Получение белкового гидролизата из вторичного мясного сырья для обогащения продуктов питания

В современном мире проблема утилизации субпродуктов, возникающих в процессе пищевого производства, становится все более актуальной [1]. Субпродукты, такие как кости, кожа, внутренности, и другие органы животных, долгое время рассматривались как отходы, но с развитием технологий переработки они приобретают новое значение как ценные источники пищевых компонентов и функциональных ингредиентов [2].

Субпродукты могут быть переработаны с использованием технологий механической обработки, таких как измельчение и экстракция [3]. Измельчение позволяет получить мелкодисперсные частицы, которые могут быть использованы в различных продуктах, таких как пасты, соусы или колбасные изделия [4]. Экстракция позволяет извлечь ценные компоненты, такие как жиры, витамины или минералы, и использовать их в пищевой промышленности [5].

Одним из наиболее распространенных методов переработки субпродуктов является гидролиз [6]. Применение ферментов или кислотных реагентов позволяет разрушить сложные структуры белков, коллагена и других полимеров, присутствующих в субпродуктах, и получить гидролизаты белков [7]. Гидролизаты богаты пептидами и аминокислотами, которые обладают биологической ак- тивностью и могут быть использованы в пищевых продуктах или добавках [8].

Таким образом, целью научного исследования является применение ферментативного гидролиза субпродуктов, что позволит эффективно разрушить белковые структуры и получить биологически активные пептиды и аминокислоты с повышенными функциональными свойствами, позволяющие получить белковый гидролизат, используемый в мясной промышленности.

Материалы и методы исследований

Для экспериментальных исследований были отобраны образцы говяжьих ног с путовым суставом.

Проведено исследование действия ферментных препаратов на соединительно-тканное сырье, используя говяжьи ноги, которые были обработаны согласно традиционной технологии обработки мясокостных субпродуктов на предприятиях мясоперерабатывающей отрасли.

Процесс обработки включал следующие шаги: ноги с путовым суставом были измельчены ленточной пилой на диски шириной 1520 мм и массой 50-85 г. После этого к сырью были применены ферментные препараты для дальнейшего изучения их воздействия на соединительные ткани, содержащиеся в говяжьих ногах. Согласно литературным данным и с учетом того, что ферментативный гидролиз белков происходит в водной среде, в данной работе было принято решение провести обез- жиривание мясокостного сырья с использованием влажного метода.

Для этого к 100 г ножек было добавлено 200 мл дистиллированной воды, а затем суспензия была нагрета в течение 40-45 минут при температуре 95-98 °С. Выделившийся жир был удален. После этого кости были удалены с обезжиренных ножек, а мякотная часть была измельчена на волчке диаметром 5 мм. Далее измельченное сырье отправили в емкость для ферментации.

Для эффективного гидролиза белковых субстратов важно выбрать оптимальную концентрацию фермента. Это играет ключевую роль в процессе гидролиза, так как недостаточное количество фермента может замедлить или даже полностью остановить реакцию гидролиза, а избыточное количество может привести к нежелательным побочным эффектам. Поэтому в дальнейшем для подбора концентрации фермента, ссылаясь на литературные данные были выбраны две концентрации фермента: 1%, 5% ферментом BLT 7 и коммерческой Protease from Bacillus licheniformis (далее PS).

Были исследованы 6 образцов мяса через 3 ч, 24, 36 и 48 ч в 2 повторностях. Наименование образцов:

• 1 .Ноги говяжьи (далее ноги) (контрольный отрицательный образец К^-, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X)

• 2 .Ноги (контрольный положительный образец К⁺, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X, обработанный 0,1% ферментом коммерческая Protease from Bacillus licheniformis (далее PS)

• 3 .Ноги №1 (опытный образец, обработанный 1% ферментом BLT 7, без шей-керирования)

• 4 .Ноги №2 (опытный образец, обработанный 1% ферментом BLT 7, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X)

• 5 .Ноги №3 (опытный образец, обработанный 5% ферментом BLT 7, без шейке-рирования)

• 6 .Ноги №4 (опытный образец, обработанный 5% ферментом BLT 7, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X)

Условия, при которых проводили гидролиз: температура - 45°С, продолжительность -48 часов.

Содержание сухих веществ определяли методом сушки. Температура высушивания 90°С, продолжительность 30 минут (прибор VIBRA). Продолжительность ферментативного гидролиза 3,24,36,48 часов, температура 45°С.

Определение содержания аминного азота проводили по Методике формольного титрования. Определение содержания общего азота и массовой доли белка согласно ГОСТ 23327-98.

