автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПАНЦИРЬСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ИЗ РАКООБРАЗНЫХ ВОЛГО-КАСПИЙСКОГО РЕГИОНА

ъшэ-

На правах рукописи

УТЕУШЕВ РЕНАТ РАХМЕТУЛЛАЕВИЧ ^^^

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПАНЦИРЬСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ИЗ РАКООБРАЗНЫХ ВОЛ ГО-КАСПИЙСКОГО РЕГИОНА

Специальность 05.18.04 — «Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УТЕУШЕВ РЕНАТ РАХМЕТУЛЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПАНЦИРЬСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ ИЗ РАКООКРАЗИЫХ ВОЛ ГО-КАСПИЙСКОГО РЕГИОНА

Специальность 05.18.04 — «Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

РГАУМСХА ныени К.А. Тимирязев» ЦНБ имени Н И. Желе»нов« Фонд на^нцй литературы

Работа выполнена б Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, Мукатова Марфуга

профессор Дюсембаевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Маслова Галина

старший научный сотрудник Васильевна

кандидат технических наук Немцев Сергей

Владимирович

Сед ушан организация: 'Федеральное государственное унитарное предприятие

Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного* хозяйства и океанографии им. Н.М, Книповнча (ФГУП ПИНРО)

Зашита диссертации состоится 8 нюня 2006 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 307.004,03 при ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ВНИРО) по адресу: г. Москва, ул. Верхняя Красносельская, 17. Факс (495)-264-91-87

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИРО.

Автореферат разослан V мая 2006 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Е.Н. Харенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях новым перспективным направлением в рыбкой отрасли является разработка и внедрение мало- и безотходных технологий, предусматривающих рациональную разделку объектов водного промысла и использование не только съедобных, но н несъедобных частей их тела в качестве вторичных сырьевых ресурсов. Такой подход особенно важен при переработке промысловых ракообразных, в процессе разделки которых количество отходов в виде остатков панциря составляет до 80%.

С 1970 гг. по настоящее время проводятся исследования по безотходной переработке ракообразных океанического промысла (криль, креветка, крабы) с использованием панцирьсодержаших отходов (ПСО) для получения биополимеров (хитина и сто производных), уникальность которых заключается в ах высокой сорбционной способности, бнодеграднруемости н др. В связи с чем, хитин и его производные кашли широкое применение в народном хозяйстве: пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве, биотехнологии, экологии и др.

Исследованиям в области переработки ПСО криля, креветки, крабов в шин и его производных посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Быкова В.П., Быковой В.М., Гамзазаде А.И., Рогожина C.B., Немцева C.B., Данилова CH., Масловой Г,В., Пенистона К.П., Джонсона БЛ., Muzzarelli R.A„ Foster A.B. и др.

Существенные изменения, произошедшие в последние годы в отечественной экономике, привели к сокращению сырьевой базы хитина. Практически прекращена добыча криля и креветки, вследствие чего заготовка панциря этих объектов промысла малообъемна. Что касается выловленных крабов, то их реализуют'в живом, вареномороженом видах за границу вместе с панцирем (Немцев, 2002). Таким образом, является актуальным расширение сырьевой базы за счет других хи-тинсодержащих объектов.

На сегодняшний день Вол го-Каспийский регион один из немногих, в котором запасы речных раков позволяют вести их промышленный лов. Наряду с этим развиваются такие направления аквакультуры, как искусственное разведение речных раков и пресноводных креветок. При этом важной проблемой рыбной промышленности региона остается рациональное использование раков и креветок. Известно, что выход пищевой части ракообразных составляет 20-35%, а остальные 65-80%

представлены ПСО, которые теряются в виде бытовых отходов, загрязняя окружающую среду.

Исходя из вышесказанного, является актуальным разработка и внедрение технологии комплексной переработки панцирьсодержашего сырья (ПСС), образующегося при разделке ракообразных Волго-Каспийского региона.

Цепь н задачи исследования. Цель настоящей работы состояла в разработке технологии комплексной переработки ПСС из ракообразных Волго-КаспиВского региона. Для достижения указанной цепи необходимо было решить следующие задачи;

- изучить биологические и технохимические особенности ракообразных Волго-Каспийского региона;

- выбрать рациональный способ разделывания ракообразных для отделения пищевой части и заготовки ПСС из речных раков;

- изучить химический состав и показатели безопасности заготовленного ПСС;

- исследовать н обосновать режимы процесса экстракции липидной фракции из ПСС;

- установить рациональные параметр м процесса деминерализации ПСС;

- апробировать традиционный химический способ депротеинирования нового вида ПСС;

- обосновать рациональные режимы процессов депротеиннрования ПСС комплексом протеин аз из внутренностей хищных рыб и последующей щелочной обработки;.

- исследовать качество полученного хитинам его производных;

- изыскать пути утилизации отходов, образуемых при получении хитина; • определить экономическую эффективность разработанной технологии.

Научная новизна. Впервые разработана технология комплексной переработки ПСС из речных раков с применением для депротеиннрования комплекса протеи наз, обеспечивающая сохранение нагтивных свойств хитина, белковых веществ, каротиноидов и предусматривающая утилизацию отходов, образующихся при получении хитина.

Установлены рациональные режимы процесса экстракции липидной фракции из ПСС речных раков, содержащей биологически активные вещества (каротинои-ды), позволяющие получить хитин белого цвета.

Впервые получен комплекс кислых протенназ из внутренностей хищных рыб и доказана возможность его использования для совмещения процесса депрегтеннирова-

ния со «порой стадией деминерализации ПСС из речных раков.

Научно обоснованы рациональные режимы процессов деминерализации, де-протеинироваиия комплексом протеиназ и последующей щелочной обработки.

