Russian Federation
In modern economic conditions, it is proposed to solve the issue of reducing the cost of production of the fisheries complex by modernizing the technological process, including the introduction of methods for the deep processing of secondary fish raw materials (SFM). Connective tissue waste, which should be processed for food purposes, contains valuable proteins. These proteins, when extracted by enzymatic hydrolysis, are of interest due to their biotechnological orientation and antioxidant properties. The technological parameters of obtaining a protein additive based on collagen-containing SFM hydrolysate have been studied, which, due to the introduction of a structure-forming agent, becomes dense and resistant to heat, and therefore it can be used in the technology of molded fish products. The effect of the duration of the stage of exposure of a mixture of hydrolysate from carp SFM with a structurizer for 23 hours, as well as the mass fraction of the structurizer from 1 to 7% on the rheological properties of a protein additive, was studied. It was determined that when at least 2% of the structure-forming agent is applied, the consistency becomes dense. It was revealed that with an increase in the mass fraction of the structurizer and an increase in the duration of holding, the strength properties of the additive increase. The nature of the changes in the considered indicators among themselves is determined. Thus, changes in the normalized strength values with a structure-forming content of 4% or more in the first 5 hours of exposure are described by a cubic function, and then linearly. At the time of exposure for 23 hours, the dependence of the mass fraction of the structurizer and strength is linear. A complete model of the dependence of the considered technological parameters has been obtained, which makes it possible to optimize the production process of a protein supplement and potentially expand the product range with its introduction due to the predicted rheological properties.
collagen hydrolyzate, protein additive, structured additive, deep processing, common carp
Введение
Рыбная продукция является важным элементом продовольственной безопасности России, обеспечивающим население высокоценными белками. Однако заметный рост цен на рыбное сырье и продукцию из него негативно отражается на объемах его потребления [1]. При этом основную массу производства составляет рыбная продукция с низкой степенью переработки, что говорит о невысоком технологическом уровне предприятий [1], из чего следует актуальность вопроса модернизации технологического процесса, в том числе для эффективного использования вторичного сырья, что должно положительно отразиться на качестве и доступности рыбной пищевой продукции [2].
К числу вторичного рыбного сырья разделки рыб относят головы, кости, плавники, чешую, кожу, являющиеся источником соединительнотканного белка. Так, костное сырье карпа обыкновенного содержит 17,6 % белка [3]. Применяя методы глубокой переработки, например ферментативный гидролиз, данный белок можно извлечь в виде биоактивных пептидов, имеющих широкий спектр использования, в том числе в пищевой промышленности [4]. Полученный в ходе гидролиза рыбного сырья раствор (гидролизат) при комнатной температуре
не формирует гель и в таком виде малопригоден в пищевых целях [5], поэтому в дальнейшем необходимо его высушивание или структурирование.
Ранее в исследованиях была отмечена перспектива получения белковой добавки плотной структуры для рыбных изделий, получаемой при смешивании жидкого гидролизата вторичного рыбного сырья со структурообразователем [6]. Данная смесь при холодильном хранении (выдержке) образует плотную белковую добавку, которую можно использовать в составе рыбных изделий в качестве равномерно распределенных кусочков, которые частично заменяют собой мышечную ткань, а также могут выступать в качестве замены жировым компонентам (шпику). Белковая добавка устойчива к воздействию высоких температур, отчего может применяться в продукции, предусматривающей тепловое доведение до кулинарной готовности. Однако в исследованиях не затронут вопрос влияния продолжительности выдержки добавки на ее характеристики. Данный вопрос является актуальным, поскольку увеличение выдержки способствует улучшению прочности и консистенции добавки. На основании полученных данных возможен подбор необходимого режима выдержки при известной массовой доле структурообразователя, что особенно важно при использовании белковой добавки в условиях, требующих заданных характеристик сырья для получения формованных изделий с оптимальными реологическими свойствами.
Целью настоящей работы является оптимизация технологических параметров получения белковой добавки из продуктов гидролиза коллагенсодержащего рыбного сырья.
