CC BY
125
УДК 664
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СПОСОБОВ ГИДРОЛИЗА ПРИ ПОЛУЧЕНИИИ ПРОТЕИНОВЫХ ПРОДУКТОВ ИЗ КОЛЛАГЕНСОДЕРЖАЩЕГО РЫБНОГО СЫРЬЯ И ОЦЕНКА ИХ КАЧЕСТВА
О. Я. Мезенова, В. В. Волков, А. Хёлинг, Т. Мерзель, Т. Гримм, Н. Ю. Мезенова
COMPARATIVE ASSESSMENT OF HYDROLYSIS METHODS FOR PRODUCTION OF PROTEIN PRODUCTS
FROM COLLAGEN-CONTAINING FISH RAW MATERIAL AND EVALUATION
OF THEIR QUALITY
O. Ya. Mezenova, V. V. Volkov, T. Moersel, A. Hoehling, T. Grimm, N. Yu. Mezenova
Протеины являются уникальным природным материалом, применяющимся в пищевой, аграрной, микробиологической и других отраслях промышленности. Перспективным источником их получения считается вторичное рыбное сырье, протеины которого содержат все незаменимые аминокислоты. При извлечении протеинов сырье рационально обрабатывать высокими температурами (термолиз) с ферментированием или без него при последующем разделении на пептидную, липидную и минерально-белковую фракции. При изготовлении рыбных пищевых продуктов остается около 50 % массы рыбных отходов (головы, хребты, кости, чешуя, внутренности). В Калининградской области объем рыбных отходов в сутки составляет около 10 т, которые лишь на 15-30 % перерабатываются на рыбную кормовую муку. Получение протеинов проводили тремя способами (ферментолиз, термолиз, комбинированный способ) на трех видах рыбных отходов (головы, хребты, чешуя), взятых на рыбоконсервном комплексе «РосКон». Получаемые пептидные смеси имеют молекулярную массу от 0,1 до 100 кДа и более. Наибольший интерес представляют активные пептиды с молекулярной массой менее 10 кДа. Наибольший выход активных пептидов дает ферментолиз (доля < 10 кДа составляет 97,7 %), наименьший - термолиз (пептиды < 10 кДа составляет 40,6 %). Состав аминокислот в пептидах зависит от видов сырья и гидролиза. Во всех пептидных фракциях содержатся незаменимые аминокислоты, наибольшее их количество наблюдается в пептидах ферментативного гидролиза. По абсолютному количеству преобладают глицин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты (особенно в гидролизатах из чешуи), а также незаменимые аминокислоты (лейцин, лизин, фе-нилаланин, треонин, валин), извлекаемые ферментолизом. Все пептидные продукты содержат более 82 % протеинов в пересчете на сухое вещество, менее 6 % минеральных веществ и менее 5 % жира. Полученные пептидные смеси можно применять в составе кормов, при производстве протеиновых пищевых добавок, специализированного питания, микробиологических сред.
протеины, пептиды, гидротермолиз, ферментолиз, аминокислотный состав, незаменимые аминокислоты, протеиновые продукты; специализированное питание
Proteins are a unique natural material used in agriculture, food, microbiological and other industries. A promising source of proteins is fish by-products. Fish proteins contain all essential amino acids. During the process of proteins extraction, the raw material is rationally treated by high temperatures (thermal hydrolysis) with or without fermentation followed by separation into peptide, lipid and mineral-protein fractions. Fish processing generates by-products (heads, fish bones, scales, etc.) making up to 50% of the raw materials mass. Average total daily amount of fish by-products in the Kaliningrad region is about 10 tons with a share of only 15-30 % of them processed in a traditional way into fish meal. Protein extraction has been performed in three ways (enzymatic hydrolysis, thermal hydrolysis and their combination) with three fish byproduct types (heads, fish bones and scales) kindly provided by the fish cannery complex "RosKon". The produced peptide mixtures can have a molecular weight from 0.1 kDa to 100 kDa or more. The highest yield of active peptides is provided by enzymatic hydrolysis (peptide fraction < 10 kDa is 97.7 %), the lowest one is provided by thermal hydrolysis (peptide fraction < 10 kDa is 40.6 %). Composition of amino acids in peptides depends on the type of raw material, hydrolysis type and parameters. All the peptide fractions contain essential amino acids, the greatest amount of them contain the peptides after enzymatic hydrolysis. The greatest amino acid share includes glycine, as-partic and glutamic acids (especially hydrolysates from fish scales) as well as essential amino acids (leucine, lysine, phenylalanine, threonine, and valine) after enzymatic hydrolysis. In terms of dry matter, all peptide products contain more than 82 % of proteins, less than 6 % of minerals and less than 5 % of fat. The peptide mixtures can be used in compositions of feeds, production of protein supplements, specialized food and microbiological media.
proteins, peptides, thermal hydrolysis, enzymatic hydrolysis, amino acid profile, essential amino acids, protein products, specialized nutrition
ВВЕДЕНИЕ
Протеины (или белки) животного и растительного происхождения играют важную роль в развитии цивилизации: они незаменимы в продуктах питания, обеспечивают гомеостаз организма, применяются в кормовых и строительных материалах, составе микробиологических сред, удобрений, фармакологических препаратов.
Несмотря на успехи в синтезе белков, основным способом получения протеинов остается их извлечение из натурального белоксодержащего сырья [1]. Источниками натурального белка растительного происхождения являются орехи, семечки, бобовые (соя, горох, фасоль, кукуруза). Особенно ценными являются протеины животных, птицы, рыбы, морепродуктов, молока, из которых получают ценные белковые продукты питания (мясные, молочные, рыбные). Однако данное сырье направлено, прежде всего, на пищевое применение, извлекать из него протеины не оправдано с экономической точки зрения.
Перспективно получать протеины животного происхождения из вторичных рыбных ресурсов. При переработке рыбы по традиционным пищевым технологиям (консервы, пресервы, посол и др.) остается до 50 % массы отходов, богатых натуральным белком. Это, прежде всего, коллагенсодержащее сырье - головы, кожа, чешуя, кости, идущие на кормовые цели или в утилизацию. Протеины данного сырья находятся в комплексе с минеральными и липидными материалами,
содержат ценные аминокислоты. Извлечение протеинов из природных биокаркасов коллагенсодержащих тканей рационально проводить методом гидролиза, применяя высокотемпературное, ферментативное или комбинированное воздействие [2].
