Исследование биопотенциала продуктов гидролиза отходов от разделки креветки белоногой Penaeus vannamei

*Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия; e-mail: , ORCID:

Мезенова О. Я. и др. Исследование биопотенциала продуктов гидролиза отходов от разделки креветки белоногой Penaeus vannamei. Вестник МГТУ. 2023. Т. 26, № 3. С. 223–231. DOI:

e-mail: , ORCID:

Mezenova, O. Ya. et al. 2023. Investigation of the biopotential of products of hydrolysis of waste from cutting the white-legged shrimp Penaeus vannamei. Vestnik of MSTU, 26(3), pp. 223–231. (In Russ.) DOI:

Пищевая продукция из креветок традиционно пользуется высоким спросом во всех странах мира. Ежегодно в мире вылавливают свыше 3,5 млн т креветок более 2 000 видов, вместе с тем только 35 видов являются промысловыми. В России креветка занимает второе место по вылову всех ракообразных, объем ее добычи составляет 9–12 тыс. т ежегодно, но с учетом спроса его рекомендуется нарастить до 90 тыс. т ( Баканев, 2020; Ярочкин и др., 2020 ). Промысловое значение имеют креветка гребенчатая северная, углохвостая, черноморская, шипастая, шримс-медвежонок и др. В отечественных уловах преобладают северная креветка Pandalus borealis . В связи с быстрой потерей качества уловы креветок сразу замораживают после вылова или проваривают с последующим замораживанием и переработкой на береговых предприятиях. При этом идет сортировка сырья, удаляются экземпляры, потерявшие качество (раздавленные, потемневшие и др.). Суммарные выбросы креветочных уловов по причине некондиционности могут превышать 60 % ( Ярочкин и др., 2020 ).

На рыбоперерабатывающих предприятиях при выработке пищевой продукции из мороженых креветок накапливаются многочисленные непищевые части (головогрудь, панцирь). Это сырье отличается высокой активностью ферментов, быстро портится и в основном не перерабатывается. В то же время отходы от разделки креветки содержат уникальные протеиновые и липидные комплексы, углеводы гликоген и хитин, каротиноиды (астаксантин) и минеральные вещества, являются концентратом ценных биологически активных веществ (БАВ), востребованных в кормовых и пищевых продуктах и технологиях ( Максимова и др., 2017; Мезенова, 2023 ).

Технологий переработки некондиционного креветочного сырья и/или отходов креветок немного, в незначительных количествах из них вырабатывают креветочную муку ( Ярочкин и др., 2020; Киселева и др., 2019 ). Специалисты Тихоокеанского филиала Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ТИНРО) предложили получать из мелких креветок на основе собственного комплекса протеиназ продукты автопротеолиза, названные лизатами, которые по аминокислотному составу белков схожи с говяжьим мясом ( Виговская и др., 2016 ). Разработана технология получения из креветочных отходов пищевой добавки для обогащения продуктов питания ( Киселева и др., 2017 ). Но в реальной практике масштабирования этих технологий нет, и отходы не перерабатываются.

По данным Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) в отходы от разделки креветки попадает 59–76 % всей массы (головогрудь – 36–49 %, панцирь – 17–23 %, мягкие ткани, икра и ноги – 5–14 %) ( Виговская и др., 2016; Киселева и др., 2017 ). При этом в отходах креветки Pandalus вorealis находится 8 % мышечных волокон от общей массы креветки. Важно, что мышечная ткань удаляемых отходов превосходит по пищевой ценности брюшные мышцы, в ней содержится около 20 % белка, включающего все незаменимые аминокислоты. По содержанию магния, калия и кальция мягкие ткани отходов не уступают брюшной части ( Киселева и др., 2017; Мезенова, 2023 ).

В Атлантическом филиале Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (АтлантНИРО) специалисты разработали технологию липидно-каротиноидных пищевых добавок из панциря отходов креветок с использованием ферментных препаратов, предназначенных для обогащения астаксантином различных пищевых продуктов ( Самсонов и др., 2017а; 2017б ).

В Калининградском государственном техническом университете на кафедре пищевой биотехнологии разработана технология глубокой переработки вторичного сырья гидробионтов (чешуи, костей и голов рыб), крабовых отходов (головогрудь, карапакс, абдомен и др.) на основе высокотемпературного гидролиза и ферментативной обработки ( Способ…, 2019 ). Полученные добавки успешно апробированы в составе пищевых и биологически активных добавок ( Мезенова и др., 2014 ) и комбикормов для рыб в индустриальной аквакультуре ( Мезенова и др.; 2021а; 2021б; 2022а; 2022б ). Представляется перспективным использование принципов данной технологии (высокотемпературной и ферментативной деструкции) ( Мезенова и др., 2018 ) для переработки креветочных отходов с получением протеинсодержащих и липидных добавок, а также обоснование рациональных направлений их использования.

