический состав костной ткани промысловых рыб ВолгоКаспийского бассейна после ферментирования (табл. 4).
Таблица 4
Химический состав костного скелета промыслового рыбного сырья после ферментирования
Промысловое сырье, костный скелет Содержание, %
воды белка жира минеральных веществ
в том числе коллагена
Щука 65,3 ± 1,5 20,8 ± 0,7 7,8 ± 0,2 3,0 ± 0,3 10,9 ± 0,7
Окунь 63,9 ± 1,3 21,3 ± 0,5 7,9 ± 0,2 3,1 ± 0,2 11,7 ± 0,6
Сом 61,4 ± 1,3 22,5 ± 0,7 8,6 ± 0,2 3,5 ± 0,4 12,9 ± 0,8
Сазан 61,8 ± 1,6 22,0 ± 0,4 8,3 ± 0,2 4,1 ± 0,2 12,7 ± 0,5
Толстолобик 62,2 ± 1,8 22,9 ± 0,5 8,9 ± 0,2 3,8 ± 0,3 11,5 ± 0,4
Согласно данным табл. 4, химический состав костного сырья после ферментирования отличает более низкое содержание воды, достигающее 61,4-65,3 %, более высокое содержание белка, варьирующее от 20,8 до 22,9 % белка, коллаген кости составляет 7,8-8,9 % (на сырое вещество). Содержание жира также уменьшилось и варьирует от 3,0 до 4,1 %, содержание минеральных веществ увеличилось до 10,9-12,9 % в зависимости от вида сырья.
Заключение
Таким образом, исследования показали, что использование ЖКПФ, полученного из внутренних органов промысловых рыб, для ферментирования костного сырья является достаточно актуальным. Использование ЖКПФ позволяет не только уменьшить количество образующихся при переработке рыбного сырья отходов, но и повлиять на химический состав костной ткани за счет удаления мышечной ткани с кости и перевода белков мышечной ткани в растворимое состояние.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биотехнология морепродуктов / Л. С. Байдалинова, А. С. Лысова, О. Я. Мезенова и др. - М.: Мир, 2006. - 560 с.
2. Богданов В. Д., Сафронова Т. М. Структурообразователи и рыбные композиции. - М.: ВНИРО, 1993. - 172 с.
3. Измайлова В. Н., Ребиндер П. А. Структурообразование в белковых системах. - М.: Наука, 1974. - 268 с.
4. Киладзе А. Б. Рыбные отходы - ценное сырье // Рыбное хозяйство. - 2004. - № 3. - С. 58.
5. ГОСТ 7636-85. Рыба. Морские млекопитающие, морские беспозвоночные, водоросли и продукты их переработки. Методы анализа. - Введ. 1985-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1985.
6. Голубев В. Н. Основы пищевой химии. - М.: МГУПП, 1997. - 224 с.
7. Черногорцев А. П. Переработка мелкой рыбы на основе ферментирования сырья. - М.: Пищ. пром-сть, 1973. - 153 с.
8. Зайдес Х. Л. Структура коллагена и ее изменения при различных обработках: автореф. дис. ... канд. техн. наук, 1957. - 24 с.
9. Мижуева С. А., Першина Е. В. Рациональное использование отходов от разделки осетровых видов рыб: сб. докл. науч.-техн. конф. - Мурманск, 1994. - С. 65-67.
10. Цибизова М. Е. Технология протеолитических ферментов широкого спектра действия из внутренних органов прудовых видов рыб // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 2 (21). - С. 119-123.
Статья поступила в редакцию 20.09.2010
FERMENTATION OF THE BONE TISSUE OF FISH RAW MATERIALS AS ONE OF THE STAGES OF AMENDMENTS RECEPTION
M. E. Tsibizova, D. S. Yazenkova, A. Yu. Akimova
A possibility to apply fermentation technologies at amendments reception from wastes of the fish-processing industry is investigated in the paper.
The chemical composition of the bone tissue of food fishes has been studied before and after the fermentation. Parameters of preliminary preparation of bone raw materials at amendments reception are established.
Key words: bone tissue, amendments, chemical composition, fermentation.
