Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы
1.1 Обоснование возможности использования коллагенсодержащих рыбных отходов как сырья для получения ихтиожелатина 6
1.2 Характеристика чешуи рыб как вторичного ресурса рыбной промышленности 9
1.3 Структура, свойства коллагена и других компонентов чешуи рыб 12
1.4 Желатин: состав, структура, свойства и получение 19
1.5 Опыт переработки рыбного коллагенсодержащего сырья для получения желатина и клея 30
ГЛАВА 2. Постановка эксперимента, объекты и методы исследований
2.1 Характеристика объектов исследования 38
2.2 Порядок проведения эксперимента 38
2.3 Методы исследований 40
2.4 Математическая обработка результатов исследований 43
ГЛАВА 3. Исследование состава, свойств и технологических процессов заготовки и хранения чешуи рыб
3.1 Состав и свойства чешуи рыб Волго-Каспийского района 46
3.2 Исследование процессов заготовки и хранения чешуи рыб 52 ГЛАВА 4. Исследование технологии получения ихтиожелатина из чешуи рыб
4.1 Исследование процесса предварительной подготовки чешуи к выделению ихтиожелатина 62
4.2 Изучение процесса экстракции ихтиожелатина из чешуи рыб 76
4.3 Обоснование и разработка технологии очистки раствора V* ихтиожелатина 86
4.4 Исследование процессов концентрирования раствора и сушки ихтиожелатина 89
4.5 Описание технологической схемы получения ихтиожелатина 94
4.6 Изучение состава и свойств ихтиожелатина 96
ГЛАВА 5. Утилизация отходов ихтиожелатинового производства
5.1 Обоснование и разработка способа утилизации отходов ихтиожелатинового производства 105
5.2 Изучение состава и свойств кормовой добавки ФАД 110
ГЛАВА 6. Разработка практических рекомендаций по применению ихтиожелатина
6.1 Применение ихтиожелатина в медицинской промышленности 116
6.2 Применение ихтиожелатина в технологии реставрационных работ 123
Выводы 127
Список использованных источников
- Обоснование возможности использования коллагенсодержащих рыбных отходов как сырья для получения ихтиожелатина
- Характеристика объектов исследования
- Состав и свойства чешуи рыб Волго-Каспийского района
- Обоснование и разработка способа утилизации отходов ихтиожелатинового производства
Введение к работе
Рыбное хозяйство Российской Федерации занимает значительную долю продовольственного комплекса страны. К сожалению, в последние годы объем добычи рыбы снижается. Это обуславливает необходимость более бережного отношения к рыбным ресурсам. В соответствии с «Концепцией развития рыбного хозяйства Российской Федерации до 2010г.» одной из первоочередных мер повышения функционирования рыбной отрасли, является рациональное использование водных биоресурсов. Одним из основных направлений рационального использования рыбных ресурсов является эффективное использование отходов образовавшихся при его обработке [77].
Обработка рыбного сырья неизбежно связана с образованием отходов. В последнее время на предприятиях рыбной промышленности Астраханской области наметилась тенденция к увеличению выпуска рыбной продукции спецразделки и филе. При таком способе разделки рыбные отходы в полном объеме остаются на предприятии, и должны рационально утилизироваться.
Рыбные отходы - ценные вторичные сырьевые ресурсы, переработка которых оказывает положительное влияние на ассортимент выпускаемой продукции, повышает рентабельность рыбообрабатывающих предприятий, а также превращает ранее существовавшую технологию в безотходную, что способствует решению экологических вопросов [3,87].
Большую долю отходов пресноводных рыб составляет чешуя. В реальных условиях работы рыбоперерабатывающих предприятий чешуя рыб маловостребована, и ее утилизация является серьезной проблемой.
Сегодня проблема рационального использования коллагенсодержащего сырья стоит весьма остро. Во многих странах мира образовались научные школы и направления, занимающиеся исследованием состава, свойств и получением рыбного коллагена и желатина, а также ведется разработка новых областей его использования.
