Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1 Характеристика вторичных продуктов переработки рыбы 7
1.2 Коллагеновые белки: структура, функции, роль в питании 19
1.3 Опыт переработки сырья и отходов рыбной промышленности 26
ГЛАВА 2. Постановка эксперимента, объекты и методы исследований
2.1 Характеристика объектов исследования 50
2.2 Порядок проведения эксперимента 52
2.3 Общие методы исследований 52
2.4 Математическая обработка результатов исследований 60
ГЛАВА 3. Исследование массовых характери стик и химического состава продуктов переработки горбуши, сельди, путассу и скумбрии
3.1 Массовый выход и химический состав рыб 63
3.2 Определение аминокислотного состава белков и их пищевой ценности
ГЛАВА 4. Исследование условий получения кол-лагеновых дисперсий из кожи рыб
4.1 .Микроструктурная характеристика шкурок рыб: горбуши, сельди, скумбрии, путассу 91
4.2 Разработка модифицированной технологии коллагеновых дисперсий 97
4.3 Исследование условий структурообразования и оценка качества дисперсий 103
4.4 Методика расчета режимных параметров технологии получения коллагеновой дисперсии из кожи рыб 116
ГЛАВА 5. Разработка практических рекомендаций по рациональному использованию коллагеновых дисперсий
5.1 Применение коллагеновых дисперсий в технологии рубленных рыбных полуфабрикатов с пленочным покрытием 121
5.2 Применение коллагеновых полуфабрикатов в качестве пищевой белковой добавки 131
5.3 Применение коллагеновых полуфабрикатов
в технологии желейных рыбных продуктов 133
Выводы 136
Список использованных источников
- Коллагеновые белки: структура, функции, роль в питании
- Порядок проведения эксперимента
- Определение аминокислотного состава белков и их пищевой ценности
- Применение коллагеновых полуфабрикатов в качестве пищевой белковой добавки
Введение к работе
Рыбная промышленность является одной из ведущих отраслей на российском продовольственном рынке. Известно, что за счет вылова рыбы человечество удовлетворяет более 25% своих потребностей в животном белке [112].
Рыбообрабатывающее производство вносит вклад в решение задачи достижения оптимального уровня потребления пищевых продуктов в стране, теоретической предпосылкой которого является концепция сбалансированного питания. Согласно этой концепции, в режиме питания должен постоянно соблюдаться определенный энергетический баланс, за счет важнейших химических компонентов пищи в необходимых количествах для выполнения жизненных функций в организме [10]. Именно по - этому, рыба - один из важнейших компонентов рациона питания человека. Её химический состав богат не только белком (14-25 %), но и жиром (0,4-33,5 %), минеральными веществами (0,9-2 %),а также витаминами, содержащимися в икре, молоках, печени и других органах. Важно отметит, что в составе рыбного белка содержатся почти все незаменимые аминокислоты, что характеризует его высокую биологическую ценность [107, 72].
В стране в январе 2001 года добыто 170,4 тыс. тонн рыбы и морепродуктов. Однако это на 38 % меньше показателя аналогичного месяца прошлого года [95]. В связи с этим, важнейшей научно-практической задачей является развитие комплексной переработки промысловых и перспективных для промышленного освоения гидробионтов для максимального вовлечения всех возможных ресурсов, включая вторичные продукты переработки рыбы. Только при утилизации всего комплекса веществ, продуцируемых морскими организмами, можно существенно увеличить выпуск пищевых и кормовых продуктов, расширить их ассортимент, повысить рентабельность рыбообрабатывающих предприятий, добиться оснащения их современным технологи-
ческим оборудованием, стимулировать развитие и дифференциацию рыбохо-зяйственной науки.
Среди перечня полезных веществ рыбы следует особо подчеркнуть
значение коллагеновых белков. Интерес к ним основывается на уникальных
свойствах этих белков и их роли в питании, благодаря которым возможно
создание принципиально новых продуктов, препаратов, материалов. Тем бо
лее, что согласно современным данным их применение в рационах пита
ния и рецептурных композициях обеспечивают лечебно-
профилактический эффект [127]. Съедобные покрытия и пленки на их осно
ве создают условия для реализации барьерных технологий [53, 54, 55].
