Способ получения ферментативного гидролизата из отходов переработки морских гидробионтов
METHOD FOR PRODUCING ENZYMATIC HYDROLYZATE FROM SEA HYDROBIONT PROCESSING WASTES

Изобретение относится к пищевой, кормовой и микробиологической отраслям промышленности, а именно к способам получения ферментативных гидролизатов из белоксодержащих отходов переработки морских гидробионтов.
Известен способ получения белковых ферментативных гидролизатов (патент РФ на изобретение №2312514), включающий измельчение рыбного сырья, промывку его водой, гидролиз раствором NaCl в камере диафрагменного электролизера с электродом, подключенным к отрицательному полюсу источника постоянного тока, отделение нерастворившегося осадка, нейтрализацию раствора, сушку, упаковку. Гидролиз осуществляют с введением протеолитического фермента в количестве 1,0-2,0% от массы сырья при оптимальных значениях рН и температуры, соответствующих максимуму активности фермента, в течение 5-6 часов. При этом оптимальные условия гидролиза получают путем проведения электролиза в электролизере, к которому дополнительно подключен источник переменного тока, причем электролизер подключают к источнику переменного тока для достижения и поддержания необходимой температуры раствора, а к источнику постоянного тока для достижения и поддержания необходимого значения рН раствора. После гидролиза проводят осаждение нерастворившегося осадка в той же камере, что и гидролиз, понижением значения рН раствора до 4,0-5,0, для этого отключают электрод от отрицательного полюса источника постоянного тока и подключают его к положительному полюсу источника постоянного тока. После достижения рН осаждения проводят нагрев раствора до 98-100°С, отключив электролизер от источника постоянного тока и подключив его к источнику переменного тока, и оставляют раствор на 5-6 часов, при этом одновременно с осаждением проводят термоинактивацию фермента. Затем отделяют нерастворившийся осадок, осуществляют нейтрализацию раствора повышением значения рН до 7,5-8,0.
Недостатками данного способа является использование не отходов переработки гидробионтов, а малоценных видов рыб (например, путассу), длительность процесса 5-6 часов, использование дорогостоящих ферментных препаратов, применение специализированной электрохимической камеры, а также то, что процесс осуществляется смешанным ферементативно-кислотным способом, поскольку при прохождении постоянного электрического тока образуется соляная кислота, которая и является причиной изменения рН среды, и делает процесс гидролиза неэкологичным (требуется стадия нейтрализации).
Известен способ получения биологически активной добавки из морских гидробионтов используемый в патенте РФ на изобретение №2623738, включающий гомогенизацию сырья, ферментативный гидролиз с использованием ферментных препаратов Протамекса и/или ЦеллоЛюкса-F в количестве 0,5-2% от массы сырья при гидромодуле равном 1:0,5-1:1,5, последующую инактивацию ферментов, очистку полученного гидролизата и сушку до содержания воды 8-10%. В качестве сырья используют вторичное сыре и/или отходы при первичной переработке головоногих моллюсков, или акул, или скатов, или осетровых, или лососевых рыб, или бычков.
Недостатками данного способа является неиспользование отходов переработки крабов и морских ежей, применение дорогостоящих ферментных препаратов, необходимость дополнительно проводить инактивацию ферментов, что увеличивает длительность процесса.
Наиболее близким аналогом является способ получения ферментативных белковых гидролизатов из морских гидробионтов для микробиологических и/или кормовых целей (патент РФ на изобретение №2215425). Способ предусматривает переработку белоксодержащих отходов промысла и переработки гидробионтов и включает одновременное измельчение сырья и гепатопанкреаса-сырца камчатского краба, разбавление водой гомогенизированной смеси при соотношении масс сырья и воды 1:0-1:2, нагревание до 45-55°С, преимущественно 50°С при естественном рН в течение 0,5-8 ч при соотношении масс сырья и протеолитического агента от 1:0,001 до 1:0,100. Условия ферментативного гидролиза задают в зависимости от требуемой степени гидролиза, и при степени гидролиза не менее 30% раствор отделяют центрифугированием и очищают с использованием полимерного коагулянта с концентрацией от 0,1 до 2% в растворе соляной кислоты от 0,5 до 2 моль/л. После добавления коагулянта раствор выдерживают от 0,5 до 2 ч суспензию центрифугируют и фильтруют. Прозрачный гидролизат высушивают и получают целевой продукт - белковую основу для микробиологических сред, а оставшийся осадок сушат и используют в качестве белковой основы кормовых смесей.
