Перспективы применения вторичных коллагенсодержащих ресурсов толстолобика в пищевых системах

На сегодняшний день Россия обладает богатыми водными биологическими ресурсами. Рыбохозяйственная отрасль играет важную роль в поддержании продовольственной безопасности Российской Федерации, сохранении водных биоресурсов и улучшении качества жизни населения [9].

Приоритетными направлениями развития рыбоперерабатывающей промышленности являются расширение производства и реализация конкурентоспособной российской продукции из водных биоресурсов с высокой долей добавленной стоимости, обеспечение на этой основе интенсивного замещения импортной продукции на внутреннем рынке продукцией российского производства [9].

В последние годы рыбная промышленность Астраханской области существенно изменилась [12, 13, 14]. На фоне общего сниже- ния объема добычи рыбы перспективным направлением развития отрасли является комплексная переработка промысловых рыб и объектов товарной аквакультуры. Вовлечение вторичных продуктов переработки рыбы в производство способствует расширению ассортимента рыбной продукции и повышению эффективности производства. Особенный интерес для переработки представляют вторичные коллагенсодержащие рыбные ресурсы.

В настоящее время имеется ряд работ отечественных ученых по разработке технологических решений переработки вторичного рыбного коллагенсодержащего сырья [3, 7]. Разработана технология получения пищевого ихтиожелатина [17] из чешуи рыб, переработка отходов ихтиожелатинового производства для получения физиологически активной добавки [18], изготовление съедобных пищевых пленок из ихтиожелатина [11], получение су- хой рыбной основы для бульонов, супов и соусов быстрого приготовления из малоценных продуктов разделки прудовых рыб [1, 2]. Вторичные ресурсы рыбной промышленности представлены как источник пищевых биологически активных добавок [16]. Из волокнистого коллагена, представленного в коже рыб, ученые разработали технологии желатина, который применяется в медицине для изготовления биодеградируемых пленочных композиций (пленок, пластинок, покрытий, губок, нитей и др.) [4, 5]. Анализ научно-практических данных показывает, что технологии и использование продуктов из рыбных коллагенсодержащих ресурсов существенно отличаются для сырья, содержащего гиалиновый коллаген костной ткани и волокнистый коллаген, представленный в коже рыб, также отдельно разработаны технологии переработки чешуи рыб. Для формирования рациональной технологии переработки необходимо углубленное изучение их химического состава вторичных рыбных ресурсов. Следует отметить, что состав сырья отличается в зависимости от вида рыбы, а также может меняться в зависимости от времени года, района выращивания и других факторов.

В настоящее время наиболее интенсивно наращивается производство объектов аквакультуры. Проводятся научные исследования в этом направлении, в том числе технологические. Для организации переработки важны объемы сырьевых ресурсов. По данным Волго-Каспийского территориального управления Федерального агентства по рыболовству исследование объемов производства объектов товарной аквакультуры за 2016–2020 гг. в Астраханской области показало, что наибольшее количество среди всех объектов занимает толстолобик. Объем его производства за 5 лет составил 38,225 тыс. тонн, на втором месте карп – 30,713 тыс. тонн, на третьем месте амур – 13,796 тыс. тонн. Объемы производства других видов рыб на порядок меньше. Как правило, на пищевых предприятиях практически не перерабатываются кости, шкура и чешуя, они поступаюь в отходы и используются на кормовые цели. Массовый состав этих частей тела толстолобика составляет 24,3 %: кости – 14,7 %, кожа – 5,1 %, чешуя – 3,6 %. Таким образом, ежегодно при разделке толстолобика в отходы поступает около 2 тыс. тонн не используемых на пищевые цели отходов, которые могут выступать вторичными ресурсами для глубокой переработки сырья и получения ценных продуктов питания и БАД.

Таким образом, задача комплексной переработки толстолобика, подбора рациональных направлений переработки вторичных рыбных ресурсов, определение перспектив применения готовых пищевых продуктов наиболее актуальна.

Объекты и методы исследований

В качестве объекта исследования были выбраны вторичные ресурсы переработки толстолобика Hypophthalmichthys , выращенного в Астраханской области, в частности кости, кожа и чешуя.

