автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему: Разработка биотехнологического способа использования молок омуля
Автореферат диссертации по теме "Разработка биотехнологического способа использования молок омуля"
На правах рукописи
ДУБИНИНА ОЛЬГА ЛЬВОВНА
РАЗРАБОТКА БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СПОСОБА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОЛОК ОМУЛЯ
Специальность 05.18.04 - Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств Специальность 05.18.07-Биотехнология пищевых продуктов (перерабатывающие отрасли АПК)
диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете
Научные руководители: доктор технических наук,
профессор Хамнаева Н.И. доктор биологических наук, профессор Цыренов В. Ж.
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
Ведущая организация: Институт общей и экспериментальной биологии
СО РАН, г. Улан-Удэ
Защита состоится «29» ноября 2004 г в 10 часов на заседании диссертационного совета К.212.039.01 Восточно-Сибирского государственного технологического университета по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 в
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета
профессор Остроумов Л.А. кандидат технических наук, доцент Артюхова СИ.
Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Современное направление утилизации природного сырья как животного, так и растительного происхождения предусматривает рациональное, научно обоснованное, наиболее полное и глубокое использование природного комплекса функционально значимых нутриентов.
Именно эта задача является важнейшей, стержневой в развитии рыбоперерабатывающего производства, которое обеспечивает 25% продукции в мясо-рыбном балансе рациона населения.
Гидробионты, являясь биосырьем, обращают на себя особое внимание. Они содержат весь комплекс полезных соединений - белки, жиры, углеводы, витамины, ферменты и другие биологически активные вещества. Однако, анализ литературы свидетельствует о том, что из водного биосырья используется лишь небольшое число ценнейших соединений. При современном производстве нутриенты гидробионтов, обладающие биоактивностью, теряются с отходами.
Особое внимание заслуживает направление рационального использования гидробионтов для создания новых видов пищевой продукции за счет использования отходов от их разделки.
В настоящее время активны исследования возможностей получения пищевой продукции из гонад гидробионтов. Молоки рыб - ценное пищевое сырье, благодаря высокому содержанию таких биологически активных соединений, как полиненасыщенные высшие жирные кислоты, нуклеотиды привлекают к себе внимание как отечественных, так и зарубежных исследователей .
В этой связи поиск путей использования молок омуля — эндемика Байкала, на основе биотехнологического подхода, является актуальной задачей.
Исследования, представленные в диссертационной работе выполнены в рамках НИОКР по теме «Разработка биотехнологических способов комплексного использования сырья животного и растительного происхождения» (номер государственной регистрации -01980006541).
Цель работы: разработка рационального способа сохранения на-тивного состава молок омуля и путей использования их в продуктах пищевого назначения.
На основании поставленной цели сформулирована рабочая гипотеза, в основе которой лежит предположение, о возможности сохранения нативных свойств молок омуля в процессе биотехнологического
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
воздействия. Согласно рабочей гипотезе новая композиция может быть использована в качестве компонента для получения новых продуктов пищевого назначения.
В соответствии с рабочей гипотезой определены основные задачи исследований:
- изучить химический состав молок омуля;
-выявить эпифитную микрофлору молок и её зависимость от условий хранения;
- выбрать вид лактобактерий для биотехнологического воздействия на состав молок;
- разработать биотехнологический способ сохранения нативного состава молок омуля;
- исследовать состав, свойства новой композиции;
- установить режимы, сроки хранения композиции;
- разработать пути использования новой композиции;
Научная новизна. Впервые получены экспериментальные данные по химическому составу, биологической ценности молок омуля -эндемика озера Байкал. Научно обоснована возможность создания композиции из молок омуля и закваски L.acidophilus. Дана качественная, количественная характеристика новой композиции. Экспериментально доказана возможность использования композиции, полученной биотехнологическим способом, в производстве майонезов и для облагораживания фарша низкосортных рыб.