В Калининградской области образующиеся отходы от переработки рыбы составляют объемы более 10.000 т/год, при этом данное сырье либо утилизируется, либо используется для корма животных без переработки. Особенно много отходов образуется при производстве рыбных консервов, количество их достигает 50 % массы сырья. Частично оно реализуется на корм пушным зверям, 5-7 % -направляется на частные предприятия по производству кормовой муки. При этом в области не хватает кормового протеина, необходимого для развития птицеводства, свиноводства и аквакультуры, которые требуют качественного белкового корма, поставляемого зачастую по импорту.
С учетом высокого качества рыбного протеина перспективно его пищевое использование. Получение пищевых протеинов из рыбного сырья традиционным способом основано на химических технологиях, с применением которых изготавливают белковые изоляты, коагуляты, концентраты, препараты [1]. Однако данные протеиновые специфичны по свойствам, а сами продукты дороги и практически не используются по причине трудоемкости технологии и загрязнения окружающей среды химическими стоками.
Инновационным способом получения протеинов из вторичного рыбного сырья является комбинированное воздействие ферментативной обработкой и высокотемпературным гидротермолизом, проводимое в специальных установках под давлением. Впервые эту технологию предложила немецкая биотехнологическая компания ANiMOX GmbH (Адлерсхоф, Берлин), которая запатентовала ее в странах ЕС, КНР, США и России и применяет при переработке мясных отходов [3]. В этом технологическом процессе предварительно размягченные под действием эндо- и экзопептидаз протеины сырья под воздействием высоких температур и давления в водной среде расщепляются на пептиды пониженной молекулярной массы, которые экстрагируются в водную среду, образуя смеси пептидов и аминокислот. С помощью этой технологии возможно получение чистых протеинов заданной молекулярной массы и высокой функциональности при низкой себестоимости. Молекулярная масса образующихся пептидов может регулироваться параметрами технологии. Содержание белков в протеиновых гидролизатах, высушенных лиофильно, превышает 95 %, они практически не содержат жира (не более 1 %) и минеральных веществ (не более 5 %).
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Сырьем для экспериментов служили мороженые и охлажденные рыбные отходы: чешуя, хребтовые кости и головы сардины (Sardina) и сардинеллы (Sardinella) центральных вод Атлантического океана как отходы при производстве консервов «Сардины в масле», предоставленные консервным комплексом ОАО «РосКон» (г. Пионерский, Калининградская обл.). При этом следует отметить, что чешуя и хребты имели значительные прирези мышечной ткани.
Эксперименты по гидролизу сырья проводили в биотехнологической компании ANiMOX (Адлерсхоф, Берлин, Германия). Сырье после размораживания и мойки грубо измельчали, после чего направляли на гидролиз тремя способами -термическим (Т), ферментативным (Ф) и ферментативно-термическим (ФТ) (ком-
бинированным). Протеиновые водорастворимые фракции гидролизатов сублима-ционно высушивали.
Т-гидролиз измельченного сырья осуществляли в автоклаве при температуре 130°С, давлении 0,25 МПа, pH 7,0 в течение 60 мин. При этом материал предварительно гомогенизировали с водой при гидромодуле 1:1, после чего смесь разделяли на центрифуге при скорости вращения 3500 об/мин в течение 10 мин. Далее систему охлаждали и разделяли на три фракции: жировую - сверху, протеиновую - среднюю и минерально-белковую (осадок) - нижнюю [4].
Для осуществления Ф-гидролиза применяли протеолитический ферментный препарат (ФП) Alcalase® 2,4 L (Novozymes, Дания). Наибольшую активность 2,5 AU / г (единицы Ансона) ФП проявляет в диапазоне температур от 55 до 70 °С, рН - от 6,5 до 8,5. Предварительно готовили гомогенизированную смесь мороженого сырья с горячей водой при гидромодуле 1:1, выдерживали ее при температуре 50 °С и pH 7,0 в течение 6 ч при постоянном перемешивании. Разделение фракций проводили аналогично описанному выше способу.
Комбинированный ФТ-гидролиз осуществляли путем сочетания предварительного Ф-гидролиза и последующего Т-гидролиза при описанных выше параметрах.
Общий химический состав сырья определяли по ГОСТ 7636. Массовую долю жира - экстракцией диэтиловым эфиром по методу Сокслета из предварительно высушенной навески, содержание общего азота - микрометодом по Кьель-далю на приборе UDK 127 (VELP Scientifica, Италия) с предварительным сжиганием навески в серной кислоте в присутствии перекиси водорода и минерального катализатора.
Фракционный состав протеинов определяли в компании ANiMOX методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на аппаратуре Phenomenex (Yarra 3uSEC-2000). Сущность метода заключается в разбавлении и фильтровании пробы образцов, разделении на фракции и идентификации средней молекулярной массы (ММ) фракций на приборе UV-Detektor с диаметром нанофильтра 214 нм. С помощью молекулярного стандарта коррелировалось время выхода молекул пробы, при этом хроматограмма соответствующей пробы включала усредненные значения. Анализ проводился при pH 6,8.
Аминокислотный состав протеинов определяли в научно-консультационной лаборатории UBF высокоэффективной жидкостной ионообменной хроматографией, основанной на гидролизе белков в микроволновой печи, разведении боратным буфером, дериватизации о-фтальальдегидом, разделении дериватов АК жидкостной хроматографией (Agilent 1200 Series G1379A, G1312A и G1329A) и определением ультрафиолетовым и флуорометрическим детекторами (Agilent Technologies1200 Series Infinity DAD и 1260 FLD).
Сбалансированность аминокислотного состава (АК) определяли относительно «идеального» белка [4]. Для этого оценивали аминокислотный скор (АК-скор) относительно «идеального» содержания аминокислот в белке, рекомендованного Всемирной организацией здравохранения (ФАО/ВОЗ) по формуле (1).
ДК1-
АС. = • loo, (1)
AKi ст
где АС - аминокислотный скор i-й незаменимой аминокислоты, %; АК - содержание i-й незаменимой аминокислоты в 100 г исследуемого белка, г; ÄKi ст - содержание той же незаменимой аминокислоты в 100 г «идеального» белка, г.
