Содержание к диссертации
Введение
Глава Обзор литературы 10
1.1. Характеристика естественных популяций мидий в Белом море 10- 19
1.2. Состояние исследований в области культивирования мидий 19-30
1.3. Пищевая и биологическая ценность мидий естественных поселений и марикультуры 30-35
1.4. Современное состояние исследований в области получения из мидий марикультуры пищевой, кормовой продукции и концентратов биологически активных веществ 35-39
Глава Материал и методы исследований 40
2.1. Объект исследований 40
2.2. Материал исследований 40
2.3. Методы гидробиологических и экологических исследований 40 - 43
2.4. Методы исследования размерно-массового, химического состава и биохимических свойств мидий и продукции из них 43-45
2.5. Статистический анализ результатов исследований 45
Глава Результаты исследований и их обсуждение 46
3.1. Культивирование мидий в условиях опытного хозяйства Карельского побережья Белого моря
3.1.1. Характеристика биоценозов обрастания искусственных субстратов мидиевых хозяйств в условиях Белого моря в зависимости от сроков выставления субстратов и продолжительности их нахождения в море 46 - 63
1.2. Особенности размерно-возрастной структуры поселений мидий марикультуры в Белом море 63 - 70
1.3. Сравнительная характеристика роста и некоторых энергетических показателей мидий марикультуры и естественных популяций Белого моря 70-86
1.4. Влияние марикультуры мидий на экосистему Белого моря 86-108
2. Пищевая и биологическая ценность мидий марикультуры и естественных популяций Белого моря, а также полезная продукция, получаемая при их переработке 108
2.1. Характеристика химического состава и биохимических свойств мидий марикультуры и естественных популяций Белого моря 108-120
2.2. Разработка рекомендаций по экологически чистой технологии переработки мидий для получения полезных из нее продуктов 120-126
2.3. Оценка биологической ценности мидийных гидролизатов, полученных из мидий марикультуры Белого моря в результате кислотного и ферментативно- кислотного гидролиза 126-132
3.Медико-биологические исследования ферментативного гидролизата из культивируемых в Белом море мидий 132-135
Выводы 136-138
Список литературы 139-168
- Пищевая и биологическая ценность мидий естественных поселений и марикультуры
- Методы исследования размерно-массового, химического состава и биохимических свойств мидий и продукции из них
- Характеристика биоценозов обрастания искусственных субстратов мидиевых хозяйств в условиях Белого моря в зависимости от сроков выставления субстратов и продолжительности их нахождения в море
Введение к работе
Актуальность проблемы. Мидия Mytilus edulis L. - один из наиболее массовых и пшроко распространенных объектов марикультуры, которая в последние десятилетия быстро развивается в мировом рыбном хозяйстве.
Искусственное разведение мидий имеет многовековую историю и в настоящее время наблюдается тенденция к увеличению объемов ее культивирования. Обусловлено это, с одной стороны, необходимостью обеспечения населения пищевыми продуктами повышенной пищевой и биологической ценности, и с другой, стремлением компенсировать снижение запасов традиционных объектов промысла в Мировом океане. Актуальность совершенствования методов марикультуры обусловлена также тем, что исчерпание морских биологических ресурсов происходит на фоне быстрого роста численности населения и, соответственно, увеличения его пищевых потребностей.
Пищевая и биологическая ценность мяса мидий, обусловленная содержанием всех незаменимых и заменимых аминокислот, таурина, эссенциальных жирных кислот, жирорастворимых витаминов А, Е, Д, витаминов группы В, макро- и микроэлементов, была отмечена еще в начале прошлого века и подтверждена в настоящее время многочисленными исследованиями (Лагунов, Рехина,1967; Лагунов, 1979; Бабенко, Бабушкина, 1979а,б; 1981; Гурин, Ажгихин, 1981; Отчет о НИР, 1984; 1985; Быков, Лагунов, Рехина, 1985; Бабушкина, Бабенко, 1986; Ромашина, Жукова, Шеина, 1987; Борисочкина, 1987; Бойков и др., 1997; Лебская и др., 1998; Справочник по химическому..., 1999; Новикова, 2003; и др.).
