Совершенствование технологии получения белковых гидролизатов и их использование при производстве рыборастительных продуктов (стр. 1 )

На правах рукописи

БЕЛОУСОВА Светлана Викторовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

БЕЛКОВЫХ ГИДРОЛИЗАТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ РЫБОРАСТИТЕЛЬНЫХ ПРОДУКТОВ

05.18.01 –	Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства
05.18.04 –	Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Краснодар – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук

Джаруллаев Джарулла Саидович

Ведущая организация: ГУ «Краснодарский НИИ хранения и переработки сельскохозяйственной продукции» Россельхозакадемии.

Защита диссертации состоится 19 февраля 2009 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.05 в Кубанском государственном технологическом университете , ауд. Г-251.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 16 января 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

канд. техн. наук

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность темы. В последнее десятилетие трудами ученых-гигиенистов Института питания АМН РФ научно обоснована медико-биоло-гическая целесообразность использования растительных ингредиентов при производстве продуктов питания на основе сырья животного происхождения. Установлено, что только комбинированные продукты питания могут удовлетворять потребности людей в эссенциальных аминокислотах, минеральных веществах, витаминах, жирных кислотах, так как в сочетании с растительным сырьем хорошо усваиваются белки животного происхождения, происходит обогащение продуктов питания ценными питательными веществами, содержащимися в растительном сырье. Недостаточное употребление легкоусвояемых форм белка приводит к нарушению процессов роста, развития и иммунной устойчивости организма человека. Рациональное сочетание в пище белка растительного и животного происхождения позволяет снизить его дефицит и создавать продукты, сбалансированные по аминокислотному составу.

Насыщение продовольственного рынка конкурентноспособной комбинированной продукцией, снижение ее себестоимости, расширение ассортимента продукции на основе современных биотехнологий, применение пищевых добавок, полученных из растительного сырья, отличающейся улучшенными вкусовыми, пищевыми качествами, усвояемостью и стабильность при хранении являются основными направлениями пищевой промышленности, а в том числе рыбоперерабатывающей отрасли.

Однако в период развития рыночных отношений добыча и переработка рыбного сырья значительно сократилась, поэтому одним из путей сокращения дефицита белка в пище является использование белковых гидролизатов растительного и животного происхождения.

Известны биотехнологические способы получения гидролизатов из отдельных видов растительного и животного сырья.

Значительным резервом получения пищевых белковых гидролизатов является совместная переработка зерновой фасоли, малоценной рыбы и вторичных ресурсов рыбной промышленности. Таким образом, совершенствование технологии получения белковых гидролизатов для обогащения рыборастительных продуктов является актуальным.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с НТП Минобрнауки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям

науки и техники» (номер госрегистрации ) и тематическим планам НИР КубГТУ (2004 – 2008гг.).

1.2 Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы явилось совершенствование технологии получения белковых гидролизатов для использования при производстве рыборастительных продуктов. В связи с этим решались следующие задачи исследований:

- теоретически обосновать способ совершенствования технологии получения белковых гидролизатов;

- исследовать особенности совместного ферментативного гидролиза белков фасоли и рыбного сырья;

- исследовать воздействие электромагнитного поля низкой частоты (ЭМП НЧ) на микрофлору сырья в процессе получения белкового рыборастительного гидролизата;

- усовершенствовать технологию получения белкового рыборастительного гидролизата;

- подобрать рациональный ассортимент и исследовать химический состав сырья для изготовления рыборастительных продуктов;

- усовершенствовать технологию и разработать рецептуры рыборастительных продуктов, обогащенных белковым рыборастительным гидролизатом;

- оценить пищевую, биологическую ценность и безопасность новых видов рыборастительных консервов;

- разработать техническую документацию на получение белкового рыборастительного гидролизата и на новые виды рыборастительных продуктов;

- определить экономическую эффективность использования усовершенствованных технологий получения рыборастительных продуктов.