5 Многие зарубежные ученые в последнее время указывают на
актуальность переработки коллагенсодержащего рыбного сырья для получения
желатина, считая его потенциальным заменителем желатина млекопитающих,
так как использование коллагена млекопитающих небезопасно, в связи
последними событиями массового падежа скота из-за губкообразного
энцефалопатита (бешенства) [74,107,110,112,114,116,118,117].
Чешуя рыб существенно отличается строением и составом от кожи и плавательного пузыря рыб. В настоящее время возможность рациональной переработки чешуи рыб изучена недостаточно глубоко, а имеющийся отечественный и зарубежный опыт переработки хотя и полезен, но нуждается в критическом осмыслении с учетом особенностей чешуи рыб Волго-Каспийского бассейна.
Целью настоящих исследований является разработка и научное обоснование технологии получения ихтиожелатина из чешуи рыб.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
изучение состава и свойств чешуи рыб Волго-Каспийского района;
разработка технологии заготовки и хранения чешуи рыб;
разработка технологии получения ихтиожелатина из чешуи рыб;
изучение состава и свойств ихтиожелатина из чешуи рыб;
утилизация отходов ихтиожелатинового производства;
разработка научно-практических рекомендаций по применению ихтиожелатина в технологии лекарственных форм и реставрационных работ;
разработка нормативной документации на заготовку и хранение чешуи рыб, и на технологию получения ихтиожелатина.
Обоснование возможности использования коллагенсодержащих рыбных отходов как сырья для получения ихтиожелатина
Рыбное хозяйство занимает существенное место в продовольственном комплексе Российской Федерации на Каспии. Значительная роль в рыбной отрасли России на Каспии принадлежит Астраханской области, на долю которой приходится около 88% улова. Основу улова составляют полупроходные и речные рыбы. Общий допустимый улов полупроходных и речных рыб на 2005г. составляет 63,6% (42,68 тыст.) от улова всех рыб Волго-Каспийского бассейна. Наиболее успешно осуществляется современный промысел крупных и мелких пресноводных рыб, их освоение общего допустимого улова за 2003г. составляло более 80%, а общий допустимый улов на 2005г. по Волго-Каспийскому бассейну составляет 38,12 тыст. Полупроходные и речные рыбы в промысловых уловах представлены несколькими видами: лещом, сомом, щукой, воблой, карасем, красноперкой, сазаном и судаком. Запасы пресноводных рыб в Волго-Каспийском районе наиболее стабильны. Существенное значение в рыбной промышленности Астраханской области имеет прудовая рыба, за 2003г. предприятиями и организациями на Каспии добыто 3,5 тыст. прудовой рыбы [79].
Важной научно-практической задачей рыбной отрасли является максимальное использование вторичных продуктов переработки рыбы. К сожалению, в настоящее время рыбные отходы направляют лишь на производство кормовой муки, либо вообще не используют. Тогда как дифференцированный подход к переработке рыбных вторичных ресурсов более эффективен.
Тело рыбы принято делить на съедобные и несъедобные части и органы. К съедобным частям относят мясо, голову, икру у самок и молоки у самцов, печень и сердце; к несъедобным - кости, плавники, кишечник, плавательный пузырь, почки, кожа и чешуя. Голову рыбы можно только условно отнести к съедобным частям, так как мышечная ткань у нее развита слабо. Коллагенсодержащими рыбными отходами являются кожа, плавательный пузырь, чешуя, которые относятся к ценным вторичным ресурсам. В костях головы и туловища, а также плавниках содержится значительное количество белков, состоящих в основном из оссеина, близкого к коллагену вещества, который в отличие от коллагена довольно трудно переходит в желатин, поэтому кости не являются коллагенсодержащим сырьем [3,87]. Для организации рациональной комплексной переработки коллагенсодержащих частей и органов тела рыбы необходимо знание их массового состава. Массовый состав изменяется и зависит от вида рыбы, размера, пола и времени вылова [59, 81].