Исследование химического состава вторичных ресурсов толстолобика проводили стандартными методами (ГОСТ 31795-2012, ГОСТ 7636-85). Содержание белка определяли по методу Кьельдаля, жира – экстракционно-весовым методом, влагу и золу – гравиметрическим методом. Фракционный состав белков чешуи рыб определяли последовательным экстрагированием водо- и солерастворимых белковых фракций (дистиллированной водой и солевым раствором хлорида кальция с концентрацией 0,6 моль/дм3). Определение содержания коллагена проводили автоклавированием при температуре 150 °С и давлении 0,15 МПа.

Качественный и количественный аминокислотный состав чешуи толстолобика определяли на жидкостном хроматографе модели L-8800 фирмы «Hitachi» (Япония) согласно инструкции изготовителя. Предварительно проводили подготовку образцов обработкой гидролизующей смесью при 155 °С в течение 1 часа. Анализ проводили в стандартном режиме анализа белковых гидролизатов, используя высокоэффективные ионообменные хроматографические колонки и специальный нингидриновый реагент для детектирования элюирующихся аминокислот.

Этапы работ по выполнению аминокислотного анализа образцов:

• 1.    Кислотный гидролиз пробы. Навеску образца (1–2 мг) помещают в стеклянную ампулу и добавляют 200 мкл (0,2 мл) свежеприготовленной гидролизующей смеси. Образец замораживают, помещая ампулу в жидкий азот, вакуумируют и заплавляют. Гидролиз проводят при 155 °С в течение 1 часа. По окончании времени гидролиза ампулу (после охлаждения) вскрывают, содержимое количественно переносят в пластиковую и досуха

  удаляют гидролизующую смесь. Следы кислот удаляют, повторив дважды процедуру упаривания небольших порций воды (0,1 мл), добавляемых к сухому остатку, на CentriVap Concentrator LABCONCO. Далее для аминокислотного анализа к гидролизату (сухому остатку) добавляют определенное количество 0,1н. соляной кислоты, и, после интенсивного перемешивания центрифугируют в течение 5 мин при 8000 об/мин на центрифуге Microfuge 22R (Beckman-Coulter, US). Дальнейшие разведения производят в соответствии с предполагаемым количеством белка в образце.

• 2.    Проведение аминокислотного анализа. Анализ аминокислотного состава полученных кислотных гидролизатов белка проводят на аминокислотном анализаторе, L-8800 фирмы «Hitachi» (Япония) на колонке 4.6·80 мм со смолой 2622SC-PH-HR.

• 3.    Определение аминокислотного состава белка. Аминокислотный состав анализируемого белка рассчитывают исходя из навески белка, взятой для анализа, молекулярной массы белка и полученных данных о количестве каждой аминокислоты, содержащейся в гидролизате. Результаты представляют как число остатков аминокислоты, приходящихся на моль белка.

В работе использовались аналитические методы исследований: анализ, систематизация, обобщение и интерпретация экспериментальных данных.

Результаты исследований обрабатывались современными методами расчета статистической достоверности с использованием компьютерных программ Microsoft Excel. Достоверность различий определяли методом вариационной статистики с использованием критерия Стьюдента, различия считали достоверными при P < 0,05. Эксперименты проводились в 3–5– кратной повторности.

Результаты и их обсуждения

Химический состав костей толстолобика, которые поступают в отходы при разделке на филе с реберными костями, представлен в табл. 1.

Таблица 1

Средний химический состав костей толстолобика

Содержание, %
воды	азотистых в-в	жира	минеральных веществ
54,60	16,40	14,94	14,06

Установлено, что в костях толстолобика содержится значительное количество белка (16,4 %), жира (14,9 %). Также из данных таблицы 1 видно, что кости толстолобика содержат 14,06 % минеральных веществ.

Данные аминокислотного состава белка костей толстолобика представлены в работах ученых Воронежского университета инженерных технологий (Дворянинова О.П., Соколов А.В., Спиридонова М.В). Согласно этим данным, белок костей рыб представлен заменимыми и незаменимыми аминокислотами. До 75 % азота костей составляет коллаген. Для сравнения, представляем известные данные по содержание минерального состава костей толстолобика, выращенного в Воронежской области. В костях толстолобика обнаружено в среднем 17,70 % минеральных веществ, около 80 % из них составляет фосфорнокислый кальций, в среднем 7 % – углекислый кальций, и в небольших количествах обнаружены соли (фтористый кальций, хлористый натрий и др.) Установлено соответствие нормам по содержанию токсичных элементов. Представленные данные по общему содержанию минеральных веществ в костях толстолобика соотносятся с нашими данными, расхождение в данных в зависимости от района выращивания составляет 20 % [ 6 ] .