Результаты анализа общего химического состава головы и чешуи сардинеллы представлены в табл. 1.
Таблица 1. Общий химический состав коллагенсодержащего рыбного сырья Table 1. Chemical composition of collagen-containing fish raw materials_
Содержание
Вид сырья сухих веществ протеина минеральных веществ жира
г/100 г г/100 г/100 г г/100 г г/100 г г/100 г г/100 г г/100
сырья г СВ сырья СВ сырья СВ сырья г СВ
головы 34,6 100 16,0 46,2 8,62 25,5 9,80 28,3
Сардина чешуя 27,1 100 15,3 56,7 3,27 12,1 8,46 31,3
кости 41,0 100 17,2 42,0 3,80 9,28 20,0 48,7
Сарди- головы 37,4 100 15,6 41,7 6,96 18,6 14,8 39,7
нелла чешуя 33,3 100 20,2 60,5 3,62 10,9 9,53 28,6
Из табл. 1 следует, что рыбные отходы в органической массе содержат более всего протеина (41,7-60,5 % массы - сухое вещество (СВ)), достаточно много жира (28,6-48,7 % СВ) и минеральных веществ (10,9-25,5 % СВ). Все фракции представляют собой ценный биологический материал, но наибольший практический интерес имеют протеины. В рыбных отходах они относятся, прежде всего, к коллагеновой фракции белков. Это структурные белки, которые отличаются повышенной прочностью, пониженной усвояемостью, что следует принять во внимание при выборе способа гидролиза для получения легкоусвояемых протеинов с молекулярной массой менее 10 кДа. Известно, что пептиды данной размерной группы характеризуются высокой биологической активностью (иммунной, анти-оксидантной, антисептической, антикоагулянтной, антистрессовой, гипохолесте-ринемической, гипотензивной и др.), а также повышенной эргогенностью [5].
При исследовании процесса гидролиза чешуи, голов сардины и сардинеллы, хребтов сардины различными способами было получено 15 различных фракций (протеиновая, жировая и минерально-протеиновая) (табл. 2).
Таблица 2. Выходы протеиновой, жировой и минерально-протеиновой фракций при различных способах гидролиза различного коллагенсодержащего рыбного сырья Table 2. Yields of protein, fat and mineral-protein fractions after different hydrolysis types of various collagen-containing fish raw materials_
ВРС Способ гидролиза Выход фракции
протеиновой Жировой минерально-протеиновой
% от массы сырья % от СВ % от массы сырья % от СВ % от массы сырья % от СВ
Сардина
Чешуя Т 4,46 16,53 5,37 19,87 17,7 65,5
Ф 11,2 41,5 7,08 26,19 9,13 33,78
ФТ 13,4 49,66 6,34 23,46 7,71 28,53
Окончание табл. 2
ВРС Способ гидролиза Выход фракции
протеиновой Жировой минерально-протеиновой
% от массы сырья % от СВ % от массы сырья % от СВ % от массы сырья % от СВ
Головы Т 8,81 25,44 5,17 14,93 21,2 62,71
Ф 10,2 29,45 8,85 25,55 16,0 47,33
ФТ 14,4 41,58 7,56 21,83 13,1 38,75
Хребты Т 7,94 19,39 14,2 34,58 19,3 47,13
Ф 14,2 34,67 18,5 45,05 8,52 20,8
ФТ 21,7 52,99 14,6 35,55 5,10 12,45
Сардинелла
Чешуя Т 5,94 17,79 3,81 11,43 24,2 72,87
Ф 12,5 37,44 6,94 20,83 14,4 43,36
ФТ 19,1 57,2 7,61 22,84 6,99 21,05
Головы Т 10,6 28,33 7,33 19,66 19,9 53,18
Ф 12,2 32,61 12,9 34,6 12,5 33,4
ФТ 14,3 38,22 10,7 28,7 12,8 34,21
* Т - термический гидролиз, термический гидролиз
Ф - ферментативный гидролиз, ФТ - ферментативно-
Из данных табл. 2 следует, что Ф-Т-гидролиз обеспечивает максимальный выход протеинов из природного каркаса (38,22-57,2 % СВ), Ф-гидролиз позволяет получить наибольший выход жировой фракции из всех видов исследуемого сырья (20,83-45,05 % СВ), а Т-гидролиз обеспечивает наибольший выход осадочной фракции, содержащей водонерастворимые протеины и минеральные вещества.
Наибольшую ценность представляет протеиновая фракция гидролизатов рыбного коллагенового сырья. Результаты оценки выхода протеинов в процентах от исходного сырья (рис. 1) подтверждают, что комбинированный способ гидролиза (ФТ-гидролиз) обеспечивает максимальный выход протеинов из всех видов сырья (80,6-91,3 %).
Исходное сырье
Рис. 1. Сравнительная оценка выходов протеинов при различных способах
гидролиза коллагенсодержащего рыбного сырья [5, 6] Fig. 1. Comparative evaluation of protein yields after different hydrolysis types of collagen-containing fish raw materials [5, 6]
На рис. 2 представлены результаты определения фракционного состава пептидных фракции в пищевои технологической добавке, полученной из чешуи сардины и сардинеллы при различных способах гидролиза. Количество низкомолекулярных фракций с ММ менее 10 кДа считали основным индикатором показателя [7].
Из данных рис. 2 видно, что во всех образцах пищевых технологических добавок на низкомолекулярную фракцию пептидных осколков с ММ менее 10 кДа приходится основное количество общей массы пептидов (50-98 %). Именно данная низкомолекулярная фракция пептидов представляет интерес для специализированного питания, поскольку обеспечивается их максимальная биодоступность и скорость диффузии в организме [8]. При этом у данных пептидов открываются совершенно новые свойства. Они не только проявляют пластические функции, но и характеризуются различными биологическими эффектами (анаболическим, иммунным, антиокислительным, каталитическим и др.), а также высокой терапевтической эффективностью [9-11].
