Каротиноиды входят в состав многих органов и тканей рыбы

УДК 664.959.5: 639.512(06)
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ
ОТ ПЕРЕРАБОТКИ КРЕВЕТОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
КАРОТИНОИД-СОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК В КОРМА ДЛЯ РЫБ
М.Л. Винокур, М.П. Андреев
В статье представлен обзор основных направлений использования отходов от переработки
креветки как сырья для получения кормовой продукции с высоким содержанием каротиноидов
каротиноидсодержащие добавки, каротинопротеиновый порошок
Одним из основных показателей, определяющих потребительский спрос
на рыбную продукцию из лососевых, является цвет мяса, а также яркость
наружных покровов рыбы. В природе яркий оранжево-розовый цвет мускулатуры
лососевых обусловлен присутствием кислородсодержащих каротиноидов –
ксантофиллов, преимущественно астаксантина, который поступает в организм
рыб с пищей. Каротиноиды в организме рыб, как и других животных, не
синтезируются, однако, попадая к ним с трофическими цепями, могут
трансформироваться в присущие для вида формы. Поэтому основной причиной,
приводящей к обесцвечиванию наружных покровов, плавников, а также
внутренних тканей представителей семейства лососевых, выращиваемых на
искусственных кормах, является недостаток каротиноидов в их рационе. Эта
проблема решается использованием каротиноидных препаратов в качестве
добавок в корма для рыб [1-4].
Самые первые попытки повысить уровень каротиноидов у лососевых
(форели) путем включения в состав каротина – основного каротиноидного
пигмента наземных растений и животных – не увенчались успехом. Лишь
использование отходов ракообразных, богатых астаксантином, и биомассы
некоторых водорослей, тоже содержащих этот пигмент, окрашивало ткани рыб и
улучшало биологические показатели. Каротиноидные препараты искуственного
происхождения также используются для обогащения кормовых рационов
лососевых. Сначала широкое распространение получил каротиноидный преперат
Керофилл-Ред, содержащий кантаксантин. Включение этого каротиноида в корма
обеспечивает привлекательную натуральную окраску лососевым. В дальнейшем
на рынке сбыта его стал вытеснять другой препарат этой же фирмы – КерофиллПинк, содержащий астаксантин, который имеет преимущество основного
пигмента лососевых.
Для придания мясу лососевых красного цвета и улучшения его качества
при дальнейшей переработке (например, копчении) рыбу за 4-6 недель до
реализации кормят продукционными кормами с добавкой астаксантина в
количестве от 40 до 80 мг на 1 кг корма [5, 6].
Проведен ряд исследований, посвященных сравнительной оценке
способности различных видов каротиноидов, содержащихся в кормах,
накапливаться в организме рыб. Так, установлено, что степень накопления
эфиров астаксантина в организме морского окуня в 1,8-4 раза выше, нежели
свободного астаксантина, лютеина и зеаксантина [7].
Весьма перспективным сырьем для получения каротиноидсодержащих
добавок являются отходы от переработки креветок. Ежегодно в России по разным
данным перерабатывается от 30 до 35 тыс. т в год креветки. При этом выход
панцирьсодержащих отходов, образующихся при переработке креветки, по
некоторым оценкам составляет от 40 до 60 % в зависимости от ее вида. Между
тем головогрудь и панцирь креветок, как и прочих ракообразных, являются
одними из основных природных источников каротиноидов, в том числе
ксантофиллов. Общий химический состав пацирьсодержащих отходов Индийской
креветки представлен в табл. 1 [8].
Таблица 1. Общий химический состав отходов от переработки креветки
Компонент
Содержание (%)
Вода
75
Белок
51,3
Жир
22,7
Астаксантин
Хитин
0,01-0,15
8,5
Несмотря на многообразие существующих на сегодняшний момент
направлений использования этого вида сырья, как источника каротиноидов, в
отечественной и зарубежной литературе отсутствует их единая классификация и
сравнительная характеристика. Аналитические исследования состояния
производства и использования панцирьсодержащих отходов от переработки
ракообразных показали, что на сегодняшний момент можно выделить четыре
основных направления в технологии переработки ракообразных в кормовую
продукцию, содержащую каротиноиды: производство крилевой муки;
производство каротинопротеинового порошка; получение растительного масла
или рыбьего жира, обогащенных каротиноидами; получение креветочного жира.
