CC BY
6УДК 664.959.5
О.Я. Мезенова1, С.В. Агафонова1, Н.Ю. Романенко1, В.В. Волков1, Н.С. Калинина1, Д.С. Пьянов2, Е.Г. Киселев3, Н.О. Жила3
1 Калининградский государственный технический университет, Калининград, 236022;
2 Атлантический филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (АтлантНИРО), Калининград, 236000;
3 Сибирский федеральный университет, Красноярск, 660041 e-mail: [email protected]
ПЕРЕРАБОТКА ВТОРИЧНОГО РЫБНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ КОРМОВЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ
Обоснована комплексная технология переработки вторичного рыбного сырья с получением протеиновых добавок и жира. Протеиновые добавки использованы в составе кормов для рыбоводства, а жир апробирован в качестве углеродного источника для микробного синтеза биоразлагаемого полимера. Протеиновые добавки получают высокотемпературным гидролизом рыбных тканей с последующим фракционированием и сушкой, при этом выделяется жир, который собирают и используют. При такой обработке получают водорастворимую низкомолекулярную пептидную добавку с содержанием протеина более 80% и водонерастворимую белково-минеральную добавку с содержанием протеина более 50% и минеральных веществ более 20%. Эти добавки, изготовленные из голов копченой кильки, успешно апробированы в составе комбикормов при выращивании молоди сиговых. Эксперименты по использованию рыбного жира из вторичного рыбного сырья показали его перспективность. Жир из рыбных отходов служил эффективным единственным источником углерода для синтеза штаммом Cupriavidus necator B-10646 биополимеров типа полигидроксиалканоатов.
Ключевые слова: вторичное рыбное сырье, гидролиз, рыбоводство, протеиновые добавки, биополимеры.
O.Ya. Mezenova1, S.V. Agafonova1, N.Yu. Romanenko1, V.V. Volkov1, N.S. Kalinina1, D.S. Pyanov2, E.G. Kiselev3, N.O. Zhila3
1 Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, 236022;
2 Atlantic branch of Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography (AtlantNIRO),
Kaliningrad, 236000;
3 Siberian Federal University,
Krasnoyarsk, 660041 e-mail: [email protected]
PROCESSING OF SECONDARY FISH RAW MATERIALS FOR FORAGE AND TECHNICAL PURPOSES
A complex technology for processing secondary fish raw materials with the production of protein supplements and fat is substantiated. Protein additives have been used in the composition of feed for fish farming, and fat has been tested as a carbon source for microbial synthesis of a biodegradable polymer. Protein supplements are obtained by high-temperature hydrolysis of fish tissues, followed by fractionation and drying, while separating fat, which is collected and used. With this treatment, a water-soluble low molecular weight peptide supplement with a protein content of more than 80% and a water-insoluble protein-mineral supplement with a protein content of more than 50% and minerals of more than 20% are obtained. These additives, made from the heads of smoked sprat, have been successfully tested in the composition of compound feeds when growing juvenile whitefish. Experiments on the use of fish oil from secondary fish raw materials have shown its potential. Fat from fish waste served as an effective sole carbon source for the synthesis of polyhydroxyalkanoate-type biopolymers by Cupriavidus necator strain B-10646.
Key words: secondary fish raw materials, hydrolysis, fish farming, protein supplements, biopolymers.
В Калининградской области в настоящее время производится около 70% всех отечественных рыбных консервов, при этом в процессе обработки образуется около 50% от массы сырья отходов, которые практически не используются. На рыбоперерабатывающих предприятиях области сегодня нет рыбомучных отделений и соответствующего оборудования. Важно, что в регионе начинает развиваться индустриальная аквакультура (преимущественно лососевые, форель), при этом корма до недавнего времени поступали в основном по импорту. Следует принять во внимание, что с 2020 г. в регионе реализуется программа зарыбления мальками сиговых Куршского и Калининградского заливов Балтийского моря, что связано с резким сокращением их популяции. Для этих целей предприятия по выращиванию лососевых и сиговых нуждаются в качественных кормах, содержащих качественный белок рыбного происхождения. При производстве кормов для данных видов основным компонентом является рыбная мука, дефицит которой сегодня налицо в регионе, или ее аналог, содержащий усвояемые рыбные компоненты.