1.3 Научная новизна. Научная новизна исследований заключается в теоретическом обосновании усовершенствованной технологии получения белкового рыборастительного гидролизата с целью создания рыборастительных продуктов, сбалансированных по аминокислотному составу.

Исследован механизм протеолиза зерновой фасоли и рыбного сырья при получении ферментолизата с заданной глубиной гидролиза под действием мультиэнзимной ферментной композиции.

Изучено влияние низкочастотного электромагнитного поля на подавления нежелательной микрофлоры в период направленного ферментолиза.

Исследован химический состав белкового рыборастительного гидролизата и растительных компонентов в рецептурах рыборастительных продуктов.

Новизна предлагаемых технологических решений подтверждена получением пяти патентов РФ на изобретения: №2 №2 №2 № 000 и № 000.

1.4 Практическая значимость работы. Полученные результаты работы позволили решить задачи, связанные с рациональным использованием зерновой фасоли, малоценной рыбы и вторичных рыбных ресурсов при производстве белкового рыборастительного гидролизата. Усовершенствована технология получения белкового рыборастительного гидролизата. Усовершенствованы и апробированы в производственных условиях Усть-Лабинского рыбцеха и Апшеронского мини-завода «Океан» технологические схемы получения рыборастительных консервов с использованием белкового рыборастительного гидролизата.

Разработана и утверждена техническая документация на белковый рыборастительный гидролизат и новые виды рыборастительных продуктов: ТУ «Белковый рыборастительный гидролизат»; ТУ Консервы «Сиченики рыборастительные»; ТУ «Рыборастительные консервы из форели»; ТУ Рыборастительные консервы «Сиг тушеный» и ТУ Рыборастительные консервы «Карп фаршированный».

1.5 Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были доложены, обсуждены и одобрены на заседаниях Ученого совета факультета пищевой биотехнологии и ресторанного бизнеса КубГТУ (г. Краснодар, гг.); Международной научно-практической конференции «Продовольственная индустрия Юга России» (г. Краснодар, 2000 г.); научно-практической конференции «О приоритетных задачах рыбохозяйственной науки в развитии рыбной отрасли России до 2020 года» (г. Москва, 2004 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Пищевая промышленность: интеграция науки, образования и производства» (г. Краснодар, 2005 г.) и научно-практической конференции «Развитие инвестиционных технологий обработки сырья растительного и животного происхождения» (г. Краснодар, гг.).

1.7 Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 научных трудов, в том числе монография, 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 5 патентов РФ на изобретения.

1.8 Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, аналитического обзора патентно-информационной литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературных источников и приложения. Материал изложен на 156 страницах компьютерного текста, содержит 25 таблиц и 25 рисунков. Библиография включает 132 источника, в том числе 24 − иностранных авторов.

2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объекты исследований. В качестве объектов исследований использовали следующие виды сырья: зерновая фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris L.), гречневая крупа, морковь красная, картофель, капуста белокочанная, лук репчатый, корень сельдерея, чеснок сортов, районированных в Краснодарском крае, а также рыбное сырье – карп (Cyprinus carpio L), ручьевая форель (Salmo trutta morphafario L.), сиг проходной (Coregonus lavaretus), маломерная рыба – плотва (Rutilus rutilus (L.) и вторичные ресурсы, получаемые при разделке рыбы (ВР), соответствующие по качеству требованиям действующей технической документации; СО2-экстракты перца кубеба, лаврового листа, укропа; соль поваренная пищевая; ферментные препараты: амилоризин П10Х, пепсин, каталаза, химотрипсин, коллагеназа, мультиэнзимный протеолитический комплекс (МЭПК); белковый гидролизат; новые виды рыборастительных консервов.

2.2 Методы исследований. Программно-целевая модель исследований представлена на рисунке 1.