Предложен способ безреагентной утилизации жидких отходов, образующих* ся при получении хитина, предотвращающий неблагоприятное экологическое воздействие разработанной технологии на окружающую среду.

Научная новизна разработанной технологии подтверждена патентом РФ № 2269913 «Способ получения хитина» от 20.02.2006 г.

Практическая значимость работы. Разработана технология переработки речных раков Волго-Каспийского региона, включающая термическую обработку сырья, его разделывание с целью заготовки ПСС для получения биополимера (хитина) н выпуска разнообразной продукции (пищевой, кормовой). Предложен комбинированный способ разделывания вареных раков для отделения пищевой части от ПСО, направляемых на заготовку ПСС и получение кормовой белковой добавки -

Разработан н утвержден пакет нормативных документов: ТИ по первичной обработке речных раков; ТИ по заготовке ПСС; ТУ 9289-008-0047! 704-05 «Пан-цнрьсодержащее сырье» (регистрационный № КЛП 001645); ТИ по получению комплекса протеиназ из желудков сома; ТУ 9289-009-00471704-05 «Комплекс протеиназ из желудков сома» (регистрационный № КЛП 001647); ТИ по получению хитина из ПСС речных раков; ТУ 9289-010-00471704-05 «Хитин» (регистрационный № КЛП 001646); ТИ по изготовлению кормовой белковой добавки; ТУ 9280-014-00471704-05 «Кормовая белковая добавка»; ТИ по получению концентрата каротнноидов; ТУ 9289-015-00471704-05 «Концентрат каротнноидов»; «Нормы отходов, потерь, выхода и коэффициент расхода сырья при производстве продукции из речных раков», согласованные с рыболовецкой артелью «Ишим».

Получены санитарно-эпидемиологические заключения на опытные партии: ПСС за№ 30.АЦ.01.928.Т.000909.12.05 и хитина за№ ЗОАЦ.01.928.ТЛ00917.12.05. На защиту выкосятся следующие положения:

1. Рациональный способ разделывания речных раков;

2. Способ получения комплекса протеиназ и применения его для депротеинирова-ния ПСС из речных раков;

3. Рациональные режимы процессов: экстракции липидной фракции, деминерализа-

цш-идепротеннирования комплексом протеиназ и последующей щелочной обработки;

4, Способ утилизации жидких отходов, образующихся при производстве хитина;

5. Качественные показатели хитина и производных полученных из него.

Апробаиия работы. Основные результаты исследований обсуждены на 1-й, 11-й международной научно-практической конференции «Морские прибрежные экосистемы; водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки» (Москва - Голицыно, 2002г., Архангельск 2005г.); VI t-й международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Санкт-Петербург - Репино, 2003г.); Международной научной конференции «Инновации в науке и образований — 2003» (Калининград, 2003 г.); Всероссийской конференции молодых ученьгх «Комплексные исследования и переработка морских и пресноводных гцдробионтов» (Владивосток, 2003 г.); Научно-практической конференции «О приоритетных задачах рыбохозяйст-венной науки в развитии рыбной отрасли России до 2020 года» (Москва, 2004 г.), Международной научно-практической конференции. «Повышение эффективности использования водных биологических ресурсов Мирового океана)) (Москва, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 — статьи, 7 - материалов конференций, 1 - патент РФ,

. Объем и структура диссертации. - Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, шести глав, выводов, списка использованной литературы и 20 приложений. Работа изложена на 151 страницах основного текста, содержит 39 таблиц, 23 рисунка. Список литературы включает 126 наименований, в том числе 32 — зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава I. Обзор литературы; Приведены анализ сырьевых ресурсов рыбной промышленности, направляемых на производство хитина и хитозана, строение и свойства полимеров, а также существующие способы получения хитина и его производных. На основе результатов анализа литературных источников обоснована целесообразность использования ПСС из ракообразных Вол го-Каспийского региона для получения хитина и его производных. Намечены основные направления исследования по теме диссертации.

Глава 2. Объекты и методы исследований. Методика постановки экспериментов. Описаны объекты и основные методы исследований. Программно-целевая модель исследований представлена на рис. I.

Анализ к обобщение научной и научно-технической информации по теме

Состояние сырьевой Строение, свойства и уникальность Способ^ получения базы хитина хитина, его производных биополимеров

Обоснование раштональмото использования ракообразных Волто-Каспийскоп^ретиона лл» расширения сырьевой базы хитина

Г " Экспериментальные исследования 1

Изучение биологических _^ I ^__Установление выхода

особенностей и размерно- Выбор способов составных частей

массовых характеристик + | тела и изучение их

ракообразных Вол го-Каспия Термической Разделки вареных химического состава

. обработки раков I

1 ] I I

Обоснование способов заготовки паниирьсодежащего сырья (ПСС) из речных раков

Разработка технологии комплексной переработки ПСС из речных раков Волго-Каепи*

Изучение-Подбор способа и режимов Выбор способа Иг Денис

■ химическое 4 1 и режима качества

го состава Экстракции лниидов —* Деминерализации * депротеини- * хитина и его

• ПСС

.1 . I

-------щня отхож» |

I 1

роваиия прончводних Утилизация отходов

Проверка разработанной комплексной технологии переработки ПСС из речных раков в полупроизводсгвеиных условиях

Исследование качества хитина и Производных полученных из него Разработка н утверждение нормативных документов: ТН. ТУ

Определение экономической эффективности р заработанной комплексной технологии

в виде бизнес плана

Рис. 1. Программно-целевая модель исследований

' Объектами исследований были: речные раки, пресноводные креветки и их составные части, ПСС из речных раков, кормовая белковая добавка (КБД), хитин и его производные, желудки сома, комплекс протеиназ, жидкие отходы (кислые и щелочные), образующиеся при получении хитина из ПСС раков.