На кафедре пищевой биотехнологии Калининградского государственного технического университета (КГТУ) разработана технология комплексной переработки рыбных отходов с применением высокотемпературного гидролиза, в соответствии с которой из данного сырья безотходно получают три вида биодобавок - низкомолекулярную водорастворимую пептидно-протеиновую, водонерастворимую высокомолекулярную белково-минеральную и жировую добавки. Первые две добавки отличаются высоким содержанием протеина (соответственно более 80 и 50%), а жировая добавка кроме липидов содержит примеси (воду, белки и др.) и часто имеет признаки гидролитической и окислительной порчи (повышенные значения кислотного и пере-кисного чисел жира), что свидетельствует о ее потенциальной токсичности [1-3].
Актуальным является вместо рыбной муки в состав комбикормов для рыб вводить получаемые по новой технологии протеинсодержащие добавки, а жировую композицию использовать в качестве источника углерода для микробного синтеза биоразлагаемых полимеров типа поли-гидроксиалканоатов (ПГА). Данные направления востребованы в связи с кормовыми проблемами в рыбоводстве, а также в связи с повышенной загрязненностью окружающей среды неразла-гаемыми полимерами, получаемыми из углеводородов химическим путем (полиэтиленом, полипропиленом и др.). В связи с быстрой окисляемостью рыбных жиров рационально получать из них микробным синтезом биоразлагаемые полимерные материалы типа ПГА с заданными свойствами, используя жир из рыбных отходов в качестве источника углерода. ПГА зарекомендовали свои высокие технологические свойства, позволяющие использовать их в составе упаковки, бытовых предметов и в других сферах [4, 5].
Целью настоящих исследований являлось обоснование комплексной переработки рыбных отходов консервных производств для получения протеинсодержащих добавок, предназначенных для рыбоводства лососевых, а также жировых композиций, пригодных в качестве углеродного источника для микробного синтеза биополимеров типа ПГА.
Методики исследования. Рыбные отходы были предоставлены рыбоконсервными предприятиями ООО «Роскон» и СПК «Рыболовецкий колхоз «За Родину». Комплексную переработку вели на кафедре пищевой биотехнологии КГТУ в термореакторе при температуре гидролиза 130°С в течение 1 ч при давлении 0,15-0,20 МПа с последующим разделением фракций центрифугированием и сушкой протеиновых композиций. При оценке качества биодобавок использовали традиционные органолептические, физико-химические методы. Биологические испытания по аквакультуре проводили на опытной станции АтлантНИРО с использованием традиционных кормовых методик. Исследования по микробному синтезу ПГА проводили в Сибирском федеральном университете с применением штамма Cupriavidus песаО B-10646. Бактерии выращивали в жидкой питательной среде - минеральной среде Шлегеля, состоящей из Na2HPO4•H2O - 9,0; KH2PO4 - 1,5; MgSO4•H2O - 0,2; Fe3C6H5O7•7H2O - 0,025, N^0 0,5-1 (г/л). В качестве источника углерода использовали три типа жировых отходов, полученных из голов копченой кильки, из голов и хребтов скумбрии и из некондиционной кильки.
В ходе исследований и обобщения полученных результатов на многочисленных объектах рыбных отходов консервного производства (головы, хребты, чешуя), в том числе шпротных отходов (головы копченой кильки), была разработана схема комплексной переработки побочного рыбного сырья. В итоге получаются безотходно три биодобавки пептидно-протеинового, белко-во-минерального и жирового состава. Сущность технологии заключается в высокотемператур-
ной обработке измельченного рыбного сырья в водной среде под давлением, что приводит к образованию рыбоводной суспензии, экстракции в водную среду низкомолекулярных водорастворимых пептидов и белков, разделении суспензии центрифугированием на три фракции (жировую, водную и осадочную) с последующей сушкой водной и осадочной фракций. В результате из рыбных отходов без химического воздействия и безотходно образуются три органические фракции - пептидно-протеиновая, белково-минеральная и жировая с массовым выходом соответственно 4,1-5,3%, 27,5-31,2% и 2,3-4,6% (в зависимости от вида отходов).
Потенциал протеинсодержащих биодобавок оценивали по их общему химическому составу и аминокислотному составу белков. Установлено, что пептидно-протеиновая добавка представляет собой концентрат гидролизованных белков (80,1-85,7%), которые потенциально являются высоко усвояемыми и биологически активными компонентами, участвующими в пластических, энергетических, антиоксидантных эффектах организма. Белково-минеральная добавка отличается высоким содержанием белков (51,4-56,5%), в ней также много минеральных веществ (24,0-27,3%) и жира (12,5-18,1%). Это позволяет считать протеинсодержащие биодобавки рациональными для введения в состав комбикормов для аквакультуры лососевых.