Повышенный интерес к марикультуре мидий связан также с возможностью их использования для формирования зон биофильтров в акваториях, которые в большей степени подвержены антропогенному загрязнению. Марикультуру мидий представляется возможным использовать в качестве кормовой базы как для ценных и редких представителей естественной фауны, так и для других объектов культивирования (например, рыб). В связи с этим марикультуру мидий можно рассматривать в качестве мероприятий, способствующих охране окружающей среды и поддержания естественного видового разнообразия в экосистемах.
Экономическая эффективность марикультуры мидий, обусловленная простотой и минимальными затратами, высокой пищевой ценностью мяса и возможностью решения в ходе ее осуществления ряда экологических проблем, привели к необходимости создания мидиевых хозяйств в новых регионах.
Развитие марикультуры мидий в России имеет сравнительно недавнюю историю. Первые работы по созданию технологий и технических средств для марикультуры мидий относятся ко второй половине 70-х годов. В 1989 г. впервые марикультура мидий в качестве самостоятельного проекта «Мариэкопром» вошла в состав Государственной научно-технической программы «Высокоэффективные процессы производства продовольствия» (Спичак, Дергалева, Ярошевский, 1993). В Кандалакшском заливе Белого моря в 80-х - начале 90-х годов Беломорской базой Гослова при научном сопровождении одного из подразделений Зоологического института РАН -Беломорской биологической станции были созданы первые мидиевые хозяйства, объем продукции на которых достигал 1 тыс. тонн (Кулаковский, Кунин, 1982; Житний, Кулаковский, Несветов, 1984; Кулаковский, Миничев, 1992; Кулаковский, 1980; 1987; 1990; 1992; 2000; Кулаковский, Житний, Газдиева, 2003; Житний, 2003). В результате этих работ была показана важность для решения вопросов марикультуры мидий таких общебиологических проблем, как адаптационная пластичность объекта, особенности его онтогенетического развития, характер формирования сообщества обрастания, влияние марикультуры на окружающую среду, формирование структуры и функции общеорганизменной регуляторной системы, возникающей в результате взаимодействия механизмов внутри- и межорганизменной регуляторной химической коммуникации (Кулаковский, 2000). Тем не менее, многие закономерности формирования массовых поселений мидий в конкретных контролируемых условиях и их влияние на биоту вызывают необходимость проведения дополнительных исследований.
Следует отметить, что развитие марикультуры мидий в России сдерживалось не только сложной социально-экономической ситуацией, отсутствием развитого фермерства, но и нетрадиционным для России пищевым продуктом - мясом мидий. В связи с этим, одна из основных задач настоящего исследования заключалась в детальном анализе пищевой, биологической ценности мидии на различных этапах жизненного цикла и разработка рекомендаций по экологически чистой технологии переработки для получения из них полезной продукции.
Цель и задачи исследований. Основная цель работы - разработка биологических основ культивирования мидий на Белом море и рекомендаций по экологически чистой технологии их переработки для получения полезной продукции.
В соответствии с этой целью предусматривалось решение следующих задач:
1. Изучить особенности биоценозов обрастания искусственных субстратов мидиевых хозяйств в условиях Белого моря в зависимости от сроков выставления субстратов и продолжительности их нахождения в море.
2. Определить размерно-возрастную структуру поселений мидий в различных районах Белого моря.
3. Исследовать характеристики роста и некоторых энергетических показателей мидий марикультуры и естественных популяций Белого моря.
4. Оценить влияние марикультуры мидий на экосистему Белого моря.
5. Провести сравнительный анализ пищевой, биологической ценности мидий естественных популяций и марикультуры Белого моря.
6. Разработать рекомендации по экологически чистой технологии
переработки мидии для получения широкого спектра лечебно-профилактических пищевых и кормовых продуктов.
7. Оценить биологическую ценность мидийных гидролизатов, полученных из мидий марикультуры Белого моря в результате кислотного и ферментативно-кислотного гидролиза.
8. Провести медико-биологические исследования ферментативного гидролизата из мидий.