Комплексное и возможно более полное использование отходов при проведении различных технологических операций предполагает превращение любой ранее существующей технологии переработки сырья водного происхождения в малоотходную и безотходную технологию [47, 71], позволяющую полностью или большей частью использовать все содержащиеся в сырье (гидробионтах) полезные соединения (белок, жир, углеводы, витамины, ферменты и другие биологически активные вещества). По мнению специалистов [Трухин Н.В., Андрусенко П.И. Лебская Т.К., Ершов A.M. и др.], именно эта задача должна быть важнейшей, стержневой в дальнейшем развитии рыбоперерабатывающего производства.
Однако, ассортимент продукции с использованием вторичных и малоценных продуктов переработки рыбы недостаточен; требуется обобщение имеющихся научных сведений и промышленного опыта, разработка новых нетрадиционных подходов в решении проблемы. Тема диссертационной работы соответствует плану НИР кафедры технологии мяса и мясных продуктов ВГТА «Теоретические и практические аспекты производства биологически полноценных, лечебно-профилактических и функциональных продуктов питания на основе биотехнологий рационального использования сельскохозяйственного сырья». Работа является составной частью научных исследова-
ний, выполняемых в рамках научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограмма «Технологии живых систем») по теме 204.01.014 «Разработка пищевых белковых препаратов, композитов, добавок и обеспечение качества мясных продуктов на основе комплексного использования ресурсов и применения методов биотехнологии» (2000-2002 г.г.)
Целью диссертации является обоснование и разработка технологии коллагеновых дисперсий из кожи рыб и их применение при производстве рыбопродуктов.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
определение массового выхода вторичных продуктов переработки рыбы при разделке сельди, горбуши, скумбрии и путассу;
исследование химического состава вторичных продуктов;
идентификация коллагенов в кожах рыб методом микроструктурного анализа;
обоснование и разработка технологии коллагеновых дисперсий на основе рыбных кож;
изыскание путей рационального использования коллагеновых дисперсий в технологии рыбных продуктов.
Коллагеновые белки: структура, функции, роль в питании
Анализ источников научно-технической и патентной литературы свидетельствует об интенсивном накоплении теоретических знаний о строении, структуре, биохимии и прикладных возможностях коллагена за последние 25 лет, связанном с именами как отечественных (В.Н.Орехович, В.И.Мазуров, Л.И.Слуцкий, А.А.Зайдес, А.Н.Михайлов, Л.В. Антипова, И.А. Глотова, А.Б. Лисицын, Н.Н. Липатов и др.), так и зарубежных (К.Кюн, А.Вейс, М.Танзер и др.) ученых. Это связано с уникальностью его свойств, которая побуждает интерес ученых к применению их в исследовательской практике и народном хозяйстве.
В основе практического использования коллагенсодержащих тканей лежат следующие важные свойства коллагена: - способность сохранять структуру на молекулярном уровне при выделении из тканей и отделении от других компонентов; - возможность стабилизации надмолекулярной структуры и ее дополнительного структурирования, лежащие в основе консервирования, первичной обработки коллагенсодержащего сырья (выделка кожи и меха), а также получения коллагеновых материалов; - способность после выделения и перевода в раствор к восстановлению с образованием различных видов надмолекулярных структур и потенциальной возможностью получения искусственных и модифицированных коллагеновых материалов для нужд пищевой промышленности, медицины, ветеринарии, других отраслей хозяйства [132, 133, 134].
В качестве основного структурного белка в организме позвоночных коллагеновые волокна присутствуют во всех видах соединительной ткани, обеспечивая образование и поддержание общей структурной и физической целостности организма, принимая участие в барьерной, репаративной, мета болической, терморегуляторной и ряде других функций различных органов [21,62].