Недостатками данного способа является длительность процесса (до 10 часов суммарно), неполное использование отходов переработки краба (используется только гепатопанкреас), высокая температура 500°С, при которой может происходить инактивация протеолитических ферментов, использование соляной кислоты.
Заявляемый способ получения ферментативных гидролизатов из отходов переработки морских гидробионтов, как и известные, включает процессы подготовки сырья, его измельчения, добавления воды, введения в качестве протеолитических агентов внутренностей морских гидробионтов, проведения ферментативного гидролиза, отделения осадка, упаривания и сушки.
Технической проблемой изобретения является разработка технологии комплексного рационального использования отходов переработки гидробионтов.
Техническим результатом изобретения является разработка ускоренного, энергоэффективного способа получения белкового гидролизата, обладающего  сбалансированным аминокислотным и белковым составом.
Технический результат достигается тем, что в качестве сырья используют отходы переработки рыб, внутренности камчатского краба и внутренности морского ежа, осуществляется поэтапно с применением ультразвуковой обработки. При этом на первом этапе производят подготовку отходов переработки рыб, при необходимости размораживают, измельчают, загружают в реактор с перемешивающим устройством в количестве 60-80% от всей массы ингредиентов. Отдельно гомогенизируют внутренности рыб, и добавляют к реакционной смеси в количестве 10-15%, добавляют воду комнатной температуры в соотношении от 1:1 до 1:2 к массе сырья, перемешивают, помещают в реактор ультразвуковой аппарат, и производят обработку ультразвуком в течение 10-15 мин с интенсивностью воздействия 100-200 Вт/дм3 при начальной температуре 20-25°С и рН 6-7. На втором этапе в реактор добавляют подготовленные и гомогенизированные внутренности краба, включая гепатопанкреас, в количестве 10-15% от первоначальной массы отходов переработки рыб, и производят обработку ультразвуком в течение 10-15 мин с интенсивности воздействия 100-200 Вт/дм3. На третьем этапе в реактор добавляют подготовленные и гомогенизированные внутренности морского ежа в количестве 1-5% от первоначальной массы отходов переработки рыб, и производят обработку ультразвуком в течение 10-15 мин с интенсивности воздействия 100-200 Вт/дм3. На следующем этапе, по окончании ферментации, для инактивации ферментативного комплекса проводят обработку ультразвуком в течение 15 мин при интенсивности воздействия 500-600 Вт/дм3. Полученную смесь отстаивают, нерастворимый осадок фильтруют, жир удаляют сепарированием. Раствор гидролизата подвергают ультрафильтрации или тангенциальной фильтрации через мембрану с размером пор 5-10 кДа. Отфильтрованный раствор упаривают до содержания сухого остатка не менее 30% и сушат лиофильно или с помощью распылительной сушилки.
В качестве сырья также может использоваться палевый морской еж с внутренностями и гонадами.
Предложенная технология обеспечивает комплексный подход к решению проблемы рационального использования отходов переработки гидробионтов (рыб и беспозвоночных) и способствует снижению загрязнения окружающей среды, благодаря тому, что в качестве сырья используют отходы переработки промысловых видов рыб, например, трески и/или отходы переработки лососевых видов рыб, выращенных искусственно, например, голец арктический, а также отходов промысла морских гидробионтов, а именно камчатского краба, зеленого морского ежа, а также непромыслового вида ежа - палевый еж, часто оказывающийся в приловах. При переработке камчатского краба отходы состоят из внутренностей краба, включая гепатопанкреас, при переработке морского ежа отходы включают внутренности после удаления икры (гонад). Немаловажным свойством внутренних пищеварительных органов морских гидробионтов является их протеолитическая активность.
3
3
Применение ультразвуковой обработки с интенсивностью воздействия 100-200 Вт/дм на всех этапах стадии ферментации обеспечивает интенсификацию процесса ферментации за счет повышения активности протеолитических ферментов, входящих в состав используемых отходов (внутренностей гидробионтов), существенное уменьшение времени ферментации (до 10-15 мин на каждом этапе), позволяет достичь высокой степени гидролиза вплоть до получения свободных аминокислот. Проведение ультразвуковой обработки с интенсивностью воздействия 500-600 Вт/дм после окончания ферментации обеспечивает инактивацию ферментного комплекса.
