Морская биотехнология в России: перспективы развития

Морская биотехнология в России:

перспективы развития

О.Я. Мезенова

Калининградский государственный технический университет

В утвержденной Правительством РФ Концепции развития рыбного хозяйства на период до 2020 г. и Федеральной целевой программе развития Калининградской области на период до 2010 г., Федеральной программе «Мировой океан» (1998-2012 гг.) говорится о «повышении эффективности... переработки водных биологических ресурсов за счет внедрения. технологий глубокой и комплексной переработки сырья».

Морская биотехнология занимается изучением активного потенциала биологической водной среды с целью его применения в практической деятельности. Эта сфера могла бы стать мощным рычагом подъема национальной рыбной промышленности, лицом страны.

В ХХ веке Россия была ведущей морской державой, имела развитую морскую индустрию, самодостаточный флот, сеть рыбоперерабатывающих предприятий, научно-исследовательские институты, отраслевые учебные учреждения. За эти годы были собраны уникальные знания в области рыбного хозяйства, востребованные сегодня на новом уровне.

В июле 2006 г. на международной конференции «Пищевая и морская биотехнология» (г. Светлогорск) было принято решение о разработке национальной программы на ближайшие 10 лет по направлению «Морская биотехнология России в 2007-2016 гг.» как составляющей национальной программы развития биотехнологии РФ, принятой на третьем съезде Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова (ОБР). Эта программа была разработана и утверждена на четвертом съезде ОБР (Пущино, 2006). В настоящее время осуществляется совершенствование данной программы и реализация отдельных ее положений в рамках государственно-частного партнерства (например, раздел «Аквакультура» планируется осуществить через шестую программу ЕС по биотехнологии РР7).

Основные разработчики программы - шесть региональных отделений Общества биотехнологов России им. Ю.А. Овчинникова, включая Калининградскую обл.

Результатами реализации программы должны стать новые технологии и производства отечественных биопродуктов, направленных на повышение качества жизни.

Составляющие программы дифференцируются на следующие группы:

1) создание биотехнологических производств по комплексной переработке гидробионтов для получения белковых продуктов, липидов, минеральных веществ, продуктов здорового питания, кормовых и технических изделий;

2) разработка биотехнологий продуктов функционального питания, биологически активных веществ (БАВ), добавок (БАД) и композиций на основе водных биологических ресурсов;

3) биоэнергетика - получение энергетических средств и материалов на основе недоиспользуемого морского сырья;

4) аква- и марикультура - культивирование ценных видов рыб (сиговых), нерыбных объектов промысла (ракообразных) и водорослей;

5) жизненно важные лекарственные препараты на основе биотехнологических субстанций;

6) биодеградируемые полимеры: хитозан, сульфатированные полисахариды, коллаген и др.;

7) биологическая безопасность в обращении морепродуктов;

8) подготовка кадров по программам бакалавров, магистров, докторов наук, повышения квалификации в области морской биотехнологии;

9) международное сотрудничество по проектам «Биогидробионты».

Осуществление основных мероприятий проекта по созданию биотехнологических производств, направленных на комплексную переработку гидроби-онтов, позволит разработать теоретические и практические основы безотходных технологий пищевых, кормовых, медицинских и технических продуктов из водного сырья, создать уникальный замкнутый цикл по получению биологически активных изделий из отходов производства непосредственно в местах вылова (проект судна), мини-

мизировать производственные потери при максимальном использовании биопотенциала сырья.

Разработанные мероприятия своевременны, их реализация в ближайшие 10 лет позволила бы привнести значительный вклад в экономику России, а также поднять престиж ее рыбной промышленности до международного уровня.

В Калининградском государственном техническом университете, как одном из участников программы, ведутся разработки, цель которых - создание эффективных доступных, ресурсосберегающих, востребованных биотехнологий пищевых продуктов, ценных биологически активных веществ (БАВ), биологически активных добавок (БАД) и композиций (БАК), биоэнергетиков (биодизеля, биоэтанола) при комп-лексной переработке недоиспользуемых гидробионтов Балтийского региона, направленных на повышение качества производства и жизни населения.

