CC BY
36
АКВАКУЛЬТУРА
УДК 636.085
Технологические аспекты получения новых кормовых продуктов для объектов аквакультуры
Technological aspects of obtaining new fodder products
for aquaculture facilities
Профессор, О.П. Дворянинова, доцент А.В. Соколов (Воронежский государственный университет инженерных технологий), кафедра управления качеством и технологии водных биоресурсов, тел. 8(920)409-07-66 E-mail: sokol993@yandex.ru
Professor, O.P. Dvoryaninova, Associate Professor A.V. Sokolov (Voronezh state University of engineering technologies), Chair of quality management and technology of aquatic biological resources, tel. 8(920)409-07-66 E-mail: sokol993@yandex.ru
Реферат. Проанализированы эссенциальные макро- и микронутриенты. Проведена оценка кормовой и биологической ценности вторичных продуктов разделки рыб, дифференциация вторичных сырьевых ресурсов разделки рыб для получения на их основе кормов для гидробионтов. На основе данных дериватографического анализа вторичных продуктов разделки рыб определены характеристики температурных ступеней дегидратации, деструкции веществ и температурные интервалы устойчивости промежуточных соединений, сопровождающиеся испарением влаги. Обоснованы рецептуры и технологические принципы реализации теоретических основ моделирования ингреди-ентного состава кормов для рыб на основе вторичных продуктов разделки рыб с комплексом заданных технологических показателей. Созданы модели сырьевых композиций, учитывающие взаимодействие рецептурных компонентов, разработаны численные методы расчета важнейших функционально-технологических свойств рецептурных смесей кормов на основе вторичных продуктов разделки рыб.
Summary. As a result of scientific researches essential macro - and micronutrients are analyzed, the estimation of fodder and biological value of secondary products of cutting of fishes is carried out. The differentiation of secondary raw materials and cutting fish for obtaining on their basis of feed for aquatic animals. On the basis of the data of derivatographic analysis of secondary products of fish cutting, the characteristics of the temperature stages of dehydration, degradation of substances and temperature ranges of stability of intermediate compounds accompanied by evaporation of moisture are determined. Justified formulation and technological principles of the theoretical foundations of modeling the ingredient composition of fish feed based on secondary cuts of fish with a complex set of technological indicators. Models of raw materials compositions taking into account the interaction of prescription components are created, and numerical methods for calculating the most important functional and technological properties of formula mixtures of feed based on secondary products of fish cutting are developed.
Ключевые слова: корм, вторичные продукты разделки рыб, сушка, толстолобик, горбуша, бел-ково-минеральная добавка.
Keyword: feed, secondary products of fish cutting, drying, silver carp, pink salmon, proteinmineral additive.
Увеличение численности населения Земли диктует необходимость быстрого развития сельского хозяйства и производства все больших объемов продовольствия. Интенсивные формы сельского хозяйства (животноводство, птицеводство, аквакультура) основаны преимущественно на использовании кормов. Дефицит кормов может негативно сказаться на темпах роста мирового сельскохозяйственного производства и на эффективности решения существующих
© Дворянинова О.П., Соколов А.В., 2019
и перспективных глобальных проблем устойчивого роста и развития, а также продовольственной безопасности [1].
Аквакультура - это будущее сельского хозяйства. Объемы производства продукции аквакультуры в мире за последние 10 лет выросли вдвое и почти сравнялись с объемами традиционного рыболовства. Но если мировое рыболовство не растет уже 20 лет из-за потери биопродуктивности Мирового океана и роста не предвидится, то у аквакультуры потенциал для развития огромен. К 2050 г. нужно будет обеспечить пищей более 9 млрд жителей Земли, т. е. нужно будет производить на 60 % больше пищи, чем производится в настоящее время, и это стимулирует ускоренное развитие аквакультуры [1].
Главный лимитирующий фактор развития аквакультуры и в России, и в мире - нехватка недорогих, эффективных, экологичных кормов. Главный лимитирующий фактор развития производства кормов для аквакультуры - дефицит, дороговизна, низкая экологичность традиционного сырья - рыбной муки [1].
Общий объем кормов, производимых в мире для сельского хозяйства (животноводства, птицеводства, аквакультуры), по итогам 2016 г. превысил 1 млрд т [2]. Из этого объема на долю кормов для аквакультуры приходится около 4 %, т. е. 40 млн т [3].