Анализ массовой доли коллагенсодержащих рыбных частей и органов рыб Волго-Каспийского бассейна (табл. 1) показал, что большую долю среди указанных отходов составляет чешуя, относительная масса которой колеблется от 2,4 до 10,2%; массовая доля кожи 3,5-7,7%, а плавательного пузыря 0,7-1,6% от массы целой рыбы. В литературе отсутствуют сведения по массовому составу коллагенсодержащих отходов карася и прудовой рыбы в настоящее время составляющих значительную часть промысловых уловов.
В настоящее время коллагенсодержащие вторичные рыбные ресурсы подробно исследуются отечественными и зарубежными учеными. Анализ отечественных литературных источников показал, что кожу тресковых видов рыб, а также плавательный пузырь осетровых и крупных пресноводных рыб используют для получения рыбного клея [76,86]. Теоретически в качестве источника получения рыбного клея указывают кожу других рыб и чешую, но в литературе такие сведения отсутствуют. Обосновано [6,7,8,51] применение кожи горбуши, путассу, сельди, скумбрии для получения коллагеновых дисперсий используемых в кулинарном производстве. Плавательный пузырь осетровых и крупных пресноводных рыб, также применяется для получения коллагеновых губок [94], нашедших применение в медицине и косметологии. На кафедре «Технологии и экспертизы товаров» АГТУ показана возможность использования килечной чешуи для получения ихтиожелатина [68].
Характеристика объектов исследования
Экспериментальные исследования проводили измерительными и органолептическими методами. Отбор проб для исследования проводили по стандартным методикам по ГОСТ 7631-85, ГОСТ 26668-85, ГОСТ 13496.0-80 подготовка проб для определения токсичных элементов проводили по ГОСТ 26929-94, для микробиологических испытаний по ГОСТ 26669-85, ГОСТ 26670-91 и в соответствии с Инструкцией №5319-91 по санитарно-эпидемиологическому контролю производства пищевой рыбной продукции из рыбы и морских беспозвоночных.
Определение физических параметров чешуи рыб проводилось по характерному размеру, этот параметр определяли по максимальному расстоянию между двумя точками краев чешуи.
Для характеристики общего химического состава исследуемого продукта определяли содержание влаги, жира, белка, золы и элементарного состава минеральных веществ. Исследование проводили в соответствии с требованиями стандартных методик по ГОСТ 7636-85, ГОСТ 13496.0-80, ГОСТ 13496.3-80.
В целях определения содержания массовой доли целевого компонента изучали фракционный состав белков чешуи рыб, сущность которого РОССИЙСКАЯ лл ГОСУДАРСТВЕННА!! 41 БИБЛИОТЕКА заключается в последовательном экстрагировании водо- и солерастворимых белковых фракций соответственно дистиллированной водой и солевым раствором хлорида кальция с концентрацией 0,6 моль/дм3. Определение содержания коллагена проводили автоклавированием при температуре 150С и давлении 0,15 МПа. Содержание ихтиолепидина определяли исследуя нерастворимый остаток чешуи полученный после автоклавирования. Содержание белка определяли по методу Кьельдаля, с последующим колориметрированием с реактивом Несслера. Метод основан на реакции аммиака с реактивом Несслера с образованием окрашенного в желтый цвет комплекса (йодита меркураммония). Содержание белковых веществ определяли по калибровочному графику, построенному по стандартному раствору хлорида аммония, с последующим пересчетом содержания азота на белок.
Исследование показателей безопасности исследуемых продуктов определяли в соответствии с требованиями государственных стандартов и санитарными нормами и правилами на соответствующую продукцию.
Определение содержания токсичных элементов проводили атомно-адсорбционным методом по ГОСТ 26927-86, ГОСТ 26929-94, ГОСТ 26930-86, ГОСТ 26931-86, ГОСТ 26932-86, ГОСТ 26933-86, ГОСТ 26934-86, ГОСТ 30178-96. Содержание пестицидов, полихлорированных бифенилов, нитрозаминов, радионуклидов определяют по стандартным утвержденным методикам.