^■50% ^§40% 0 30%
О _ 20% К
С 10%
о
S 0%
ММ, кДа
а) Т- гидролиз
2,0%
0,8% 0,2% 0,6% 0,7% 3,2% 22,5% 1
кДа
/Тч
б) Т-гидролиз
ММ, кДа
г) Ф-гидролиз
д) ФТ-гидролиз
ММ, кДа
е) ФТ-гидролиз
Рис. 2. Молекулярно-массовое распределение частиц в протеиновой фракции чешуи сардины (а, в, д) и сардинеллы (б, г, е) при различных способах гидролиза Fig. 2. Molecular mass distribution of protein fractions of the sardine (a, в, д) and sardinella scale (б, г, e) after different hydrolysis methods
На рис. 3 показано количественное содержание протеиновых гидролизатов с низкомолекулярными пептидами (ММ менее 10 кДа) при различных способах гидролиза.
П термический □ ферментативный
щ ферментативно-термический
Рис. 3. Содержание пептидов с молекулярной массой < 10 кДа при различных способах гидролиза коллагенсодержащего рыбного сырья Fig. 3. Peptide fraction with molecular weight < 10 kDa after different hydrolysis methods of collagen-containing fish raw materials
Из рис. 3 видно, что наибольший выход активных пептидов возможно получить при ферментативном (97,6-98,1 % массы протеинов) и ферментативно-термическом (46,2-91,7 % массы протеинов) способах гидролиза всех видов рыбных отходов.
Оценка химического состава водорастворимой сублимационно высушенной протеиновой фракции гидролизованного сырья представлена в табл. 3.
Таблица 3. Результаты анализа химического состава протеиновых фракции гидролизованного разными способами коллагенсодержащего рыбного сырья Table 3. Results of the analysis of chemical composition of protein fractions of collagen-containing fish raw material hydrolysed by different methods_
ВРС Способ гидролиза СВ, % от массы фракции Содержание, % от СВ
азот (N) протеин, (N•6,25) жир минеральные вещества
Сардина
Чешуя Т 94,7 17,0 106,0 1,15 2,56
Ф 96,1 15,1 94,5 4,07 4,80
ФТ 95,0 15,7 97,9 1,74 0,14
Головы Т 95,9 15,0 93,9 2,93 9,48
Ф 92,3 14,2 88,7 0,96 9,33
ФТ 96,4 14,2 88,8 2,35 6,74
Хребтовые кости Т 94,7 15,8 98,6 0,80 6,57
Ф 93,1 14,5 90,7 2,77 5,14
ФТ 95,9 14,1 88,2 5,15 4,54
Окончание табл. 3
ВРС Способ гидролиза СВ, % от массы фракции Содержание, % от СВ
азот (Ы) протеин, (N•6,25) жир минеральные вещества
Сардинелла
Чешуя Т 95,2 17,5 109,4 0,85 3,66
Ф 96,9 14,6 91,3 6,20 2,93
ФТ 96,9 14,4 90,3 6,7 1,49
Головы Т 94,5 15,8 98,8 1,16 11,9
Ф 94,4 13,6 84,7 1,78 14,9
ФТ 95,4 14,7 92,1 0,46 7,02
Из данных табл. 3 следует, что независимо от способа гидролиза, во всех протеиновых гидролизатах значительный процент от массы СВ приходится на протеины (88,2-100 % от массы СВ). При этом содержание в протеиновой фракции жира и минеральных веществ колеблется незначительно (соответственно 0,96-6,20% и 0,14-11,9% СВ). Показатели химического состава гидролизатов зависят от вида сырья и регулируются способом и режимами гидролиза. Превышение показателя содержания белка по некоторым протеиновым гидролизатам связано с необходимостью корректировки для рыбного сырья общепринятого N фактора, равного 6,25.
Таким образом, наиболее эффективными, с точки зрения максимального извлечения протеинов и повышенного содержания легкоусвояемых низкомолекулярных протеинов, являются Ф- и ФТ-гидролизы коллагенсодержащего рыбного сырья. Т-гидролиз позволяет быстро и относительно просто получать чистые протеины коллагеновых белков с минимальным содержанием жира и минеральных веществ.
Качество получаемых из рыбных отходов различными способами гидролиза протеинов оценивали по аминокислотному (АК) составу. При этом учитывали абсолютное и относительное содержание АК, а также их сбалансированность через показатель «аминокислотный скор», рассчитанный по каждой незаменимой аминокислоте (АКскор, формула (1)) относительно ее содержания в «идеальном» белке, рекомендованном БЛО/ВОЗ.
Известно, что для структуры коллагенового белка характерно высокое содержание глицина, низкое - серосодержащих аминокислот и отсутствие триптофана. Коллаген относится к тем немногим белкам животного происхождения, которые на 20 % и более содержат остатки нестандартных аминокислот (гидрокси-пролин, лизин или его гидроксильная форма - гидроксилизин). Каждая из а-цепей состоит из триад аминокислот, в которых третья аминокислота всегда глицин, вторая - пролин или лизин, первая - любая другая аминокислота, кроме трёх перечисленных. Глицин является нейромедиаторной аминокислотой. В составе пищевых продуктов глицин оказывает седативное (успокаивающее), мягкое транквилизирующее (противотревожное) и слабое антидепрессивное действие, обладает некоторыми ноотропными свойствами, улучшает память и ассоциативные процессы. Аланин - один из основных участников глюкозо-аланинового цикла, без которого невозможен синтез глюкозы при глюконеогенезе в печени. Аспара-
гиновая кислота выполняет роль нейромедиатора в центральной нервной системе, глутамино-вая - играет важную роль в азотистом обмене, является нейромедиа-торной аминокислотой, одним из важных представителей класса «возбуждающих аминокислот» [12].
Сравнительная оценка аминокислотного состава чешуи сардины и сардинеллы атлантических (табл. 4) показала, что чешую рыб можно считать источником почти всех незаменимых (кроме триптофана) и ценных заменимых АК. Основными АК чешуи являются (% массы азотистой части): глицин (12,57-29,44), аланин (5,84-11,20), глутаминовая кислота (6,93-9,29), пролин (6,93-9,42) и гид-роксипролин (4,33-10,70), что согласуется с литературными данными. Именно эти АК необходимы людям, занимающимся активной физической деятельностью, для профилактики и поддержания опорно-двигательного аппарата организма и повышения функциональности нервной системы [6].
