Разработка технологии коллагенсодержащей пищевой добавки для применения в мясных системах

В рыбоперерабатывающей промышленности более 60 % побочных продуктов являются отходами производства. Такое количество отходов создают угрозу экологической стабильности окружающей среды. Разработка комплексных ресурсосберегающих технологий переработки первичных и вторичных отходов соответствует стратегии нулевых отходов, направленной для достижения трех важных аспектов жизни: экономическое благополучие, сохранение окружающей среды и социальное благополучие [1, 2].

Одной из основных проблем, связанной с утилизацией побочных продуктов в рыбном промысле, является переработка неразделенной биомассы. К этой категории относятся отходы, формируемые при разделке рыбы на филе, а также улова и/или нежелательного улова (например, мелкой рыбы). Такие отходы используются лишь частично и применяются в производстве малоценных продуктов – кормов для сельскохозяйственных животных и в качестве удобрения [3, 4].

Аналогичные проблемы прослеживаются для предприятий мясной отрасли. Вовлечение в производство побочных продуктов переработки мясного и рыбного сырья направлено на решение вопросов его рационального использования в целях увеличения производства высококачественных и биологически ценных мясных продуктов.

В сфере интересов науки и практики – поиск технологических возможностей переработки отходов с высоким содержанием соединительной ткани, обладающих технологическим потенциалом. Как правило, непосредственное использование отходов ограничено их низкими функционально-технологическими свойствами и органолептическими показателями. Поэтому требуется целенаправленное воздействие на соединительную ткань мясного и рыбного сырья путем применения ферментных биотехнологий.

Сегодня научно-практическим решением данной проблемы является целенаправленная переработка вторичных отходов и получение из них по возможности пищевых продуктов – наборов для ухи, паштетов, формованных изделий, коллагеновых веществ, гидролизатов, желатина, ферментных препаратов, биологически активных добавок, белково-минеральной муки, удобрений [5].

Одним из перспективных решений является применение различных протеолитических ферментативных препаратов. Однако использование ферментных препаратов вызывает трудности, которые связаны с высоким ценообразованием такой продукции в связи с ее ограниченным количеством на рынке пищевых ингредиентов [6–9].

Гидролизаты рыбного белка – это высококачественные продукты, получаемые из белков мышц рыбы, путем гидролиза, в результате которого получается смесь расщеплённых белков – пептидов и аминокислот. Для извлечения рыбного белка обычно используются химические, микробиологические и ферментативные методы гидролиза [10]. В химических методах для извлечения белков из отходов рыбного производства, таких как кожа, чешуя, кости и внутренности применяются щёлочи и другие растворители [11]. Несмотря на то, что химический гидролиз является недорогим и позволяет быстро извлечь белковые фракции, наиболее предпочтительным является ферментативный гидролиз, что обеспечивает получение 15–30 % белка из побочных продуктов рыбного промысла.

Одним из факторов, способствующих их популярности, является использование процессов гидролиза в промышленных масштабах. Ферментативный гидролиз белков, при котором используются эндогенные ферменты для расщепления пептидных связей в аминокислотах, в последнее время считается альтернативой традиционному химическому гидролизу, о чем свидетельствует возросший интерес научного сообщества и рост научных статей по данной тематике [12–14]. Аналитический обзор научных публикаций позволил обосновать актуальность выбранного направления исследований, связанного с поиском эффективного метода на основе принципов биоконверсии низкосортного мясного сырья с привлечением вторичных ресурсов рыбной и птицеперерабатывающей отраслей. Создавать ценные пищевые ингредиенты возможно на основе использования вторичных ресурсов птицеводческой промышленности. При этом использование кожи, доля которой составляет от 12,0 до 19,5 %, служит хорошим источником – около 60,0 % высококачественного коллагена, что в условиях глобального дефицита ресурсов белка животного происхождения является особенно важным [15].

