Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений эффективного использования водных биологических ресурсов (ВБР), определяемых в Концепции развития рыбного хозяйства Российской Федерации на период до 2020 г., является обеспечение глубокой и комплексной переработки сырья на базе научно обоснованных ресурсосберегающих технологий переработки ВБР, в том числе беспозвоночных. В мировом промысле нерыбных объектов ракообразные составляют около трети от общего вылова беспозвоночных. Доминирующее положение среди ракообразных занимают креветки, при переработке которых на пищевую продукцию образуется значительное (от 40 до 60 %) количество панцирьсодержащих отходов (ПСО).
Липиды ракообразных по сравнению с другими ВБР обладают почти на порядок большей эффективностью в лечении и предотвращении ишемической болезни, атеросклороза и пр. [Bunea et al., 2004; Ferramosca et al., 2012]. Рядом отечественных и зарубежных исследователей обнаружены в ракообразных биологически активные вещества – БАВ (в том числе липиды и каротиноиды), проявляющие широкий спектр биологической активности [Бахолдина, Кривич, 1981; Вендт и др., 1981; КаСАикина, Лобанова, 1981; Ржавская, Макарова, 1989; Cantrell et al., 2003; Chew, Park, 2004; Konishi et al., 2006; McNulty et al., 2008]. Известны технологии, обеспечивающие экстракцию липидно-каротиноидных комплексов (ЛКК) из ПСО ракообразных растительными маслами и органическими растворителями (Быков и др., 2001; Chen et al., 1982; Armenta-Lopez et al., 1983; Chen et al., 1983; Аrmenta-Lopez et al., 2002; Sachindra et al., 2005; Holanda et al., 2006; Sachindra et al., 2006]. Однако эти способы обладают рядом недостатков, препятствующих их широкому промышленному освоению.
Более экономичным и экологически безопасным способом выделения как липидов, так и каротиноидов из сырья растительного и животного происхождения является экстракция с использованием сверхкритического углекислого газа в качестве растворителя (СК-СО2 – экстракция) [Yamaguchi et al., 1986; Temelli et al., 1995; Borch-Jensen, Mollerup, 1997; Dunford et al., 1998].
Вместе с тем данные относительно СК-СО2 – экстракции ЛКК из ракообразных носят отрывочный характер и недостаточны для обоснования технологического процесса выделения этого продукта из ПСО ракообразных.
Таким образом, актуально проведение дальнейших работ по проблеме использования ПСО ракообразных в качестве сырья для получения ЛКК способом сверхкритической углекислотной экстракции (СК-СО2 – экстракции). Это позволит не только расширить сырьевую базу БАД на их основе, но и разработать более эргономичную и экологичную технологию по сравнению с традиционными. Исследования по изучаемой теме проводились в рамках федеральной целевой программы «Научное обеспечение новых технологий глубокой переработки водных биологических ресурсов» (Госконтракт № 5-04/09 «Разработка инновационной технологии сверхкритической углекислотной экстракции биологически активных веществ из панцирьсодержащих отходов, в т.ч., антарктического криля»).
Цель исследования. Целью исследования явилось повышение эффективности использования панцирьсодержащих отходов ракообразных путем научно обоснованной разработки технологии их подготовки и сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидных комплексов с высокими показателями качества и биологической активности.
Задачи исследования:
- исследовать фракционный и жирнокислотный состав липидов ПСО северной розовой креветки и определить степень их гидролитической и окислительной порчи в целях оценки ПСО как сырья для производства ЛКК;
- научно обосновать выбор способа обезвоживания ПСО креветки с целью обеспечения высоких показателей качества извлекаемых ЛКК и астаксантина и изучить влияние степени измельчения ПСО креветки на выход ЛКК и астаксантина при СК-СО2 – экстракции;
- исследовать особенности СК-СО2 – экстракции ЛКК из ПСО креветки в зависимости от термодинамических параметров и присутствия этилового спирта;
- разработать технические условия и технологическую инструкцию на процесс получения ЛКК из ПСО креветки способом СК-СО2 – экстракции;
- дать оценку пищевой ценности ЛКК, извлеченных СК-СО2 – экстракцией из ПСО креветки, и разработать рекомендации по их использованию;
-произвести расчет экономической эффективности от внедрения разработанной технологии.