Текущее состояние и доминирующая технология производства кормов для аквакультуры, которая основана на «кормлении рыбы рыбой» (т. е. кормами на основе рыбной муки и рыбьего жира), не отвечают целям долгосрочного устойчивого развития мирового сельского хозяйства и серьезно ограничивают развитие аквакультуры [1]. Среди наиболее перспективных направлений технологий при производстве кормов для аквакультуры эксперты называют применение альтернативных источников протеина [4, 5]:
- нетрадиционные морские источники (например, морские водоросли и растения, криль, одноклеточные белки микробов и бактерий);
- неморские нетрадиционные источники (например, насекомые);
- выращивание рыбы для ее последующего использования в кормах;
- инновационные технологии сбора и использования отходов рыбопереработки и др.
Кормопроизводство в сфере аквакультуры на основе прорывных инновационных технологий предлагается реализовывать на альтернативных сырьевых источниках и технологиях их производства, соответствующих критериям устойчивого развития [1].
Цель исследования - разработка технологических решений, направленных на использование сухих спецсмесей на основе вторичных продуктов разделки (ВПР) рыб как белковой основы биологически полноценных кормов для гидробионтов. Следует отметить, что современное развитие технологий неразрывно связано с состоянием сырьевой базы рыбной отрасли, которая претерпевает изменение видового состава [6].
В общем объеме добываемой морской рыбы и рыбы, поступающей в качестве сырья на перерабатывающие предприятия, особое место занимает горбуша (лат. Oncorhynchus gorbuscha) как разделанная с головой, так и неразделанная. Это связано, с ее доступной ценной, независимостью от времени лова, а также с достаточно большой популярностью среди покупателей в связи с высокими вкусовыми свойствами [6, 7].
Что касается толстолобика (лат. Hypophthalmichthys), то это наиболее распространенная растительноядная рыба ЦЧР, относительно невысокой стоимости, высокой пищевой и биологической ценности, технологии переработки которой на сегодня уже известны, что подтверждается наличием технологических и технических решений, полученных коллективом ученых научной школы проф. Антиповой Л.В., проф. Дворяниновой О.П. [8].
Как известно, при глубокой разделке рыбного сырья превалирует выход вторичных продуктов (шкурка, чешуя, кости, плавники и т.д.) [9]. Для обоснования рациональных путей использования ВПР рыб проведены исследования их массовых характеристик табл. 1, формирующихся при переработке толстолобика и горбуши, пользующихся устойчивым потребительским спросом на рынке продовольственных товаров РФ [9].
Таблица 1
Массовый выход продуктов разделки рыб, %
Наименование продуктов разделки Толстолобик Горбуша
Мышечная ткань 38,90 56,79
Вторичные продукты разделки, в том числе: 56,26 38,92
голова без жабр 25,06 12,71
кости 10,55 3,90
внутренности 4,29 7,62
внутренняя жировая ткань 4,32 6,81
шкурка 3,39 3,48
плавники, 3,30 2,08
чешуя 2,09 0,39
жабры 3,26 1,93
Потери при разделки рыбы 4,84 4,29
Итого 100 100
Как видно из табл. 1, на долю вторичных продуктов разделки рыб приходится от 38,92 до 56,26 % в зависимости от видового состава сырья. При разделке рыбы с целью получения тушки удаляют головы с жабрами и внутренности. Массовый выход данных ВПР рыб составляет от 22,26 до 32,61 %, что позволит использовать их как альтернативные сырьевые источники при производстве кормов.
Для оценки потенциальных возможностей ВПР толстолобика и горбуши (голова, жабры, внутренности) в промышленном производстве уточняли их химический состав, табл. 2. Здесь значительная массовая доля белков (от 12,75 и до 25,28 %) в зависимости от видового состава вторичных продуктов, общий дефицит и функциональность которых известны в мировых масштабах.