Экспериментальная часть работы выполнена на кафедре Технологии мясных и рыбных продуктов ГОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», в ФГУ «Краснодарский ЦСМ», ИЦ «ВНИИСагропродукт» и на рыбоперерабатывающих предприятиях Краснодарского края: «Рыбцеха №1» г. Усть-Лабинска и Апшеронского мини-завода «Океан».

 

Рисунок 1 – Программно-целевая модель исследований

 

В работе применены современные общепринятые методы химических, биохимических, микробиологических и органолептических исследований.

Относительную биологическую ценность готовых рыборастительных консервов исследовали с использованием тест-организма Tetrachymena Pyriformis. Достоверность экспериментальных данных оценивали методами математической статистики с помощью компьютерных программ Math CAD II Eterprise Edition, Microsoft Excel при доверительной вероятности ≥ 95%.

3 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Теоретическое обоснование способов совершенствования технологии получения белковых гидролизатов. Известен ряд оригинальных технологических решений по ферментации индивидуального растительного сырья с целью получения пищевых гидролизатов (, , ). Биотехнология переработки животного, в частности рыбного сырья также основана на использовании гидролаз (, , ). Каждый из этих процессов продолжителен, требует специализированного оборудования и использования сравнительно больших количеств ферментов.

Реакции ферментативного гидролиза комплексного сырья протекают по следующей схеме: RR1+H-OH↔RH+R1OH

При гидролизе происходит образование фермент-субстратного комплекса, перегруппируемого под воздействием активного центра фермента.

На рисунке 2 приведена схема классификации пептидгидролаз по структуре активного центра:

ПЕПТИДГИДРОЛАЗЫ

Пептидазы Протеиназы

Аминопептидазы Карбоксильные

Карбоксипептидазы Сериновые

Дипептидилпептидазы Тиоловые

Дипептидазы Металлосодержащие

Пептидилдипептидазы

Рисунок 2 – Структурная схема пептидгидролаз (по )

Основу биомассы фасоли составляют полимеры углеводной природы, а также лигнин и белок. Ферментативная деструкция зерна фасоли основана на разрушении клеточных стенок с целью высвобождения белка и других ценных компонентов.

В связи с тем, что аминокислотный состав белков фасоли не сбалансирован по ряду аминокислот, в состав гидролизуемого субстрата включены рыбные белки.

Нами разработан усовершенствованный способ получения белкового гидролизата из смеси растительного и животного сырья с помощью специально сконструированного мультиэнзимного протеолитического комплекса (МЭПК).

На основании проведенных экспериментальных исследований была усовершенствована аппаратурно-технологическая схема получения белкового гидролизата из бобов фасоли и рыбного сырья (рисунок 3).

 

Рисунок 3 - Аппаратурно-технологическая схема процесса производства белкового рыборастительного гидролизата

Совершенствование данной технологии было направлено на интенсификацию процесса гидролиза, как основного технологического процесса при производстве белковых гидролизатов.

Процесс интенсификации достигался за счет регулирования рН и температуры в биореакторе, а также использования МЭПК, содержащего амилоризин П10Х, пепсин, каталазу, химотрипсин и коллагеназу, обладающих высокой субстратной специфичностью к белкам фасоли и рыбного сырья. Оценка глубины гидролиза проводилась методом измерения удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости гидролизата с помощью мультиметра марки М 890 СМ.

3.2 Исследование особенностей совместного ферментативного гидролиза белков фасоли и рыбного сырья. Используемая в качестве объекта исследований фасоль содержала 21% белка, состоящего из двух основных глобулинов с коэффициентом седиментации 11-13S (легуминоподобные белки с молекулярной массой 360кДа) и 7-8S (вицилинподобные белки с молекулярной массой 167кДа). Альбуминовая фракция белков фасоли состояла из белков с массой 36кДа.

Для получения белкового гидролизата использовали муку из фасоли или предварительно подготовленные очищенные и измельченные зерна фасоли.