Отбор проб речных раков осуществляли на ООО «Володарский холодильник», в рыболовецких артелях «Дельта-плюс», <<Ишим»; пресноводных креветок —

на ООО «Рондо». Отбор про6 желудков сома проводили на ООО СРПК «Сардинный завод», ООО «Володарский холодильник». Отобранные образцы хранили: живые раки при температуре 1-5°С не более 14 суток; пресноводные креветки — минус ]3°С, 3 месяца; желудки сома - минус 18°С, 6 месяцев. Отбор средних проб дня физико-химических исследований ракообразных и подготовку их к анализам осуществляли в соответствии с ГОСТ 7631. Химические показатели — массовую долю воды, белка, минеральных веществ, жира определяли по ГОСТ 7636.

Отбор проб комплекса протеиназ осуществляли по ГОСТ 20264.0. Определение протеолитичсской активности комплекса протеиназ проводили по ГОСТ 20264.2.

Определение макро-, ми кроэлсм ентного состава КБД проводили на флуоресцентном рентгеноспектро метре RIYAKU КТХ-2000.

Качественный и количественный состав концентрата карагиноидов устанавливали методом тонкослойной хроматографии.

Степень деацетклирования хитозана определяли методом кондуктометрич ее кого титрования, молекулярную массу - кап ядерной вискозиметрией (Немцев, 1997). Содержание нерастворимых веществ в хитозане устанавливали по ТУ 15-16-14-93.

При статистической обработке результатов исследований и построения ipa-фических зависимостей использована стандартная программа MathCAD Professional 2001. Выбор рациональных условий протекания исследуемых процессов проводили путем статистической обработки данных (Ахназарова, Кафаров, 19S5).

Глава 3, Обоснованна рационального использования ракообразных Пол-го-Кас ли Некого региона. Переработка ракообразных Волго-Каслийского региона связана с рядом биологических и технохнмнческнх особенностей. При изучении биологических. особенностей (процесса линьки) выявлено, что химический состав панциря речных раков и креветок изменяется в зависимости от лкночиой стадии. При этом содержание хитина в панцире раков и креветок во время подготовки к линьке составляет 5,8 н 5,7%, после линьки 10,3 и 10,!% соответственно. Интерес в качестве сырья для получения хитина представляют сброшенные покровы речных раков и пресноводных креветок, содержащие около 6% хитина.

При исследовании технохимических особенностей определены размерно-массовые характеристики ракообразных. Для речных раков и креветок установлены четыре размерные группы: мелкие-длина 9—10 и 11—13 см, масса 25—и 20-30 г;

средние -10—12 и 13-15 см,40-65 и 30-40 г; крупные- 12-14 и 15-16 см , 65—105 и 40-60 г; отборные—более 14 и 16-17 см, более 105 и 60-80 г соответственно.

Опыты показали, что раков и креветок невозможно разделывать к сыром виде, так как мясо представляет собой студенистую массу и плохо отделяется от пакииря. Исходя из этого раков и креветок перед разделыванием подвергали бланшированию паром. Выход частей тела ракообразных при ручкой разделке и их химический состав приведены в табл. 1,2.

Таблица 1. Выход частей тела вареных речных раков и креветок

№ Наименование частей тела Выход, %

пресноводная креветка речной рак

1 мясо шейки 31,7±1,3 0,6*1,]

2 тонаяы, печень 7,В±0,4

3 карапакс, панцирь шейки 6,0±0,3 17,2*0,7

4 ножки 3,5*0,5 8,1*0.4

S клешни 1,5±0,5 19,4*1,5

6 головогрудь 44,0*1,2 31,1*2,2

7 потери при разделке 5,1*0,2 6,0±0,3

Общий выход ПСО, к которым относятся карапакс, панцирь шейки, ножки,

клешни и головогрудь, составляет для креветок 53-55%, для раков - 70-75%.

Таблица 2. Химический состав панцирьсодержалшх частей тела речных раков и креветок

Объект исследования Содержание, %

воды жира белка золы хитина

Речной рак (целый) 64,1-65,2 2,2-2,5 11,3-12,1 9,4-10,3 5,2-5,6

карапакс 59,7-60,3 0,3-0.4 8,5-9,3 12,5-13,2 8,3-4,9

панцирь шейки 50,8-53,1 0,3-0,4 7,4-8,2 13.4-14.1 9,2-9,5

ножкн 63,3-44,1 0,3-0,4 11.4-12,1 10,7-1 U 5,1-5.5

клешни 64,5-65,3 ОЛ-0,4 11,2-12,1 10,6-11,1 5,3-5,6

головогруль 70,4-71Д 0,8-1,4 12,3-13,0 7.3-8,1 3,4-3,7

Креветка (целая) 66,3-67,5 0,8-1,1 13,7-14 J 5,7-6,3 3,1-3,5

карапакс 60,5-61,2 0,2-0,3 9,5-10,2 8,О-в,8 9,0-10,1

панцирь шейки 61,3-62,2 " 0,2-0,3 9,3-10,1 8,4-9,1 8,9-9,8

ножкн и клешни 64.2-65.3 0,3-0,4 11.9-12.5 8,6-9, L 4,5-5,1

головогрудь 70,2-71,5 0,5-0,6 12,2-13,1 5,2-6,3 3,3-3,6

Установлено, что значительное количество белковых веществ в клешнях,

ножках и головогруди представлено мышечной тканью (табл. 2). Прямое направление этих частей тела на получение хитинавлечет за собой потерю ценного белка. Эксперименты по изысканию механического способа разделки клешней, ножек и головогруди были продолжены на речных раках.