Научная новизна работы. Впервые научно обосновано использование панцирьсодержащих отходов ракообразных для получения липидно-каротиноидных комплексов с высокими показателями качества и пищевой ценности по технологии сверхкритической углекислотной экстракции, включающей предварительное обезвоживание сырья при низких параметрах вакуума и температуры.
При значениях равновесной влажности сухих ПСО выход ЛКК из продукта, полученного при вакуумной сушке, в зависимости от продолжительности экстракции в 1,5-2,0 раза превышал количество экстракта, полученного из ПСО, подвергнутых конвекционной сушке.
Определена рациональная степень предварительного измельчения ПСО креветки, обеспечивающая наибольший выход астаксантина при размере частиц 0,3 – 0,5 мм, в то время как выход ЛКК практически не зависит от размера частиц сухих отходов в пределах 0,3 – 4,0 мм.
Установлено влияние термодинамических параметров СК-СО2 и содержания в нем этилового спирта (в дозировках от 5 до 20 %) на эффективность извлечения ЛКК, а также определена минимальная концентрация данного сорастворителя позволяющая значительно увеличить выход и повысить пищевую ценность получаемого экстракта БАВ.
Установлена наибольшая степень извлечения (до 85 – 90 %) ЛКК и астаксантина на этапе, соответствующем линейной зависимости их выхода от продолжительности процесса. Определено влияние расхода растворителя на кинетику СК-СО2 – экстракции ЛКК и астаксантина из ПСО креветки.
Практическая значимость работы и реализация результатов. По результатам проведенных исследований разработаны и утверждены Технические условия ТУ 9281-220-00472093-2012 «Экстракт липидно-каротиноидного комплекса креветки» и Технологическая инструкция ТИ 9281-220-00472093-2012 «Изготовление экстракта липидно-каротиноидного комплекса креветки».
Показана возможность комплексной переработки ПСО ракообразных с использованием СК-СО2 – экстракции, позволяющая наряду с получением ЛКК приготавливать из оставшегося обезжиренного продукта пищевую белково-минерально-хитиновую добавку в одном технологическом процессе. Рассчитана себестоимость продукции, изготовленной в соответствии с разработанной технологией. Изготовлена экспериментальная партия продукции в ООО «ГОРО-Инжениринг» в г. Ростов на Дону.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Научно обоснованная разработка технологии подготовки панцирьсодержащих отходов и сверхкритической углекислотной экстракции из них липидно-каротиноидных комплексов.
2. Преимущества использования способа сушки ПСО креветки под низким вакуумом по сравнению с конвекционным и их измельчения до размера 0,3 – 0,5 мм, обеспечивающего наибольший выход СК-СО2 – экстрагируемого астаксантина.
3. Термодинамические параметры СК-СО2 – экстракции и рациональная концентрация этанола в качестве сорастворителя, способствующие значительному увеличению выхода липидно-каротиноидных комплексов (ЛКК), а также содержания в них омега-3 жирных кислот и астаксантина.
4. Рекомендации по использованию СК-СО2 – экстракции для получения ЛКК и хитин-белково-минеральных добавок пищевого назначения в одном технологическом процессе переработки ПСО ракообразных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на VШ-ой Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2010» (Калининград, 2010); VII-ом международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011); IХ-ой Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2011» (Калининград, 2011); II-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых «Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса» (Москва, 2011); VШ-ой Международной научно-практической конференции «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество» (Калининград, 2011).
Полученный по разработанной технологии экстракт липидно-каротиноидного комплекса был отмечен дипломом победителя смотра-конкурса «Современный рыбный продукт» на II-ой Международной рыбохозяйственной выставке INTERFISH (Москва, 2010).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 – в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России, и подана заявка на получение патента «Способ получения липидно-каротиноидных комплексов» регистрационный № 2012118961.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, включающих обзор литературы, методическую часть (объекты, материалы и методики постановки экспериментов, методы исследования), экспериментальную часть, расчет экономической эффективности внедрения новой технологии, выводов и списка литературы. Работа изложена на 163 страницах, содержит 30 таблиц, 24 рисунка и 5 приложений.