Ферментативную биоконверсию белка фасоли и рыбного сырья осуществили в герметичном биореакторе с металлокерамическими стенками с возможностью непрерывного отбора продуктов гидролиза. Соотношение растительного и рыбного сырья в биореакторе составляло: мука из фасоли 30%, разделанная тушка плотвы 30%, вторичные ресурсы разделки карпа, сига и форели 40%. Для глубокого гидролиза белков фасоли и рыбы использовали мультиэнзимный протеолитический комплекс (МЭПК), содержащий в равных отношениях ферменты амилоризин П10Х, пепсин, каталазу, химотрипсин и коллогеназу, что связано с большим разнообразием типов пептидной связи. Регулирование величины рН осуществляли с помощью газообразного диоксида углерода под давлением до 4 МПа.

При использовании МЭПК учитывали, что условия активации и оптимумы действия отдельных ферментов различны, что потребовало применения специального режима гидролиза.

Сериновая карбоксипептидаза фасоли также имеет широкую специфичность в отношении типов пептидной связи.

На рисунке 4 приведена схема совмещенной биоконверсии фасолевого и рыбного белка.

Температура процесса, t °C

Рисунок 4 – Зависимость хода гидролиза от рН и температуры процесса

Как видно из рисунка 4 оптимальное значение рН процесса гидролиза составляет 6,1, а температурный оптимум колеблется от 30°C до 45°C. Поэтому можно предположить, что использование таких технологических приемов и способов, которые позволяют при производстве белковых рыборастительных гидролизатов сместить температуру и рН к оптимальным значениям для действия протеолитических ферментов, является актуальным.

Динамика степени гидролиза белков фасоли от продолжительности процесса представлена на рисунке 5.

Продолжительность гидролиза, мин

Рисунок 5 – Зависимость степени гидролиза белков фасоли от продолжительности процесса

Из рисунка 5 следует, что максимальное значение степени гидролиза белков фасоли наблюдается через 550 минут при рН 3,5, при температуре 45°C.

На рисунке 6 представлены сравнительные данные по гидролизу белка фасоли, малоценного рыбного сырья и ВР протеолитическими ферментами и МЭПК.

 

К – контроль, 1 – амилоризин П10Х, 2 – пепсин, 3 – каталаза, 4 – химотрипсин, 5 – коллагеназа, 6 – МЭПК

Рисунок 6 – Сравнительные данные по гидролизу белка фасоли, малоценного рыбного сырья и ВР протеолитическими ферментами и МЭПК: амилоризин П10Х, пепсин, каталаза, химотрипсин, коллагеназа

Анализ данных представленных на рисунке 6 свидетельствует о том, что максимальные значения растворимого белка, а также редуцирующих веществ в белковом рыборастительном гидролизате наблюдается при использовании МЭПК в процессе гидролиза.

3.3 Исследование воздействия ЭМП НЧ на микрофлору сырья в процессе получения белкового рыборастительного гидролизата. Дальнейшее увеличение глубины протеолиза возможно при условии непрерывного удаления продуктов распада белка (аминокислот) с помощью микроультрафильтрации и консервирования ферментируемой смеси обработкой электромагнитным полем низкой частоты (ЭМП НЧ).

Для изучения биологической стабильности гидролизата в период ферментолиза использовали методику сравнения МАФАнМ проб образцов с консервантом (изопропанолом), проб обработанных ЭМП НЧ и контрольных проб. Обработка образца ЭМП НЧ проводилась в диапазоне модулирующих частот от 27 до 32 Гц с несущей частотой 26,9 МГц в течение 20 мин.

В готовом гидролизате, выработанном по новой технологии, не обнаружены санитарно-показательные микроорганизмы Е. сoli, Pr. vilqaris, Staph. aureus.

Аналогичные результаты получены при ферментации смеси растительных и животных белков.

3.4 Совершенствование технологии получения белкового рыборастительного гидролизата. В основу усовершенствованной технологии положена выдвинутая нами гипотеза эффективного ферментативного гидролиза смеси зернобобового и рыбного сырья. С этой целью, в качестве гидролизующего агента, впервые предложен мультиэнзимный протеолитический комплекс, включающий несколько ферментов с различной кислотной и температурной специфичностью.