Для отделения мышечного белка от панциря применяли два механических способа: протирание через сито с диаметром отверстий 0.8 мм (пресс-сепаратор) н гидросепарирование.' При гидросепарировании измельченные на волчке клешни,

ножки и головогрудь смешивали с водопроводной водой в соотношении 1:5-1:10, перемешивали и пропускали через гидросепаратор.

Для сравнения эффективности механических способов разделения мышечной ткани и панциря проводили ручную разделку этих частей тела раков рис. 2,

Рис, 2. Диаграмма выхода мышечной ткани раков при разных способах разделения.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что выход мышечной ткани после'гидросепарирования практически равен выходу, полученному при ручной разделке, в связи с чем является наиболее оптимальным (рис. 2).

При изучении химического состава выявлено, что содержание белка в мышечной ткани, выделенной гидросепарированием из клешней, ножек и головогруди составляет 13,1—13,5%; остаточное количество хитина — 0,9-1,1%.

Наличие частичек панциря (хитина) в мышечной ткани не позволяет использовать ее в пишевых целях. В связи с этим, предложено при разделывании вареного рака мясо шейки и крупных клешней извлекать ручным способом, а головогрудь с мелкими клешнями и ножками направлять на измельчение с последующим пшросепарированием. Общее количество ПСС составляет 35-37% от массы целого рака (рнс. 3). Мышечная ткань, отделенная от КП, была высушена при температуре 50-60СС. Выход сухого продукта составил 10-11% от массы вареных раков. Сухой продукт содержит 70,3-75,7% белка, 7,0-7,5% минеральных веществ и 3,2-3,5% хитина, а также значительное количество макроэлементов: фосфора — 2,8%, кальция — 3,4% и микроэлементов: железо 347 мг/кг, цинк 62,4 мг/кг, в связи с чем может бьпъ использован в качестве белковой добавки при производстве кормов.

□ ручной способ ■ протирание

□ гидросеп ари рование

Мышечная ткань Мышечная ткань Мышечная ткань

клешней

ножек

голово!руди

1 а 40 -|

р 3! -

ш и 30-

й-ж 25 -

20 ■

Я 15 ■

Е 10-

5 ■

0 -

о

3 О

V

Мышечная ткань

псс-кп

псс-кс

Рис. 3. Диаграмма выхода ПСС и мышечной ткани при разделке речных раков.

Результаты проведенных исследований позволили разработать модель технологической схемы заготовки ПСС при переработке речных раков (рис. 4).

Речные раки

'I

- Сортирование раков

Мойка раков Бланширование о 1

Охлаждение

Рис. 4. Технологическая схема заготовки ПСС при переработке речных раков

Из рис. 4 следует, что при заготовке ПСС из речных раков гонады, печень, мясо шейки и клешней могут быть направлены на производство пищевой продукции.

Глава 4. Разработка технологии переработки ПСС из речных раков, В связи с тем, что ПСС предназначается для получения биополимеров, которые находят применение в пищевой промышленности, были изучены показатели безопасности сырья и установлено его соответствие требованиям СанПиН 2.3.2.1074-01, '

Для выбора рационального способа переработки ПСС из речных раков устанавливалась очередность проведения процессов деминерализации и депротеинирования панциря с учетом содержания белка и минеральных веществ (табл. 3).

Таблица 3. Химический состав заготовленного ПСС из речных раков

Объект исследования Содержание, % к су к ому яешеству

белка минеральных ветеств ' липидов хитина

ПСС-КС ПСС-КП 21-23 29—31 32-34 ■ ■ ' 33-35 0,74-0,78 0,13-0,17 - 21-23 24-25

Выявлено, что в ПСС нз речных раков содержание минеральных веществ несколько выше (32-35%) чем белковых (21-31%), что указывает на необходимость проведения деминерализации перед депротеинированием. Вместе с тем, помимо белковых и минеральных веществ в панцире .речных раков содержится некоторое количество липидов, а состав которых входят каротнноиды. Каротиноиды, как красящие вещества, придают розовую окраску получаемому хитину, что снижает его качество. В тоже время, известно, что каротиноиды ракообразных относятся к функциональным пищевым ингредиентам (Лебская, 2000). С целью выделения кароти-ноидов ПСС из речных раков была использована экстракция липнцной фракции.

Выделение липидной фракции из ПСС-КС осуществляли методом трехкратной экстракции этиловым спиртом при температуре 60-70^ и соотношении сырья и растворителя 1:2-1:3. Экстракты были объединены и упарены под вакуумом при температуре 70°С. Полученную водно-липидную вьггяжку смешивали с гек-саном для отделения липидной части от водной. Гексан был удален упариванием под вакуумом при температуре 60°С, Выход липидной фракции составил 0,30,32% от массы влажного ПСС-КС. Выявлено, что извлеченная липидная фракция состоит из 10 компонентов: три-, диглицеридов, фосфолилндов, астаксантина и его эфира, астацина, кантаксантина, В-каротина и др. Количественное содержание астаксантина и его эфира в липидной фракции составляет 18—22%, в связи с чем она была названа концентратом каротиноидов.

Рациональные режимы процесса экстракции липидной фракции из ПСС-КС определяли статистической обработкой данных. Критерием оптимизации (У5) являлся выход лнпцдной фракции. Факторами, оказывающими существенное влияние на процесс экстракции, приняты температура (I,) и продолжительность (?,)•

Аппроксимация экспериментальных данных полнномной модели второго порядка позволила получить уравнение регрессии:

У, = - 0,963 + 0,0052 • 1, + 0,754 • т, - 0,112 -т/ (1)

Рациональными для протекания процесса экстракции липидной фракции из ПСС-КС являются: I, - 70°С, т,-3,4 ч (рис. 5).