Исследование органолептических, физико-химических и санитарно гигиенических показателей ихтиожелатина проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 11293-89 и ГОСТ 25183.1-82 - ГОСТ 25183.10-82. Диференциально вискозиметрическое исследование ихтиожелатина проводили по температурной зависимости вязкости растворов ихтиожелатина в области разбавленных растворов. В разбавленных растворах взаимодействие между макромолекулами желатины сводится до минимума и по температурной зависимости гидродинамических параметров можно судить о конформационных изменениях макромолекул желатины [82,93].
Исследование микробиологических свойств чешуи и ихтиожелатина проводили по следующим показателям в соответствии с указанными методиками: КМАФАнМ - ГОСТ 10444.15-94, БГКП - ГОСТ Р 50474-93, желатинразжижающие бактерии - ГОСТ 11293-89, бактерии рода Salmonella ГОСТ 30519-97 (ГОСТ Р 50480-93), дрожжи и плесневые грибы - ГОСТ 10444.12-88, Staphylococcus aureus -ГОСТ 10444.2-94, сульфатредуцирующие клостридии - ГОСТ 29185-91, энтерококки - ГОСТ 28566-86, бактерии вида Escherichia coli - ГОСТ 30726-2001, Listeria monocytogenes - ГОСТ Р 51921 2002. Микробиологические исследования кормовой добавки из чешуи рыб проводили по следующим показателям: ОКМ, сальмонеллы, БГКП, энтерококки, бактерии рода Proteus, анаэробы, пастереллы, ботулинический токсин. Исследования проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 25311-82 и Правилами бактериологического исследования кормов [70].
Токсико-биологические исследование кормовой добавки ФАД проводили по ГОСТ 29136-82, а также в соответствии с «Методикой определения токсичности шротов, жмыхов и кормовых дрожжей» применяемых в ветеринарии [63]. Методика основана на токсико-биологическом исследовании кормового продукта при введении его экстракта в желудок белым мышам. Для определения острой токсичности исследуемого продукта использовали одну опытную и одну контрольную группу из 5 клинически здоровых половозрелых белых мышей одного пола массой 20-25г. в каждой. Грызунов опытной группы выдерживают без корма 4-5 часов, после чего с помощью шприца с тупой иглой вводят однократно через рот в желудок 0,5 см экстракта. Продолжительность наблюдения за мышами составляет трое суток. Животных опытной и контрольной группы не ограничивали в кормлении и поении. В течении эксперимента ежедневно проводили наблюдение за состоянием и поведением мышей, полнотой поедания корма.
Состав и свойства чешуи рыб Волго-Каспийского района
Сырьевыми факторами, в наибольшей степени влияющими на разработку рациональной технологии переработки чешуи являются: строение и состав чешуи рыб. Эти факторы определяют возможность дальнейшее использование чешуи рыб как сырья для получения ихтиожелатина.
Структура чешуи представлена продольным чередованием прочных слоев белковой соединительной ткани и отложений минеральных веществ. Наряду с этим, чешуя разных видов рыб существенно отличается химическим составом и физическими параметрами.
Основные процессы технологии ихтиожелатина являются массообменными, поэтому следовало бы измельчить чешую рыб до образования однородных частиц. Однако, при проведении экспериментальных исследований по измельчению чешуи рыб различными способами было отмечено, неоднородное расслоение на белковые волокна и минеральные слои. Поэтому, помимо строения и состава, важной сырьевой характеристикой чешуи рыб является характерный размер.
Результаты исследований характерного размера чешуи промысловых рыб Волго-Каспийского района (рис.2) показали, что в зависимости от вида рыбы характерный размер чешуи значительно различается. Наиболее крупную и мощную чешую имеет сазан и карась средний размер 23 - 20 мм. Чешуя леща, красноперки и воблы имеет размеры 9-11 мм. Чешуя щуки, судака и толстолобика самая мелкая среди представленных видов рыб, ее размер не превышает 7 мм.