Технология переработки ракообразных в кормовую муку известна
достаточно давно. Так, в нашей стране в качестве источника каротиноидов для
форели с успехом использовали крилевую муку. У рыб, получавших ее, отмечали
улучшение рыбоводных показателей, нормализацию окраски тканей и накопление
астаксантина, а у производителей – появление яркого брачного наряда,
улучшение качества половых продуктов и потомства. Но крилевая мука оказалась
сильно подверженной окислению. Главной причиной этому, во-первых, является
то обстоятельство, что крилевый жир обладает высокой степенью
ненасыщенности, а во-вторых, время доставки крилевой муки до потребителя
является достаточно продолжительным (из-за удаленности мест добычи криля и
его переработки в кормовую муку). Единственным надежным способом
предохранения липидов крилевой муки от окисления является их хранение при
температуре ниже
минус 20оС, что значительно удорожает процесс.
Креветочная же мука лишена этого недостатка, однако ей присущ другой
значительный недостаток – низкое содержание (по сравнению с крилевой мукой)
астаксантина и одновременно высокое содержание золы и хитина, что
препятствует получению оптимально сбалансированного состава рыбьего корма.
В нативном состоянии каротиноиды, как и другие ценные вещества,
содержащиеся в ракообразных, например хитин, связаны с белковым и
минеральным комплексом, и поэтому для их выделения необходимо либо
подобрать растворители, способные разрывать эти связи, либо предварительно
провести депротеинизацию и деминерализацию отходов. С этой целью отходы
ракообразных традиционно подвергали щелочно-кислотной обработке. Такая
обработка является не только агрессивной для окружающей среды, но она также
подтверждает каротиноидные пигменты.
Избежать вышеуказанного недостатка, характерного для кислотнощелочной обработки, позволило использование методов ферментирования
отходов креветки. Существуют следующие способы ферментирования отходов
креветки: микробиологический и воздействие препаратами, выделяемыми из
культур плесневых грибов. При микробиологическом способе для
ферментирования используют штаммы молочно-кислых бактерий. Этот способ
позволяет до 50 % уменьшить содержание протеина в креветочных отходах.
Кроме того, накопление молочной кислоты дает возможность стабилизировать
отходы. Для проведения ферментации отходов и стабилизации их остатков
обычно используются следующие штаммы молочно-кислых бактерий:
Pediococcus pentosaceus P – 1; Staphylococcus carnosus MC-1 и пр. При обработке
ферментами обычно используют такие препараты, как пепсин, трипсин и папаин.
Однако последний из указанных способов является весьма не дешевым [9-12].
Технология получения креветочного жира из отходов от переработки
креветки основана на его экстракции органическими растворителями. Чаще всего
для этой цели используются такие растворители, как
ацетон, метанол,
этилметилкетон, изопропиловый спирт, этилацетат, этанол, петролейный эфир
(табл. 2).
Таблица 2. Эффективность извлечения каротиноидов из креветочных отходов
различными растворителями или их смесями
Тип растворителя
Выход каротиноидов
(в пересчете на астаксантин), мг/ отходов
Ацетон
40,6
Метанол
29,0
Этилметилкетон
36,8
Изопропиловый спирт
40.8
Этилацетат
36.9
Гексан
13.1
Ацетон : гексан (50:50)
38,5
Изопропиловый спирт : гексан
43.9
(50:50)
Петролейный эфир
12.1
Этанол
31,9
Как видно из данных, приведенных в табл. 2, наиболее эффективным
является использование в качестве растворителя изопропилового спирта с
этанолом. Исследования показали, что креветочный жир, извлекаемый этим
растворителем, также обладает более высокой стабильностью по отношению к
окислению. Известен способ получения крилевого жира с использованием
процесса сверхкритической экстракции диоксидом углерода. Суть технологии
заключается в возможности селективной экстракции различных групп
жирорастворимых компонентов, в том числе и каротиноидов, осаждаемых на
разных участках хроматографической колонки (в качестве сорбента был
использован силикагель). Это способ позволяет максимально повысить
содержание каротиноидов в крилевом жире [14, 15].
Способность каротиноидов растворяться в липидах используется в
технологии обогащения ими растительных масел и рыбьего жира. Так, в 1975 г.