Обзор литературы

Одним из наиболее широко изучаемых ферментов является протеаза. Протеазы, такие как папаин из папайи, бромелайн из ананаса и протеазы микробного происхождения, демонстрируют эффективное действие при гидролизе субпродуктов. Гидролиз субпродуктов с использованием папаина привел к высокому содержанию пептидов с антиоксидантной активностью [9].

Кроме протеаз, литературные исследования также отмечают эффективность других ферментов при гидролизе субпродуктов. Например, гидролиз субпродуктов с использованием алкалинных протеаз и эндопептидаз, таких как алькалинная протеаза и термолизин показали, что эти ферменты способствуют высвобождению биологически активных пептидов из субпродуктов [10].

Другое интересное направление исследований – это применение энзимных смесей для гидролиза субпродуктов. Гидролиз субпродуктов говядины с использованием коммерческой энзимной смеси, включающей протеазы, липазы и целлюлазы. Результаты показали, что такая энзимная смесь эффективно гидролизовала субпродукты говядины и обогатила полученный гидролизат пептидами и свободными аминокислотами [11].

В целом, литературные исследования указывают на многообещающий потенциал гидролиза субпродуктов с использованием различных ферментов. Это позволяет получать белковые гидролизаты с высоким содержанием пептидов и аминокислот, которые могут быть использованы в пищевой промышленности для создания функциональных продуктов. Дальнейшие исследования в этой области будут способствовать развитию новых методов гидролиза и оптимизации процессов для повышения качества и эффективности переработки субпродуктов.

Одним из важных аспектов переработки субпродуктов является их безопасность и качество. Специалисты активно исследуют возможности устранения нежелательных веществ, таких как токсины или тяжелые металлы, и разрабатывают методы, которые обеспечивают безопасность и высокое качество получаемых продуктов [12].

Несмотря на значительные преимущества переработки субпродуктов, все еще существуют некоторые вызовы, такие как высокие затраты на оборудование и процессы, а также проблемы, связанные с утилизацией отходов, возникающих в процессе переработки. Однако, с развитием инновационных технологий и повышением осведомленности об экологической важности переработки субпродуктов, эти вызовы могут быть преодолены.

Переработка субпродуктов представляет собой перспективное направление в пищевой промышленности. Она позволяет эффективно использовать ресурсы, уменьшить отходы и создать продукты со значительным пищевым и экономическим потенциалом. Дальнейшие исследования и разработки в этой области сосредоточены на повышении эффективности и безопасности процессов переработки субпродуктов для удовлетворения потребностей пищевой индустрии и потребителей.

Результаты и их обсуждение

Разработан метод предварительной обработки говяжьих ног с путовым суставом, который направлен на сокращение времени созревания, увеличение гидрофильности и снижение механической прочности. Данный метод основан на использовании ферментативного гидролиза с применением ферментного препарата, включающего коммерческую PS и энзиматический экстракт BLT7. Энзиматический экстракт BLT7 получен путем культивирования на минимальной перьевой среде. Его отличительными особенностями является протеолитическая и коллагеназная активность.

Выбор ферментного препарата, полученного от животного сырья, например, энзиматического экстракта BLT7, в первую очередь, обусловлен возможностью наиболее успешно обрабатывать вторичное мясное сырье. Этот препарат содержит комплекс кислых протеиназ, воздействующих на различные белки, присутствующие в мясе, и используются в технологии производства мясных продуктов. Кроме того, экстракт BLT7 синергетически взаимодействует с внутриклеточными ферментами и обладает дополнительными свойствами.

Был разработан метод предварительной обработки говяжьих ног с путовым суставом с целью ускорения созревания, а также повышения гидрофильности и снижения механической прочности. Этот метод основан на использовании ферментативного гидролиза с использованием ферментного препарата, который включает коммерческую PS и энзиматический экстракт BLT7. Энзиматический экстракт BLT7 получен путем выращивания на минимальной перьевой среде и обладает протеолитической и коллагеназной активностью.

Результаты исследования определения сухих веществ показывают, что в опытных образцах после обработки ферментом с течением времени наблюдается колебание количества сухих веществ. Например, через 3 ч после обработки ферментом 0,1% ферментом PS количество сухих веществ 0,1649; через 24 ч – 0,096; через 48 ч – 0,1016. Ноги №2 опытный образец, обработанный 1% ферментом BLT 7 через 3 ч после - 0,0345, через 24 ч - 0,09, через 48 ч – 0,0798. Ноги №4 (опытный образец, обработанный 5% ферментом BLT 7, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X) через 3 ч после - 0,0429, через 24 ч - 0,095, через 48 ч - 0,0794 (табл. 1).

Данные результаты по говядине свидетельствуют о идентичном действии ферментов коммерческой Protease from Bacillus licheniformis и BLT 7.