Практическая значимость. На основе полученных экспериментальных данных разработана нормативно-техническая документация на низкокалорийный майонез «Пикантный» (ТУ 914311-037-020694732003). По заявке №2003104934 от 18.02.2003г. «Способ получения пищевой эмульсии» о выдаче патента РФ получен приоритет от 18.04.2003г. Результаты исследований используются в учебном процессе студентов направления «Технология продуктов питания» по дисциплинам «Научные основы производства продуктов питания», «Техника и технология отрасли», «Научно-исследовательская работа студентов».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на научно-практических конференциях ВСГТУ (Улан-Удэ, 2000, 2001, 2002, 2003), региональных, Всероссийских, Международных научно-практических конференциях: «Пищевой белок и экология» (Москва, 2000); «Пищевые биотехнологии: проблемы и перспективы в XXI веке» (Владивосток, 2000); «Обеспечение продовольственной и экологической безопасности человечества - важнейшая задача XXI века» (Оренбург, 2000); «Проблемы экологии и рационального природопользования Дальнего Востока», (Владивосток, 2000);
«Биологически активные добавки и здоровое питания» (Улан-Удэ, 2001); «Современные достижения биотехнологии» (Ставрополь, 2002); «Теория и практика производства продуктов питания. Технология. Техника. Качество» (Владивосток, 2002); на I Международном симпозиуме «Пищевая биотехнология: Проблемы и перспективы в XXI веке» (Владивосток, 2000); на Международном Конгрессе «Биотехнология - состояние и перспективы развития» (Москва, 2002, 2003).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, списка цитируемой литературы и приложений. Содержание изложено на 1Ц стр. машинописного текста, включая 28 таблиц, 12 рисунков и 2 приложений. Библиография включает 160 названий отечественных и зарубежных авторов.
Введение. Обоснована актуальность работы, сформулирована общая направленность исследований.
В первой главе рассмотрены проблемы утилизации рыбного сырья. Вопросы использования молок рыб - как перспективного источника биологически активных веществ. Сформулирована необходимость исследования молок байкальского омуля, как сырья для получения пищевой продукции.
Во второй главе изложена организация проведения экспериментов, описаны объекты и методы исследований.
Объектами исследования явились молоки байкальского омуля летне-осеннего нерестого периода, новая композиция из молок омуля и закваски L.acidophilus, низкокалорийный майонез «Пикантный», облагороженный фарш из низкосортных видов рыб.
Экспериментальные исследования выполнены на кафедре «Биотехнология» Восточно - Сибирского государственного технологического университета, в Проблемной научно-исследовательской лаборатории Московского Государственного университета прикладной Биотехнологии, в Республиканском аналитическом центре (г. Улан-Удэ), научно-исследовательской лаборатории ТИНРО-центра (г. Владивосток).
Проведение эксперимента осуществляли согласно схеме, представленной на рис 1.
Рисунок 1- Схема проведения исследований
Методы исследования: физико-химических показателей: содержание массовой доли белка-1,влаги-2, жира-3, небелкового азота-4, азота летучих оснований-5, активной кислотности-6 проводили согласно ГОСТ7636-85; минерального состава методом атомно-адсорбционной спектрометрии BRUKER WM -500 (Германия)-7; аминокислотного состава - методом ионообменной хроматографии на автоматическом анализаторе аминокислот Ammo acid analuzez M339 Mikrotechno PRANA -8; жирные кислоты- методом газожидкостной хроматографии на хроматографе Shimadzu GS-14B (Япония)-9; нуклеотидного состава методом ВЭЖХ на хроматографе «Милихром-02»; вязкости на приборе «Реотест-2»-11; микробиологических показателей по ГОСТ-10444-94; ГОСТ-Р50474-93; ГОСТ-10444,12-88; пероксидное число - иодометрическим методом-13. Статистическую обработку данных проводили при помощи программы ЭВМ «Jungl Sigma Plot»
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Химический состав молок омуля. Установлено, что при разделке омуля на современном технологическом оборудовании получают следующие виды отходов: голова - 9,6%, тушка - 72,7%, плавники -2,8%, кости - 5,1%, внутренности 12,6%. Молоки, составляют до 7%.
Задача первого этапа исследований заключалась в выявлении основных компонентов, содержащихся в молоках омуля.
Данные химического состава молок представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Химический состав молок омуля
Наименование показателя Зимне-весеннего периода Летне-осеннего периода
Массовая доля влаги, % 81,9± 1,2 75,8 ± 1,5
Массовая доля белка, % 15,2 ±0,1 16,5 ± 0,9
Массовая доля жира, % Зола, % рн 1,2 ±0,1 1,7 ±0,4 6,17 ±0,1 5,0 ± 0,2 2,7 ± 0,2 6,17 ±0,1
Соотношение массы молок к массе тела омуля, % 2-4 5-7
Установлено, что в летне-осений период в молоках накапливается значительное количество золы и жира, что послужило основанием для изучения минерального и жирнокислотного состава (табл. 2,3).