На основании вышеизложенного для доказательства состоятельности обозначенной теории определена цель работы, направленная на обоснование использования вторичных отходов рыбного промысла и коллагенсодержащего сырья (кожи цыплят-бройлеров) для создания коллагенсодержащей пищевой добавки и применения в технологии мясных систем.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования являлись вторичные продукты рыбного производства: чешуя, плавники и кожа горбуши семейства лососевых и птицеперерабатывающей промышленности: кожа цыплят-бройлеров.

Основой получения ферментолизата явилась протеаза, извлеченная из поверхностной слизи кожи горбуши. Коллагенсодержащей основой для пищевой добавки являлись чешуя, плавники и кожа горбуши, кожа цыплят-бройлеров. Компоненты обрабатывались ферментолизатом из протеазы рыбы, обладающим коллагеназной активностью, при заданных технологических параметрах рН 8,0 при гидромодуле 1:3, температура (40 ± 3) °С в течение 2 часов, определенных эмпирическим путем.

Для дальнейших исследований были получены модельные образцы мясного фарша по регламентированной рецептуре. Для исследования физико-химических характеристик мясного фарша использовались стандартные методики. Показатель массовой доли влаги определяли по ГОСТ 33319-2015 «Мясо и мясные продукты». Массовая доля белка по ГОСТ 34454-2018 «Продукция молочная. Определение массовой доли белка методом Кьельдаля». Массовая доля жира была определена по методу Сокслета по ГОСТ 23042-2015 «Мясо и мясные продукты. Методы определения жира». Массовая доля золы – по ГОСТ 317272012 «Мясо и мясные продукты».

Результаты и их обсуждение

На основании анализа научных источников был изучен общий химический состав отходов рыбного производства и теоретически установлено высокое содержание коллагена и эластина, на долю которых приходится 76– 86 % белковой массы [16]. Ферментативный и ферментативно-термический метод гидролиза рыбьей чешуи с использованием фермента Alcalase 2,5 L и электрохимический гидролиз кожи трески, форели и сельди позволяет получить белковые гидролизаты с содержанием белка 80–90 %, при этом на долю низкомолекулярных пептидов с молекулярной массой менее 10 кДа приходится подавляющее большинство. Получение низкомолекулярных пептидов и их использование в функциональных продуктах питания является инновационным и перспективным направлением [11, 12, 16].

Проведение ферментативного гидролиза важно для получения коллагена, который усваивается организмом человека. Гидролизованный коллаген, получаемый из нативного коллагена, который содержится в чешуе, костях, коже и других соединительных тканях рыб, состоит из пептидов с низкой молекулярной массой, благодаря чему он легко усваивается и распределяется в организме человека. Качество гидролизованного коллагена зависит от среднего молекулярного размера его фракций, который варьируется в зависимости от метода его получения [17]. Сформированные знания были фундаментом для следующих этапов исследований.

На первом этапе работы было сформулировано определение, разработана рецептура и технология получения коллагенсодержащей пищевой добавки (КСПД).

Коллагенсодержащая пищевая добавка получена из коллагенсодержащего сырья методом ферментолиза, предназначена для выполнения технологической функции при промышленном производстве с целью обеспечения процессов изготовления мясных фаршевых продуктов.

Технология получения КСПД заключается в последовательном процессе получения ферментолизата и обработки кожи цыплят-бройлеров и соединения компонентов в единую субстанцию (табл. 1).

Таблица 1

Компоненты коллагенсодержащей пищевой добавки

Компонент	Содержание, г
Коллагенсодержащее сырье (КСС) – кожа цыплят-бройлеров	95,5
Ферментолизат на основе вторичных продуктов переработки рыбного сырья	0,5

Для ферментативного гидролиза соединительной ткани вторичного рыбного сырья с целью выделения коллагена проводили получение протеазы из рыбной слизи, технология процесса представлена на рис. 1. Рыбное сырье помещается в дистиллированную воду при гидромодуле 1:3 и температуре 10 °С для снижения активности ферментов. Сырье массируется в течение 10 минут для стимуляции выделение слизи. Раствор фильтруется для отделения частиц и забора очищенной слизи. После промывания и первичного отделения слизи полученный раствор центрифугируется при 4500 об/мин и температуре 4 °С в течение 15 минут с последующей фильтрацией до 0,45 мкм.