Таблица 4. Аминокислотный состав белков чешуи сардины и сардинеллы
Table 4. Amino acid profile of sardine and sardinella scale
Средняя массовая доля в сухой чешуе
Название АК сардины сардинеллы
г /100 г г/100 г че- г /100 г белка г /100 г
белка шуи чешуи
Аланин 5,84 3,31 11,20 5,60
Аргинин 7,23 4,10 7,90 4,00
Аспарагин 0,00 0,00 0,10 0,10
Аспарагиновая к-та 6,05 3,43 4,90 2,50
Карнозин 0,00 0,00 0,10 0,01
Цитрулин 0,02 0,01 0,00 0,00
Цистин 0,21 0,12 0,00 0,00
Глютамин 0,04 0,02 0,80 0,40
Глютаминовая к-та 9,29 5,27 8,50 4,30
Глицин 12,57 7,13 26,00 13,1
Гистидин 1,66 0,94 1,20 0,60
Гидроксипролин 9,45 4,79 10,70 4,40
Лейцин(н) 3,65 2,07 2,70 1,30
Изолейцин (н) 2,12 1,21 1,00 0,50
Лизин (н) 2,72 1,54 4,00 2,00
Метионин (н) 2,84 1,61 0,01 0,01
Орнитин 0.07 0,04 0,00 0,00
Фенилаланин (н) 2,75 1,56 2,20 1,10
Фосфоэтаноламин 0,00 0,00 0,00 0,00
Пролин 9,42 5,34 11,70 5,90
Серин 4,00 2,27 2,90 1,50
Таурин 0,10 0,06 0,00 0,00
Треонин (н) 1,22 1,69 2,10 1,10
Тирозин 1,53 0,87 0,60 0,30
Валин (н) 2,05 1,16 1,50 0,80
£ незаменимых АК 17,35 10,84 13,5 6,8
£ коллаген+эластин 76,26 40,35 86,35 35,5
В табл. 5-7 представлены результаты аминокислотного анализа протеинов различных рыбных отходов сардины.
Таблица 5. Аминокислотный состав протеинов в гидролизатах, полученных методом Ф-гидролизом из коллагенсодержащего сырья сардины, г/100 г белка Table. 5. Amino acid profile of protein hydrolysates after enzymatic hydrolysis of collagen-containing sardine raw materials. g/100 g of protein_
Головы Хребты Чешуя «Идеаль-
Аминокислота содержание АК- скор,% содержание АК- скор, % содержание АК- скор,% ный» белок ФАО/ВОЗ
Аланин 8,61 6,61 13,74
Аргинин 2,52 4,82 13,39
Аспарагин 0,01 0 0
Аспарагино- 9,03 7,57 18,63
вая кислота
Цитруллин 0 0,07 0,24
Цистин 0,68 0,54 1,39
Глутамин 1 0,91 2,18
Глутамино- 13,95 12,39 29,57
вая кислота
Глицин 7,77 5,27 10,62
Гистидин 3,62 241,3 2,86 190,6 5,56 370,7 1,5
Гидрокси- 2,61 1,22 2,44
пролин
Изолейцин 4,82 114,8 4,96 118,1 10,2 242,9 4,2
Лейцин 7,93 165,2 6,76 140,8 15,65 326,0 4,8
Лизин 9,21 219,3 8,48 201,9 18,63 443,6 4,2
Метионин 3,82 131,7 2,98 102,8 7,78 268,3 2,9
Орнитин 2,98 1,07 0,37
Фенилаланин 4,77 170,4 3,91 139,6 8,56 305,7 2,8
Пролин 6,37 4,61 9,58
Серин 4,6 1,92 4,16
Таурин 1,67 1,13 0,59
Треонин 4,75 169,6 4,25 151,8 10,07 359,6 2,8
Тирозин 2,3 2,57 6,09
Валин 6,84 162,9 5,66 134,8 12,11 288,3 4,2
Прочие показатели
Содержание протеина, г/100 г 88,0 91,4 89,2
Сухие вещества (%) 98 98 98
Выход про-
дукта по про- 56,3 75,4 65
теину (%)
Из данных табл. 5 следует, что из всех видов отходов Ф-способ обеспечивает высокий выход протеина (56,3-75,4 %), при этом в конечном продукте содержание протеинов высоко и составляет 88,0-91,4 %. Все протеиновые смеси полноценны по качеству белка, поскольку содержат все незаменимые аминокислоты (кроме триптофана). Наиболее богаты аминокислотами, в том числе незаменимыми, протеины чешуи, что можно объяснить содержанием прирезей мяса рыбы (чешуя снималась машинным способом). Преобладающими заменимыми аминокислотами во всех протеиновых продуктах являются (г/100 г белка): аспараги-новая кислота (7,57-18,63), глутаминовая кислота (12,39-29,57), аланин (6,6113,74), глицин (5,27-10,62). Все протеиновые продукты отличаются высоким аминокислотным АКскором отдельных незаменимых аминокислот (более 100 %), особенно высок данный показатель у протеинов из чешуи (268,3-443,6 %). С учетом высокого выхода низкомолекулярной фракции пептидов (см. рис. 2), можно констатировать, что Ф-гидролиз позволяет получать пептидные смеси высокой чистоты с высоким содержанием незаменимых аминокислот и таких ценных заменимых аминокислот, как глицин. Ф-гидролиз рекомендуется при комплексном использовании вторичного рыбного сырья на пищевые цели с приоритетным получением ценных низкомолекулярных пептидных смесей.
