CC BY
132
ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ГИДРОБИОНТОВ
УДК [664.959.5:639.28]:577.152.34
М. Д. Мукатова, А. В. Привезенцев, Т. В. Боева, А. М. Юнес
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА ПРЕСНОВОДНЫХ РАКООБРАЗНЫХ:
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Введение
В последнее время в России значительно интенсифицировались исследования по изучению свойств хитина (хитозана), получению его модификаций и внедрению в промышленное и сельскохозяйственное производство.
На структуру и свойства хитозана влияют сырьевые источники, степень очистки хитина от белка, минеральных веществ и условия получения хитозана.
Имеются сведения о том, что отдельные протеолитические ферменты, гидролизующие пептидные связи, могут гидролизовать также гликозидные связи. В ходе исследований применялись концентрации ферментных препаратов 0,5-1,0 % по отношению к субстрату [1, 2].
Несмотря на интенсивные исследования свойств хитина и его производных, нет данных о ряде параметров, достижение которых небходимо в процессе производства хитина и его модификаций пищевого, технического и др. назначений. Это молекулярная масса, степень деацетили-рования, зольность, влажность. Отсутствие количественных значений вышеперечисленных показателей, характеризующих свойства хитина и его модификаций, применяемых для различных целей, тормозит промышленное производство и широкое потребление данной продукции.
Актуальным остается также получение водорастворимого хитозана с регулируемой молекулярной массой.
В данной статье обобщены результаты исследований по комплексной переработке пресноводных раков после получения пищевой продукции (мяса) из их панцирьсодержащих отходов: возможно извлечение биологически активных веществ (БАВ), т. е. функционально активных каротиноидов и хитина (хитозана). Из мяса рекомендовано изготовление мороженых, сушеных и вяленых продуктов. Для переработки панцирьсодержащих отходов в хитин были использованы, наряду с химическими процессами, биотехнологические с применением ферментных препаратов, извлеченных из внутренних органов рыбы, и микробного происхождения.
Объекты исследований
Объектами исследований служили: сухой измельченный панцирь, заготовленный при глубоком разделывании речных раков; хитин, полученный из него; его модификация — хитозан с различной степенью деструкции; вода, загрязненная тяжелыми металлами; сок арбуза, выращенного из семян, обработанных перед посевом препаратом из 1 %-го раствора низкомолекулярного хитозана.
Результаты исследований и их обсуждение
Панцирьсодержащее сырье (ПСС) характеризовалось следующим химическим составом, %: азотистые вещества - 21-23, липиды - 0,74-0,78, минеральные вещества - 32-34, хитин - 24-25.
Из указанного сырья, обезжиренного спиртом для получения каротиноидов, и необезжиренного был получен хитин разными способами с разной последовательностью обработки для отделения минеральных и азотистых веществ. Было установлено, что обезжиривание спиртом в три стадии позволяет получить побочный продукт в количестве 0,32-0,34 % к массе направленного сырья, представляющий собой густую маслянистую жидкость темно-красного цвета, названный концентратом каротиноидов.
Из концентрата каротиноидов получен масляный экстракт, который рекомендуется применять в качестве пищевого красителя. При его введении в соленый полуфабрикат из рыбы нежирной или маложирной методом шприцевания интенсифицируется процесс созревания, что позволяет изготавливать аналоги балыков лососевых видов рыб.
На рисунке приведена принципиальная схема организации получения БАВ.
Переработка речных раков
Сбор панцирьсодержащего сырья
Сушка и измельчение
Производство пищевого красителя
Производство растительного масла или пищевого рыбного жира с добавлением каротиноидов в качестве БАВ
Производство эмульгатора пищевого
Экстракция липидной фракции
Производство
сертифицированного
Производство сертифицированного высокомолекулярного хитозана ^ (ВМХ)
Производство сертифицированного низкомолекулярного хитозана (НМХ)
Фракционирование по степени дисперсности хитина
Производство сорбента для водоподготовки
Производство сельскохозяйственного препарата
Принципиальная схема получения БАВ из отходов переработки речных раков
Стадии и последовательность их проведения при получении хитина разными способами представлены в табл. 1.