Рис. 5. Поверхность функции отклика процесса экстракции липидной фракции из ПСС-КС

Обесцвеченное ПСС-КС было высушено для полного удаления спирта и использовано для получения хитина.

Сухое обесцвеченное ПСС-КС или влажное ПСС-КП после смешивания с водой в соотношении 1:8-1:10 и концентрированной соляной кислотой, вносимой отдельными порциями из расчета получения 1% рас-гтора, подвергалось деминерализации при температуре окружающей среды при постоянном перемешивании. Внесение соляной кислоты отдельными порциями позволяет предотвратить вспенивание массы.

Остаточное количество минеральных веществ после деминерализации составило от 2 до 3,2% (на сухое вещество) в зависимости от размеров частиц, что превышает допустимое значение для качественного хитина (рис. 6). По-видимому, некоторое количество минеральных веществ остается в недоступных слоях ПСС, и для их удаления требуется повторная обработка раствором соляной кислоты.

Продолжительность деминерализации, мин

Рис. 6. Зависимость остаточного количества минеральных '" 25веществ и степень демииерали-

■ - 20 ж »

я § зашш от размера частиц ПСС 2, _ |0| и (1,2 степень деминерализации;

1 *, 1* содержание минеральных веществ):

1, ] * - размер частиц 0,5-2 мм; 2,2* - размер частиц 4-5 мм

При статистической обработке результатов экспериментов процесса деминерализации ПСС критерием оптимизации (У„) была степень деминерализации. Факторами, оказывающими влияние на процесс, приняты: концентрация HCl (с„Х продолжительность (тм). При этом получено следующее уравнение регрессии: Ум=~ 189,918+ 125,482 - с„ +40,048-тм-15,888-сиг- 10,896 ти2 (2)

Рациональные режимы протекания процесса деминерализации ПСС соответствуют: см - 4%, т„ - 1,8 ч (рис. 7). У», %

Рис. 7. Поверхность функции отклика процесса деминерализации

Для последующего депротеинирования ПСС использованы химические реагенты (НагСОз, ЫаОН) и комплекс протеиназ, выделенный из внутренностей хищных рыб (желудков сома).

Эксперименты по химическим способам депротеинирования ПСС из речных раков показали, что однократной обработки раствором карбоната или гидроксида натрия не достаточно для получения хитина с низким содержанием белковых веществ (менее 1%). Таким образом, при получении хитина из ПСС речных раков

традиционным химическим способом было бы необходимо проводить последовательно двукратную деминерализацию и двукратное депротеинирование,

В связи с этим дальнейшие исследования были проведены в направлении снижения агрессивности полученной технологии, посредством применения для депратеинирования протеолитических ферментов (комплекса протеиназ), извлеченных из желудков сома.

Комплекс протеиназ был получен методом гидролиза желудков сома с добавлением 50% воды и консерванта 10% ЫаС1 или 2,5% концентрированной соляной кислоты 07,массы измельченных желудков. Гидролиз осуществлялся при температуре 40±2°С продолжительностью 4-5 ч. Полученный с использованием 2,5% НС!^ комплекс протеиназ имел протеолитическую активность 3,2 ед/г и его выход составил 70-75% от общей массы, взятой на гидролиз. При.использовании в качестве консерванта №С1 выход снижался до 40-45% при протеолитической активности 1,9 ед/г.

Ферментативное депротеинирование деминерализованного ПСС с использованием комплекса протеиназ было проведено в соотношении 1:4, при температуре 40°С, продолжительности 72 ч, в слабощелочной (рН 8-9), кислой (рН 2-2,5) и среянекислой (рН 5) средах (рис, 8).

Рис. 8. Зависимость сте-

1 пени депротеннирования

от рН среды и наличия в ней хлорида натрия.

3-рН 8-9, 10%N301; 4 - рН 2-2,5;

1 - рН 2-2,5, 10% ЫаС1;

2 — рН 5, 10% ЫаС1;

.

0 6 12 18 24 30 36 12 48 54 60 66 72

Продолжительность депротеннирования, ч

5 — рН 5

Характер кривой 4, по сравнению с другими кривыми, указывает на 1*0, что комплекс протеиназ проявляет наибольшую активность при рН 2-2,5. Степень депротеннирования через 48 ч достигает 74—75%, при этом остаточное содержание

белка составляет 6-8%. Некоторое снижение степени депротеинирования в случае использования комплекса протеиназ при рН 2-2,5, полученного с внесением ЫаС1 (кривые 2,3), по-видимому, объясняется его денатурирующим действием.

Ферментативное депротекнирогание в кислой среде (рН 2-2,5) способствовало снижению содержания остаточного количества минеральных веществ в хитине до 0,3-0,4%, что позволило исключить повторную деминерализацию.

Рациональная концентрация комплекса протеиназ устанавливалась принятием концентрации исходного комплекса протеиназ равной 1 (100%), с последующим разбавлением его водой. В ПСС-КС и ПСС-КП комплекс протеиназ вносили в соотношении 1.4. Ферментативное депротеинирование осуществлялся при температуре 40°С и продолжительности 72 ч. На рис. 9 приведена зависимость степени депротеинирования от концентрации комплекса протеиназ.

Выявлено, что концентрация комплекса протеиназ 0,3-0,35 является оглги-мальной для депротеинирования ПСС-КС. Для удаления белковых веществ из ПСС-КП необходима концентрация комплекса протеиназ в 1,5 выше (0,45-0,5), по сравнению с дозой для ПСС-КС. Такая разница в дозировке комплекса протеиназ, по-видимому, связана с высоким содержанием белковых веществ в ПСС-КП.

На рис. 10 приведено влияние температуры ферментативного гидролиза белков панциря на степень депротеинирования.