Таким образом, для достижения однородности сырья, чешую представленных видов рыб необходимо группировать по характерному размеру: 1 группа - крупная чешуя сазана и карася; 2 группа - средняя чешуя леща, красноперки и воблы; 3 группа - мелкая чешуя щуки, судака и толстолобика. Такое разделение имеет большое практическое и экономически значение для дальнейшего использования чешуи рыб разных видов при получении ихтиожелатина.
Анализ литературных данных о строении и составе чешуи рыб показал, что чешуя костистых рыб имеет многослойное строение. Верхний слой в основном состоит из минеральных веществ, откладывающихся на белковом каркасе, а нижние слои представлены протоколлагеном с включением сопутствующими веществами белкового и минерального происхождения [59].
Для обоснования рационального использования чешуи рыб необходимы более расширенные и углубленные сведения о химическом составе чешуи исследуемых видов рыб. Исследование химического состава чешуи указанных видов рыб показало (табл.5), значительное содержание азотистых веществ в чешуи рыб от 44,2 до 68,7%, следовательно, можно предположить высокое содержание в чешуе рыб коллагена, как одного из главных компонентов азотистых веществ чешуи. Следует отметить значительное варьирование содержании азотистых веществ в чешуе различных видов рыб. Наибольшее содержание азотистых веществ отмечено у сазана 68,7%, толстолобика 68,5%. Самое низкое содержание азотистых веществ отмечено в чешуе судака 44,2%. Также при исследовании химического состава чешуи рыб выявлено высокое содержание минеральных веществ. Самое высокое содержание минеральных веществ отмечено у судака 55,7%, у других видов рыб содержание минеральных веществ колеблется от 43 до 31,4 %. Причем выявлена следующая зависимость, чем больше содержание минеральных веществ, тем меньше содержание азотистых веществ в чешуе рыб.
Содержание жира в чешуе не значительно, приблизительно одинаковое у всех рыб - на уровне 0,1-0,2 %. Этот показатель имеет большое практическое значение, так как позволяет исключить предварительное обезжиривание чешуи рыб для дальнейшей обработки.
Для обоснования и разработки технологии ихтиожелатина важное значение имеют сведения о содержании азота коллагена среди всех азотсодержащих веществ чешуи рыб, так как именно коллаген являются целевым компонентом. Коллаген в чешуе рыб находится среди сопутствующих веществ белкового происхождения. Идентификация этих белков, исследование их состава и свойств имеет большое значение для дальнейшего обоснования технологии заготовки и хранения чешуи рыб, а также очистки экстракта ихтиожелатина от сопутствующих веществ.
Из результатов проведенных исследований установлено (табл.6), что большую часть азотистых веществ чешуи составляет коллаген от 36,3 до 56,5%. Максимальное содержание коллагена отмечено в чешуе толстолобика - 58,4% и сазана - 56,5%. Высокое содержание коллагена в чешуе обуславливает ее ценность в качестве сырья для получения ихтиожелатина. Так же отмечено незначительное содержание (менее 3%) в чешуе рыб водорастворимых и солерастворимых белковых веществ. Появление этих белков объясняется, адсорбцией на поверхности чешуи, в процессе предварительной обработки, небольшого количества белков слизи, которые при выделении и очистке характеризуются как балластные вещества.
Обоснование и разработка способа утилизации отходов ихтиожелатинового производства
Из выше приведенных данных литературных источников и результатов исследований (глава 3), известно, что чешуя рыб содержит в среднем 40% минеральных веществ (на сухой вес). Элементарный состав минеральных веществ чешуи состоит из следующих макро- и микроэлементов жальция, фосфора, магния, натрия, калия, хлора, железа, цинка, фтора, меди, марганца и др. Эти минеральные вещества являющихся обязательной составляющей суточного рациона животных [2,59,65,80,89].