Таблица 1
Способы получения хитина и последовательность проведения стадий процессов
Измельчение
Химический (щелочно-кислотный) Комбинированный (ферментативно-химический)
Депротеинирование щелочью, промывка Экстракция липидной фракции спиртом
Декальционирование кислотой и промывка Декальционирование кислотой и промывка
Центрифугирование Депротеинирование ферментным препаратом и промывка
Щелочная доочистка от остатков белковых веществ и промывка
Центрифугирование
Сушка и фасование
Химический способ позволяет получить хитин розового цвета с содержанием азотистых веществ, превышающим 1,5 %. Хитин, полученный комбинированным способом, имеет белый или белый с сероватым оттенком цвет и содержит азотистых веществ не более 0,8-0,9 % при одинаковом уровне минеральных веществ - 0,2-0,3 %.
В дальнейших исследованиях из хитина, максимально очищенного от азотистых веществ без экстракции липидной фракции, был получен хитозан обработкой 50 %-м раствором щелочи в сравнении с хитином, полученным химическим способом (щелочно-кислотным), и из высокомолекулярного хитозана - низкомолекулярный ферментативным способом. Органолептические и химические показатели хитозана приведены в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительные качественные характеристики хитозана, полученного разными способами
Хитозан высокомолекулярный
Показатель Из хитина, полученного химическим способом Из хитина, полученного комбинированным способом
Цвет Светло-кремовый
Массовая доля, %: воды 8,5
азотистых веществ 1,80 0,92
минеральных веществ 0,35 0,22
Молекулярная масса, кДа 224 172
Степень деацетилирования (СД), % 80 77
Растворимость в уксусной кислоте, % 90 91,8
Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что в результате обработки хитина, полученного комбинированным способом концентрированным раствором щелочи (50 %-м), полученный хи-тозан имеет молекулярную массу 172 кДа, СД - 77 % при содержании воды 8,5 %, азотистых веществ - 0,92 %, минеральных веществ - 0,22 %. Хитозан со степенью деацетилирования 77 % и молекулярной массой 172 кДа является высокомолекулярным и не может иметь широкого спектра применения.
Низкомолекулярный хитозан был получен с использованием ферментных препаратов папаина и протосубтилина в дозах 1, 2, 3 %. Нагрев осуществляли при температуре 52 °С в течение 8 часов. В процессе гидрирования через каждый час определяли молекулярную массу и вязкость 1 %-го раствора хлопьевидного осадка в уксусной кислоте.
Определение органолептических и физико-химических свойств является очень важным для характеристики хитозана, т. к. степень депротеинирования и деминерализации обусловливает физико-химические характеристики хитозана, такие как вязкость и растворимость.
В табл. 3 показано изменение молекулярной массы исходного хитозана в процессе гидрирования разными дозами папаина и протосубтилина в течение 8 часов.
Таблица 3
Изменение молекулярной массы хитозана в процессе гидрирования ферментными препаратами
Продолжительность гидрирования, ч Доза ферментных препаратов, %
1,0 | 2,0 | 3,0
Молекулярная масса, кДа
Папаин Протосубтилин Папаин Протосубтилин Папаин Протосубтилин
0 172 172 172 172 172 172
1 131 158 120 138 82 108
2 110 121 105 112 73 91
3 90 103 88 93 49 76
4 83 90 67 82 37 56
5 66,5 86 45 60 19,5 44
6 64 83 43 58 19,5 31
7 64 83 43 58 19,5 31
8 64 83 43 58 19,5 31
Как показывают данные табл. 3, в результате гидрирования исходного хитозана с молекулярной массой 172 кДа, молекулярная масса уменьшается в зависимости от дозы фермента и продолжительности процесса гидрирования. Выявлено, что папаин более эффективен в процессе гидрирования хитозана. Через 5 часов гидрирования хитозана папаином молекулярная масса уменьшается до 66,5; 45,0 и 19,5 в зависимости от дозы фермента. Гидрирование хитозана протосубтилином в тех же дозах уменьшает его молекулярную массу за указанное время гидрирования до 86,0; 60,0; 44,0 кДа соответственно.
После 6 часов гидрирования продолжение процесса до 8 часов не изменяет молекулярную массу независимо от вида препарата и его дозы.
Интерес представляло также исследование изменения вязкости 1 %-го раствора гидрированного хитозана в зависимости от вида, дозы ферментных препаратов и продолжительности процесса гидрирования.
После 5 часов гидрирования вязкость раствора хитозана, так же как и его молекулярная масса, при всех дозах папаина остается неизменной. Вязкость раствора хитозана, гидрированного протосубтилином, остается неизменной при всех дозах после 6 часов гидрирования.
Были изучены свойства полученного хитозана с разной молекулярной массой: эмульгирующая, сорбционная и росторегулирующая способность.