Таблица 6. Аминокислотный состава протеинов гидролизатов, полученных методом Т-гидролиза из коллагенсодержащего сырья сардины Table. 6. Amino acid profile of protein hydrolysates after thermal hydrolysis of collagen-containing sardine raw materials. g/100 g of protein_
Аминокислота Головы Хребты Чешуя «Идеальный» белок ВОЗ
содер-держание АК- скор,% содержание АК- скор,% содержание АК- скор,%
Аланин 7,87 7,79 9,72
Аргинин 7,41 7,69 8,27
Аспарагиновая кислота 5,66 7,12 8,93
Цитруллин 0,06 0 0,02
Цистин 0,11 0,23 0,23
Глутамин 0,7 0,96 1,15
Глутаминовая кислота 10,2 12,81 17,52
Глицин 11,36 7,72 8,45
Гистидин 2,15 143,3 2,89 192,7 2,24 149,3 1,5
Гидроксипролин 5,39 2,74 3,29
Изолейцин 1,86 44,3 3,05 72,6 2,95 70,2 4,2
Лейцин 2,93 61,0 4,52 94,2 4,49 93,5 4,8
Лизин 5,48 130,5 7,6 181,0 8,63 205,5 4,2
Метионин 1,95 67,2 2,68 92,4 2,76 95,2 2,9
Орнитин 0,07 0,11 0,13
Фенилаланин 2,54 90,7 2,93 104,6 2,35 83,9 2,8
Пролин 5,08 6,07 4,63
Окончание табл. 6
Аминокислота Головы Хребты Чешуя «Идеальный» белок ВОЗ
содер-держание АК- скор,% содержание АК- скор,% содержание АК- скор,%
Серин 1,69 2,09 2,16
Таурин 1,53 1,7 0,52
Треонин 1,99 71,1 2,65 94,6 2,75 98,2 2,8
Тирозин 0,95 1,67 1,72
Валин 3,35 79,8 3,71 88,3 5,17 123,1 4,2
Прочие показатели
Содержание протеина, г/100 г 84,8 90 94,9
Сухие вещества (%) 98 98 98
Выход продукта по протеину (%) 46,8 41,6 27,5
Из данных табл. 6 следует, что из всех видов отходов Т-гидролиз обеспечивает относительно низкий выход протеина (27,5-46,8 %), однако в конечном продукте содержание протеинов достаточно высокое и составляет 84,8-94,9 %. Все протеиновые смеси содержат все незаменимые аминокислоты (кроме триптофана), в наибольшем количестве они содержатся в протеинах чешуи. Преобладающими заменимыми аминокислотами во всех протеиновых продуктах являются (г/100 г белка): глутаминовая кислота (10,2-17,52), аспарагиновая кислота (5,668,63), аргинин (7,41-8,27), глицин (7,72-11,36). Однако абсолютное содержание незаменимых аминокислот и их аминокислотные АКскоры ниже, чем в протеинах Ф-гидролиза. АКскоры более 100 % имеют лишь аминокислоты: гистидин (143,3192,7 %), лизин (130,5-205,5 %) и валин (чешуя, 123,1 %), причем большая часть незаменимых аминокислот имеет АКскоры менее 100 %: изолейцин (44,3-72,6 %), лейцин (61,0-94,2 %), метионин (67,2-95,2 %), треонин (71,1-98,2 %). Это свидетельствует о пониженной биологической ценности протеинов Т-гидролиза относительно получаемых Ф-гидролизом. С учетом повышенного содержания протеинов в протеиновом продукте при Т-гидролизе (см. табл. 2 и 3), при недостаточно высоком выходе низкомолекулярной фракции пептидов (см. рис. 2) и ее пониженной аминокислотной сбалансированности (см. табл. 6), принимая во внимание минимальные количества примесей жирового и минерального характера, можно рекомендовать Т-гидролиз при комплексной переработке вторичного рыбного сырья на кормовые цели. В данном случае протеиновая и протеино-минеральные фракции содержат достаточно много белка, их можно смешивать или использовать отдельно, а жировая фракция при минимальных примесях может быть полезной в составе сельскохозяйственных кормов.
Таблица 7. Аминокислотный состава протеинов гидролизатов, полученных комбинированным Ф-Т-гидролизом из коллагенсодержащего рыбного сырья сардины Table. 7Amino acid profile of protein hydrolysates after enzymatic and thermal hydrolysis of collagen-containing sardine raw materials. g/100 g of protein_
Аминокислота Головы Хребты Чешуя «Идеальный» белок ФАО/ВОЗ
содержание АК- скор, % со-держа-ние АК- скор, % содержание АК- скор,%
1 2 3 4 5 6 7 8
Аланин 6,20 5,34 5,77
Аргинин 5,04 4,60 5,12
Аспарагино-вая кислота 6,30 6,33 7,79
Цистеин 0,61 0,56 0,68
Глутаминовая кислота 9,22 9,86 12,8
Глицин 9,16 6,21 6,35
Гистидин 2,15 143,3 2,41 160,7 2,25 150,0 1,5
Гидроксип-ролин 2,01 1,00 1,11
Гидроксили-зин 0,43 0,26 0,17
Изолейцин 2,75 65,5 3,24 77,1 3,72 88,6 4,2
Лейцин 4,85 101,0 5,43 113,1 6,48 135,0 4,8
Лизин 5,57 132,6 6,11 145,5 7,80 185,7 4,2
Метионин 2,22 76,6 2,26 77,9 2,81 96,9 2,9
Орнитин 0,08 0,32 0,45
Фенилаланин 2,75 98,2 2,78 99,3 3,12 111,4 2,8
Пролин 5,40 4,06 4,06
Серин 2,45 2,44 1,97
Таурин 1,06 0,80 0,20
Треонин 2,81 100,4 3,07 109,6 2,84 101,4 2,8
Окончание табл. 7
Аминокислота Головы Хребты Чешуя «Идеальный» белок ФАО/ВОЗ
содержание АК- скор, % со-держание АК- скор, % содержание АК- скор, %
Триптофан 0,16 11,4 0,14 0,1 0,42 0,3 1,4
Тирозин 1,41 1,78 1,99
Валин 3,83 91,2 3,95 94,0 4,60 109,5 4,2
3-метил-гистидин 0,07 0,07 0,04
П рочие показатели
Содержание протеина г/100 г 89,4 72,3 96,3
Сухие вещества (%) 98 98 98
Выход продукта по протеину (%) 80,6 91,3 83,9
Из данных табл. 7 следует, что Ф-Т-способ обеспечивает самый высокий выход протеина (80,6-91,3 %), при этом в конечном продукте содержание протеинов также самое высокое и составляет 89,4-96,3 %. Протеиновые смеси содержат все незаменимые аминокислоты (и даже немного триптофана). Данный факт обусловлен присутствием на чешуе прирезей мяса, снимаемых чешуесъемной машиной, что увеличивает биологическую ценность суммарного белка. Протеины чешуи также представлены незаменимыми аминокислотами в повышенном количестве относительно протеиновых фракций голов и хребтов, однако значения их аминокислотных скоров АКскоры количественно меньше (111,4-185,7 %), чем в гидролизатах Ф-гидролиза (241,9-443,6 %). Преобладающими заменимыми аминокислотами во всех протеиновых продуктах являются (г/100 г белка): глутами-новая кислота (9,22-12,8 %), аспарагиновая кислота (6,30-7,79%), аланин (5,346,20 %), глицин (6,21-9,16 %). С учетом высокого выхода продукта по протеину, высокого содержания низкомолекулярной фракции пептидов (см. рис. 2) и их высокой аминокислотной сбалансированности (см. табл. 7) можно констатировать, что Ф-Т-гидролиз является наиболее рациональным способом гидролиза вторичного рыбного сырья для получения протеинов для пищевых целей.