3
Предложенная технология не предусматривает подведение дополнительных энергоресурсов. На первом этапе производят подготовку отходов переработки рыб, а именно, головы, кожи, плавников, костно-мышечного остатка, а также внутренностей (желудочно-кишечный тракт). При необходимости сырье размораживают, измельчают, загружают в реактор с перемешивающим устройством в количестве 60-80% от всей массы ингредиентов. Внутренности рыб гомогенизируют отдельно и добавляют к реакционной смеси в количестве 10-15%, добавляют воду комнатной температуры в соотношении от 1:1 до 1:2 ко всей массе сырья, перемешивают, помещают в реактор ультразвуковой аппарат, и производят обработку ультразвуком в течение 10-15 мин с интенсивностью воздействия 100-200 Вт/дм при начальной температуре 20-25°С и рН 6-7.
3
На втором этапе в реактор добавляют подготовленные и гомогенизированные внутренности краба, включая гепатопанкреас, в количестве 10-15% от первоначальной массы отходов переработки рыб, и производят обработку ультразвуком в течение 10-15 мин с интенсивности воздействия 100-200 Вт/дм. При разделке крабов и производстве сыро-мороженых или варено-мороженых конечностей краба образуется от 30 до 50% отходов (карапакс краба с абдоменом и внутренностями), что составляет в среднем от 12 до 20 тыс. тонн в год. В их составе содержатся такие высокоценные компоненты, как белок (12,5%), хитин (2,6%), липиды (0,24%) и минеральные элементы (4,96%) (в расчете на сырой материал). Разумно использовать данные отходы для получения белковых гидролизатов биотехнологическими методами.
3
Большую ценность представляют отходы переработки морского ежа. Во внутриполостной жидкости и отходах из внутренних органов морского ежа обнаружено до 42% белков, 20% жиров, 5% гликогена. На третьем этапе в реактор добавляют подготовленные и гомогенизированные внутренности морского ежа в количестве 1-5% от первоначальной массы отходов переработки рыб, и производят обработку ультразвуком в течение 10-15 мин с интенсивности воздействия 100-200 Вт/дм.
3
Затем, по окончании ферментации, производят обработку ультразвуком в течение 15 мин при интенсивности воздействия 500-600 Вт/дм. Полученную смесь отстаивают, нерастворимый осадок фильтруют, жир удаляют сепарированием. Раствор гидролизата подвергают ультрафильтрации или тангенциальной фильтрации через мембрану с размером пор 5-10 кДа. Отфильтрованный раствор упаривают до содержания сухого остатка не менее 30% и сушат лиофильно или с помощью распылительной сушилки.
Вместо зеленого морского ежа может быть использован палевый еж, который часто является приловом к зеленому морскому ежу (прилов может составлять от 30 до 90%). В этом случае гонады не отделяются. Поскольку не являются ценным пищевым продуктом.
Подтверждение возможности получения данным способом заявленного технического результата - разработка ускоренного, энергоэффективного способа получения белковых гидролизатов, обладающих сбалансированным аминокислотным и белковым составом, которые могут быть включены в состав микробиологических сред как источник аминокислот (очищенный гидролизат), или применены в качестве компонента корма для рыб, повышающего его эффективность, приводится в следующих конкретных примерах.
Пример 1. Получение ферментативного белкового гидролизата для микробиологических белковых питательных сред из отходов разделки лососевых (гольца) с использованием внутренностей камчатского краба и внутренностей морского ежа (зеленого).
0,65 кг костно-мышечного остатка гольца арктического, включая головы, кости, плавники и кожу разморозили на воздухе при комнатной температуре. Измельчили сырье на электрической мясорубке. В блендере измельчили внутренности рыб в количестве 0,15 кг до однородной массы. Измельченное сырье загрузили в колбу вместимостью 5 л с перемешивающим устройством. Залили 1,0 кг воды.