Таблица 2
Химический состав вторичных продуктов разделки рыб
Наименова- Продукты раз- Содержание, % Энергети-
ческая
ние делки влаги жира золы белка ценность, кДж/100 г
Толстолобик Голова без жабр 70,20 5,60 6,45 17,75 502,40
Внутренности 43,14 41,50 2,22 13,14 1828,74
Жабры 77,30 3,07 6,88 12,75 323,73
Горбуша Голова без жабр 63,44 9,25 2,03 25,28 765,23
Внутренности 79,80 1,48 2,88 15,84 311,16
Жабры 71,08 7,83 3,76 17,33 582,65
Исследование фракционного состава белков ВПР рыб (рис. 1) показывает, что преобладающее количество в сырье приходится на солерастворимые белки (от 5,03 до 8,5 %) в зависимости от видового состава вторичных продуктов. Это говорит о том, что продукт будет хорошо набухать и удерживать влагу, что положительно скажется на качестве кормовых продуктов.
Голова Внутренности Жабры Голова Внутренности Жабры
толстолобика толстолобика толстолобика горбуши горбуши горбуши
Водорастворимые ■Солерастворимые I Щелочерастворимые
Рис. 1. Фракционный состав белков вторичных продуктов разделки рыб
Состав аминокислот и их последовательность, как известно, определяет, с одной стороны, пространственную структуру белков, их функциональность, а также может служить средством идентификации и оценки качества различных белков, а с другой - биологическую ценность [6].
Данные по определению аминокислотного состава ВПР рыб представлены в табл. 3, из которой видно, что продукты разделки содержат в своем составе полный набор протеиногенных аминокислот. Особое внимание обращает на себя высокая доля аспарагиновой (от 5,73 до 8,16 %) и глютаминовой кислот (от 8,49 до 12,50 %) в зависимости от наименования ВПР рыб. Высокое содержание аминокислоты лизин (от 5,39 до 8,56 %) свидетельствует о том, что отходы данного вида рыб могут быть использованы для получения ценных белковых концентратов, используемых как белковвя составляющая при производстве кормов для гидробион-тов.
Таблица 3
Аминокислотный состав вторичных продуктов разделки рыб
Наименование аминокислоты Содержание аминокислоты г/100 г белка
Горбуша Толстолобик
голова внутренности жабры голова внутренности жабры
Незаменимые:
Лизин 8,16 7,08 5,39 8,56 7,69 5,90
Валин 3,55 3,57 2,22 3,94 3,81 2,41
Лейцин 7,22 5,26 3,65 7,32 5,78 4,16
Изолейцин 2,74 2,63 1,80 2,83 2,89 1,99
Метионин 2,68 1,89 2,75 2,83 1,98 3,19
Треонин 4,23 3,84 3,75 4,56 4,26 4,22
Триптофан - - - - - -
Фенилаланин 3,67 2,63 2,75 3,87 2,74 3,13
Итого 32,25 26,90 22,31 33,91 29,15 25,00
Заменимые:
Аргинин 5,48 9,70 8,72 5,87 10,35 8,86
Тирозин 2,86 2,43 1,27 3,18 2,74 1,33
Гистидин 2,49 1,89 1,96 2,76 2,21 2,23
Пролин 3,24 3,44 11,89 3,52 3,88 13,37
Серин 3,99 4,11 6,03 4,35 4,72 6,75
Аланин 5,79 4,99 9,25 6,15 5,18 10,06
Глицин 4,61 4,51 8,14 4,97 5,02 9,16
Цистин 0,87 0,74 1,00 0,83 0,76 0,84
Глутаминовая кислота 12,02 8,49 10,31 12,50 9,13 11,39
Аспарагино-вая кислота 8,16 5,73 6,45 8,43 6,09 6,81
Итого 49,51 46,03 65,02 52,56 50,08 70,80
Всего 81,76 72,93 87,33 86,47 79,23 95,80
Расчеты подтверждают высокую биологическую ценность (БЦ) белков ВПР рыб. Биологическая ценность составила от 62,87 до 89,09 % в зависимости от наименования ВПР толстолобика и горбуши. Таким образом, сбор и переработка вторичных продуктов и отходов рыб представляет собой интерес, из-за достаточно высокого содержания белков. Поскольку белок является наиболее дорогостоящим сырьевым компонентом, целесообразно для выработки биологически полноценного корма в качестве основного белкового сырья использовать специальные сухие смеси, полученные на основе вторичных продуктов разделки рыбы. Для получения информации о кинетике процесса термолиза вторичных продуктов разделки рыб использовали метод дифференциально-термического анализа, проведение которого позволяет изучить характер связи влаги с выявлением участков преобразования веществ при повышении температуры [10]. Дифференциально -термическому анализу подвергались ВПР горбуши в соотношении 70:30 (головы и внутренности соответственно) - далее по тексту смесь № 1 и ВПР толстолобика в соотношении 70:30 (головы и внутренности соответственно) - далее по тексту смесь № 2. Начальная влажность смесей ВПР рыб составила: № 1 - 73,3 %, № 2 -69,2 % при степени измельчения 5-7 мм. Из анализа данных (рис. 2) следует, что в процессе нагрева смесей наблюдалось уменьшение массы исследуемых образцов (TGA), связанное с потерей влаги.