Специфический ряд физико-химических, биохимических, биологических свойств, присущих коллагену, обусловлен уникальной пространственной структурой этого белка в связи с высокой степенью организации на всех ступенях макро- и микроструктуры - от объединения аминокислот в полипептидные цепи до разнообразного переплетения коллагеновых волокон в тканях млекопитающих в зависимости от их биологических функций (табл. 1.1).
Показано [44, 45, 73, 108], что свойства коллагена связаны как с особенностями химического строения, физико-химической активностью, реакционной способностью функциональных групп на каждом структурном уровне, так и со специфическим составом и последовательностью расположения аминокислот в полипептидных цепях индивидуальной молекулы, которая состоит из трех полипептидных цепей, называемых а-цепями.
Аминокислотный состав коллагена характерен преобладанием остатков глицина и аланина (соответственно 33-35 и 10-15 % к сумме аминокислот), что необычно много по сравнению с большинством других белков; очень низкой долей тирозина и метионина; отсутствием триптофана и цисти-на [48, 49, 50, 74, 76, 82 ]. Еще более характерным отличительным признаком коллагена является высокая доля пролина и гидроксипролина (23 % к сумме аминокислот). В аминокислотной последовательности полипептидной цепи идентифицированны также две нестандартных аминокислоты гидроксилизин и гидроксипролин, которые практически не встречаются в других белках.
Важная роль в исследовании структуры коллагена принадлежит расшифровке пространственной конфигурации полипептидных цепей. В настоящее время общее признание получила модель Рича и Крика, согласно которой молекулы коллагена представляют собой три спиральные полипептидные цепи, свернутые дополнительно в одну суперспираль [131, 132, 135]. При этом каждая спираль имеет структуру, сходную со структурой полиглицина или поли-Ь-пролина [131].
Исследование синтетических аналогов коллагена показало, что наличие в его первичной структуре пролина, оксипролина и последовательности типа - гли - про - про - спонтанно определяет трехспиральную форму макромолекулы [52, 54, 137, 138]. Пирролидиновые кольца аминокислот имеют особые стереохимические свойства и ограничивают гибкость цепи, вследствие чего образуются изгибы. Поэтому их присутствие в белках несовместимо с существованием ос-спиральной структуры. Таким образом фор мируется специфическая вторичная структура в виде трехцепочечных спиралей. При этом каждый третий остаток в полипептидной цепи коллагена представлен глицином, а-углеродный атом которого погружен внутрь молекулы, где R-группа любой другой аминокислоты разместиться не может. R-группы остальных аминокислот находятся на внешней стороне цепи и участвуют в межмолекулярных взаимодействиях, образующих многочисленные поперечные связи, в том числе ковалентные. Три цепи стабилизируются также водородными связями между -O0..NH- группами пептидных связей соседних цепей [142, 145].
Отсутствие ковалентных поперечных связей в незрелом коллагене позволило выделить основную структурную единицу, названную тропоколла-геном [44, 45, 53, 108, 73, 77]. В настоящее время термин "тропоколлаген" утвердился как название трехспиральной макромолекулы коллагена, лежащей в основе структурной организации всех коллагеновых фракций.
Молекулярная масса тропоколлагена составляет около 285 000 -300 000; он состоит из трех полипептидных цепей одинакового размера (около 1000 остатков аминокислот). Состав цепей зависит от типа коллагена, так как структура коллагеновых волокон обусловлена типом ткани и соответствует ее специализации. По Страйеру (1985), она характеризуется четырьмя типами коллагенов (табл. 1.2).
Порядок проведения эксперимента
Экспериментальные исследования, общая схема которых представлена на рис. 2.1, проводили в условиях НИЛ кафедры технологии мяса и мясных продуктов, лаборатории гистохимии и лекарственной экологии Всероссийского научно-исследовательского ветеринарного института патологии, фармакологии и терапии г. Воронежа.
Производственную апробацию технических решений проводили на базе рыбоперерабатывающего предприятия «Палтус-2» (г. Воронеж).