Выявлено, что повышение температуры депротеинирования от 30 до 50°С увеличивает скорость ферментативной реакции в первые 30-36 ч (70-72%), В процессе

0,1 ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Концентрация комплекса протеиназ, масс, доли

депротеинирования от концентрации комплекса про-

Рис. 9. Зависимость степени

теиназ:

I - ПСС-КС; 2-ПСС-КП.

проведения ферментативного депрогтеииирования при 60°С степень щаролиза белковых веществ панциря по истечению 54 ч составила 62%. Снижение степени де-протеинирования ПСС, по-видимому, связано с частичной денатурацией протеиназ в результате увеличения температуры ферментативной обработки до 60°С.

Рис, 10. Влияние температуры ферментативного гидролиза белковых веществ панциря на степень депротемни-рования.

1 -30ЭС; 2 -40°С; 3~50°С; 4 — 60°С.

1-1-1-Г"

,0 .6 . 12 18 24 3 0 36 4 2 48 54 60 Продолжительность депрстеинирования, ч

По данным Гамзазаде А.И. протеолитическне ферменты гндролизуют в основном мышечный белок и практически не затрагивают структурный белок, находящийся в малодоступных для ферментов межцепных слоях панциря (Гамзазаде, 2002). С учетом этого для удаления структурных белков панциря раков была осуществлена щелочная обработка (доочистка) хитина после ферментативного д епротеин ирования.

Рациональные режимы процесса ферментативного депротеннирования определяли статистической обработкой данных. При проведении экспериментов выявлено, что степень депротеинирования ПСС (У#) зависит от концентрации комплекса протеиназ (с«), кислотности среды (рН„), температуры депротеин ирования На), продолжительности (тд).

Уравнение регрессии, полученное расчетным методом, имеет следующий вид: УВ=22,562+129,89 • с,+21,766 • рН,+0,1112 • тд-177,7 ■ ся2-5,103 • рНлг (3) Анализ поверхности отклика функции (У,) показал, что рациональными для протекания процесса ферментативного депротеинкровакня ПСС из речных раков являются: сд~ 035; 1а-40°С; рНд-2,1; г, -48 ч (рис. 11).

Щелочная доочистка хитина осуществлена 1-3%-ным раствором гидроксила натрия в соотношении 1:6 при температуре 90-95 еС и продолжительности 1,5—2 ч.

Установлено, что проведение процесса щелочной доочистки позволяет снизить содержание белковых веществ в хитине до уровня менее 1%. Полученный хитин после щелочной доочистки промывали до pH 7 и высушивали при температуре <50°С. Выход хитина составил 8—9% от, массы влажного ПСС.

Определение рациональных режимов процесса шелочной доочистки хитина осуществляли посредством статистической обработки данных. Опыты показали, что на остаточное количество белка в хитине (У6) оказывают влияние: концентрация раствора щелочи (с6), температура (%), продолжительность (te). Расчетным путем получено следующее уравнение регрессии: Уе= 146,347-3,69 • се-2,838 • te-3,168 • тв+0,816 - с63+0,0145 • 1б2+0,792 ■ ч2 (4) При изучении поверхности отклика функции (Уе) выявлено, что рациональными условиями для протекания процесса щелочной доочистки хитина из ПСС речных раков являются: с6 - 2,3%, ta - 95°С, т4~ 2 ч (рис. 12).

Рис. 11. Поверхность функции отклика про- Рис. 12. Поверхность функции отк-цссса ферментативного яепротсинирования лика процесса щелочной доочистки

Хитин, полученный из двух видов ПСС, имеет белый цвет при содержании воды 7,8-8,0%, белковых веществ 0,4-0,8% и минеральным — 0,3—0,4%.

По показателям безопасности:, со держанию токсичных элементов, пестицидов, количеству МАФАнМ и наличию патогенной микрофлоры хитин из ПСС речных раков соответствует требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01.

На Х1гпше, содержащем белка менее 1% и минеральных веществ менее 0,5%, был апробирован традиционный способ получения хнтозана. Хитин подвергали деацетмлированию 50%-ным раствором щелочи в соотношении 1:6 — 1:10, при

■> , ■ ... ■ ■ 19

температуре 95-98°С продолжительности 2 ч^ Полученный хитозан был промьп водой в соотношении 1:10 до рН 7,0 и высушен при температуре 55-60°С. В табл. 4 приведены качественные характеристики полученного хитозана.

Таблица 4, Качественные характеристики хитозана ш хитина полученного разными способами

Характеристики Способ получения хитина

К ислолю-щелочной Разработанный

от сухого хитина мэ сукого хитина из влажного \тина

Молекулярная масса, кДа 380 520 630

Степень деанетилнрования, % 79 79 82-83

Характеристическая вязкость (г]], дл/г 10,9 14.9 18,1

Содержание^ %

воды 8.8 9,1 8,7

минеральных веществ 0,1 0,2 0.2

нерастворимых веществ 0.3 0,4 0.3

Выход хитозана составил 84-87% от массы сухого хитина. Установлено, что

хитозан из хитина, полученного по разработанной технологии, имеет более высокие значения молекулярной массы, степени деанетилнрования, характеристической вязкости, по сравнению с хитозаном из хитина, полученного кислотно-щелочным способом (табл. 4).

Таким образом, разработанная технология переработки ПСС из речных раков с ■ использованием для депротеинирования комплекса протеиназ при рН 2 способствует сохранению нативных свойств хитина и как следствие его производного - хитозана.

В процессе производства хитина образуются твердые и жидкие отходы. Твердые отходы представляет собой негидролизованный остаток, образующийся при получении комплекса протеиназ. К жидким отходам относятся: кислый раствор после деминерализации; ферментативный гидролизат после депротеинирования; щелочной раствор после доочистки гидроксидом натрия. Характеристика твердых и жидких отходов приведена в табл. 5.