Разработки КГТУ посвящены созданию экологически безопасных пищевых и биологически активных композиций методами биотехнологии из рыбных и нерыбных гидробионтов Калининградского региона и включают:

биотехнологию обогащенных жидких коптильных сред (ЖКС) нового поколения, содержащих БАВ растений (фитокоптильные композиции серии «ФИТО»). Разработана и утверждена нормативная документация;

биотехнологию бездымного копчения с применением обогащенных фи-токомпонентами ЖКС нового поколения (рыба горячего, полугорячего и холодного копчения, а также пресервы из ароматизированной рыбы). Разработана нормативная документация, на Калининградских предприятиях выпущены опытные партии продукции;

биотехнологию поликомпонентных пищевых изделий, обогащенных БАВ (паштеты из печени трески, творожная масса и плавленый сыр с ламинарией). Разработаны проекты НД, выпущены опытные партии продукции;

биотехнологию БАВ и БАД к пище (хитин, хитозан, глюкозамин, олигоса-хара из балтийского гаммаруса, препарат хондроитинсульфата из отходов от разделки рыб). Разработаны проекты НД, выпущены опытные партии продукции;

биотехнологию биоэнергетиков -биоэтанола из балтийских водорослей и биодизеля из рыбного жира технического. Разработаны проекты НД, выпущены опытные партии продукции.

ECONOMICS AND MANAGEMENT

Актуальность научных исследований заключается в необходимости повышения эффективности рыбной отрасли Калининградской области, которая недоиспользует свою сырьевую базу. Промысловые объекты лова сегодня практически не обрабатываются комплексно, не используются отходы от разделки рыб и некондиционные продукты, не перерабатываются перспективные объекты лова с мощным биопотенциалом - рачок-бокоплав гаммарус, водоросли, образующие существенные скопления на побережье [1, 2].

Традиционные технологии переработки гидробионтов Балтийского моря сегодня морально устарели. Копченая и соленая продукция производится невысокого качества, производства экологически опасны, вредными веществами загрязняются продукция, атмосфера, сточные воды. В копченой рыбе накапливается повышенное количество канцерогенных и мутагенных полициклических ароматических угле-водоводов (ПАУ), нитрозаминов, производства несут угрозу здоровью населения, создают экологическую проблему в окружающей среде [3].

Решение данных проблем велось путем разработки и использования бездымного копчения с применением ЖКС нового поколения, обогащенных БАВ растений, с гарантированным отсутствием вредных веществ, обладающих заданными функциональными эффектами (красящими, вкусоароматически-ми, антисептическими, антиокислительными). Использование данных ЖКС рационально для производства рыбы горячего, полугорячего, холодного копчения, в технологии пресервов, паштетов, а также ароматизированной продукции, что позволяет существенно повысить ее качество, расширить ассортимент, достичь гарантированной безопасности. Эффективно и введение в состав ЖКС натуральных структурообразователей - хитина, кар-рагинанов, повышающих их адгезионные и барьерные свойства. Применение ЖКС нового поколения позволяет существенно упростить технологии, достичь их безопасности и экологично-сти, получать изделия с заданным уровнем качества, увеличить эффективность рыбоперерабатывающих производств, поставлять на рынок доступную социально значимую продукцию.

Актуальность производства БАВ и БАД (хитина, хитозана, глюкозамина, олигосахаров, препарата хондроитин-сульфата) из гаммаруса и отходов от разделки рыб обусловлена значимостью данных композиций в обеспечении

здоровья населения. Это связано с их уникальным составом и свойствами (биосовместимость, нетоксичность, биодеградируемость, сорбционность и др.). Отходы от разделки рыб (внутренности, головы, плавники, кожа, кости и др.), составляющие около 50 % их массы, в настоящее время практически не используются в Калининградской обл. Традиционное сырье для перечисленных БАВ - промысловые ракообразные (крабы, криль, креветки, раки и др.), а также хрящевая ткань теплокровных животных (бычьи трахеи). Однако в акватории Балтики традиционное перечисленное сырье отсутствует. В Балтийском море, Куршс-ком и Вислинском заливах, озерах Калининградской области в большом количестве обитает недоиспользуемый в промышленности рачок-бокоплав гам-марус. С учетом оценки его запасов и высокой способности рачка к размножению данную сырьевую базу можно считать потенциально значимой в регионе для получения хитина, БАВ и БАД на его основе (хитозан, олигоса-хара, глюкозамин). Разработанная технология переработки гаммаруса предусматривает комплексный подход и методы биотехнологии, что позволяет получать не только хитиновые материалы, но и белковый гидролизат, существенно упростить и экологизировать процесс.

Сегодня отчетливо выражена мировая тенденция по поиску новых экологически чистых источников энергии -биоэтанола и биодизеля. Данные виды энергии имеют ряд неоспоримых преимуществ относительно традиционных энергоносителей, получаемых из нево-зобновляемых природных источников. Существующие технологии получения биоэтанола и биодизеля имеют ряд недостатков, главное из которых - использование специально выращиваемого растительного сырья (зерновых, масличных культур).