При определении массового выхода производили предварительное размораживание тушек рыб на воздухе при температуре 20С до достижения температуры в толще тушки (средняя часть) 2 - 4С.
Разделку производили вручную в соответствии со схемой [102], при этом фиксировали первоначальную массу рыб на весах для статистического взвешивания по ГОСТ 29329 среднего или обычного класса точности с наибольшим пределом взвешивания 20 кг и массу образующихся при разделке продуктов, затем рассчитывали массовый выход в процентах.
При определении общего химического состава вторичного сырья рыбных продуктов пользовались методами: - массовой доли влаги - ГОСТ 9793-74 [43]; - массовой доли жира - методом Сокслета [51]; - золы-ГОСТ 15113.8-77 [41]; - белка - по методу Кьельдаля [42].
Подготовку проб для определения аминокислотного состава образцов проводили в соответствии с рекомендациями [16]. При этом образцы подвергали кислотному гидролизу при температуре 105 С в течение 24 ч. Исходные образцы с содержанием белка не менее 100 мг помещали на дно стеклянных пробирок и вносили 2 см соляной кислоты концентрацией 6 моль/дм .
Аминокислотный состав вторичных отходов определяли методом ионообменной хроматографии на автоматическом аминокислотном анализаторе марки ААА-881 (Чехия) на колонке, заполненной катионообменной смолой «Ostion LGFA» со ступенчатым элюированием тремя натрий - цитратными буферными растворами с различными значениями рН (3,50; 4,25; 9,50).
Массовую долю аминокислот (X, %) рассчитывали по формуле: Х= (Sn V 50 10 10)(Sst+m), (2.1) где Sn - площадь пика соответствующей аминокислоты на полученной аминограмме, см ; М - молекулярная масса аминокислоты; 50- объем раствора, полученный после кислотного гидролиза, см3; 10"10 - концентрация аминокислоты в стандартном растворе, моль/дм ;
Sst- площадь пика стандартного раствора аминокислоты, см3; m - масса навески образца, г. Минеральный состав (Zn, Cd, Fe, Mn, Pb, Си) вторичных продуктов переработки рыб определяли на атомно-адсорбционном спектрофотометре С - 115 М 1 в соответствии с прописью метода [16]. Определение Na и К проводилось колориметрически молибденово-ванадным методом [16].
Влагосвязывающую способность (ВСС) определяли методом прессования. Массовую долю связанной влаги в образцах вычисляли по формулам: X! =(M-8,4 S) 100/m0 (2.2) Х2 = (М - 8,4 S) 100/М, (2.3) где X! - массовая доля связанной влаги в рыбном фарше, % к массе; Х2 - то же, % к общей влаге; М - масса влаги в навеске, мг; S - площадь влажного пятна, мг; т0- масса навески мяса, мг. Влагоудерживающая способность, как и растворимость одновременно зависит от степени взаимодействия как белков с водой, так и белка с белком, а также от конформации и степени денатурации белка. Влагоудерживающую способность (ВУС, %) рассчитывали по формуле: ВУС = В -ВВС (2.4) BBC = a n m 100, (2.5) где В - общая массовая доля влаги в навеске, %; ВВС - влаговыделяющая способность, %; а - цена деления жиромера: а =0,01 см ; п - число велений на шкале жиромера; m - масса навески, г.
Определение аминокислотного состава белков и их пищевой ценности
Для обоснования рациональных путей использования вторичных продуктов и отходов переработки рыб, необходима информация о ее массовом выходе и потенциальных возможностях переработки с точки зрения экономической целесообразности.
Нами проведены исследования массовых характеристик вторичных продуктов и отходов, формирующихся при переработке рыб в условиях ООО «Палтус 2». На этом предприятии выпускают достаточно широкий ассортимент полуфабрикатов (рубленных и натуральных), и кулинарных изделий, производство которых тесно связано с формированием определенного перечня продуктов переработки.