Для достижения цели поставлен ряд задач:
– получить опытные образцы белковой добавки на основе гидролизата рыбного коллагена с различным содержанием структурообразователя;
– исследовать прочностные свойства образцов белковой добавки при различной продолжительности выдержки;
– изучить влияние массовой доли структурообразователя и продолжительности выдержки образцов на прочностные характеристики белковой добавки, разработать математическую модель.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являются образцы белковой добавки, полученные при соединении гидролизата коллагена и структурообразователя КФ СТАБИПРО ФЭТ (комплексная пищевая добавка, состоящая из альгината натрия (Е401), сульфата кальция (Е516) и пирофосфатов (Е450III)). Гидролизат коллагена получали из голов и костных хребтов карпа обыкновенного (Cyprinus carpio) путем их измельчения, добавления к ним равного количества воды; предварительного нагрева данной смеси; последующего гидролиза при температурном оптимуме действия ферментного препарата «Энзи-микс У» (40 °C), за которым следовала инактивация препарата при 75 °C; фильтрация гидролизата от минеральных остатков; хранение гидролизата в замороженном (–18 °C) виде [6]. Полученный гидролизат хранили в течение 14 суток, после чего дефростировали при комнатной температуре и непосредственно использовали. В таком виде гидролизат равномерно перемешивался со структурообразователем КФ СТАБИПРО ФЭТ, после чего направлялся на выдержку при 0–4 °C. Рецептурный состав образцов белковой добавки представлен в табл. 1.
Таблица 1
Table 1
Рецептурный состав образцов белковой добавки
Recipe composition of protein supplement samples
|
№ образца |
Компоненты, % |
|
|
Гидролизат коллагена |
Структурообразователь |
|
|
1 |
99 |
1 |
|
2 |
98 |
2 |
|
3 |
97 |
3 |
|
4 |
96 |
4 |
|
5 |
95 |
5 |
|
6 |
94 |
6 |
|
7 |
93 |
7 |
В полученных образцах определяли реологические свойства (прочность) студня на приборе «Валента» по методике ГОСТ 26185-84 «Водоросли морские, травы морские и продукты их переработки. Методы анализа» (п. п. 4.4.2), основанной на определении массы нагрузки, необходимой для прорыва структуры исследуемого образца. Данный показатель измерялся в образцах после их выдержки 0,5; 1,0; 1,5; 3,0; 6,0; 17,0; 23,0 ч при температуре 2 ± 2 °C.
На основании полученных данных о прочности разрабатывалась математическая модель зависимости прочности белковой добавки от продолжительности выдержки и массовой доли структурообразователя. За основу были приняты и далее модифицированы применительно к данному исследованию ряд математических моделей [7–9]. Были использованы компьютерные программы, разработанные в среде Mathcad [10].
Результаты исследования
Формирование структуры белковой добавки обусловлено связыванием полисахаридов структурообразователя (альгинатов) с водой в составе гидролизата и ионами кальция (сшивание молекул). При большем времени выдержки сшивание происходит глубже, а увеличение массовой доли структурообразователя интенсифицирует процесс. Оптимальные образцы белковой добавки по органолептическим свойствам представляют собой однородную плотную структуру серо-бежевого цвета без признаков текучести и синерезиса со слабовыраженным свойственным рыбным запахом.
Образец белковой добавки с массовой долей структурообразователя 1 % даже после 23 ч выдержки при температуре 0–4 °C не структурировался и имел дряблую, полужидкую структуру, поэтому показатель прочности в нем не измерялся. При дальнейшем повышении массовой доли структурообразователя однородная плотная структура начинала формироваться у образца № 2 за 3,0 ч, у образца № 3 за 1,5 ч, у образца № 4 за 1,0 ч, у образцов № 5–7 в течение 0,5 ч, поэтому было принято решение, что внесение структурообразователя выше массовой доли 5 % является нецелесообразным. Результаты измерения прочности исследуемых образцов белковой добавки в процессе выдержки представлены в табл. 2.