Целью исследования является получение продуктов переработки отходов от разделки креветки белоногой Penaeus vannamei с применением различных методов гидролиза (высокотемпературного и ферментативного), исследование их биопотенциала с рекомендациями по использованию.

Материалы и методы

В исследованиях использовали отходы от разделки креветки белоногой Penaeus vannamei в виде головогруди, предоставленные крупной рыбоперерабатывающей компанией ООО "Вичюнай-Русь" (г. Советск, Калининградская область).

Отходы перерабатывали двумя способами. Первый способ основан на высокотемпературном гидролитическом воздействии измельченного сырья при температуре 130 ºС под давлением 1,35 бар в течение 1–3 ч. В результате глубокой деструкции сырья в органической системе происходило образование сложной дисперсии. Центрифугированием смеси при 3 900 об./мин проводили разделение дисперсии с получением трех фракций – жировой (верхней), водорастворимой (средней) и водонерастворимой (осадочной).

При радиусе ротора 12,0 см и скорости его вращения 3 900 об./мин относительное ускорение центрифуги составило 2 200 (в единицах g). Водорастворимую фракцию подвергали сублимационному высушиванию на установке Martin Christ Alpha1-2 LDplus при температуре –55 °C до содержания воды 5–6 %. Водонерастворимую фракцию обезвоживали конвекционно при 70–75 °С в сушильном шкафу ШС-80-02 до содержания воды 10–12 %. Жировую фракцию очищали от посторонних включений промыванием в теплой воде.

Ферментативный гидролиз проводили с применением протеолитических ферментов микробного происхождения – Alcalase 2,5L и коллагеназа при одинаковых дозировках 0,5 % к массе сырья. Предварительно также готовили гомогенизированную смесь измельченного сырья с теплой водой при гидромодуле 1 : 1 и выдерживали ее при температуре 50 °С (Alcalase 2,5L) и 37 (коллагеназа) в течение 6 ч при постоянном перемешивании. Последующую обработку проводили идентично.

Содержание основных органических веществ в сырье и продуктах гидролиза определяли по ГОСТ 7636-851 (массовые доли влаги, белка, жира, минеральных веществ, аминного или формольнотитруемого азота). Определение хитина проводили по ГОСТ 7636-85 (п.11.9). Обработку экспериментальных данных осуществляли с применением общепринятых методов математической статистики при доверительной вероятности вывода 95 % с использованием пакетов программ Microsoft Office 2010.

Аминокислотный состав протеинов определяли хроматографическим методом ВЭЖХ/УФ-ФД AT 1200 Series Infinity DAD и 1260 FLD; жирнокислотный состав липидов – методом газовой хроматографии (ГХ/МС) на AT GC/MS 5975. Данные исследования проводили в Научно-исследовательской и консультационной лаборатории UBF (Альтландсберг, Германия).

Результаты и обсуждение

Общий химический состав (среднее из 5 измерений) креветочных отходов и полученных из них продуктов гидролиза приведен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав креветочных отходов и продуктов его термического и ферментативного гидролиза

Table 1. Chemical composition of shrimps waste and products of its thermal and enzymatic hydrolysis

Вид сырья	Химический состав, % массы
	Вода	Углеводы (в т. ч. хитин)	Жир	Минеральные вещества	Протеины
Креветочные отходы (головогрудь), мороженые, невареные	75,3 ± 0,21	1,5 ± 0,12	1,2 ± 0,13	5,9 ± 0,21	18,7 ± 0,23
Продукты термического гидролиза
Водорастворимая добавка	6,4 ± 0,11	2,1 ± 0,21	0,45 ± 0,11	19,2 ± 1,13	71,6 ± 1,03
Водонерастворимая добавка	11,1 ± 0,12	5,3 ± 0,32	1,5 ± 0,09	41,7 ± 1,68	30,4 ± 0,98
Продукты ферментативного гид		олиза с применением Alcalase 2,5L
Водорастворимая добавка	8,9 ± 0,14	6,2 ± 0,25	1,3 ± 0,11	14,3 ± 1,25	69,3 ± 1,27
Водонерастворимая добавка	12,0 ± 0,12	7,9 ± 0,17	2,4 ± 0,13	39,2 ± 1,12	38,5 ± 1,12
Продукты ферментативного гид		ролиза с применением коллагеназы
Водорастворимая добавка	9,7 ± 0,15	6,5 ± 0,26	1,4 ± 0,16	15,8 ± 1,09	66,6 ± 1,76
Водонерастворимая добавка	12,9 ± 0,16	6,7 ± 0,18	2,4 ± 0,22	41,1 ± 1,22	36,9 ± 1,23