был получен патент на процесс экстракции каротиноидов из отходов от
переработки креветки соевым маслом, включающий смешивание масла с
отходами, нагревание смеси до температуры 80-90оС и сепарирование целевого
продукта на центрифуге. При использовании предварительного силосования,
удается увеличить количество каротиноидов, извлекаемых растительными
маслами. Так, к примеру выход астаксантина при его экстракции растительным
маслом из креветочных отходов, обработанных пропионовой кислотой, на 30 %
выше, чем из отходов, не подвергшихся предварительному силосованию. Долгое
время велись исследования по выбору того или иного масла как оптимального
экстрагента для извлечения каротиноидов из ракообразных. На сегодняшний
день установлено, что среди прочих растительных масел наиболее высокой
экстрагирующей способностью по отношению к астаксантину обладает
подсолнечное масло. Сравнительные данные по эффективности экстрагирования
каротиноидов растительными маслами представлены в табл. 3.
Таблица 3. Эффективность извлечения каротиноидов из креветочных отходов
различными растительными маслами или их смесями
Выход каротиноидов
Тип масла
(в пересчете на астаксантин), мг/г отходов
Подсолнечное масло
26,3
Арахисовое масло
23,1
Горчичное масло
16,1
Соевое масло
24,8
Кокосовое масло
24,7
Масло из рисовых отрубей
24,3
При этом оптимальными условиями процесса экстракции является
температура, равная 70оС и время – 150 мин. Использование интервала
температур от 80 до 90 оС, как установлено, приводит к частичной термической
деструкции астаксантина. В большинстве случаев полученный экстракт
избавляют от излишков влаги, используя водопоглащающие агенты,
позволяющие в отличие от сушки воздухом избежать дополнительного окисления
масел. Установлено, что жиры рыб обладают меньшей растворяющей
способностью по отношению к каротиноидам, нежели растительные масла.
Однако жиры рыб обладают более ценным жирно-кислотным составом, по
сравнению с растительными маслами, в связи с чем применяются способы
концентрирование каротиноидов. К преимуществам использования растительных
масел и рыбных жиров, обогащенных каротиноидами в качестве
каротиноидсодержащих добавок в корма для рыб, можно отнести то
обстоятельство, что они позволяют также значительно повысить энергетическую
(а в случае использования жиров рыб, содержащих витамины группы F и
биологическую) ценность корма. К недостаткам относятся: сильная
подверженность астаксантина к окислительной деструкции в процессе хранения и
значительно меньшая концентрация каротиноидов по сравнению с чистым
креветочным жиром. Низкая концентрация каротиноидов, в свою очередь,
обуславливает необходимость внесения значительного количества растительных
масел или рыбных жиров в кормах, что способствует значительному изменению
общего содержания и состава липидов в мышечной ткани рыб при последующем
кормлении. Как следствие, изменения жирно-кислотного состава липидов мясо
рыб приобретает запах и вкус, зачастую для него не свойственный, что снижает
его качество.
Разработан способ концентрирования каротиноидов в соевом масле. Суть
технологии заключается в растворении соевого масла, предварительно
обогащенного каротиноидами, в петролейном эфире, элюировании полученного
раствора
на
колонке
при
использовании
в
качестве
сорбента
микрокристаллической целлюлозы. При данном способе удается в 40 раз
повысить содержание каротиноидов в целевом продукте. К преимуществу данной
технологии можно отнести и то, что астаксантин, растворенный в петролейном
эфире, может храниться в течение пяти месяцев при температуре 25 оС без
появления признаков окислительной деструкции. Основные
направления
совершенствования данных технологи заключаются в оптимизации режима
экстракции в отношении количества извлекаемых каротиноидов и подборе
наиболее оптимального антиокислителя с точки зрения его дешевизны,
безопасности и эффективности, а также предотвращения окислительной
деструкции каротиноидов [16,17].
Наиболее рациональным
способом переработки отходов с целью
обогащения кормового рациона лососевых природными каротиноидами является
получение каротинопротеинового порошка с высоким содержанием астаксантина,
находящегося в форме, связанной с белком. Технология его получения
заключается в экстракции (после предварительного внесения фермента)
каротинопротеинов водой или водным раствором этилендиаминтетрауксусной
кислоты из предварительно ферментированных отходов. Чаще всего в качестве
экстрагента применяются натривые соли этилендиаминтетрауксусной кислоты, в
качестве ферментов – протеазы как микробиологического происхождения, так и
выделенные из тканей животных или гидробионтов. В качестве ферментов
микробиологического происхождения используют протеазы, выделяемые из
культур Aspergillus melleus, Aspergillus
oryzae, Bacillus Licheniformis.