Таблица 2
Table 2
Изменение прочности образцов белковой добавки в процессе выдержки
Change in the strength of protein additive samples during aging
|
№ образца |
Продолжительность выдержки, ч |
Прочность по Валенту, г |
№ образца |
Продолжительность выдержки, ч |
Прочность |
|
2 |
0,5 |
Cтруктура не |
3 |
0,5 |
Cтруктура не сформирована |
|
1 |
1 |
||||
|
1,5 |
1,5 |
119 |
|||
|
3 |
27 |
3 |
337 |
||
|
6 |
60 |
6 |
525 |
||
|
17 |
193 |
17 |
687 |
||
|
23 |
334 |
23 |
817 |
Окончание табл. 2
Ending the table 2
Изменение прочности образцов белковой добавки в процессе выдержки
Change in the strength of protein additive samples during aging
|
№ образца |
Продолжительность выдержки, ч |
Прочность по Валенту, г |
№ образца |
Продолжительность выдержки, ч |
Прочность |
|
4 |
0,5 |
Cтруктура не сформирована |
6 |
0,5 |
141 |
|
1 |
215 |
1 |
439 |
||
|
1,5 |
458 |
||||
|
3 |
779 |
1,5 |
846 |
||
|
6 |
946 |
3 |
1 245 |
||
|
17 |
1 090 |
6 |
1 507 |
||
|
23 |
1 183 |
17 |
1 743 |
||
|
5 |
0,5 |
63 |
7 |
0,5 |
249 |
|
1 |
283 |
1 |
719 |
||
|
1,5 |
611 |
1,5 |
1 143 |
||
|
3 |
963 |
3 |
1 575 |
||
|
6 |
1 112 |
6 |
1 777 |
||
|
17 |
1 350 |
17 |
2 207 |
||
|
23 |
1 486 |
23 |
2 476 |
Время выдержки и увеличение массовой доли структурообразователя приводит к формированию более плотной и прочной консистенции (см. табл. 2). При значениях прочности менее 300 г образец характеризуется относительно мягкой и легко деформируемой структурой; в диапазоне 300–600 г – слегка мягкой, форму держит удовлетворительно; в диапазоне 600–1 000 г – плотной структурой, хорошо сохраняющей форму; свыше 1 000 г – твердой, для деформации которой требуется приложить усилие.
Для изучения динамики реологических свойств образцов в процессе выдержки приведем результаты экспериментального определения прочности Pi,k к нормализованному формату pi,k следующим образом:
pi,k = Pi,k / Pi,23,
где индекс i = 2, 3, …, 7 – массовая доля структурообразователя; индекс k = 0–23 – продолжительность выдержки.
Зависимость нормализованных значений прочности от времени в виде графика представлена на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость нормализованных значений прочности от времени выдержки
Fig. 1. Dependence of normalized strength values on aging duration
Заметим, что начиная с массовой доли 4 % и больше (р4–р7), разброс точек невелик (представлен усреднено в виде графика pi(t)), поэтому изменение значений для данных образцов по времени можно описать функцией, для t ≤ 5 ч кубической, для t > 5 ч – линейной:
Индекс детерминации 0,986 довольно высок.
При меньших концентрациях происходит эволюция функций от вогнутой p2(t) к выпуклой p3(t) и далее к pi(t).
Зависимость величины прочности от массовой доли структурообразователя при выдержке в 23 ч представлена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость прочности P от массовой доли структурообразователя i в момент выдержки t = 23 ч
Fig. 2. Dependence of strength P on the concentration of structure-forming agent i at the moment of aging t = 23 h
Прочность в момент времени t = 23 ч зависит от массовой доли (i) практически линейно (см. рис. 2), в таком случае уравнение линейной регрессии следующее:
Индекс детерминации 0,99.
Таким образом, при массовой доле структурообразователя выше 4 % полная модель зависимости рассматриваемых технологических параметров будет следующая:
На основании полученной модели построен контурный график зависимости прочности белковой добавки от массовой доли в ней структурообразователя и продолжительности выдержки (рис. 3).
Рис. 3. Контурный график зависимости прочности белковой добавки
от массовой доли структурообразователя и продолжительности выдержки
Fig. 3. Contour graph of the dependence of strength
on the mass fraction of the structurizer and the duration of exposure
Таким образом, получена модель, описывающая влияние рассматриваемых технологических параметров получения белковой добавки на ее реологические характеристики. На основании прочностных свойств выявлено, что образцы добавки, выдерживающие нагрузку до 300 г, являются малоприменимыми в технологии из-за мягкой консистенции
и высокой деформируемости; выдерживающие нагрузку от 300 до 1 000 г рекомендуется использовать в составе фаршевых, запеченных, вареных формованных рыбных изделий; при прочности свыше 1 000 г добавку рекомендуется использовать в составе копченой и сырокопченой продукции.