Низкомолекулярные пептиды из чешуи сардины были успешно апробированы в составе биопродуктов для спортивного питания «АпиколлТонус» в качестве источников пластических материалов для опорно-двигательного аппарата, аминокислот-иммуномодуляторов, нейрорегуляторов и антиоксидантов [13-14]. Протеины из костей трески вошли в состав пищевой добавки для геродиетическо-го питания «Герогрэте», вносимой в состав кисломолочных продуктов и хлебобулочных изделий, предназначенных для питания пожилых людей [15-16].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результаты экспериментов позволяют сделать вывод, что все три способа гидролиза эффективно разделяют органический материал коллагенсодержащего вторичного рыбного сырья на три фракции - протеиновую (водорастворимую), жировую и белково-минеральную (осадочную). Качество протеиновых продуктов по содержанию низкомолекулярных пептидов и их аминокислотному составу можно регулировать, варьируя режимами, видом фермента, условиями обработки, температурой гидролиза и другими факторами. Рациональный способ гидролиза определяется видом сырья и целевыми параметрами конечного продукта.
Для получения протеинов пищевого назначения с максимально сохраненным белковым биопотенциалом сырья и содержанием активных протеинов в своем составе более 90 %, отличающимся повышенным содержанием незаменимых аминокислот, наиболее рациональным является Ф-гидролиз, позволяющий получать 97,6-98,1 % массы легко усвояемых активных пептидов (ММ менее10 кДа) с наиболее высоким содержанием всех незаменимых аминокислот (АКскор 268,3443,6 %), а также ценных заменимых аминокислот (глицинц, аланин, аспарагино-вая и глутаминовая аминокислоты).
Для получения из вторичного коллагенсодержащего рыбного сырья протеинов кормового назначения с относительно пониженным содержанием легко усвояемой низкомолекулярной фракции (40,6-67,8 %) и несколько пониженной аминокислотной сбалансированностью (АКскор 44,3-149,3 %) рекомендуется проводить Т-гидролиз, отличающийся относительной простотой и получением белковой фракции с пониженным содержанием жира и минеральных веществ. Образующаяся при этом белково-минеральная добавка содержит относительно повышенное содержание белка и минеральных веществ и может быть эффективно применима в составе кормов наряду с протеиновой фракцией.
Ф-Т-гидролиз коллагенсодержащего рыбного сырья является наиболее универсальным за счет более широкой варьируемости режимов и приемов, что позволяет глубже гидролизовать практически любые рыбные ткани с получением протеиновых продуктов, содержащих низкомолекулярной легкоусвояемой фракции 46,2-91,7 % массы протеинов, все незаменимые аминокислоты в сбалансированном состоянии. Целевые протеиновые продукты могут быть использованы как для пищевых, так и кормовых целей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Биотехнология рационального использования гидробионтов: учебник / под ред. О. Я. Мезеновой. - Санкт-Петербург: Лань, 2013. - 412 с.
2. Хелинг, А. Протеины из вторичного сырья - инновационные компоненты в экологичном промышленном производстве / А. Хелинг, В. В. Волков // Известия КГТУ. - 2015. - № 38. - С. 83-92.
3. Höhling, A. Herstellung und Charakterisierung von Proteinhydrolysaten tierischer Herkunft als N-Quelle für Fermentationsprozesse, DECHEMA Frühjahrstagung, Frankfurt (M), 2013
4. Мезенова, О. Я. Проектирование поликомпонентных пищевых продуктов / О. Я. Мезенова. - Санкт-Петербург: Проспект науки, 2015. - 224 с.
5. Исследования различных способов гидролитического процесса вторичного рыбного сырья консервного производства / А. Хелинг [и др.] // Известия МАХ. - 2016. - № 1. - С. 3-8.
6. Vanyushin, B.F. Short Biologically Active Peptides as Epigenetic Modulators of Gene Activity / B.F. Vanyushin, V.K. Khavinson // Epigenetics - A Different Way of Looking at Genetics. - Springer International Publishing Switzerland. - 2016. - P. 69-90.
7. Протеины из вторичного рыбного сырья как инновационные компоненты спортивного питания / А. Хелинг [и др.] // Известия КГТУ. - 2015. - № 39. -С. 85-94.
8. Туровский, А. В. Введение в общую рецептуру: учебно-методическое пособие / Ф. В. Туровский, В. А. Николаевский, Л. М. Емельянова. - Воронеж: ВГУ, 2013. - 215 с.
9. Морозов, В. Г. Пептидные биорегуляторы (25-летний опыт экспериментального и клинического изучения): монография / В. Г. Морозов, В. Х. Хавин-сон. - Санкт-Петербург: Наука, 1996. - 74 с.
10. Marine Proteins and Peptides. Biological activities and applications / edited by S.K. Kim. - John Wiley and Sons, 2013. - 785 p.
11. Беседнова, Н. Н. Иммуноактивные пептиды из гидробионтов и наземных животных: монография / Н. Н. Беседнова, Л. М. Эпштейн. - Владивосток: ФГУП «ТИНРО-центр», 2004. - 248 с.
12. Неклюдов, А. Д. Выделение коллагенов из органов и тканей млекопитающих / А. Д. Неклюдов // Экологические системы и приборы. - №11. - 2005. -С. 24.
13. Биотехнология гейнеров для спортивного питания на основе активных пептидов рыбной чешуи / О. Я. Мезенова [и др.] // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии. - 2014. - № 1. - С. 20-24.
14. Патент РФ № 2552444. Композиция продукта с биологически активными свойствами / О. Я. Мезенова, Н. Ю. Мезенова, Л. С. Байдалинова. Опубликован 10.06.2015.
15. Патент РФ № 2535754. Композиция для приготовления функционального кондитерского желейного продукта и способ его получения / О. Я. Мезенова, М. В. Матковская. Опубликован 20.12.2014.