Научная новизна работы:
1. Представлена характеристика биоценозов обрастания искусственных субстратов мидиевых хозяйств в условиях Белого моря в зависимости от продолжительности их экспозиции в море. Установлено, что в период формирования искусственных субстратов от первого к четвертому году количество массовых видов выше, чем в некоторых естественных мидиевых поселениях, и возрастает от 19 до 24 с доминирующим представительством полихет {Nereis pelagica, Harmathoe imbricatd), моллюсков (Hiatella arcticd) и ракообразных (Balanus crenatus).
2. В каждый последующий сезон после установки субстратов помимо особей основной генерации появляются представители и других генераций. С течением времени существования искусственных субстратов происходит снижение численности моллюсков при увеличении их биомассы. Распределение моллюсков по длине субстратов равномерное с тенденцией повышения биомассы в верхней части к четвертому году выращивания. С увеличением времени экспозиции субстратов возрастает количество возрастных классов моллюсков.
3. Темп линейного роста и увеличение массы культивируемых мидий в первые 5 лет значительно превышает таковой мидий из естественных популяций. За 4-х летний цикл выращивания из 100% потребленной всеми мидиями энергии 38% возвращается в окружающую среду и только 6% приходится на долю урожая. Остальная часть поступающей энергии расходуется в процессе жизнедеятельности моллюсков.
4. Наибольшую пищевую и биологическую ценность мяса мидий Белого моря имеет в преднерестовый период. Белок мяса моллюсков содержит все незаменимые и заменимые аминокислоты, таурин, (3-каротин, витамины группы В и С, липиды отличаются высоким содержанием эссенциальных жирных кислот, жирорастворимых витаминов Е, Д, макро-, микроэлементов. Перечисленные свойства свидетельствуют об уникальности этого сырья как для пищевых целей, так и для получения лечебно- профилактических продуктов, субстанций лекарственных препаратов и кормовых продуктов.
5. Научно-обоснованы рекомендации по экологически чистой технологии переработки мидий марикультуры Белого моря, заключающиеся в ферментативно-кислотном гидролизе живых или сыромороженных мидий, использовании побочных продуктов - межстворчатой жидкости для получения концентрата таурина, створок- в качестве основы для БАД морской кальций, мидийной крупки, негидролизованного плотного остатка - для кормовых БАД.
Практическое значение. Результаты работы могут быть использованы для проектирования мидиевых марихозяйств в различных условиях Белого моря, прогнозирования экономической их эффективности и разработке природоохранных мероприятий.
Отсутствие существенных различий показателей пищевой и биологической ценности мидий естественных популяций и марикультуры Белого, Баренцева и Черного морей свидетельствует и возможности применения для их переработки разработанных нами рекомендаций и апробированных технологий в условиях опытно-промышленного предприятия ДФГУП «Гипрорыбфлот-Экос».
Для выпуска лечебно-профилактической продукции и субстанций лекарственных препаратов целесообразно использование преднерестовых мидий.
Идентичная вирусингибирующая активность мидийных гидролизатов, полученных кислотным и ферментативно-кислотным гидролизом, свидетельствует об экономической целесообразности применения последней технологии для получения продукта с заданными свойствами.
Положения, выносимые на защиту:
- биологическое обоснование возможности культивирования мидий в 4-х летнем цикле в условиях Белого моря, включающее характеристику биоценозов обрастания искусственных субстратов мидиевых хозяйств в зависимости от сроков выставления субстратов и продолжительности их нахождения в море, энергетические показатели мидий марикультуры, а также оценка влияния марикультуры мидий на окружающую среду;
- по показателям пищевой и биологической ценности мидии марикультуры Белого моря выше по сравнению с аналогичными параметрами мидий естественных популяций;
_ использование живых или сыромороженных мидий с предварительной ферментативной обработкой сырья позволяет повысить выход биологически активных соединений в конечных продуктах и расширить их ассортимент.