Рис. 1. Технология выделения протеазы из рыбной слизи

Данный технологический процесс позволяет провести экстракцию и очистку слизи, сохранив ее активные компоненты – протеазу, используемую в ферментативном гидролизе соединительных тканей вторичного рыбного сырья.

Этап получения ферментолизата заключается в ряде последовательных операций (рис. 2). Вторичные отходы рыбного производства: чешуя, плавники и кожа промываются и очищаются от примесей и измельчаются. Измельченное сырье выдерживается в 1 % растворе C 2 H 4 O 2 для облегчения разрушения соединений нативного коллагена. Процесс ферментативного гидролиза осуществляется при гидромодуле 1:3 и температуре (40 ± 3) °С, pH 8,0 в течение 2 часов в присутствии ферментного препарата – протеазы.

пищевой добавки для применения в мясных системах

Промывка сырья + измельчение

Рис. 2. Этапы получения ферментолизата и процесса инактивации ферментного препарата

Инактивация фермента проводится повышением температуры до 80–90 °С в течение 15 минут. После чего раствор охлаждается до (7 ± 3) °С – это необходимо для сохранения структуры и свойств коллагена. Полученный раствор центрифугируется на 6000 об/мин в течение 15 минут при температуре (7 ± 3) °С и фильтруется с пропускной способностью 0,45–1,0 мкм.

Этап подготовки коллагенсодержащего сырья (КСС) представлен на рис. 3 и состоит из промывки кожи цыплят-бройлеров в воде при температуре 10 °С, выдержке в 3 % растворе NaCl 15 минут с последующим измельчением на куттере при 1200 об/мин и охлаждением до температуры (7 ± 3) °С и последующим соединением с ферментолизатом.

Промывка кожи цыплят-бройлеров в воде, температура 10 °С

Рис. 3. Этап подготовки коллагенсодержащего сырья

На заключительном этапе для получения КСПД в коллагенсодержащее сырье (кожа цыплят-бройлеров) вносили ферментолизат, последовательность процессов представлена на рис. 4. КСС и ферментолизат высушиваются распылительной сушкой с температурой воздуха 120–200 °С на входе и 70–90 °С на выходе при скорости потока воздуха 1 м3/ч до порошкообразного состояния размером частиц 100 мкм в течение 5 секунд.

КСПД в готовом виде представляет собой мелкодисперсный порошок светло-розового цвета без запаха. Основное функциональное назначение КСПД – использование в качестве белкового обогатителя для мясных фаршевых систем и участие в биоконверсии соединительных элементов за счет остаточного количества ферментного препарата – протеазы.

Для оценки эффективности применения КСПД в технологии мясных систем была разработана рецептура мясного фарша с внесением в состав КСПД, представленная в табл. 2, содержание разработанного компонента определялось с учетом установленного ранее (см. табл. 1) количества фракций на 100 кг КСПД (представленная ранее в табл. 1).

При формировании рецептуры учитывались следующие критерии: в котлетное говяжье мясо (мышечная ткань 82,0 %) была добавлена в количестве 4,0 % соединительная ткань, оставшаяся после жиловки отруба. Количество вносимой КСПД в модельные

Рис. 4. Процессы получения КСПД

образцы фарша составляло 300 г на 100 кг сырья, что установлено с учетом функционально-технологических свойств добавки. Так, в пилотных исследованиях было установлено, что внесение КСПД в количестве более 500 г способствует образованию слизеподобной и рыхлой консистенции фарша и появлению нехарактерного для мясного продукта запаха, а внесение количества КСПД менее 250 г посчитали нецелесообразным с технологической точки зрения, отсутствием заметного изменения качественных характеристик изготовляемого фарша.