Наиболее массовая переработка падает на рыбы путассу, сельдь, скумбрию и горбушу, пользующихся устойчивым потребительским спросом на рынке продовольственных товаров Черноземья.
Для определения среднего дифференцированного по видам объема переработки вторичных продуктов и отходов переработки рыбы определяли их характерный для конкретных условий производства массовый выход путем принятой разделки и взвешивания. При этом рыбы отбирали из разных размерных групп по 10 % от объема партии. Усредненные данные представлены в табл. 3.1.
Как видно из данных табл. 3.1 во всех случаях наибольший массовый выход имеет мышечная ткань (бескостное мясо) независимо от вида рыбы. При этом рыбы возможно расположить в виде убывающего ряда: скум-брия путассу сельдь горбуша.
Масса вторичных съедобных и несъедобных продуктов максимальна в случае горбуши, затем -скумбрии, сельди, путассу. Весьма важно заменить, что массовый выход кожи рыб практически одинаков за исключением горбуши. Рыбы различаются выходом головы. Он максимален в случае путассу и горбуши и на 25-30 % ниже в случае скумбрии и сельди. По массовому выходу кости на первом месте сельдь, масса кости при разделке путассу и горбуши примерно одинакова. Общая масса внутренностей различается незначительно. Но дифференцированные их выходы отличаются по массовому выходу. Так, например, в горбуше выход печени значительно превышает остальные виды рыбы, она также имеет максимальный выход плавательного пузыря. Однако сельдь выходит на первое место по выходу плавников, превышая выход их у горбуши на 10 %, у путассу - на 45 %, у сельди - на 24 %. Неодинаковы рыбы и по выходу половых продуктов - молок и икры. Их больше у горбуши и сельди и почти в 2 раза и более меньше, чем у путассу и скумбрии.
Учитывая среднегодовые объемы переработки рыб на полуфабрикаты и кулинарные изделия, можно представить общую и по видам массу вторичных продуктов и отходов, образующихся в условиях производства ООО «Палтус 2»: общая масса отходов переработки всех рыб составляет 72,34 т, в том числе от переработки путассу 15,56 т, скумбрии 52,41 т, сельди 0,38 т, горбуши 72,34 т. Годовой объем вторичных продуктов и отходов представлен в табл. 3.2.
Как показывают расчеты, масса вторичных продуктов и отходов при переработке рыбы значительна, что требует разработки мероприятий по их рациональному использованию и вовлечению в основное производство.
Для оценки потенциальных возможностей вторичных продуктов и отходов в производстве продуктов уточняли их химический состав по видам рыб. Средние данные представлены в табл. 3.3. Сравнительная характеристика химического состава различных частей тушек рыб показана на рис. 3.1-3.4.
Как видно на рис. 3.1, массовая доля влаги в продуктах переработки скумбрии колеблется в пределах 54-65 %, за исключением плавников, массовая доля влаги в которых всего лишь около 17 %. Это вполне определяет требования к их хранению и условиям переработки с точки зрения санитарно-гигиенических и микробиологических показателей. Меньше всего жира в кости, больше всего в шкурке и в плавниках. Массовая доля белка колеблется в пределах 12-18 %, за исключением кости (8,47 %). Золы, а следовательно минеральных веществ, больше всего в кости и плавниках. Соотношение жиргбелок находится в пределах 0,8-1,2 за исключением плавников
Применение коллагеновых полуфабрикатов в качестве пищевой белковой добавки
На заключительном этапе производства и в звене «предприятие - потребитель» важное значение имеет вопрос сохранения качества продукции.
После оценки качества и кратковременного хранения в отечественной практике большую часть рыбопродуктов после взвешивания укладывают в ящики или в пластиковые контейнеры и партиями через экспедицию направляют в магазины и на базы. Некоторую часть продукции - в основном деликатесные и кулинарные изделия - фасуют в нарезанном порционном либо сгруппированном виде полимерные пакеты.