В ходе экспериментальных исследований были изучены факторы, влияющие на накопление продуктов гидролиза говяжьих ног с путовым суставом. Внимание было уделено основным параметрам гидролиза, таким как температурный режим, продолжительность процесса, количество внесенного фермента. Дальнейшим планом является использование полученного гидролизата в качестве основы для разработки функциональных продуктов, предназначенных для пожилых людей. Эти функциональные продукты питания будут способствовать улучшению состояния и поддержанию здоровья пожилых людей, предоставляя им необходимые пептиды и аминокислоты для оптимального функционирования опорно-двигательной системы. Для определения оптимальных параметров гидролиза было определено количество аминного азота (рис. 1)

Таблица 1 - Результаты исследований говяжьих ног на содержание сухих веществ

№	Наименование образцов	Продолжительность выдержки мясного сырья (ноги – 3 ч)		Продолжительность выдержки мясного сырья (ноги – 24 ч)		Продолжительность выдержки мясного сырья (ноги – 36 ч)		Продолжительность выдержки мясного сырья (ноги – 48 ч)
		Масса сухих веществ	Среднее кол-во сухих веществ	Масса сухих веществ	Среднее кол-во сухих веществ	Масса сухих веществ	Среднее кол-во сухих веществ	Масса сухих веществ	Среднее кол-во сухих веществ
1	Ноги (контрольный отрицательный образец К-, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X)	mс.в.1=0 ,0174 g mс.в.2=0 ,021g	m=0,01 92 g	mс.в.1=0 ,0659 g mс.в.2=0 ,089 g	m=0,07 745 g	mс.в.1=0 ,0777 g mс.в.2=0 ,0749 g	m=0,07 63 g	mс.в.1=0 ,0915 g mс.в.2=0 ,0876 g	m=0,17 91 g
2	Ноги (контрольный положительный образец К+, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X, обработанный 0,1% ферментом PS)	mс.в.3=0 ,0263 g mс.в.4=0 ,0667 g	m=0,16 49 g	mс.в.3=0 ,0689 g mс.в.4=0 ,1226 g	m=0,09 6 g	mс.в.3=0 ,0892 g mс.в.4=0 ,089 g	m=0,08 91 g	mс.в.3=0 ,1104 g mс.в.4=0 ,0927 g	m=0,10 16 g
3	Ноги №1 (опытный образец, обработанный 1% ферментом BLT 7, без шейкерирования)	mс.в.5=0 ,0297 g mс.в.6=0 ,0337 g	m=0,03 17 g	mс.в.5=0 ,0739 g mс.в.6=0 ,0089 g	m=0,04 14 g	mс.в.5=0 ,0641 g mс.в.6=0 ,0632 g	m=0,06 37 g	mс.в.5=0 ,0875 g mс.в.6=0 ,0922 g	m=0,08 99 g
4	Ноги №2 (опытный образец, обработанный 1% ферментом BLT 7, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X)	mс.в.7=0 ,0338 g mс.в.8=0 ,0352 g	m=0,03 45 g	mс.в.7=0 ,0847 g mс.в.8=0 ,0954 g	m=0,09 g	mс.в.7=0 ,067 g mс.в.8=0 ,0699 g	m=0,06 85 g	mс.в.7=0 ,078 g mс.в.8=0 ,0815 g	m=0,07 98 g
5	Ноги №3 (опытный образец, обработанный 5% ферментом BLT 7, без шейкерирования)	mс.в.9=0 ,0326 g mс.в.10= 0,034 g	m=0,03 345 g	mс.в.9=0 ,0696 g mс.в.10= 0,067 g	m=0,06 85 g	mс.в.9=0 ,0692 g mс.в.10= 0,0691 g	m=0,06 92 g	mс.в.9=0 ,0773 g mс.в.10= 0,0791 g	m=0,07 82 g
6	Ноги №4 (опытный образец, обработанный 5% ферментом BLT 7, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X)	mс.в.11= 0,042 g mс.в.12= 0,044 g	m=0,04 29 g	mс.в.11= 0,0928 g mс.в.12= 0,0972 g	m=0,09 5 g	mс.в.11= 0,075 g mс.в.12= 0,074 g	m=0,07 45 g	mс.в.11= 0,0805 g mс.в.12= 0,0783 g	m=0,07 94 g

Аминный азот, мт

■ Говядина (контрольный отрицательный образец К-, 150 rpm Climo-Shaker ISF1-X)

• ■    Говядина (контрольный положительный образец К+, 150 rpm С1шк>-Shaker ISF1-X, обработанный 0,1% ферментом PS)

• ■    Говядина №2 (опытный образец, обработанный 1%ферментом BLT7,150rpm Climo-Shaker

ISF1-X)

• ■    Говядина №3 (опытный образец, обработанный 5% ферментом BLT7, без шейкерирования)

• ■    Говядина №4 (опытный образец, обработанный 5% ферментом BLT7,150rpm Climo-Shaker

ISF1-X1

Рисунок 1 - Результаты определения аминного азота, мг

На рисунке 1 показано накопление аминного азота в зависимости от количества вносимого ферментного препарата. Установлено, что максимальная степень гидролиза достигается при температуре 45 °С, продолжиетльность 24 ч при внесении 5% ферментного препарата.