Методом ступенчатого изменения рН и температуры достигнута достаточно высокая глубина гидролиза белка.

Другой отличительной особенностью усовершенствованной технологии является непрерывный отбор продуктов гидролиза (аминокислот) через пористые стенки металлокерамического биореактора. Плавное безреагентное изменение величины рН субстрата достигалось за счет регулирования давления диоксида углерода в биореакторе.

По окончании процесса гидролиза смесь центрифугировали и получали белковую пасту. Анализ аминокислотного состава полученного таким способом белкового рыборастительного гидролизата показал, что он приближен к аминокислотному составу мяса говядины и свинины.

3.5 Подбор рационального ассортимента и исследование химического состава сырья для изготовления рыборастительных продуктов. Конструирование рыборастительных продуктов, сбалансированных по аминокислотному составу основано на использовании компьютерной базы данных по глубокому биохимическому составу и функционально-технологическим свойствам зернобобовых культур, рыбного сырья и вторичных ресурсов рыбоперерабатывающих производств (ВР).

В рациональный ассортимент комбинированного сырья входят: фасоль белая, гречневая крупа, картофель, капуста белокочанная, лук, морковь, томаты, чеснок, корень сельдерея, белковый рыборастительный гидролизат, филе карпа, форели и сига.

В таблице 1 приведены данные по химическому составу растительного, рыбного сырья и вторичных ресурсов, получаемых при разделке рыбы.

Таблица 1 – Химический состав растительного и рыбного сырья

	Наименование сырья	Содержание, %
	вода	белок	жир	минеральные вещества	углеводы	зола	Калорийность, кДж/100 г
	Фасоль	14,0	21,0	2,0	11,8	47,6	3,6	1212,2
	Гречневая крупа	14,0	10,8	3,2	13,7	56,3	2,0	1242,3
	Мука пшеничная	14,0	10,8	1,3	3,5	69,9	0,5	1398,2
	Картофель	12,0	6,6	0,3	5,5	71,6	4,0	1318,8
	Капуста белокочанная	90,0	1,8	0,1	2,7	4,7	0,7	122,4
	Лук репчатый	86,0	1,4	0,2	3,2	8,2	1,0	168,0
	Томаты	92,0	1,1	0,2	4,6	1,4	0,7	49,3
	Морковь	88,0	1,3	0,1	2,7	6,9	1,0	140,8
	Чеснок	60,0	6,5	0,5	1,6	29,9	1,5	622,4
	Масло подсолнечное	0,1	-	99,9	-	-	-	3758,0
	Корень сельдерея	87,7	1,3	0,3	3,2	6,5	1,0	227,0
	Шпик	5,7	1,4	92,8	-	-	0,1	3511,0
	Карп ВР карпа	75,8 72,4	16,1 11,4	5,6 2,8	1,3 7,3	-	1,2 6,1	480,9 294,3
	Форель ВР форели	69,3 71,9	20,2 13,2	8,2 2,2	1,3 6,8	-	1,3 5,9	646,2 303,5 185
	Сиг ВР сига	68,5 70,5	19,5 12,7	9,4 2,8	1,3 7,2	-	1,3 6,8	726,7 317,7
	Плотва	76,1	16,6	4,8	1,3	-	1,2	499,5

Содержание белка в мышечной ткани исследуемых рыб в среднем составляет от 16,6% до 20,2%. Содержание липидов у исследуемых видов рыб зависит как от вида рыбы, так и от сезона вылова. По общему содержанию липидов мышечная ткань сига составляет 9,4%, что значительно превосходит их содержание в мясе форели, карпа и соответственно, имеет более высокую энергетическую ценность. Вторичные ресурсы от разделки карпа, сига и форели также содержат значительное количество белка и минеральных веществ.