На зарубежных предприятиях 70-80 % готовой продукции подвергают упаковыванию перед реализацией. Тенденция реализации рыбопродуктов отечественного производства также связана с упаковкой, покрытиями, продляющих срок хранения и максимум сохранения качества продуктов.
Один из наиболее перспективных путей сохранения качества, увеличения сроков хранения, предотвращения потерь продукции при транспортировке и хранении - использование пищевых защитных покрытий, сформованных непосредственно на рыбопродуктах.
Опыт показывает, что наносить покрытие можно различными способами: погружением в коллагеновую дисперсию, распылением дисперсии на поверхность продукта, нанесением щеткой или при непрерывном перемешивании через приспособление типа ванны, заполненное коллагеновой дисперсией, при этом коллаген равномерно покрывает замороженный продукт. А под влиянием низкой температуры он затвердевает. Продолжительность на несения и подмораживания коллагенового покрытия составляет 30 с. Затем на ленточном конвейере продукт проходит через сушильную камеру, где в потоке сухого воздуха образовавшийся лед плавится, влага выпаривается, покрытие подсыхает. Температура воздуха должна быть ниже точки плавления жира в изделии и выше точки замерзания воды. Продолжительность сушки зависит от скорости, температуры и влажности воздуха (от нескольких минут до нескольких часов). Показано [63], что при относительной влажности воздуха 20 %, температуре 21,1 С и скорости движения воздуха 6,1 м/с продолжительность подсушки покрытия составляет 45-60 мин.
Учитывая положительные технологические качества съедобных кол-лагеновых оболочек и покрытий, стимулирующий эффект коллагена как пищевого волокна на процессы пищеварения, весьма актуальной задачей является разработка модифицированных рецептур и технологических подходов получения оригинальных и модифицированных рыбных продуктов в колла-геновом покрытии.
При разработке модифицированных рецептур полуфабрикатов в кол-лагеновом покрытии за основу были взяты рецептуры полуфабрикатов из разных видов сырья - котлет рыбных «Воронежских» и шницелей рыбных «Лососевых» (табл. 5.1, 5.2), с учетом современных тенденций использования дифференцированных по стоимости видов сырья при производстве полуфабрикатов.
Предполагаемая модифицированная технология рыбопродуктов (рубленных полуфабрикатов) в коллагеновом покрытии включает стадии: составление рецептуры, формовка, нанесение на поверхность коллагеновой дисперсии, приготовленной по п. 4.2, подсушку этого покрытия и замораживание продукта при температурах минус 25-30 С в течение 30 мин.
В качестве альтернативы может использоваться вариант: рубленные полуфабрикаты после подмораживания окончательно формуют, замораживают до твердого состояния и наносят покрытие.
Как видно из данных табл. 5.1, 5.2, в модифицированную рецептуру введена дополнительно коллагеновая дисперсия вместо соответствующей массы рыбного сырья - фарша путассу и горбуши.
Полуфабрикаты готовили по модифицированным рецептурам в соответствии с традиционными технологическими схемами и режимами изготовления [113, 114], включая дополнительные операции по приготовлению и нанесению коллагеновои дисперсии на изделие методами погружения и полива (табл. 5.3).
Общая модифицированная технологическая схема получения рыбных полуфабрикатов и комбинированных рыбо-растительных полуфабрикатов в коллагеновои дисперсии представлена на рис. 5.1.
Для изготовления формованных изделий использовали мороженую рыбу двух видов рыб (путассу, горбуша), а вспомогательные материалы и дополнительное сырье - не ниже первого сорта в соответствии с требованиями нормативно-технической документации. При этом исследовали возможность использования рыб с механическими повреждениями при удалении поврежденных мест или отклонениями от стандартной разделки, но соответствующих по остальным показателям показателям I сорта, а также срезок (опилок) рыбы, филе, остатков фарша, деформированных и нестандартных по массе пирожков с рыбными начинками.
Похожие диссертации на Получение, свойства и применение коллагеновых дисперсий из кожи рыб