Из данных табл. 1 следует, что исследованное сырье содержит большое количество белка (18,7 %) и минеральных веществ (5,9 %) при невысокой жирности (1,2 %), при этом в нем присутствуют углеводы – в форме гликогена и хитина, входящие в состав абдомена и панциря креветки (1,45 %). Полученные данные позволяют считать данное сырье перспективным для получения гидролизатов и соответствующих добавок на их основе ( Ярочкин и др., 2020; Максимова и др., 2017; Мезенова, 2023; Киселева и др., 2019; Виговская и др., 2016; Киселева и др., 2017 ).

При переработке его гидролизным методом с последующим фракционированием и сушкой образующихся фракций в полученных продуктах (водорастворимые добавки) содержание протеинов, соответственно, увеличивается до 71,6 % (при термогидролизе) и 66,6–69,3 % (при ферментолизе), уровень минерализации во всех случаях – высокий (14,3–19,2 %). В состав образующихся добавок также входят углеводно-хитиновые композиции (2,1–6,5 %) и небольшое количество липидов (0,45–1,4 %).

Менее богаты протеиновыми компонентами образующиеся при гидролизе водонерастворимые добавки, при этом термогидролизный способ позволяет получать осадочные фракции с меньшим содержанием белка (30,4 %), чем ферментативный гидролиз (36,9–38,5 %). Данные продукты также характеризуются высоким содержанием минеральных веществ (39,2–41,7 %) и углеводно-хитиновых компонентов (5,3–7,7 %).

Об эффективности ферментативной обработки судили по содержанию сухих веществ и накоплению низкомолекулярного аминного азота (формольно-титруемый азот – ФТА) в водорастворимых гидролизатах (табл. 2). Видно, что для получения более глубокого уровня гидролиза протеинов сырья рациональнее применять фермент Alcalase 2,5L, так как показатель ФТА (501,7 мг/100 г) в 1,4 раза превышает соответствующее значение количества аминного азота в гидролизате, полученном с применением коллагеназы (362,0 мг/100 г).

Таблица 2. Результаты оценки глубины ферментолиза креветочных отходов разными ферментами

Table 2. Results of assessing the depth of fermentolysis of shrimps waste by different enzymes

о о и Й а § t « к m	=5 ” о S Й « Й ° у Я Й о к      2 и S u 2 W £ к и	1-0 н к	й в	о о & Й о О  ст у В)  К н ц со	S ° & 8 О О о СО	V Щ Н и Н Й ы о 2 Й u S “ к и ”	< и Н Й О ст s 5 ° £ § m со
Alcalase 2,5L	0,5	2	55	201,5	98,5	8,8	501,7
Коллагеназа	0,5	2	37	194,5	105,5	8,3	362,0

О биологической ценности водорастворимых фракций креветочных гидролизатов, полученных различными способами, судили по аминокислотному составу протеинов (табл. 3).

Таблица 3. Аминокислотный состав водорастворимых гидролизатов, полученных высокотемпературным термолизом и ферментолизом креветочных отходов различными ферментами

Table 3. Amino acid composition of water-soluble hydrolysates obtained by high-temperature thermolysis and fermentolysis of shrimp waste by various enzymes

№ п/п	Аминокислота	Содержание в гидролизате, г/100 г, полученном
		высокотемпературным термолизом	ферментолизом с коллагеназой	ферментолизом с Alcalase 2,5L
1	Аланин	6,4	5,8	5,7
2	Аргинин	5,4	6,6	6,5
3	Аспарагин	0,3	2,5	2,6
4	Аспарагиновая кислота	3,2	4,0	4,6
5	Карнозин	˂ 0,1	0,1	0,1
6	Цитрулин	0,1	–	0,3
7	Цистин	˂ 0,1	0,3	1,9
8	Глутамин	˂ 0,1	2,6	4,3
9	Глутаминовая кислота	2,5	5,3	4,8
10	Глицин	5,7	4,3	4,1
11	Гистидин	0,8	1,7	12,0
12	Гидроксипролин	˂ 0,1	0,1	0,1
13	Изолейцин	4,3	4,3	4,8
14	Лейцин	4,0	3,9	2,7
15	Лизин	4,5	6,1	5,8
16	Метионин	2,0	2,4	2,3
17	Орнитин	0,1	0,7	0,4
18	Фенилаланин	3,1	4,3	4,1
19	Пролин	2,7	3,4	2,9
20	Серин	2,8	2,5	2,3
21	Таурин	5,3	1,5	1,6
22	Треонин	2,4	3,0	3,0
23	Триптофан	0,4	0,9	0,9
24	Тирозин	3,3	4,2	4,1
25	Валин	3,7	3,7	3,6