Исследованиями биодобавок, полученных из голов копченой кильки, установлено, что они отличаются друг от друга по аминокислотному составу белков. Пептидная добавка содержит все незаменимые аминокислоты, в то время как в белково-минеральной добавке отсутствуют пять незаменимых аминокислот (изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан и треонин) [7]. Характерно, что в обеих добавках достаточно много лизина, аланина, гистидина и таурина, важных для питания рыб. В белково-минеральной добавке установлено рациональное для кормов лососевых соотношение между кальцием и фосфором 2,01 : 1 (рекомендуемое 2 : 1). Полученные данные позволяют использовать пептидную и белково-минеральную добавки, полученные из голов копченой кильки, в качестве компонентов комбикормов для рыбоводства сиговых взамен рыбной муки.
В биологических испытаниях, проведенных на рыбоводной базе АтлантНИРО, использовали рекомендуемую ФАО рецептуру для сига и радужной форели. В контрольном корме (КК) в качестве основного источника белка использовали рыбную муку, тогда как в первом экспериментальном корме (ЭК5) 5% рыбной муки было заменено пептидной добавкой, а во втором экспериментальном корме (ЭК10) 10% рыбной муки было заменено на белково-минеральную добавку. Обе добавки были получены из шпротных отходов.
Эксперименты по кормлению мальков сига проводили в течение 56 суток в экспериментальной замкнутой системе аквакультуры на Куршской косе. В качестве биологического объекта использовали молодь сига массой 1 и 3 г соответственно, выращенную на месте из икры диких производителей, выловленных в Куршском заливе.
В обоих экспериментах 3 000 мальков сига были случайным образом разделены на три группы по 500 особей в шести прямоугольных аквариумах из стекловолокна емкостью 500 л. В течение 56 суток рыб содержали при 24-часовом световом режиме, кормили вручную три раза в день с нормой кормления 3% от общей биомассы
Результаты показали, что у рыб в экспериментальной группе (ЭК5 и ЭК10) наблюдается более высокая скорость роста (1,25-1,33) и более низкие значения кормового коэффициента (1,15-1,61). Причиной этого, вероятно, служит более сбалансированный аминокислотный состав в протеиновой части корма, высокое содержание протеина и минеральных компонентов. Установлено положительное влияние добавок на морфофизиологические показатели молоди сига (индексы сердца, селезенки) и показатели крови в гистологических исследованиях. Установлено положительное влияние низкомолекулярной пептидно-протеиновой добавки на организм рыб из экспериментальной группы (ЭК5), в частности повышенная концентрация в крови гемоглобина, показатели СГЭ и ЦП, меньший уровень оксифильных нормобластов. Это свидетельствует об активных обменных процессах, происходящих в организме этих рыб, и о более высокой обеспеченности их тканей кислородом. Полученные результаты представляют научный и практический интерес, так как позволяют использовать рыбные отходы, в том числе копченые, в рыбоводных целях для изготовления дефицитных кормов в аквакультуре [7-9].
В экспериментах по микробному синтезу биоразлагаемых полимеров полигидроксиалканоа-тов (ПГА) в качестве единственного углеродного субстрата для роста природного штамма бактерий Cupriavidus necator B-10646 исследованы три жиросодержащие композиции, выделенные
из рыбных отходов: жир из шпротных голов кильки (килечный копченый), жир из голов и хребтов скумбрии (скумбриевый), жир из некондиционной кильки (килечный).
Установленный жирнокислотный состав липидов показал, что во всех образцах доминирующими жирными кислотами являются пальмитиновая, олеиновая, докозагексаеновая (25-34%), а также эйкозапентаеновая (21-24%); содержание других жирных кислот было незначительным, на уровне 0,1-4,0% массы жира.
На первом этапе исследований выполнена оценка роста микроорганизмов C. necator B-10646 на средах с содержанием жиров рыб 10 г/л. Во всех вариантах отмечается рост культуры, но наибольший показатель зафиксирован на копченом жире, что можно объяснить повышенным количеством омега-3 ПНЖК, не окисленных за счет наличия фенолов-антиоксидантов, попавших в жир рыб при копчении.