Смесь перемешали, поместили в колбу ультразвуковой аппарат серии "Волна" УЗТА-0.4/22-ОМ, включили аппарат на мощность 96 Вт, ферментировали 15 мин. Затем добавили предварительно размороженные и гомогенизированные внутренности краба, включая гепатопанкреас, в количестве 0,15 кг. Повторно включили ультразвук при тех же условиях и времени обработки. На следующем этапе добавили гомогенизированные внутренности ежа морского в количестве 0,05 кг. Провели обработку ультразвуком при тех же условиях. По окончании ферментации включали ультразвуковой аппарат на полную мощность и обработали реакционную смесь 15 мин для инактивации ферментов. Полученную смесь отстаивали 1 час при температуре 4-70°С, выпавший осадок (негидролизуемый нерастовримый) отфильтровали через нутч-фильтр (под вакуумом), сушили на лиофильной сушилке.
Получившийся продукт может быть использован в качестве фосфорно-кальциевого удобрения. Смесь снова отстаивали 0,5-1 час для расслоения жировой и водной фазы, жир удаляли на сепараторе. Раствор гидролизата подвергли тангенциальной фильтрации через мембрану с размером пор 5-10 кДа. При этом отфильтрованный раствор упаривали до содержания сухого остатка не менее 30% и сушили лиофильно. Получили очищенную фракцию, содержащую аминокислоты и олигопептиды, которую можно применять в микробиологических средах в качестве источника свободных аминокислот. Концентрированный раствор, содержащий макромолекулы растворимого белка и полипептидов, образовавшийся после ультрафильтрации, направили на лиофильную сушку. Получили неочищенный белковый гидролизат для кормовых целей. Химический состав полученных продуктов показан в таблице 1. Состав аминокислот представлен в таблице 2.
Пример 2. Получение ферментативного белкового гидролизата для кормовых целей в качестве премикса для корма рыб из отходов разделки трески с использованием внутренностей камчатского краба и внутренностей и икры морского ежа (палевого).
0,80 кг костно-мышечного остатка рыб тресковых пород, включая головы, кости, плавники и кожу разморозили на воздухе при комнатной температуре. Измельчили сырье на электрической мясорубке. В блендере измельчили внутренности рыб в количестве 0,10 кг до однородной массы. Измельченное сырье загрузили в колбу вместимостью 5 л с перемешивающим устройством. Залили 2,0 кг воды.
Смесь перемешали, поместили в колбу ультразвуковой аппарат серии "Волна" УЗТА-0.4/22-ОМ, включили аппарат на мощность 96 Вт, ферментировали 15 мин. Затем добавили предварительно размороженные и гомогенизированные внутренности краба, включая гепатопанкреас, в количестве 0,05 кг. Повторно включили ультразвук при тех же условиях и времени обработки. На следующем этапе добавили гомогенизированные внутренности и икру палевого ежа морского в количестве 0,04 и 0,01 кг соответственно. Провели обработку ультразвуком при тех же условиях. По окончании ферментации включили ультразвуковой аппарат на полную мощность и обработали реакционную смесь 15 мин для инактивации ферментов. Полученную смесь фильтровали через нутч-фильтр (под вакуумом), раствор сепарировали на сепараторе для удаления жира, концентрировали на ротационном испарителе и сушили на лиофильной сушилке.
Получили неочищенный белковый гидролизат для кормовых целей. Химический состав полученных продуктов показан в таблице 1. Состав аминокислот представлен в таблице 2.
Концепция идеального белка для кормления рыб. Идеальный белок можно определить как компонент, обеспечивающий наиболее точный баланс между содержанием аминокислот, необходимых для оптимальной активности и максимальных темпов роста (достижения размеров, убойной массы и состава тела). Разработка корма, основанного на таком идеальном белке, является эффективным способом использования меньшего количества этого компонента для удовлетворения нужд в полном спектре аминокислот.
В своем рационе рыбы предъявляют требования не к белкам, как таковым, а скорее к специфике аминокислот, их составляющих. При переваривании белков происходит высвобождение и поглощение одиночных аминокислот, либо в составе дипептидов, трипептидов и других цепочечных молекул. Существует около 20 известных аминокислот, используемых в качестве своеобразных строительных блоков для белков во всех живых организмах. Десять из них являются незаменимыми, они обязательно включаются в корма, так как рыба либо не может синтезировать их, либо может, но в недостаточных для ее нужд темпах. Качество кормовых добавок для выращивания рыб в существенной степени определяется по количеству истинного белка по Барнштейну (таблица 1), разницей между уровнем белкового и небелкового азота, содержанием растворимого протеина, золы, а также уровнем аминокислот, особенно незаменимых. В таблице 2 представлены данные анализа аминокислот гидролизатов, полученных по способам, описанных в примерах 1 и 2. При сравнении полученных результатов со справочными данными [Пономарев, С.В. Корма и кормление рыб в аквакультуре. Учебник / С.В. Пономарев, Ю.Н. Грозеску, А.А. Бахарева - М.: Изд. «Моркнига», 2013 - 417 с.] по количеству и соотношению заменимых и незаменимых аминокислот очевидно, что разработанная технология ферментативного гидролиза отходов переработки гидробионтов обеспечивает сбалансированный состав получаемых продуктов.