Анализ полученных данных (табл. 3) показывает близость аминокислотного состава гидролизатов различных способов получения по количественному и качественному составу аминокислот, при этом во всех образцах присутствуют практически все незаменимые аминокислоты, в том числе ценный лизин (4,5–6,1 г/100 г) при незначительном содержании триптофана (0,4–0,9 г/100 г). Преобладают аминокислоты аланин, аргинин, глицин, изолейцин, лизин, аспарагиновая кислота, тирозин, валин, причем их содержание установлено примерно на одинаковом уровне (3,3–6,4 г/100 г белка). Повышенное количество глицина (4,1–5,7 г/100 г) и пролина (1,8–2,7 г/100 г) свидетельствует о присутствии в сырье коллагеновых тканей, в составе которых преобладают данные аминокислоты. Установлено минимальное содержание гидроксипролина (0,1 г/100 г и менее), характерного для рыбного коллагена, что свидетельствует о разном строении коллагеновых белков рыб и креветочного сырья.

При исследовании биопотенциала креветочного жира, выделенного при термогидролизе сырья, следует отметить его специфические органолептические характеристики. Жир имел характерный "креветочный" запах, без порочащих признаков и неприятных оттенков, розовато-оранжевый цвет, был непрозрачным. Анализ жирно-кислотного состава жира показал его высокую биологическую ценность по содержанию эссенциальных высоконепредельных жирных кислот (табл. 4).

Таблица 4. Жирнокислотный состав жира, выделенного из креветочных отходов Table 4. Fatty acid composition of fat isolated from shrimp waste

№ п/п	Жирная кислота	Содержание в креветочном жире, % массы жира
1	14:0 Миристиновая	1,1
2	15:0 Пентадекановая	0,5
3	16:0 Пальмитиновая	17,8
4	16:1 n7 Пальмитолеиновая	2,7
5	17:0 Маргариновая	0,9
6	17:1 Маргаринолеиновая	0,5
7	18:0 Стеариновая	3,4
8	cis 18:1ώ9 tr Элаидиновая	–
9	cis 18:1 ώ 9 Олеиновая	21,9
10	cis 18:1 ώ 7 Вакценовая	3,5
11	tr 18:2 ώ 6 Октадекадиеновая	–
12	cis 18:2 ώ 6 Линолевая	28,5
13	cis 18:3 ώ 6 Гамма-линоленовая	1,2
14	cis 20:0 Арахиновая	0,3
15	cis 18:3 ώ 3 Альфа-линоленовая	2,3
16	cis 20:1 ώ 9 Гондоиновая	1,5
17	cis 20:2 ώ 6 Эйкозадиеновая	2,8
18	cis 20:3 ώ 3 Эйкозатриеновая	1,1
19	cis 22:0 Бегеновая	0,5
20	cis 20:4 ώ 6 Арахидоновая	1,4
21	cis 20:5 ώ 3 Эйкозапентаеновая (ЭПК)	3,8
22	24:0 Лигноцериновая	0,2
23	cis 24:1 ώ 9 Нервоновая	0,2
24	cis 22:5 ώ 3 Докозапентаеновая	0,5
25	cis 22:6 ώ 3 Докозагексаеновая (ДГК)	3,0
26	Сумма	100,0
27	Сумма НЖК	24,7
28	Сумма МНЖК	30,3
29	Сумма ПНЖК	44,7
30	Сумма ώ 6	33,9
31	Сумма Trans ЖК	0,2
32	Сумма ώ 3 ЖК	10,7

Из данных табл. 4 следует, что креветочный жир отличается повышенным содержанием полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК – 44,7 %) при относительно низком содержании жирных кислот (ЖК) семейства омега-3 (10,7 %) и высоком содержании ЖК омега-6 (33,9 %). Содержание насыщенных ЖК (НЖК) составляет 24,73 % (в том числе пальмитиновой 17,8 %), мононенасыщенных ЖК (МНЖК) 30,3 %, в том числе олеиновой (21,9 %). Следует отметить, что основная доля ПНЖК в креветочном жире принадлежит линолевой жирной кислоте (28,5 %). По соотношению ЖК омега-6 к омега-3, как 3,2 : 1 данный жир близок к рекомендуемому для мужчин и женщин в МР 2.3.1.0253-21 "Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения РФ"2 (4–5 : 1).