Доказана возможность приготовления соуса типа майонез с использованием хитозана с молекулярной массой 60-64 и 19 кДа при добавлении его в дозе 0,6 % от общей массы смеси ингредиентов на основе рыбного бульона. При этом эмульгирующая способность хитозана с молекулярной массой 19-60 кДа одинаково проявляется при содержании сухих веществ в бульоне не менее 12 %.
Сорбционная способность высокомолекулярного хитозана с молекулярной массой 172 кДа (СД 77 %) и низкомолекулярного с молекулярной массой 112 кДа (СД 78,5 %), 68 кДа (СД 82 %) была проверена посредством очистки водопроводной воды, предварительно загрязненной тяжелыми металлами: ртутью, медью, свинцом, цинком и кадмием при различной дозе их внесения: от 10 до 30 мг/л. При этом выявлено, что сорбционная способность хитозана с молекулярной массой 172, 112, 68 кДа с дозой всех тяжелых металлов 10 мг/л выше 90 %, кроме кадмия, степень очистки которого составляет 98-99 %.
Сорбционная способность хитозана с молекулярной массой 112-68 кДа составляет не менее 80 % при всех проверенных концентрациях загрязнения воды вышеуказанными тяжелыми металлами.
Защитные и росторегулирующие свойства хитозана с молекулярной массой 65 и 19,5 кДа были проверены на семенах арбуза сорта «Фотон» в полевых условиях. Полевые испытания показали, что препарат, приготовленный из 1 %-го раствора хитозана в молочной кислоте эффективен при замачивании семян арбуза в течение 6 часов перед посевом. Препарат концентрацией
0.4.0,8 % обладает как росторегулирующим, так и фунгицидным (защитным от патогенов) свойствами. Урожайность повышается на 9 % с гектара по сравнению с контролем (без замачивания препаратом). В плодах арбуза повышается содержание сахаров - на 0,6-09 % и аскорбиновой кислоты - на 0,8-1,0 мг%.
Интерес представляло также получение хитозана водорастворимого. Установлено, что водорастворимый хитозан возможно получить из высокомолекулярного при активации исходного хитозана в СВЧ-поле в присутствии 40 %-й щелочи не более 1 минуты. При дальнейшей двухстадийной кислотной обработке хитозана с молекулярной массой 174 кДа возможно получение водорастворимого хитозана с молекулярной массой 6,2 кДа.
Заключение
В результате исследований выявлено изменение молекулярной массы хитозана в процессе гидрирования ферментными препаратами папаином и протосубтилином. Проведен сравнительный анализ качественных характеристик хитозана из хитина, полученного разными способами: химическим (щелочно-кислотным) и комбинированными (ферментативно-химическим). Опии-саны способы получения хитина и последовательность проведения стадий процессов, а также принципиальная схема получения БАВ из отходов переработки речных раков.
Доказана эмульгирующая, сорбционная, защитная и росторегулируцющая способность хитозана. Определены условия получения водорастворимого хитозана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Румянцев В. Д. Речные раки Волго-Каспия. - М.: Пищ. пром-сть, 1974. - 85 с.
2. Состояние запасов и перспективы промысла раков в Каспийском море/ В. Б. Ушивцев и др. // Состояние запасов промысловых объектов на Каспии и их использование. - Астрахань, 2001. - С. 347-358.
Статья поступила в редакцию 16.11.2009
BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES OF FRESH-WATER CRUSTACEAN:
METHODS OF EXTRACTION AND PROSPECTS OF USE
M. D. Mukatova, A. V. Privezentsev, T. V. Boeva, A. M. Yunis
The technology of complex processing of fresh-water crayfish carapace-containing raw materials, which allows to receive frozen and dried meat, chitin and its derivative - chitozan, with various molecular weight in kilodalton: 172.0; 112.0; 65.0; 22.6; 19.0; 6.2, is created. A by-product - carotinoid extract - is received by means of SCW dehydration prior to processing. The way of processing is chosen depending on the type of the used raw material, the required quality of the end product (chitin), and by taking into consideration the fact that the carapace of crayfish is highly mineralized. These are: hydrochloric acid demineralization of the grinded carapace, either damp or dry after spirit decolouration, depro-teinization by using acid complex of proteinases, extracted from the gastric tissue of waste, received after cutting predatory fish, and the following alkali posttreatment of the albumen residues. The received chitin is of white color with a creamy tint, it contains not more than 1.0 % of protein and mineral substances and 8-10 % of water.
Key words: biologically active substances, crustacean, carapace-containing raw materials, complex processing.