Пищевая и биологическая ценность мидий естественных поселений и марикультуры
Пищевая и биологическая ценность мидий M.edulis привлекает пристальное внимание во всем мире с давних времен. Обусловлено это совокупностью биохимических свойств съедобной части мидий - мягких частей тела, составляющих до 35% от массы животного. Прежде всего это высокое содержание белка (10-18%), в котором присутствуют все незаменимые и заменимые аминокислоты (Лагунов,Рехина. 1967; Лагунов, 1979; Бабенко, Бабушкина, 1979а,б; Бабенко, Бабушкина, 1981; Бабушкина, Бабенко, 1986; Терентьев, 1989; Федоров,1987; Лебская и др., 1998; Справочник по химическому.., 1999; Новикова, 2003; Газдиева, 2004а). Помимо незаменимых аминокислот в мясе мидий выявлены свободные аминокислоты, выполняющие роль регуляторов многих обменных процессов, а также эссенциальные жирные кислоты, жизненно необходимые макро- и микроэлементы, витамины, каротиноиды. Эти биохимические свойства и определяют высокую пищевую и биологическую ценность мидий. Известно, что условия выращивания оказывают существенное влияние на скорость роста животного и, соответственно, показатели пищевой и биологической ценности. Тем не менее, по мидиям эти данные имеют разрозненный характер. В настоящей работе предпринята попытка обобщить данные по пищевой ценности мидий естественных популяций и марикультуры Черного, Баренцева и Белого морей. Из данных табл. 1 видно, что химический состав мидий обнаруживает существенные различия между особями естественных популяций и марикультуры и зависит от особенностей среды обитания. Черноморские мидии естественных популяций менее оводнены по сравнению с беломорскими и баренцевоморскими, отличаются от них более высоким содержанием белка, липидов и, соответственно, калорийностью.
В марикультуре беломорские мидии при более низких показателях белка и липидов по сравнению с черноморскими, характеризуются максимальной калорийностью. Обусловлено это превалированием в беломорских мидиях марикультуры липидов и углеводов (см. табл. 1).
Известно, что животные, обитающие в морях с высокой соленостью, характеризуются более высокой биологической ценностью по сравнению с опресненными районами за счет широкого разнообразия и количественного содержания в воде вторичных метаболитов, представляющих собой в большинстве случаев физиологически активные соединения (Стоник, 1999).
Общее содержание липидов у мидий, выращенных на различных горизонтах, обнаруживает существенные отличия (Кайдюк, Морозова, Канивец, 1993). Наименьшее количество липидов выявлено у мидий на нижних горизонтах (9 м от поверхности воды) и составляет 115, максимальное - 211,25 мг/г сухого вещества, соответственно, на верхних (2,5 м от поверхности воды).
Показано, что биологическая эффективность липидов определяется присутствием в них таких соединений, как фосфолипиды (Paradis, Ackman, 1977; Гурин, Ажгихин, 1981; Гордиенко, 1990; Тутельян,1996; Пилат, Иванов, 2001). Фосфолипидов, стеринов, триглицеридов и эфиров стеринов существенно выше в мягких частях тела мидий, обитающих на верхних ярусах. При исследовании фракционного состава липидов черноморских мидий установлено, что наиболее значительные концентрации фосфолипидов обнаружены в гепатопанкреасе (14,51), в то время как в жабрах содержаиние этих соединений в два раза меньше (7,89, мг/г сухого вещества, соответственно) (Кайдюк, Морозова, Канивец, 1993).
Одним из значимых показателей биологической ценности белка является его аминокислотный состав. Известно, что белок считается полноценным при условии содержания всех незаменимых аминокислот в количествах, соответствующих идеальному белку (Химический состав пищевых..., 1979). Сравнительный анализ аминокислотного состава белка показал, что во всех условиях выращивания белок мягких частей тела мидий содержит все незаменимые аминокислоты, но их количество в мидиях естественных популяций и марикультуры не во всех случаях соответствует идеальному белку (табл. 2). Наибольшей биологической ценностью характеризуется белок мидий марикультуры Черного моря, так как отличается содержанием незаменимых аминокислот, соответствующих или превышающих их количество в идеальном белке. На втором месте по биологической ценности находится белок мидий марикультуры Белого моря и на третьем - белок мидий Черного моря естественных популяций.
Методы исследования размерно-массового, химического состава и биохимических свойств мидий и продукции из них
Линейный рост моллюсков исследовали путем подсчета и измерения «годовых колец» - линий зимней остановки роста на раковинах (Садыхова, 1972).
Определялись также общая сырая масса мидий - W общ.(с раковиной, мягкими частями тела и межстворчатой жидкостью), сырая (WT) И сухая (Wc) массы мягких тканей.