16. Патент РФ № 2535755. Композиция для приготовления функционального желейного продукта и способ его получения / О. Я. Мезенова, М. В. Матков-ская. Опубликован 20.12.2014.
REFERENCES
1. Mezenova O. Ya., Safronova T. M., Sergeeva N. T., Sluckaya T. N. et. al. Bi-otehnologiya racional'nogo ispol 'zovaniya gidrobiontov: uchebnik pod redakciej Me-zenovoj O. Ja. [Biotechnology of rational utilization of hydrobionts: student's book edited by O. Ya. Mezenova]. Saint-Petersburg, Lan', 2013, 412 p.
2. Hyoling A., Volkov V. V. Proteiny iz vtorichnogo syr'ja - innovacionnye kom-ponenty v ekologichnom promyshlennom proizvodstve [Proteins from by-products - innovative components in environmentally-friendly industrial production]. Izvestija Kali-ningradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2015, no. 38, pp. 83-92.
3. Hyoling A. Herstellung und Charakterisierung von Proteinhydrolysaten tierischer Herkunft als N-Quelle für Fermentationsprozesse, DECHEMA Frühjahrstagung, Frankfurt (M), 2013
4. Mezenova O. Ya. Proektirovanie polikomponentnyh pishhevyh produktov [Design of multicomponent food products]. Saint-Petersburg, Prospect nauki, 2015, 224 p.
5. Hyoling A., Grimm T., Volkov V. V., Mezenova N. Yu. Issledovaniya razlichnyh sposobov gidroliticheskogo processa vtorichnogo rybnogo syr'ja kon-servnogo proizvodstva [Study of different methods of hydrolysis process of canning byproducts]. Nauchno-teoreticheskij zhurnal "VestnikMAH", 2016, no. 1, pp. 3-8.
6. Vanyushin B. F., Khavinson V. K. Short Biologically Active Peptides as Epi-genetic Modulators of Gene Activity. Epigenetics - A Different Way of Looking at Genetics. Springer International Publishing Switzerland. 2016, pp. 69-90.
7. Hyoling A., Gimm T., Volkov V. V., Mezenova N. Yu. Proteiny iz vtorichnogo rybnogo syr'ja kak innovacionnye komponenty sportivnogo pitaniya [Proteins from fish by-products as innovative components of sport nutrition]. Izvestija Kalinin-gradskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, 2015, no. 39, pp. 85-94.
8. Turovskij А. V., Nikolaevskij L. M., Emeljanova L. M. Vvedenie v obshhuju recepturu: uchebno-metodicheskoe posobie [Introduction into general recipe making: study guide]. Voronezh, Voronezh State University, 2013, 215 p.
9. Morozov V. G., Havinson V. H. Peptidnye bioregulyatory (25-letnij opyt ek-sperimental'nogo i klinicheskogo izucheniya) [Peptide bioregulators (25-year long experience of experiment and clinical research)]. Saint-Petersburg, Nauka, 1996, 74 p.
10. Marine Proteins and Peptides. Biological activities and applications, edited by S.K. Kim. John Wiley and Sons, 2013, 785 p.
11. Besednova N. N., Epshtejn L. M. Immunoaktivnye peptidy iz gidrobiontov i nazemnyh zhivotnyh [Immunoactive peptides from hydrobionts and animals]. Vladivostok, FGUP "TINRO", 2004, 248 p.
12. Neklyudov A. D. Vydelenie kollagenov iz organov i tkanej mlekopitayush-hih [Collagen extraction from organs and tissues of mammals]. Ekologicheskie sistemy i pribory, 2005, no. 11, 24 p.
13. Mezenova O. Ya., Mezenova N. Yu., Bajdalinova L. S. Biotehnologiya gejnerov dlya sportivnogo poitaniya na osnove aktivnyh peptidov rybnoj cheshui [Biotechnology of gainers for sport nutrition on active peptide basis from fish scale]. Vestnik biotehnologii i fiziko-himicheskoy biologii, 2014, no. 1, pp. 20- 24.
14. Patent RU 2552444. Product composition with biologically active properties. Mezenova O. Ya., Mezenova N. Yu., Bajdalinova L. S. Published on 10.06.2015.
15. Patent RU 2535754. Composition for preparation of functional confectionary jelly product and its production method. Mezenova O. Ya., Matkovskaya M. V. Published on 20.12.2014.
16. Patent RU 2535755. Composition for preparation of functional jelly product and its production method. Mezenova O. Ya., Matkovskaya M. V. Published on 20.12.2014.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Мезенова Ольга Яковлевна - Калининградский государственный технический университет; доктор технических наук, профессор; зав. кафедрой пищевой биотехнологии;
E-mail: [email protected]
Mezenova Olga Jakovlevna - Kaliningrad State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Food Biotechnology;
E-mail: [email protected]
Волков Владимир Владимирович - Калининградский государственный технический университет; зам. директора технопарка; E-mail: [email protected]
Volkov Vladimir Vladimirovich - Kaliningrad State Technical University; Deputy Chief of Technopark; E-mail: [email protected]
Аксель Хелинг — биотехнологическое предприятие ANiMOX GmbH (Берлин, Германия); доктор экономических наук; генеральный директор; E-mail: [email protected]
Axel' Hoehling - Biotechnology company ANiMOX GmbH (Berlin, Germany); Doctor of Economics; Director General; E-mail: [email protected]
Томас Мерзель — Научно-исследовательская и консультационная лаборатория UBF (Альтландсберг, Германия); генеральный директор; E-mail: [email protected]
Thomas Moersel - UBF-Untersuchungs-, Beratungs-, Forschungslaboratorium GmbH (Altlandsberg, Germany); Doctor of Economic Sciences; Director General; E-mail: [email protected]
Томас Гримм - биотехнологическое предприятие ANiMOX GmbH (Берлин, Германия); директор; E-mail: [email protected]
Tomas Grimm - Biotechnology company ANiMOX GmbH; Director; E-mail: [email protected]
Мезенова Наталья Юрьевна — Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук; ведущий инженер кафедры пищевой биотехнологии; E-mail: [email protected]
Mezenova Natalya Yurievna - Kaliningrad State Technical University; PhD, Chief Engineer of the Department of Food Biotechnology; E-mail: [email protected]