Таблица 2 - М инеральный состав молок омуля
Наименование элементов Содержание, мг/кг
молоки омуля мышечная ткань омуля
Фосфор 720,570 ± 21,315 348,560±10,121
Калий 394,740 ±10,312 348,490 ±10,219
Натрий 96,298 ±3,412 57,579 ±2,431
Магний 7,606 ±0,371 28,527 ±1,623
Железо 4,809 ± 0,125 2,698 ±0,413
Кальций 3,570 ±0,124 32,25 ±2,102
Цинк 2,165 ±0,015 1,316 ±0,005
Никель 0,0518 ±0,0012 0,0285 ±0,01
Кобальт 0,0536 ± 0,0002 0,0598 ±0,0001
Марганец 0,0353 ±0,0001 0,0303 ±0,0001
Минеральный состав молок омуля в сравнении с мышечной тканью омуля отличается высоким содержанием - фосфора, железа, цинка и повышенным содержанием калия, натрия.
Известно, что в липидах пресноводных рыб преобладают полиненасыщенные жирные кислоты. При изучении жирнокислотного состава молок были получены следующие результаты представленные в (табл.3).
Как видно из таблицы, доминирующую роль в липидах молок омуля играют полиненасыщенные жирные кислоты, составляющие 58% от суммы жирных кислот, соотношение суммы о)3:со6 32,64%. Содержание насыщенных и мононасыщенных жирных кислот 1:1 соответственно.
Таблица 3 — Жирнокислотный сос
Жирные кислоты % от суммы жирных кислот
14:0 миристиновая 3,48
15:0 пентадекановая 0,34
16:0 пальмитиновая 13,15
18:0 стеариновая 0,2
Продолжение таблицы 3
16 1 п-7 пальмитоолеиновая 7,18
17 1 п-9 гептадеценовая 0,47
18 1 п-9 олеиновая 8,12
18 1 п-7 цис-вакценовая 3,31
18 1 п-5 октадиеновая 0,18
20 1 п-9 гондоиновая 0,36
20 1 п-7 эйкозеновая 0,11
24 1 п-9 нервоновая 0,44
18:2 п-6 линолевая 2,77
18:3 п-3 линоленовая 0,22
20:2 6,11 эйкозодиеновая 0,62
20:4 п-6 арахидоновая 0,53
20:5 п-3 эйкозопентаеновая 8,28
22:6 п-3 докозогексаеновая 13,43
Представляло интерес сравнить биологическую ценность белков молок омуля с белками океанических видов рыб. Данные представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Аминокислотный состав молок омуля, кеты и минтая
Наименование аминокислот Омуль Минтай * Кета*
Аргинин 7,79 ' 9,2 9,3
Аспарагиновая к-та 12,17 9,5 8,5
Глутаминовая к-та 14,04 14,4 12,0
Гистидин 1,63 1,5 2,8
Продолжение таблицы 4
Серии 3,99 5,5 4,2
Пролин 3,80 5,2 4,4
Глицин 7,21 5,0 6,3
Алании 12,41 6,8 6,4
Изолейцин 2,89 75 3,3 83 4,8 120
Лейцин 7,14 102 8,4 121 8,4 121
Треонин 4,52 113 6,3 156 4,0 100
Валин 5,58 112 4,9 98 5,7 115
Лизин 5,09 101 9,2 167 11,5 210
Фенилалан+терозин 10,16 169 7,6 125 7,4 123
Цистеин 1,87 53,4 3,2 91 3,6
Общее количество 100 99,3 100
Примечания: * - литературные данные; А - содержание аминокислот г на 100г белка; С - значение химического скора, %.
Обнаружено, что биологическая ценность белков молок лимитирована по серосодержащим аминокислотам, изолейцину. Хотя в белках молок кеты отсутствуют лимитирующие аминокислоты, лучшей сбалансированностью обладают белки молок омуля, так как в молоках кеты достаточно высокое содержание лизина. Белки молок омуля богаты глицином, аланином, аспарагиновой кислотой.
Имеются сведения об использовании нуклеотидов в качестве пищевых добавок для улучшения вкуса и аромата продуктов питания. Вопросы получения нуклеотидов из молок рыб и их практического использования представляет большой интерес. В этой связи следующий этап исследований был направлен на изучение нуклеотидного состава молок омуля (табл. 5). Фракция свободных нуклеотидов в значительных количествах представлена аденозин и гуанозин фосфатами.
Наименование Содержание, мг/мл
Микробиологическая характеристика молок омуля. Проведенные исследования показали, что молоки байкальского омуля представляют собой ценное пищевое сырье, содержат высокое количество белкоьо-липидных веществ, что является основной причиной их плохой устойчивости к факторам окружающей среды.