Таблица 5. Характеристика твердых и жидких отходов

Объект исследования рИ Содержание, %

воды золы белка жира

Негидролизованный остэток 5,5-6 83,4-84 0,7-0.8 13,1-13,8 0,9-1.0

Кислый раствор 3-3.5 97-97,5 2,5-2,9 0,6-0,7 0,03

**рмеитативмый гндролшат 2,5-3 90-91 0.3-0,35 8-8.5 0,6-0,7

ЩелочноЯ раствор 14 97-98 0.5-0.6 0,8-0,9 0.05

Негадролнзованный остаток предлагается использовать в кормовых целях по

аналогии с ранее проведенными исследованиями (Цибизова, 2002).

Для утилизации жидких отходов рекомендован способ безреагентной нейтрализации, путем смешивания стоков, имеющих низкие значения рН (2,5—3,5) с щелочным раствором (рН 14). При этом нейтрализацию кислого раствора после деминерализации рекомендуется осуществлять отдельно от ферментативного гид-ролизата, вследствие значительного различия их химических составов.

При . смешивании кислого раствора после деминерализации с щелочным до рН 7 выпадает осадок гидрокснда кальция (выход 6-7% к массе исходного ПСС), который имеет техническое применение.

Ферментативный гидролизат, нейтрализованный щелочным раствором до рН б, был подвергнут термокоагуляции посредством нагрева до Ю0°С и выдержкой при указанной температуре в течение 5 мин. Выпавший осадок белка был отфильтрован и высушен. Выход сухого осадка составил 2,6% от массы исходного ПСС при содержании белка 72,1-72,4%, минеральных веществ - 15,9-16,4%, что

указывает на возможность использования его в кормовых целях,

*

Проведением опытов установлено, что ферментативный гидролизат после отделения выпавшего осадка белка может быть использован в микробиологических целях. На микробиологической среде, изготовленной на основе очищенного гидролизата, выявлен одинаковый рост микроорганизмов по сравнению с их ростом на стандартной среде.

На основании проведенных экспериментов разработана модель технологической схемы комплексной переработки ПСС из речных раков (рис. 13),

В главах 5, б опнсаны результаты полу производственньи испытаний и приведена экономическая эффективность разработанной технологии. Проверка разработанных технологических схем заготовки ПСС и его комплексной переработки осуществлена на 80 кг живых раков. На основании результатов полупроизводственных опытов разработаны н утверждены пакет НД (ТИ, ТУ), «Нормы отходов, потерь', выхода и коэффициент расхода сырья при производстве продукции из речных раков».

Расчет основных финансово-экономических показателей производства по переработке речных раков показал возможность получения прибыли 934,4 тыс. руб. при рентабельности продукции 15,3%.

ПСС-КП (концентрат панциря)

псс

Размораживание

I

П СО-КС (карапакс, паниирь шейки и клешней)

Экстракция -

лилидной фракции

Удаление остатка спирта

Экстракт -Регенерация спирта

В одно-лшшдная вытяжка 1

Смешивание с гексаном

Дешшерал изация

Кислый раствор, рН 3

Дспротеинироваиие Ферментативный комплексом протеиназ гидролиз ат рН 3

Промывка водой до рН 7

Щелочная доочиегка-

Щелочной раствор, рН 14

I

Разделение фаз Регенерация гексана

Концентрат каротнноидов,

Промывка водой до рН 7 Сушка

X

Упаковывание Маркирование Хранение

I

Бсэреагентная нейтрализация

Термокоагулящи

Фильтрование (центрифугирование)

£ Беэреагеншая

нейтрализация

I

Фильтрование (центрифугирование)

Ш

Гилрокенд. кальция

II ( Хитин

Основа

микробиологических сред

IV

1

Осадок Измельчение

I

Кормовой белок

Рис. 13. Модель технологической схемы . комплексной переработки ПСС из речных раков

22 Выводы

1. Разработана технология комплексной переработки ПСС из речных раков Вол го-Каспийского региона, позволяющая получить хитин, кормовую белковую добавку, концентрат каротиноидов и предусматривающая утилизацию жидких отходов, образующихся при производстве хитина, .

2. Изучены биологические особенности процесса линька и технохимнческая характеристика ракообразных Волго-Каспийского региона. При этом выявлена возможность использования панцирей, сброшенных в процессе линьки, в качестве сырья для получения хитина и установлено, что общий выход ПСО при разделке ракообразных составляет от 53 до 75%.

3. Обоснован комбинированный способ разделывания речных раков после бланширования, включающий отделение пищевой части (мяса шейки, гонад, печени) огг ПСО; карапакса, панциря шейки и головогруди с конечностями. При

этом головогрудь с конечностями подвергали механической обработке для разде-

*

ления ПСС—КП н мышечной ткани.

4. Установлено, что высушенная мышечная ткань представляет собой кормовой продукт с содержанием белка 70,3-75,7%, минеральных веществ 7,0-7,5%, хитина 3,2-3,5%.

5. Выявлено, что ПСС из речных раков содержит минеральных веществ больше (32-35%), чем белковых (21-31%), что вызывает необходимость на первом этапе получения хитина проводить процесс деминерализации.

6. Разработан способ экстракции липидной фракции из ПСС-КС этиловым спиртом для получения побочного продукта в виде концентрата каротиноидов. Установлены рациональные режимы процесса экстракции липидной фракции: соотношение ПСС-КС и спирта- 1:2, температура—70°С, продолжительность-3,4 ч.

7. Подтверждена целесообразность проведения ступенчатого процесса деминерализации ПСС. Установлены рациональные режимы процесса: концентрация соляной кислоты-4%, продолжительность- 1,8 ч.