Целью полученного гидролизата является достижение высокой степени расщепления белка с преобладанием аминокислот, таких как пролин, глицин и других аминокислот (рис 2).

Рисунок 2 – Содержание аминокислот белкового гидролизата

Аминокислотный состав является важной характеристикой полученных гидролизатов (рис 2). Наблюдается значительное присутствие пролина и глицина, что характерно для высокого содержания коллагена. Помимо этого, гидролизаты содержат серосодержащие аминокислоты, а также тирозин и фенилаланин.

Во время исследования активной кислотности (рН) наблюдалось ее стабильность и идентичный окрас индикаторов. Например, в ходе исследования было обнаружено, что при использовании ферментов происходит более быстрое понижение pH в сравнении с контрольным образцом.

В результате этого процесса достигается более быстрое формирование необходимой консистенции продукта. Например, в контрольном положительном образце К+, обработанном 0,1% ферментом PS при скорости вращения 150 об/мин на Climo-Shaker ISF1-X, pH равен 6,5. В то время как в других опытных образцах pH достигает значения 7.

Регулирование pH имеет важное значение в процессе производства различных мяс- ных изделий по нескольким причинам. Один из аспектов связан с процессом затвердевания колбасного фарша. Низкое значение pH является ключевым для этого процесса. При пониженных значениях pH, близких к 5,5, происходит набухание коллагена, гидролиз межмолекулярных связей и активация клеточных ферментов, особенно катепсинов. Это способствует формированию желаемой консистенции и текстуры продукта. Кроме того, быстрое и непрерывное снижение pH фарша до значений около 5,5 является важным для предотвращения развития патогенных и токсикогенных бактерий в продукте. Низкое pH создает неблагоприятную среду для развития таких микроорганизмов, помогая обеспечить безопасность и стабильность мясных изделий.

Таким образом, использование ферментов в процессе обработки говяжьих ног с путовым суставом может способствовать контролируемому изменению pH, что важно для получения желаемой консистенции и предотвращения развития вредоносных микроорганизмов.

В результате исследований, во всех образцах, обработанных 1%, 5% ферментом BLT 7 и коммерческой Protease from Bacillus licheni-formis (PS) соответственно, по истечении 24 часов был достигнут гидролиз белков. При увеличении времени гидролиза больше чем 24 часов, появился посторонний запах в образцах. Таким образом, в результате серии экспериментов в качестве фермента для получения белкового гидролизата был выбран 5% BLT 7.

Результаты анализа аминокислотного состава белковых гидролизатов свидетельствуют об их высоких потенциальных возможностях использования для обогащения мясных продуктов геродиетического назначения. Данные исследования показывают перспективность переработки низкосортного сырья.

Аминокислоты в питании пожилого человека играют особую роль, каждая из кислот имеют свои специфические функциональные свойства [13]. Например, лизин обеспечивает должное усвоение кальция, участвует в образовании коллагена [14]. К известным нутрицевтикам относится аргинин, который обладает имунномоделирующим воздействием на организм, являющийся мощным стимулятором секреции инсулина [15]. Пролин способствует формированию здоровых суставов, сухожилий, связок и сердечной мышцы, глицин - стимулирует иммунную систему, улучшает память, помогает при мышечной дистрофии [16].

Заключение, выводы

С целью эффективного гидролиза шерстных субпродуктов установлены параметры предварительной термической обработки при температуре 95-98°С, в течении 45-50 минут. Для осуществления эффективного гидролиза белковых субстратов были выбраны две концентрации фермента: 1%, 5% ферментом BLT 7 и коммерческой Protease from Bacillus lichen-iformis (далее PS). Были исследованы 6 образцов мяса через 3 ч, 24, 36 и 48 ч в 2 повторностях. Обоснована эффективность применения 5% BLT 7 в качестве ферментного препарата, обеспечивающего гидролиз белков шерстных субпродуктов. Установлено оптимальное время гидролиза – 24 часа при температуре 45°С. Таким образом, исследование процесса гидролиза белоксодержащего сырья с применением ферментного препарата позволило выявить оптимальные параметры получения пищевого гидролизата. Учитывая его потенциал в профилактике заболеваний опорно-двигательной системы, планируется дальнейшая разработка функционального продукта.

Данное исследование профинансировано Министерством сельского хозяйства Республики Казахстан (BR10764998).