При исследовании микробного фона молок омуля было обнаружено, что при повышении температуры 6±0,5°С, отмечена тенденция роста числа мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов. Этот показатель выше предельно допустимых концентраций, установленных санитарными нормами качества продовольственного сырья и пищевых продуктов. Данные представлены в таблице 6.
Таблица 6- Влияние условий хранения на микробиологические
Температура хранения, °С Продолжительность хранения, ч Количество МАФАнМ, кое/г БГКП (коли формы) в 0,001 г Патогенные, в т ч сальмонеллы в 25 г
0ч 3,0-102 не обнаружено не обнаружено
Минус 12ч 3,1-Ш2 то же то же
18°С 24 ч 3,5-102 -II- -II-
6+0,5°С 0ч 12ч 24 ч 36 ч 48 ч З/МО2 3,4-103 5,6-Ю4 4,3-105 5,6-105 не обнаружено то же -//-II-II- не обнаружено то же -II-II-
В связи с этим нами изучено влияние температуры 6±0,5°С на изменение нативного состава молок омуля. Динамику глубины протео-лиза изучали по показателю небелкового азота рис 2.
Продолжительность хранения, ч
Рисунок 2- Изменение небелкового азота в молоках омуля в процессе
Установлено, что в образцах молок выдержанных при температуре 6 ± 0,5°С, в течение 48 ч наблюдается увеличение небелкового азота, что связано с активизацией действия протеолитических ферментов микроорганизмов, контаминированной микрофлоры и тканевых протеаз молок. Быстрое замораживание и хранение молок при температуре минус 18°С, способствует отмиранию контаминированной микрофлоры молок.
Следующий этап работы заключался в выборе условий сохранения нативного состава молок и разработке способа получения новой композиции.
Выбор лактобактерий для биотехнологического воздействия.
В последнее время все чаще появляется информация об использовании молочнокислых бактерий как биологического объекта для сохранения нативных свойств природного сырья с высоким содержанием белково-липидного состава. Особая роль принадлежит лактобактериям Ь.ас1ёорЫ1ш. Обладая высокой кислотообразующей способностью, свойством синтезировать антибиотические вещества - низин, лизоцим, лактомин, они способны подавлять развитие патогенных и гнилостных микроорганизмов. Наряду с этим лактобактерий Ь.ас1ёорЫ1ш, успешно приживаются в желудочно-кишечном тракте человека. В процессе жизнедеятельности лактобактерий накапливается комплекс биологически активных веществ, что позволяет направленно использовать их для создания биологически активной композиции. Для проведения экспери-
ментов были использованы культуры L acidophilus, штамм В-8512, не слизеобразующие, обладающие кислотообразующей способностью в интервале от 180 до 200°Т, высоким содержанием активных клеток 1,0 109в1г.
Разработка биотехнологического способа получения новой композиции. Для проведения экспериментов были созданы варианты модельных композиций. Основой для их получения явились физико-химические, структурно-механические и органолетические свойства пищевой системы
Маточную закваску L acidopilus, получали в соответствии с требованиями технологической инструкции.
Для достижения кислотности 180-200°Т в закваске, проводили трехкратную пересадку культуры, охлаждали до температуры 18-20°С. Закваску L acidophilus смешивали с измельченными молоками количество которых в композициях составило 20%, 30%, 40% Композиции хранили при температуре 6±О,5°С. Основным показателем, характеризующим биохимические процессы в сырье, является величина активной кислотности (рН) Результаты эксперимента представлены на рисунке 3
г 4 8 16 24 36 72
Продолжительность хранения, ч
Рисунок 3- Изменение активной кислотности в образцах в зависимости от условий хранения
Установлено, что в образцах содержащих закваску, в течение 24 часов наблюдается понижение величины рН, что обусловлено высокой кислотообразующей способностью чистых культур Lacidophilus, затем
происходит стабилизация величины активной кислотности. Параллельно изучали протеолитические процессы полученных композиций. Скорость процесса протеолиза определяли по изменению величины небелкового азота (рис 4).
-^Ь» 40% мол. +а.п., «О-30%мол. +а.п., 20% мол. + а.п.
Рисунок 4- Изменение небелкового азота в композициях
Выявлено существенное влияние соотношения композиций на скорость накопления продуктов протеолиза белков. При увеличении дозы закваски, величина небелкового азота в композициях снижается, по-видимому антибиотические вещества закваски L. acidophilus оказывают ингибирующее действие на протеолитические ферменты контами-нированной микрофлоры молок.
В липидах молок омуля доминирующей фракцией являются полиненасыщенные жирные кислоты, которые, как правило, не стойки, быстро окисляются.