Размерно-массовый состав мидий определяли по Методическим рекомендациям ВНИРО (Технохимическое исследование рыбы.., 1981), химический состав различных частей тела - стандартными методами (Лазаревский, 1955) на оборудовании фирмы Текатор (Швеция), содержание аминного азота - методом формольного титрования с применением автотитратора фирмы «Radiometr» марки рНМ-82.
Содержание сухого вещества и воды определяли весовым методом, минеральных веществ - методом сухого озоления в муфельной печи; сырой протеин рассчитывали по общему азоту, определенному по Къельдалю. Углеводы вычисляли по разности между сухим веществом и суммой протеина, жира и золы.
Определение жирнокислотного состава образцов проводили методом газожидкостной хроматографиим на приборах С-180 фирмы «Ynaco». Содержание жирорастворимых витаминов в пробах определяли методом нормальнофазной высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на хроматомасс-спектрометре LCMS-QI 8000 фирмы «Shimadzu» (Япония), с использованием колонки ID Supelcosil ТМ LC-SI (25 х 4,6 мм). Элюент системы: гексан-і-пропанол (99:1 (v/v)), экстракция - диэтиловым эфиром, со скоростью потока - 2 мл/мин. Определение а-токоферола проводили в УФ спектре при длине волны 292 нм, ретинола - при 324 нм. Аминокислотный состав проб исследовали методом двумерной ТСХ по методике научно-производственного центра «Ленхром». Количественное определение аминокислот проводили на приборе CS-9000 фирмы «Shimadzu» (Япония), сканировали пятна при длине волны 520 нм. Идентификацию и количественное определение аминокислот осуществляли с помощью стандартов фирмы «Sigma» (США).
Макро- и микроэлементный состав исследовали методом атомноабсорбционной ионизационной спектрофотометрии на приборе АА-670 фирмы «Shimadzu» (Япония) и методом атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой на приборе ICAP-9000 (США).
Содержание меланоидинов изучали в соответствии с методикой ТУ 15-16-52-96, раздел 3.4, гельхроматографией на колонке с насадкой Toyopearl HW40F, объем колонки 38 мл, диаметр 9 мм. Элюенты - вода и 0,4% раствор сульфата аммония, скорость подачи 15,5 мл/час. Пробы обрабатывали хлороформом и после нанесения 0,4 мл образца на колонку проводили отбор фракций по объему раствора, прошедшего через колонку: объем фракции 3,05 мл.
Показатель степени гидролиза белка в гидролизатах рассчитали как отношение аминного азота к общему.
Объекты исследования. В опытах использовали самцов белых крыс массой 150-200 г, мышей - самцов линий CBWA и F-1 массой 20-26 г, содержавшихся на стандартном рационе в условиях вивария Биологического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова, а также цыплят яичной линии П6, находящихся в условиях клеточного содержания Суворовской птицефабрики (г.Суворов, Тульской обл.). С 1 по 10 день жизни цыплята получали стандартный рацион ПК-5, ас 11 по 30 день - рацион ІЖ-3.
Введение препаратов животным. Водную суспензию ферментативного гидролизата приготавливали ежедневно из расчета 1 г/ кг массы животного и скармливали по 10-15 мл на крысу, 2-3 мл - на мышь в сутки, используя специальные автоматические автопоилки. При работе с жидкой формой гидролизата водную суспензию готовили из расчета 5 мл/ кг массы животных.
Цыплятам скармливали сухой гидролизат в виде добавки к рациону во 2-ои кормлении из расчета 13 мг препарата/ кг живой массы в течение первых 14 суток жизни.
Определение продуктов перекисного окисления липидов (ППОЛ) проводили по методике T.Asakawa, S.Matusushita (1980).
Характеристика биоценозов обрастания искусственных субстратов мидиевых хозяйств в условиях Белого моря в зависимости от сроков выставления субстратов и продолжительности их нахождения в море
Фундаментом рациональной и экономически эффективной марикультуры являются комплексные исследования взаимоотношений организма с окружающей средой как в естественных условиях, так и в условиях, искусственно создаваемых целенаправленной деятельностью человека (Хайлов, 1971; 1985; Кулаковский, 1980;1988;1990; 2000; Кулаковский, Кунин, 1983; Кулаковский, Крейман, 1984; Гальцова и др., 1985; Скарлато, Зайцев, Душкина, 1989; и др.). Большое значение в этой связи имеют данные по изучению процессов становления, формирования и климакса сообщества мидий на искусственных субстратах в условиях промышленной биотехнологии марикультуры мидий.