При исследовании влияния концентрации жира в диапазоне 10-40 г/л на рост микроорганизмов и накопление OTA в течение 48 ч установлены различные эффекты. Рост бактерий на среде с жиром из свежей кильки практически отсутствовал. Биомасса не превышала 1 г/л, и содержание полимера в клетках также было невысоким - 15-20% сухой биомассы. При использовании жира скумбрии данные показатели были несколько выше в начале и конце эксперимента (концентрация биомассы 1,9 и 2,2 г/л при концентрациях в субстрате соответственно 10 и 15 г/л). В исследованиях со шпротным жиром установлены самые высокие показатели накопления биомассы (4,3-4,7 г/л) при концентрациях жира 15-25 г/л, при этом достигалось максимальное содержание полимера в клетках (60-62% от сухой биомассы). Установлено, что все представленные субстраты подходят для роста бактерий и синтеза OTA при диапазоне оптимальных концентраций в субстратах для всех жиров 15-25 г/л.
Поведенные эксперименты по микробному синтезу свидетельствуют о возможности использования жировых отходов, получаемых из вторичного рыбного сырья методом термогидролиза, в качестве С-субстрата для получения биоразрушаемых полимеров типа OTA.
В результате исследований установлена рациональность комплексной переработки рыбных отходов методом высокотемпературного гидролиза с получением трех видов органических биодобавок - пептидно-протеиновой, протеино-минеральной и жировой.
Положительно апробировано использование протеинсодержащих добавок в составе комбикормов при выращивании мальков сиговых в индустриальной аквакультуре.
Установлена рациональность использования жировых фракций из рыбных отходов в качестве единственного углеродного источника для микробного синтеза биоразрушаемого пластика класса полигидроксиалканоатов.
Литература
1. Мезенова О.Я. Биотехнологические способы получения протеиновых и белково-минеральных добавок из вторичного рыбного сырья коптильных производств // Известия вузов. Пищевая технология. - 2019. - № 2-3. - С. 68-71.
2. Способ получения пищевых добавок из вторичного копченого рыбного сырья: Патент 2681352 Рос. Федерации / О.Я. Мезенова, Л.С. Байдалинова, С.В. Агафонова, Н.Ю. Мезенова, Л.В. Городниченко, Н.С. Калинина, В.В. Волков, Т. Гримм, А. Хёлинг; заявл. 22.01.20, опубл. 22.07.20. Бюл. № 21. - 12 с.
3. Мезенова О.Я. и др. Сравнительная оценка способов гидролиза коллагенсодержащего рыбного сырья при получении протеинов и исследование их аминокислотной сбалансированности // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - Т. 8, № 4. - 2018. - С. 83-94.
4. Черняев Ж.А. Воспроизводство сиговых рыб. Эколого-физиологические особенности размножения и развития. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2017. - 329 с.
5. Popa M.S., Frone A.N., Panaitescu D.M. Polyhydroxybutyrate blends: A solution for biodegradable packaging // International Journal of Biological Macromolecules. - 2022. - № 207. -P. 263-277.
6. Volova T., Sapozhnikova K., Zhila N. Cupriavidus necator B-10646 growth and polyhydro-xyalkanoates production on different plant oils // International Journal of Biological Macromolecules. -2020. - № 164. - Р. 121-130.
7. Проектирование сбалансированных кормов для индустриальной аквакультуры с применением протеиновых гидролизатов побочного рыбного сырья / О.Я. Мезенова, Д.С. Пьянов, С.В. Агафонова, Н.Ю. Мезенова, В.В. Волков // Рыбное хозяйство. - 2021. - № 4. - С. 81-88.
8. Применение продуктов гидролиза шпротных отходов при кормлении европейского сига в аквакультуре / О.Я. Мезенова, Д.С. Пьянов, С.В. Агафонова, Н.Ю. Романенко, В.В. Волков, Н.С. Калинина // Рыбное хозяйство. - 2022. - № 3. - С. 54-61.
9. Оценка питательной ценности комбикормов для лососевых с добавлением продуктов гидролиза шпротных отходов / О.Я. Мезенова, Д.С. Пьянов, С.В. Агафонова, Н.Ю. Романенко, В.В. Волков, Н.С. Калинина, Т. Мерзель // Известия КГТУ. - 2022. - № 67. - С. 33-47.