Интерес представляло изучение влияния закваски L.asidophilus на скорость процесса окисления липидов молок. Данные исследований представлены на рисунке 5, из которого следует что содержание закваски L asidophilus значительно уменьшает скорость накопления продуктов окисления в композициях по сравнению с контрольным образцом, вероятно связанное с антиоксидан гными свойствами метаболитов лак-тобактерий.
y1 »0 0101Х+ 0 0225 R2 = 0 9491
y2 * 0 005x + 0 0218
R2 » 0 9586 уЗ = О 0041х + 0 0221 R2 » 0 9706
у4 = 0 ООЗх + 0 0228
Продолжительность хранения, ч
-Х-молоки омуля, 40%мол + а п, - £)— 30% мол +ап,
Рисунок .5- Влияние культур L acidophilus на изменение пероксидного числа в пробах
При разработке новых видов пищевых продуктов, важное технологическое значение имеют структурно-механические свойства, которые зависят от многих факторов сбалансированности ингредиентов входящих в пищевую систему и их соотношений, влияющих на качественные характеристики.
Следующий этап работы заключался в изучении влияния соотношений ингредиентов продукта на формирование реологических свойств, процессы структурообразования, устойчивости и вероятности взаимодействия компонентов композиций Экспериментально установлено, что лучшее структурообразование в композициях происходит при увеличении концентрации молок при 30-40%, характеризующееся увеличением удельной электропроводности пищевой системы и уменьшением межфазного поверхностного натяжения Результаты исследований седиментационной устойчивости показали, что наибольшей устойчивостью (96-100%) обладает образец с дозой молок 40%, композиция, где концентрация молок составила 20%, проявляла меньшую устойчивость, что объясняется большим количеством водно-дисперсионной среды закваски молочнокислых бактерий При изучении вязкости (рис. 6) обнаружено, что модули вязкости имеют максимальные величины (600 и 800 Па с) в образцах с содержанием 30-40% молок
Рисунок 6- Исследование вязкости пищевой добавки
Однако увеличение дозы молок от 40% и выше влияет на сенсорные свойства композиций (запах и цвет), что объясняется с присутствием нуклеотидов в молоках омуля. Результаты комплексного изучения физико-химических, структурно-механических и сенсорных свойств позволили обосновать необходимость использования для получения композиции оптимальное соотношение ингредиентов - 30% молок и 70% закваски L.acidophilus. Композиция характеризуется высоким уровнем вязкости, стабильности появлением новых органолептических свойств (вкусом, ароматом, консистенцией).
На основе экспериментальных получения новой композиции (рис.7.)
данных разработана технология
Рисунок 7- Схема приготовления композиции
На основании апроксимации экспериментальных данных по изучению продуктов окисления (пероксидного числа) и активной кислотности композиций были получены зависимости, которые описываются уравнениями прямой линии: У1=0,00202х+ 0,0175
коэффициент корреляции г составляет 0,93 У2= 0,0005х+0,030
коэффициент корреляции г составляет 0,95 у3=0 0004х+ 0,0294
коэффициент корреляции г составляет 0,95 у4= 0,0003х+ 0,0298
коэффициент корреляции составляет 0,96
Исследование полученных зависимостей позволили рассчитать оптимальные сроки хранения композиции, при температуре 6°С составил не более 72 часов.
Исследование пищевой ценности новой композиции. В результате исследований химического состава и биологической ценности продукта было установлено содержание белка - 15,8%, жира - 2,7%, минеральных веществ - 2,2%. Композиция характеризуется высоким содержанием цинка - 180 мг%, железа - 41,01 мг%, фосфора - 670,53 мг%, содержанием всех незаменимых аминокислот. Количество адениловых нуклеотидов составило -2,46 мг/мл, гуаниловых -0,87 мг/мл. Проведены исследования токсичности и бактериологической оценки продукта экспресс методом с использованием тест-культуры ТвШсМтвпа Руп/огт1$. Установлено, что композиция не обладает токсичностью.
Композиция - полифункциональный компонент в производстве майонеза и рыбного фарша. Возможным путем использования новой композиции на основе молок байкальского омуля и закваски Ь.ас1ёорЫ1ш является применение ее при составлении рецептур майонезов. Была разработана и апробирована в промышленных условиях технология получения низкокалорийного майонеза «Пикантный», которая легла в основу нормативного документа (ТУ 914311-037-020694732003). Использование в составе майонеза новой композиции позволило расширить ассортимент производства майонезов. Результаты химического состава майонеза представлены в таблице 6.