Химический состав кожи толстолобика представлен в табл. 2.

Таблица 2 Средний химический состав кожи толстолобика

Содержание, %
воды	азотистых в-в	жира	минеральных веществ
55,90	23,91	19,60	0,59

В коже толстолобика отмечено высокое содержание азотистых веществ (в среднем 24 %), а также отмечают высокое содержание жира в среднем 20 %). Отличительной особенностью химического состава кожи толстолобика является невысокое содержание минеральных веществ (менее 1 %).

В табл. 3 представлен средний химический состава чешуи толстолобика.

Изучение общего химического состава чешуи толстолобика Hypophthalmichthys показало самое высокое содержание азотистых веществ (30 %) среди все исследуемых вторичных рыбных ресурсов. Также отмечается высокое содержание минеральных веществ, на уровне 13 %. Это значение близко по содержанию золы в костях. Содержание жира незначительное, менее 1 %.

Таблица 3

Средний химический состав чешуи толстолобика

Содержание, %
воды	азотистых в-в	жира	минеральных веществ
56,7	29,7	0,2	13,4

Низкое содержание жира в чешуе толстолобика как объекта товарной аквакультуры (0,2 %) обуславливает возможность использования данного вторичного рыбного сырья в технологических процессах изготовления пищевой продукции без предварительного обезжиривания сырья. В работах ряда ученых проведены исследования показателей безопасности чешуи рыб, которые показали полное соответствие этого сырья требованиям для пищевой рыбной продукции [17, 19].

Белковые вещества, в том числе белки чешуи рыб, включают водорастворимые, солерастворимые, щелочерастворимые и нерастворимые фракции. Как правило, эти фракции различаются растворимостью, значением изоэлектрической точки, молекулярной массой, температурой коагуляции и другими свойствами и назначением. Исследование фракционного состава белков чешуи толстолобика показало, что содержание водорастворимых и солерастворимых белков в сумме составляют 4,6 %, щелочерастворимых белков (коллагена) – 58,4 %, а также содержание нерастворимой белковой фракции – 5,6 % (к сухому веществу). Таким образом, установлено, что большая часть азотсодержащих веществ чешуи толстолобика, в среднем 85 %, представлена коллагеном.

Известно, что сопутствующие коллагену вещества белкового происхождения представлены склеропротеинами – кератин, эластин, ретикулин; протеинами – альбумины и глобулины; а также группой глюкопротеидов, основными представителями которой выступают мукоиды, муцины, меланины и мукополисахариды. Они являются компонентами основного вещества чешуи рыб и играют большую роль в организации структуры коллагена.

Для оценки функционально-технологических свойств чешуи толстолобика далее был исследован и проанализирован аминокислотный состав, результаты которого представлены на рис. 1–3.

В аминокислотном составе чешуи толстолобика идентифицируются 18 аминокислот. Исследование аминокислотного состава чешуи толстолобика показывает, что белковые фракции содержат практически полный набор аминокислот, включая незаменимые (17 % составляет сумма незаменимых аминокислот по отношению ко всем аминокислотам чешуи толстолобика). Особое внимание обращает на

Название аминокислоты

Рис. 1. Аминокислотный состав чешуи толстолобика (моноаминодикарбоновые кислоты)

9898,8

Рис. 2. Аминокислотный состав чешуи толстолобика (моноаминокарбоновые кислоты)

Название аминокислоты

Рис. 3. Аминокислотный состав чешуи толстолобика (гетероциклические и диаминомонокарбоновые кислоты)

себя наличие аминокислоты – цистин (2 % от общего содержания аминокислот).