Заключение
Получены образцы белковой добавки на основе гидролизата вторичного рыбного сырья карпа и структурообразователя. На основании реологических свойств даны рекомендации по использованию белковой добавки в формованных рыбных изделиях. Изучено влияние массовой доли структурообразователя и продолжительность выдержки на ее реологические свойства образцов белковой добавки. Определено, что прочность образцов белковой добавки возрастает при увеличении массовой доли структурообразователя и удлинении продолжительности выдержки в рассматриваемом временном диапазоне. При массовой доле структурообразователя 2–7 % консистенция белковой добавки формируется в течение 0,5–3 ч. На основании полученных данных получена полная модель влияния времени выдержки белковой добавки и массовой доли структурообразователя на ее прочность. Обоснована оптимальная массовая доля структурообразователя, равная 4 %.
1. Saltykov M. A., Fisenko A. I. Rybohozyajstvennyj kompleks Rossii: narrativnyj analiz tendencij i strategi-cheskie zadachi razvitiya proizvodstva i potrebleniya produkcii [The Russian fisheries complex: a narrative analysis of trends and strategic objectives for the development of production and consumption of products]. Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Ekonomika, 2023, no. 3, pp. 69-81.
2. Ob utverzhdenii Strategii razvitiya mashinostroeniya dlya pishchevoj i pererabatyvayushchej promyshlennosti RF na period do 2030 g.: Rasporyazhenie Pravitel'stva RF ot 30 avgusta 2019 g. № 1931-r [On approval of the Strategy for the Development of Mechanical Engineering for the food and Processing industry of the Russian Federation for the period up to 2030: Decree of the Government of the Russian Federation dated August 30, 2019 No. 1931-r]. Available at: government.ru/docs/all/123583/ (accessed: 28.08.2024).
3. Samojlova D. A., Cibizova M. E. Vtorichnye resursy rybnoj promyshlennosti kak istochnik pishchevyh i biolog-icheski aktivnyh dobavok [Secondary resources of the fishing industry as a source of food and biologically active additives]. Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2015, no. 2, pp. 129-136.
4. González-Serrano D. J., Hadidi M., Varcheh M., Jelyani A. Z., Moreno A., Lorenzo J. M. Bioactive Peptide Fractions from Collagen Hydrolysate of Common Carp Fish Byproduct: Antioxidant and Functional Properties. Antioxidants, 2022, no. 11, iss. 509. Available at: doi.org/10.3390/antiox11030509 (accessed: 28.08.2024).
5. Rajabimashhadi Z., Gallo N., Salvatore L., Lionetto F. Collagen Derived from Fish Industry Waste: Progresses and Challenges. Polymers, 2023, no. 15, iss. 544. Available at: doi.org/10.3390/polym15030544 (accessed: 28.08.2024).
6. Aleksandrov N. K., Al'shevskij D. L. Nauchnoe obosnovanie tekhnologicheskih parametrov i receptury belkovogo napolnitelya iz kollagensoderzhashchih othodov pererabotki karpa [Scientific substantiation of technological parameters and formulation of protein filler from collagen-containing carp processing waste]. Izvestiya KGTU, 2023, no. 71, pp. 73-83.
7. Mezenova N. Yu., Naumov V. A., Agafonova S. V., Mezenova O. Ya., Baidalinova L. S., Volkov V. V., Andreev M. P. Simulation of fermentolysis of secondary meat and bone raw materials. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2021, no. 689. Available at: iop-science.iop.org/article/10.1088/1755-1315/689/1/012037 (accessed: 28.08.2024).
8. Naumov V. A. Approksimaciya rezul'tatov laboratornogo issledovaniya vakuumnoj sushki syrov pri izmenenii ostatochnogo davleniya [Approximation of the results of a laboratory study of vacuum drying of cheeses with a change in residual pressure]. Vestnik nauki i obrazovaniya Severo-Zapada Rossii, 2023, vol. 9, no. 4, pp. 6-14.
9. Mosharova M. E., Titova I. M., Naumov V. A. Modelirovanie receptur formovannyh polufabrikatov s ispol'zo-vanie vtorichnogo syr'ya sokovogo proizvodstva [Modeling of formulations of molded semi-finished products using secondary raw materials of juice production]. Vestnik KamchatGTU, 2023, no. 63, pp. 8-17.
10. Naumov V. A. Prikladnaya matematika: uchebnoe posobie po resheniyu professional'nyh zadach v srede Mathcad [Applied Mathematics: a textbook for solving professional problems in the Mathcad environment]. Kaliningrad, Izd-vo KGTU, 2014. 144 p.