В практике жиромучных производств региона в огромном количестве скапливается некондиционный рыбий жир, непригодный для пищевого или другого использования по причине высоких показателей окисления. Из данных отходов возможно и рационально получать биодизель с требуемыми качественными характеристиками. Для получения этого топлива также пригодны нетрадиционные объекты лова, некондиционные отходы от разделки рыб (внутренности), подверженные быстрому окислению и микробиальной порче. Однако данные свойства липи-дов гидробионтов не являются препят-

ствием для получения нового источника энергии - биодизеля, технология которого разработана в КГТУ. При этом отпадает необходимость в выращивании и переработке ценных масличных культур - рапса, сои, кукурузы и др., а готовый биодизель сможет стать конкурентоспособным продуктом производства Калининградского региона, имеющим спрос на Западе.

Другой недоиспользуемый объект лова - водоросли. На побережье Балтийского моря в районе пос. Отрадное, Лесное, Филино, Донское и др. скопились огромные запасы зеленых и красных водорослей, не используемых в промышленности и обладающих ценными биодеградируемыми полисахаридами. Последние служат источником нового экологически чистого вида энергии - биоэтанола, производимого в мире из зерновых. В КГТУ разработаны научно-практические основы эффективной технологии биоэтанола из водорослей Балтийского моря.

Для получения перечисленных социально значимых продуктов из недоиспользуемых водных биологических ресурсов Балтийского моря разработаны специальные биотехнологии, учитывающие специфику водного сырья.

Основные эксперименты проводили на объектах лова Балтийского моря. Исследования выполняли по стандартным и модифицированным методикам. Параметрами качества считали органо-лептические, химические, химико-физические, физические, биохимические и микробиологические показатели, общепринятые в практике или регламентированные документами. Органолеп-тическую оценку готовой продукции осуществляли по разработанным балльным шкалам с учетом коэффициентов значимости показателей качества. Отдельные исследования проведены в ведущих лабораториях Калининграда (ЦСМ, ОЛВК и др.), Бремерхафенском институте пищевых биотехнологий (Германия). Исследования по содержанию ПАУ проводили методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и гелевой хроматографии на силикагеле с высокоразрешающими капиллярами GC/PID при флуоресцентном детектировании после экстракции из проб циклогексаном или системой ацетон/ацетонитрил/гексан (стандартные методы ФРГ L. 07.00.40). Качественный состав липидов исследовали с помощью газожидкостной капиллярной хроматографии (ГЖХ) с экстракцией петролейным эфиром (стандартный метод ФРГ L. 06.00.12). Анализ биогенных аминов и свободных аминокислот про-

водили методом ВЭЖХ с флуоресцентным детектированием при дериватиза-ции их с о-фтальдиальдегидом/3-мер-каптанпропионовой кислотой. Уровень биологической ценности продукции устанавливали экспресс-методами, предусматривающими применение тест-культур Tetrahymena Pyriformis и Stelanichia Mutilis. В работе использовали математические методы планирования эксперимента с оценкой безразмерной качественной характеристики, а также общепринятые и стандартные методы обработки экспериментальных данных.

Разработаны теоретические аспекты биотехнологии изготовления востребованной продукции из недоиспользуемых гидробионтов региона (пищевых изделий, БАВ и БАК, биоэнергетиков), основанные на взаимодействии биопотенциала сырья и режимных параметров процесса, моделировании и оптимизации ключевых операций.

Обоснованы принципиальные и частные технологические решения по изготовлению обогащенных фитокомпо-нентами коптильных сред (ЖКС серии «ФИТО»). Фитокомпоненты позволяют значительно разнообразить качественные признаки коптильных сред и готовой продукции. ЖКС серии «ФИТО» -это растворы от светло-желтых тонов до цвета крепкой чайной заварки, с приятными ароматами (запахи копчености сбалансированы с оттенками хвойного леса, цветочными, травянисто-фруктовыми и т. д.).

С применением ЖКС серии «ФИТО» разработаны биотехнологии рыбы горячего, полугорячего и холодного копчения (лещ, салака, треска, килька и др.), пресервов из кильки и салаки, структурированных паштетов из печени трески, позволяющие получать безопасную готовую продукцию высокого качества с разнообразными и приятными оттенкам цвета и аромата.

Обоснованы эффективные технологии социально значимых для Калининградского региона натуральных БАВ широкого спектра действия (хитин, хи-тозан, глюкозамин, олигосахара, препарат хондропротекторного действия) из балтийского гаммаруса и отходов от разделки рыбы. Данные продукты получают методами биотехнологии (фер-ментолиз, автоэнзимолиз, биоконсервирование), что позволяет комплексно использовать сырье, снизить агрессивные нагрузки на оборудование, утилизировать отходы, повысить рентабельность производства, получать востребованные качественные изделия.