Потеря массы для обеих смесей происходила в интервале температур от 30 до 300 оС. Кривые DTG зависимости скорости изменения массы смесей характеризуются двумя температурными пиками, что свидетельствует о двух процессах - дегидратации и деструкции.
а
Рис. 2. Экспериментальные зависимости изменения массы смесей ТОЛ, скорости изменения температуры БТЛ и скорости изменения массы БТО: а - смесь № 1; б - смесь № 2
Проведенный анализ полученных данных позволил выделить периоды дегидратации воды и преобразования сухих веществ при термическом воздействии на исследуемые смеси, а также выявить температурные зоны, которые соответствуют высвобождению влаги с различной формой и энергией связи, что позволит прогнозировать режимные параметры процессов сушки и прожига и выбрать среди них наиболее эффективные.
Изучение кинетики конвективной сушки с СВЧ-нагревом смесей ВПР рыб (рис. 3) проводилось на экспериментальной СВЧ-конвективной установке. Исследования проводили при следующих параметрах: скорость воздушного потока для исследуемых смесей ив = 1 м/с, мощность магнетрона была Ш=600 Вт. Сушка осуществлялась при температуре теплоносителя 45 оС.
На основе экспериментальных исследований и анализа результатов был сделан вывод, что продолжительность сушки смесей составляет 165-185 мин, при этом влажность продукта будет равна не более 12 %, что соответствует требованиям, предъявляемым к данному виду продукта.
Рис. 3. Кинетика сушки смесей вторичных продуктов разделки рыб
Полученные сухие смеси подвергли комплексному исследованию по следующим показателям: химический, витаминный, минеральный, аминокислотный составы и биологическая ценность белков. Сделали вывод, что сухие смеси богаты полезными нутриентами. А по содержанию таких нутриентов, как белок, жир, витамин В2, кальций, фосфор, калий, натрий, магний и железо могут полностью удовлетворить суточную потребность их в рационе кормления рыб.
На сегодня предложен способ получения корма для радужной форели на основе белково-минеральных смесей из ВПР толстолобика и горбуши. С помощью компьютерного моделирования была разработана рецептура корма (рис.
Рис. 4. Рецептура корма для радужной форели
С помощью программы Generic 2.0 провели моделирование сбалансированности корма по основным питательным веществам. Функция желательности корма по аминокислотному составу составила - 0,83 (рис. 5), а по минеральному составу функция желательности - 0,73 (рис. 6).
Рис. 5. Сбалансированность корма по аминокислотному составу
Рис. 6. Сбалансированность корма по минеральному составу
Опираясь на результаты проведенных исследований, можно сделать вывод, что разработанная рецептура корма, полностью удовлетворяет суточную потребность радужной форели в незаменимых аминокислотах, жирных кислотах, витаминах и минеральных веществах.
Таким образом, в ходе исследований научно обоснованы и экспериментально подтверждены технологические решения, направленные на использование вторичных продуктов разделки толстолобика и горбуши, как белково-минеральной основы в рецептурах биологически полноценных кормов для гидробионтов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лагуткина, Л.Ю. Перспективное развитие мирового производства кормов для аквакультуры: альтернативные источники сырья [Текст]// Вестник АГТУ. Серия.: Рыбное хозяйство. - 2017. - № 1. - С. 67-78.
2. 2019 Alltech Global Feed Survey. URL: http://go.alltech.com/alltech-feed-survey (дата обращения: 30.03.2019).
3. Feed International's World Feed Panorama: World Feed Panorama facts at-a-glance | 04.2016. URL: http://www.fi-digital.com/201604/#/8 (дата обращения: 11.05.2019).