При производстве ихтиожелатина минеральные вещества считаются балластными, поэтому технология ихтиожелатина предусматривает отделение и выделение целевого продукта от сопутствующих балластных веществ. Минеральные вещества чешуи перераспределяются при получении ихтиожелатина в следующих технологических операциях: мацерации; экстракции; фильтрации (отделении раствора ихтиожелатина от варочного остатка).
При мацерации происходит деминерализация поверхностного слоя чешуи, и отделение от 6,4 до 32 % от первоначального содержания минеральных веществ в чешуе. Отделившиеся минеральные вещества переходят в мацерированный «щелок», который подвергают дальнейшей отработке для получения преципитата, используемого в кормовых целях и в качестве удобрения [52].
При экстракции происходит частичное отделение остаточного количества минеральных веществ чешуи, в среднем при экстракции отделяется 10% минеральных веществ. После экстракции происходит отделение раствора ихтиожелатина от варочного остатка, который содержит более половины минеральных веществ чешуи рыб. В основном это минеральные вещества из более глубоких слоев, прочно связанным каркасом
Белковые вещества варочного остатка представлены эластином, ретикулином на 12,4%, частично гидролизированым коллагеном на 87,6%. Эти белковые вещества являются неполноценными по биологической ценности. В последнее время установлена физиологическая ценность коллагеновых белков, которых считают аналогами пищевых волокон, присутствие которых в суточном рационе обязательно. Так как, калорийная и легкоусвояемая пища формируют рафинированное питание, не требующее каких-либо усилий для переваривания, и, следовательно, приводящее к ослаблению функции пищеварения. Пищевые волокна, в том числе животного происхождения регулируют пищеварение, способствуют лучшему перевариванию пищи, а также способствуют выделению из организма вредных веществ [23,72,75]. Таким образом, варочный остаток ихтиожелатинового производства содержит ценные минеральные вещества и пищевые волокна, которые являются физиологически активными веществами. Следовательно, одним из возможных направлений утилизации варочного остатока ихтиожелатинового производства является использование его в качестве вторичного ресурса для получения кормовой добавки. Однако, необходимо исследовать токсичность получаемого продукта, так как в процессе основного производства сырье подвергалось химическим воздействиям.
Исследование химического состава варочного остатка (рис. 25), показало высокое содержание азотистых 21,7% и минеральных веществ 28,2%, что подтверждает выше приведенные предположения, целесообразности использования варочного остатка в кормовых целях.
Влажность варочного остатка высокая составляет в среднем 50,1%. При такой влажности варочный остаток не устойчив к хранению. Кроме того, необходимо учитывать высокие адгезионные свойства остатка. Поэтому целесообразно уменьшить влажность варочного остатка до содержания в нем влаги 12-16%. При такой влажности продукт может длительно храниться без значительного изменения качества. Наиболее целесообразны способом уменьшения влажности, в данном случае, является конвекционная сушка продукта в ограниченных температурных условиях при температуре 50-60С. Ограничение по температуре связано с возможностью деградации белковых компонентов сырья, что вызовет ухудшение свойств целевого продукту.
В результате исследования изменения содержания воды в процессе сушки установлено (рис.26), что более 60% первоначального содержания воды удаляется из варочного остатка за первые 90 минут, уменьшение содержания влаги происходит с 50,1 до 18,7%, далее уменьшение содержания воды замедляется. За последующие 90 минут сушки удаляется 12% от первоначального содержания воду. Эти эмпирические данные обуславливаются различием в затратах необходимой энергии для удаления свободной и связной воды. Свободная вода удаляется более легко за первые 90 минут сушки, на этом этапе наступает переломный момент, далее удаляется из материала более прочно связанная с компонентами сырья вода. В течение 120 минут содержание воды уменьшается с 50,1 до 13,6%. далее уменьшение содержания воды происходит незначительно, а содержание воды в целевом продукте на уровне 14% является достаточным, поэтому можно сделать вывод о нецелесообразности продолжения процесса сушки более 120 минут.