Предложены рациональные биотех-

нологические решения изготовления экологически чистых видов энергии из возобновляемого сырья - биодизеля из некондиционного рыбьего жира (побочного продукта производства кормовой муки из отходов от разделки рыб) и биоэтанола из водорослей Балтийского моря, образующих промысловые скопления в некоторых местах Калининградского побережья. Выход биодизеля из рыбьего жира составляет 116 %, биоэтанола из водорослей рода родофита - 48 %, что свидетельствует об эффективности разработанных методов. Переработка данных объектов позволит повысить экологию курортных зон региона, получать конкурентоспособный экологически чистый вид энергии.

По результатам исследований разработана и утверждена следующая нормативная документация на биотехнологии и готовую продукцию: ТИ и ТУ 2455-033-00038155-03 «Жидкость коптильная «ФИТО», ТИ и ТУ 9263029-00472124-05 «Рыба полугорячего копчения», ТИ и ТУ 15-1207 «Филе рыбное малосоленое холодного копчения ламинированное»; ТИ и ТУ 15-03 17.004 «Пресервы из разделанной рыбы. Рыба малосоленая деликатесная в масле с добавлением коптильного препарата «Амафил»; ТИ и ТУ 9272-05-00471515 «Пресервы «Терпуг вяленый ароматизированный копчением в масле (филе-ломтики)»; ТИ и ТУ 9289-034000793368-06 «Пресервы в крем-соусе «Биоароматные»; ТИ и ТУ 928903400564734-07 (проект) «Хитин пищевой из балтийского рачка гаммаруса» и др.

Выпуск опытных и промышленных партий биопродукции осуществлен в рыболовецком колхозе «За Родину» (Калининградская обл.); АтлантНИРО (г. Калининград), на кафедре пищевой биотехнологии КГТУ. Вся продукция одобрена по качеству на дегустациях различного уровня.

Обоснованные технологии отражены в бизнес-плане по строительству ряда рыбоперерабытывающих комплексов г. Калининграда.

Результаты исследований вошли в учебные пособия, учебно-методические издания, техническую литературу, научные статьи и используются в учебном процессе вузов России при подготовке и повышении квалификации специалистов в области технологий пищевых продуктов [1-3].

Разработанные биотехнологии вошли в национальную программу «Морская биотехнология России в 20072016 гг.», одобренную на четвертом

съезде Общества биотехнологов России (декабрь, Пущино, 2006).

Оценка эффективности биотехнологических разработок из недоиспользуемых гидробионтов Балтийского моря, проведенная по нормативному коэффициенту эффективности (1,2-1,8), уровню качества продукции и биотехнологии (0,031-0,034), коэффициенту полезного использования (0,47-0,96), экологической безопасности (200600), показала экономическую предпочтительность обоснованных решений и высокий уровень качества технологии и продукции.

Разработанные биотехнологии обеспечивают комплексное использование сырья, высокую конкурентоспособность готовой продукции, экономическую эффективность и экологическую чистоту производства, что в итоге позволяет поднять рыбную отрасль на новый уровень, решить следующие актуальные задачи региона:

• обеспечить население социально значимыми доступными пищевыми продуктами и биологически активными композициями;

• рационально использовать традиционные объекты лова, запасы водорослей, отходы рыбопереработки, непищевые морепродукты;

• уменьшить вредное воздействие производств на экологию;

• создать новые рабочие места в регионе;

• внедрить прогрессивные технологии из гидробионтов;

• получать и поставлять на мировой рынок новые виды биотоплива;

• создать новые направления в бизнесе и торговле;

• выйти на мировой уровень в области биотехнологии гидробионтов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мезенова О.Я., Сергеева Н.П., Бай-далинова Л.С. и др. Биотехнология морепродуктов: Учеб. для студ. высш. уч. зав. - М.: Мир, 2006.

2. Мезенова О.Я., Сергеева Н.Т., Бай-далинова Л.С. и др. Биотехнология гидробионтов. - Калининград: Издательство КГТУ, 2004.

3. Мезенова О.Я. Технология и методы копчения пищевых продуктов: Учеб. пос. - СПб.: Проспект науки, 2007.

4. Национальная программа «Развитие биотехнологии в Российской Федерации на 2006-2015 гг.» (на основе государственно-частного партнерства). Утверждена Третьим Съездом Общества биотехнологов России 27 октября 2005 г. - М., 2005.