8. Выявлено, что для получения хитина с низким содержанием белка (не более 1%) с применением традиционного химического способа депротеинирования необ-

холимо осуществлять двукратную щелочную обработку, приводящую к ухудшению экологического состояния производства.

9. Доказано, что депротеинирование комплексом протеиназ, полученным из желудков сома, при рН 2-2,5, температуре - 40°С в течение 48 ч обеспечивает выделение из ПСС речных раков до 75% белковых, снижает уровень минеральных веществ до 0,3-0,4%, что исключает необходимость второй стадии деминерализации.

10. Показано, что обработка ПСС комплексом протеиназ с последующей щелочной доочисткой способствует получению хитина с содержанием белка менее 1%. Установлены рациональные режимы процесса щелочной доочистки хитина: концентрация раствора гидроксида натрия - 2,3%, температура - 95°С, продолжительность -2ч,

11. Выявлено, что хитозан, полученный из хитина речных раков, характеризуется молекулярной массой 630 кДа и СДА 82-83%.

12. Предложен способ безреагентной утилизации жидких отходов, образующихся при производстве хитина из ПСС речных раков посредством нейтрализации кислых растворов после деминерализации и депротеинирования щелочным раствором после доочистки, позволяющий получить дополнительно побочные продукты: технический гидроксид кальция, кормовой белок и гидролизат в качестве основы микробиологических сред.

13. Дана оценка экономической эффективности технологии переработки речных раков в форме бизнес-плана, свидетельствующего, что прибыль от реализации продукции в ценах 2005 г. составит 934,4 тыс. руб, при рентабельности 15,3%.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы:

Статьи:

1. Mukaiova M.D„ Uteuchev R.R. Possibilities of complex processing of crayfish in the Volgo-Caspian basin //Наука и технология: Международный сборник научных трудов / Ассоциация университетов Прикаспийских государств. — Атырау: 2002. Вып. 1.4.1.-С. 170-173.

2. Мукатова М.Д., Утеушев P.P. Размерно-массовые характеристики ракообразных Волго-каспийского региона и пути их рационального использования. Вестник АГТУ,-Астрахань: АГТУ,(2)2004.~С. 102-108.

3. Утеушев P.P. Перспективы применения глубокой разделки при переработке речных раков. Вестник АГТУ, — Астрахань: АГТУ (3) 2005. — С. 167-172.

4. Утеушев PJ*,, Мукатова МД. Хитин из панцирьсодержащих отходов речных раков Волго-Касгшйского региона. Рыбная промышленность № 1,-2006.-С. 16-18.

Материалы конференций:

5. Мукатова МЛ., Богатырев С.С„ Утеушев P.P., Лебедев A.A. Запасы, воспроизводство и переработка ракообразных Вол го-Каспийского региона. Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и Продукты их переработки. Материалы Первой Международной научно-практической конференции. — М.: ВНИРО,2002.-С. 142-150.

6. Мукатова MJU Утеушев P.P. Изучение процесса линьки ракообразных Волго-Каспмйского региона. Материалы седьмой международной конференции «Современ-ньге перспективы в исследовании хитина и хтозана». - М.: ВНИГО, 2003. - С. 33-36.

7. Утеушев P.P., Мукатова МД. Рациональная технология переработки панцирь-содержащих отходов речных раков. Сборник докладов второй всероссийской научно-технической конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства дляих реализации». - M.l В ГУ ПП, Часть 1,2004,—С 66-71.

8. Утеушев P.P. Инновационный проект переработки ракообразных Волго-Каспийского решона. Материалы международной научно-практической конференции. «Повышение эффективности использования водных биологических ресурсов Мирового океана». - М.: ВНИРО, -2005--С. 158-159,

9. Мукатова МД., Утеушев P.P., Киричко H.A., Привезениев A.B. Биологически активные вещества из каспийской зоегтеры и панциря речного рака. Материалы второй международной научно-практической конференции. «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвонрчные и продукты их переработки». — М-: ВНИРО, -2005.-С. 205-207.

10. Мукатова МД., Утеушев P.P., Киричко H.A., Привезенцев A.B. Технохи-мическая и санитарно-гигиеническая характеристика нерыбных объектов Каспия. Материалы второй международной научно-практической конференции. «Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки». - М.-. ВНИРО, - 2005. - С. 323-325.

11. Утеушев P.P. Инновационный проект переработки ракообразных Волго-Каслнйского региона. Материалы международной научно-практической конференции. «Повышение эффективности использования водных биологических ресурсов Мирового океана». - М.: ВНИРО,-2005.-С. 158-159-

Патпгты:

12. Мукатова МД., Утеушев P.P. Способ получения хитина. Пат. № 2269913. Опубликован 20.022006.- Бгол. № 5.

Условные обозначения ПСО - панцирьсодержащие отходы ПСС — паицирьсодержащее сырье КБД — кормовая белковая добавка

ПСС—КС - паицирьсодержащее сырье (карапакс, панцирь шейки и клешней)

ПСС-КП - паицирьсодержащее сырье (концентрат панциря)

У, - выход лилидной фракции

I, - температура экстракции

т, - продолжительность экстракции

У м — степень деминерализации ПСС

с„ — концентрация соляной кислоты

т„ — продолжительность деминерализации

Уд - степень депротеннирования ПСС

с6 — концентрация комплекса протеиназ

рНд — кислотность среды при депротеннированин

Тд-температуры депротеннирования ПСС

тв - продолжительность депротеннирования

Уе - остаточное количество белка в хитине

Се - концентрация раствора щелочи

- температура щелочной доочистки Те - продолжительность щелочной доочистки

»

Типография АГТУ Заказ 350 Тираж 100 экз. 28.04.06 г.