Пример 3. Экспериментальное подтверждение эффективности полученных гидролизатов для кормления осетровых рыб.
В эксперименте проводили сравнение использования широко применяемого комбикорма Coppens Supreme-10 (Голландия), состав которого представлен в таблице 3, и этого же корма, но обогащенного гидролизатом, полученным по предложенному способу (пример 2). Продолжительность эксперимента составила 26 дней. Объект исследования - производители стерляди (по 21 шт. на бассейн). Комбикорм Coppens Supreme-10 сначала измельчили, затем ввели гидролизат в количестве 3 и 5%, затем формировали гранулы, высушивали и использовали обогащенный корм также как и индустриальный Coppens Supreme-10, но не обогащенный добавкой. Результаты эксперимента представлены в таблицах 4 и 5.
Результаты эксперимента подтверждают эффективность применения нового гидролизата (пример 2) для обогащения промышленного корма голландской фирмы Coppens Supreme-10: по всем массовым показателям произошло увеличение дозозависимых показателей, включая прирост среднесуточной массы.
Кровь является чувствительным и информативным индикатором состояния организма, быстро реагирующим на изменения экзогенных и эндогенных факторов и отражающим влияние как на отдельно взятую особь, так и на популяцию в целом [Строганов Н.С. Экологическая физиология рыб / Н.С. Строганов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1962. Т. 1. 444 с.]. Динамика биохимических показателей может служить маркером состояния организма рыб в искусственных условиях, характеризовать качество и количество питания, плотность заселения, адаптивные способности рыб, интенсивность роста. Известен способ отбора физиологически полноценных самок севрюги при заводском воспроизводстве путем определения физиолого-биохимических тестов (Металлов Г.Ф., Гераскин П.П., Аксенов В.П. Физиолого-биохимические аспекты оценки рыбоводного качества самок севрюги Asipenser stellatus Pall. В кн.: Информационный пакет. Рыбное хозяйство. Серия аквакультура. Аквакультура: проблемы и достижения. М, 1997, вып. 7, с. 4-14). Применяют тесты, характеризующие красную кровь (концентрация гемоглобина, скорость оседания эритроцитов - СОЭ), белковый обмен (концентрация сывороточного белка и бета-липопротеидов). Достоверные различия между группами обнаружены при исследовании СОЭ, являющейся информативным индикатором повреждения организма травматического, воспалительного и гипоксического генеза. В опытной группе величина этого показателя находилась в большинстве случаев в пределах 2,7-3,55 мм/час в конце эксперимента, а в контрольной - 4,05 мм/час. Среднее значение СОЭ в опытной группе оказалось на 0,5-1,35 мм/ч ниже, чем в контроле. Уменьшение показателя СОЭ у рыб опытной группы также указывает на положительное влияние обогащенного корма. Величина СОЭ является информативным, хотя и относительно малочувствительным критерием воспалительных, некротических и других патологических процессов в организме. Некоторые из обнаруженных метаболических эффектов (изменения содержания в сыворотке крови бета-липопротеидов) отражают, по-видимому, усиление белкового обмена у экспериментальных групп рыб.
Предложенный способ является простым, быстрым и энергоэффективным, поскольку полностью исключает использование любых реагентов, кроме отходов переработки морских гидробионтов и воды, не требует подведения дополнительных энергоресурсов (пара, хладогентов) или использования сложных дорогостоящих аппаратов, не загрязняет окружающую среду.
Белковые гидролизаты, полученные по данному способу, обладают сбалансированным аминокислотным и белковым составом, могут быть включены в состав микробиологических сред как источник аминокислот или применены в качестве компонента корма для рыб, повышающего его эффективность.