4. Griffin J. What to Feed the Fish? Demand for Feed Attracts Innovators and Investors. URL: http://impactalpha.com/what-to-feed-the-fish/ (дата обращения: 11.05.2019).
5. FishFeed: Market Tensions Create Opportunities for Innovations: FISH 2.0 Market Report. URL: http://www.fish20.org/images/ Fish2.0MarketReport_FishFeed.pdf (дата обращения: 10.01.2019).
6. Дворянинова, О.П., Соколов А.В., Сьянов Д.А., Черкесов А.З. Биотехнологический потенциал вторичных продуктов разделки рыб как основа импортозаме-щения [Текст]// Известия Международной академии аграрного образования. -2015. - № 23. - С. 148-152.
7. Дворянинова, О.П., Соколов А.В., Спиридонова М.В., Черкесов А.З. Корма для рыб как основной элемент материально-производственной базы рыбоводства [Текст]// Сб. материалов X всероссийской научной конференции. «Актуальные проблемы химии, биологии и биотехнологии» - 2016. - С. 314-315.
8. Дворянинова, О.П. Антипова Л.В., Соколов А.В. Протеолитические ферменты прудовых рыб: способы выделения и свойства [Текст]// Известия ТИНРО (Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра). - 2016. -Т. 187. - С. 245-253.
9. Дворянинова, О.П. Соколов А.В. Моделирование процесса сушки вторичных продуктов разделки рыб и описание в модели основных процессов тепло- и влагопереноса [Текст] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. - 2018. - Т. 80. - № 2 (76). - С. 125-129.
10. Дворянинова, О.П. Соколов А.В., Спиридонова М.В., Прибытков А.В. Термический анализ вторичных продуктов разделки рыб [Текст]// Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. -2015. - № 4 (8). - С. 25-30.
REFERENCES
1. Lagutkina L. Yu. Perspective development of world production of feed for aquaculture: alternative sources of raw materials. Vestnik AGTU. Ser.: Fish industry. -2017. - № 1. - P. 67-78.
2. 2019 Alltech Global Feed Survey. URL: http://go.alltech.com/alltech-feed-survey (дата обращения: 30.03.2019).
3. Feed International's World Feed Panorama: World Feed Panorama facts at-a-glance | 04.2016. URL: http://www.fi-digital.com/201604/#/8 (дата обращения: 11.05.2019).
4. Griffin J. What to Feed the Fish? Demand for Feed Attracts Innovators and Investors. URL: http://impactalpha.com/what-to-feed-the-fish/ (дата обращения: 11.05.2019).
5. FishFeed: Market Tensions Create Opportunities for Innovations: FISH 2.0 Market Report. URL: http://www.fish20.org/images/ Fish2.0MarketReport_FishFeed.pdf (дата обращения: 10.01.2019).
6. Dvoryaninova O. P., Sokolov A.V., Syanov D. A., Cherkesov A. Z. Biotechnolog-ical potential of secondary products of fish cutting as a basis of import substitution // proceedings of the International Academy of agrarian education. - 2015. - № 23. - Pp. 148-152.
7. Dvoryaninova O. P., Sokolov A.V., Spiridonova M. V., Cherkesov A. Z. fish Feed as the main element of the material-production base of fish breeding // Actual problems of chemistry, biology and biotechnology: SB. materials of the X all-Russian scientific conference. - 2016. - P. 314-315.
8. Dvoryaninova O. P., Antipova L. V., Sokolov A.V. Proteolytic enzymes of pond fish: methods of isolation and properties. Izvestiya TINRO (Pacific research fisheries center). - 2016. - Vol. 187. - Pp. 245-253.
9. Dvoryaninova O. P., Sokolov A.V. Simulation of the drying process of secondary products of fish cutting and description in the model of the main processes of heat and moisture transfer // Bulletin of the Voronezh state University of engineering technologies. - 2018. - Vol. 80. - № 2 (76). - Pp. 125-129.
10. Dvoryaninova O. P., Sokolov A.V., Spiridonova M. V., Pribytkov A.V. Thermal analysis of secondary products of fish cutting // Technologies of food and processing industry of agriculture - healthy food. - 2015. - № 4 (8). - P. 25-30.