Однако показатели гидролитической порчи данного жира не позволяют его рекомендовать к пищевому использованию: значение кислотного числа (КЧ) равно 12,3 мг КОН/г жира (норма для пищевого рыбного жира – не более 4,0 мг КОН/г жира), при этом по перекисному числу данный жир не превышает регламентированного значения (ПЧ равно 1,9 ммоль акт.кислорода /кг при норме – не более 10 ммоль акт.кислорода /кг).

Вопрос безопасности креветочного жира для пищевого использования требует специального изучения, поскольку Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 021/2011 "О безопасности пищевой продукции"3 распространяется только на рыбные жиры.

Исследованы органолептические характеристики водорастворимых и водонерастворимых креветочных гидролизатов. Они имеют порошкообразную структуру, легкую сыпучесть, светло-розовый цвет, специфические "креветочные" запах и вкус, свойственный продуктам глубокого гидролиза вторичного сырья гидробионтов. Водорастворимая добавка имеет слабую горчинку во вкусе, присущую низкомолекулярным пептидам морского происхождения ( Kim et al., 2012 ). С учетом высокой биологической активности низкомолекулярных продуктов гидролиза (коротких пептидов) ( Тутельян и др., 2014; Гришин и др., 2017 ), а также повышенного содержания в гидролизатах ценных компонентов ( Максимова и др., 2017 ), рекомендовано их применение в качестве пищевых добавок – источников низкомолекулярных активных пептидов (водорастворимая добавка), высокомолекулярных белков, минеральных веществ и хитиновых компонентов (водонерастворимая добавка). Принимая во внимание высокое содержание протеиновых веществ, обе добавки рекомендуется вводить в качестве кормовых компонентов в состав комбикормов для животных, птиц и рыб в индустриальной аквакультуре ( Мезенова и др., 2022а; 2022б ). Жировую фракцию, получаемую из креветочных отходов, с учетом высокого содержания полиненасыщенных жирных кислот и показателей гидролитических и окислительных изменений также целесообразно вводить в состав различных кормовых продуктов.

Для окончательных выводов по пищевому и кормовому использованию полученных продуктов гидролиза креветочных отходов требуется подтверждение их безопасности в специальных испытаниях.

Заключение

В результате проведенных исследований:

– показана рациональность переработки отходов от разделки креветки белоногой Penaeus vannamei методом глубокого гидролиза с применением высокотемпературного и ферментативного способов и получением водорастворимой и водонерастворимой фракций в форме высушенных добавок;

– установлен химический состав креветочных отходов и продуктов их гидролиза. Показано высокое содержание белка в сырье (18,7 %). Высушенные водорастворимые продукты гидролиза содержат протеинов соответственно 71,6 % (термогидролиз) и 66,3–69,1 % (ферментолиз). Более эффективно ферментативный гидролиз проходит при использовании фермента Alcalase 2,5L, чем коллагеназы;

– определен общий химический состав водонерастворимых продуктов гидролиза креветочных отходов. Термогидролизный способ позволяет получать сушеные добавки с содержанием белка 30,4 %, а ферментативный гидролиз – 36,9–38,5 % при содержании минеральных веществ 39,2–41,7 % и углеводнохитиновых компонентов 5,3–7,7 %;

– исследован жирнокислотный состав креветочного жира, показавший повышенное содержание полиненасыщенных жирных кислот (44,7 %), прежде всего, олеиновой (21,9 %), в том числе высокое содержание кислот омега-6 (33,9 %). Содержание насыщенных жирных кислот составляет 24,73 % (включая пальмитиновую – 17,8 %), мононенасыщенных жирных кислот – 30,3 %. По соотношению жирных кислот омега-6 к омега-3, как 3,2 : 1, данный жир близок к рекомендуемому для положительного физиологического эффекта в питании человека (4–5 : 1);

– с учетом содержания в гидролизатах ценных биологически активных компонентов рекомендовано их применение в качестве пищевых и кормовых добавок.

Работа выполнена в рамках государственного задания по теме "Получение биологически активных веществ из побочных и недовостребованных водных биологических ресурсов для рыбоводных и технических целей" (приказ Федерального агентства по рыболовству № 462 от 30 декабря 2022 г.).