Таблица 2

Рецептура котлетного фарша с добавлением КСПД

Компонент	Содержание, кг на 100 кг
Мясо котлетное говяжье	72,0
Мясо птицы механической обвалки	18,05
Сливочное масло	3,0
Лук репчатый	3,0
Мука пшеничная 1 сорта	1,5
Перец черный молотый	0,15
Соль	2,0
КСПД	0,3

Влияния КСПД на внешний вид, цвет и запах фарша не установлено. Так, в ходе оценки органолептических показателей контрольного и опытных образцов мясных фаршей установлены следующие характеристики.

Внешний вид ‒ образцы представляли со- бой однородную мясную массу без костей, хрящей, сухожилий и грубой соединительной ткани, кровяных сгустков и пленок и содержанием частиц измельченного лука.

Цвет и запах ‒ для контрольного и опытных образцов фарша характерные для мясного говяжьего фарша, без посторонних запахов.

Вместе с тем отмечено влияние внесенной добавки на консистенцию фарша в опытном образце, что связано с трансформацией белков, вызывающих изменение консистенции. Фарш в присутствии КСПД приобретает признаки пастообразной массы, при этом внешний вид не ухудшается, и сохраняются упруго-пластичные свойства мясной фаршевой массы.

Результаты исследования физико-химических показателей и свойств контрольного и опытных образцов фаршей показали, что для опытного образца фарша показатели массовой доли влаги на уровне (64,7 ± 1,3) %; массовой доли белка (20,4 ± 0,4) %; массовой доли жира (13,5 ± 1,0) %; массовой доли золы (1,4 ± ± 0,01) %. В то время как контрольный образец отличался на 2,3 % меньше по массовой доле белка, большим содержанием жира, массовая доля которого составляла 15,2 %.

Заключение

В теоретическом аспекте установлено, что разработкой решения вопросов вовлечения в производство мясных продуктов вторичных ресурсов переработки мясного сырья уделяется серьезное внимание как со стороны отечественных, так и зарубежных исследователей. Поиск направлений рационального и наиболее полного использования мясного сырья за счет максимального вовлечения в про- изводство мясных продуктов низкосортного сырья и вторичных продуктов переработки направлен на решение таких вопросов, как ресурсосбережение, привлечение дополнительных источников белка, обеспечение стабильности экологической ситуации за счет сокращения отходов. При этом применение биотехнологических методов, в частности принципов биоконверсии низкосортного сырья, признается учеными как наиболее эффективный способ решения этих вопросов.

Теоретически обосновано и подтверждено экспериментально использование вторичных ресурсов рыбного производства: чешуи, кожи, плавников рыбы для получения ферментолиза-та. Определены оптимальные технологические параметры: рН 8,0, гидромодуль 1:3, температура (40 ± 3) °С, время 2 часа, обеспечивающие активность ферментолизата.

Разработана рецептура и технология коллагенсодержащей пищевой добавки. Установ- лено соотношение используемых компонентов: кожи цыплят-бройлеров и ферментолиза-та в количестве 95,5:0,5. В готовом виде КСПД представляет собой сыпучий мелкий порошок, обеспечивая стойкость при хранении и расширяя сферу применения. Разработанная коллагенсодержащая пищевая добавка имеет функциональное назначение – воздействие на соединительные ткани мясных сырьевых компонентов, может быть использована как белковая добавка физиологической направленности, представляя собой концентрированный источник коллагена, содержание которого составляет 64,0 %.

Доказательной базой эффективности и перспективности использования КСПД в технологии мясных систем послужила совокупность органолептических и физико-химических показателей и высокие качественные показатели полученного мясного фарша.