Отсутствие в составе белка чешуи толстолобика незаменимой аминокислоты триптофана не позволяет сделать вывод относительно его полной биологической ценности. Также биологическую ценность чешуи снижает малая активность пищеварительных ферментов к расщеплению коллагена и про- чих сопутствующих фибриллярных белков (эластин, ретикулин). Доминирующими по массе аминокислотами чешуи толстолобика являются ( % массы азотистой части): глутаминовая кислота – 22,7 %, пролин – 12,3 %, глицин– 9,9 %, аланин – 9,0 %, оксипролин – 8,5 %, аргинин – 8,6 %.

Данные аминокислотного состава (см. рис. 1–3) позволяют распознать коллаген как превалирующий белок чешуи толстолобика посредством определения процентного соотношения отдельных аминокислотных остатков к общему их числу.

В зависимости от строения боковой цепи аминокислотные остатки подразделяют на типы, состав которых в коллагене, % от общего числа аминокислотных остатков, представлен ниже:

– аминокислоты без боковой цепи (глицин) – 9,90;

– аминокислоты с гидрофильной боковой цепью:

кислотного характера (аспарагиновая и глютаминовая аминокислоты) – 26,72;

основного характера (лизин, аргинин, гистидин) – 13,61;

– серосодержащие аминокислоты (метионин) – 1,80;

– аминокислоты, содержащие гидроксил, за исключением оксилизина (оксипролин, тирозин, серии, треонин) – 15,57;

– аминокислоты, не содержащие азот и кислород в боковой цепи (аланин, лейцин, изолейцин, валин, фенилаланин, пролин) – 30,37;

– аминокислоты с иминогруппой (пролин и оксипролин) – 20,75.

Процентное соотношение аминокислот коллагена и чешуи толстолобика представлено в табл. 4. Данные по традиционному процентному соотношению коллагена заимствовали из научной литературы [8, 15]. Показано, что чешуя толстолобика в основном обладает подобным составом аминокислот.

При исследовании установлено большое количество глутаминовой и аспарагиновой аминокислот – известных химических предшественников образования специфического вкуса, обязательные составляющие композиций спортивного питания и лекарственных препаратов. Данные аминокислоты интегрируют азотистый обмен в организме человека. В отдельные моменты в организме может не хватать определенных аминокислот, и тогда они синтезируются из других аминокислот. Уникальность глутаминовой и аспарагиновой аминокислот заключается в том, что для взаимного превращения друг в друга все заменимые аминокислоты должны превратиться вначале в глутаминовую или аспарагиновую кислоту. Наиболее частым источником легко мобилизуемого белка являются транспортные белки крови [10]. При нехватке белка в организме они перераспределяются от одних внутренних органов к другим, что может привести к негативным последствиям. Следовательно, употребление пищевой продукции со значительным содержанием глутаминовой и аспарагиновой кислот является положительным физиологическим фактором.

Выводы

Таким образом, в работе проведено исследование химического состава вторичных ресурсов (костей, кожи и чешуи) толстолобика, выращенного в Астраханской области. Установлено, что все вторичные ресурсы имеют высокое содержание азотистых веществ (16,4–29,7 %), отличаются содержанием минеральных веществ и жира. Больше всего минеральных веществ отмечено в костях толстолобика (14,1 %), в чешуе на 5 % меньше. Кожа и чешуя толстолобика содержат не более 1 % жира, в костях отмечено 15 % жира. Ус-

Таблица 4

Процентное соотношение аминокислот в коллагене и чешуе толстолобика

Наименование аминокислот Процентное соотношение для коллагена [8, 15] Процентное соотношение в чешуе толстолобика Аланин + лейцин + изолейцин + валин + фенилаланин + пролин 31,48 30,37 Оксипролин + тирозин + серин + треонин 13,54 15,57 Пролин + оксипролин 21,4 20,8 Метионин 0,7 1,8 Аспарагиновая + глютаминовая аминокислоты 12,38 26,72 тановлено, что чешуя толстолобика является источником незаменимых и заменимых аминокислот, отмечается большое количество глутаминовой и аспарагиновой аминокислот (26,72 %), что обуславливает ее ценность и высокий потенциал для производства продуктов питания, в частности соусной продукции с высоким содержанием белка и улучшенными органолептическими показателями. Исследования обосновывают целесообразность использования вторичных коллагенсодержащих ресурсов толстолобика в пищевых системах с целью получения продуктов питания с высокой пищевой ценностью.