Хорошо известен общий принцип формирования любого вновь образующегося сообщества, в том числе и на искусственных субстратах, который заключается в постепенной смене одних сообществ организмов другими (Одум, 1975). Показано, что предыдущее сообщество создает условия для образования последующих. В результате таких сукцессионных изменений формируется довольно стабильное сообщество организмов, соответствующее конкретным условиям обитания.
Для Белого моря показано, что на различных искусственных субстратах сукцессия сообщества обрастания, заканчивающаяся формированием устойчивого мидиевого поселения, происходит большей частью в верхнем 5-метровом слое воды (Сиренко и др., 1978;Кулаковский, Кунин, 1982; Ошурков, Серавин, 1982; Сиренко, Саранчова, 1985; Серавин, Миничев, Раилкин, "1985; Ошурков и др.,1985; Кулаковский, Житний, Газдиева, 2003; Житний,2003; Газдиева, 20046). Такой же сукцессионный процесс характерен и для многих других акваторий, расположенных в разных частях Мирового океана - смена сообществ организмов-обрастателей неизбежно заканчивается формированием более или менее устойчивого мидиевого сообщества (Scheer, 1945; Caspers, 1952; Редфилд, Диви, 1957; Зевина, 1972; Голиков, Скарлато, 1975; Голиков и др., 1982; Гальцова и др., 1985; Кулаковский, 2000). Именно на этой особенности сукцессионного процесса в формировании сообществ обрастания на искусственных субстратах в значительной степени и основана марикультура мидий. Таким образом, можно констатировать, что задолго до научного осмысления и обоснования сукцессионного процесса, практическая деятельность человека установила эту закономерность опытным путем. Нами исследовалось формирование мидиевого сообщества, представителей макробентоса, мейобентоса, свободноживущих нематод, фораминифер, бактерио-, фитопланктона, на различных искусственных субстратах (асбоцементных пластинках и капроновом фале), установленных в бухтах губы Чупа, на горизонтах 0,5, 2,5 и 5 м от поверхности воды.
Макробентос. В период экспозиции асбоцементных пластин, используемых нами в качестве субстратов, на шестой и седьмой год мидиевого хозяйства на всех трех горизонтах было выявлено 23 вида макрофауны (табл. 5). Доминирующими по плотности и, соответственно, по биомассе, были двустворчатые моллюски Mytilus edulis, Hiatella arctica и Heteranomia squamula. Мидии в этом сообществе составляют от 30 до 70% общей плотности поселения, причем на седьмой год экспозиции на всех горизонтах выявлено снижение плотности поселения мидий по сравнению с шестым годом. Наиболее высокая плотность мидиевых поселений выявлена на шестой год экспозиции на горизонтах 0,5 и 2,5 м. Одна треть из обнаруженного на пластинках числа видов представлена полихетами. На всех исследованных горизонтах и в достаточно больших количествах встречаются такие виды, как Harmothoe imbricata и Nereis pelagica.
На всех пластинках обитает и естественный враг мидий - морская звезда Asterias rubens І.(Кулаковский, Лезин, 1999). Личинки морских звезд в начале августа оседают на субстраты, где уже имеется осевшая ранее молодь мидий. На таких искусственных субстратах молодь звезд находит для себя чрезвычайно благоприятные условия, в которых при интенсивном питании молодью мидий, быстро растет. Морские звезды наносят огромный ущерб мидиевым поселениям и могут в конечном счете свести на нет все усилия по их марикультуре. Поэтому разработаны действенные меры борьбы с морскими звездами в условиях марикультуры мидий на Белом море, которые подробно изложены в исследованиях О.Л.Саранчовой, Э.Е.Кулаковского (1985) и Э.Е.Кулаковского, Б.Г.Житнего и С.В.Газдиевой (2003).