Альтернативой может быть применение трипсина, выделяемого из пилорических
придатков трески. Использование предварительного силосования отходов при этом
процессе является не целесообразным, так как кислая среда препятствует экстракции
каротинопротеинов этилендиаминтетрауксусной кислотой и ее солями. При
производстве и дальнейшем хранении порошка практически исключаются процессы
термической деструкции каротиноидов, так как процесс происходит, во-первых,
при невысокой температуре, а во-вторых, каротиноиды постоянно находятся в
связанной с белком форме.
Согласно ряду исследований, каротиноиды,
связанные с белком, лучше усваиваются, например, в организме рыб. Однако
получение каротинопротеинового порошка на сегодняшний день является
достаточно дорогим процессом, главным образом, из-за дороговизны ферментных
препаратов, используемых в технологии. Основное направление в
совершенствовании данной технологии заключается в подборе наиболее дешевых
ферментов и условий экстракции каротинопротеина [18, 19].
Выбор того или иного способа использования отходов от переработки
креветок для производства каротиноидосодержащих добавок в корма для рыб
должен в каждом конкретном случае определяться конкретными условиями
производства и рынка.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Torrisen O.J. Pigmentation of salmonids: factors affecting carotenoid
deposition in rainbow trout ( Salmo gairdneri) / O. J. Torrisen // Aquaculture. – 1985. –
Vol.46. – P. 133 – 142.
2. Hata, M. Carotenoid pigments in gold fish / M. Hata // Nippon Suisan
Gakkaiishi. – 1985. – Vol.38. – P. 339– 343.
3. Storrebakken T., Pigmentation of rainbow trout / T. Storrebakken, H.K. No //
Aquacultur. – 1992. – Vol.100. – P. 209 – 229.
4. Jonhson E.A. Phaffia rhodizima as an astaxanthin source in salmonid dietes./
E. A Jonhson T. G. Villa, M. J. Lewis // Aquaculture. – 1980. – Vol.50. – P.123.–134.
5. Foss P. Pigmentation of rainbow trout and sea trout with individual optical
isomers of astaxanthin in comparison with cantaxanthin./ P. Foss, T. Storrenbaken K.
Scheidt, // Aquaculture – 1984. – Vol .41. – P. 213 – 226.
6. Long A. The effect of carotenoid-protein association on pigmentation and
grows rates of rainbow trout ( Salmo qairdneri)./ A. Long, N.F. Haard // Bull. Aquacult.
Assoc. Can. – 1988. – Vol .4. – P. 98 – 100.
7. Todd R. A Review of astaxanthin as a carotenoid and vitamin source for sea
bream [electronic resource] / Todd R. – 2004. – Mode of acces: http://www.ruscom.
com/cyan/web02/pdfs/naturose/axbul52.pdf
8. Sachindra N.M. Carotenoids in different body componentes of indian
shrimps / N.M. Sachindra, N.M. Bhaskar, N.S. Mahendrakar // J. Sci. Food Agri. –
2005.–Vol.85.–P.167–172.
9. Spinelli J. Composition, processing and utilization of red crab as an
aquacultural feed ingredient/ J. Spinelli L. Lehman, D. Wieg // J. Fish. Res. Board
Can. – 1974. – Vol. 31. – P. 1025 – 1029.
10. Armenta-Lopes R., Astaxantin extraction from shrimp waste by lactic
fermentation and enzymatic hydrolysis of the carotenoprotein complex / R. Armenta Lopes, Z. L. Guerrero, S. Huerta // J. Food Sci. – 2002 – Vol. 3. – P. 1002 – 1006.
11. Chen H.M. Ensilage treatment of crawfish waste for improvement of
astaxanthin pigment extraction / H. M Chen, S.P. Meyers // J. Food Science. – 1983. –
Vol .47. – P. 892 – 896.
12. Torrison, O.J. Ensilaging in acid – a method to stabilize astaxanthin in
shrimp processing byproducts and improve uptake of this pigment by rainbow trout
(Salmo gairdneri). O. J. Torrison, E. Tideman, F. Hansen, J. Raa, Aquaculture. –
1981. – Vol .26. – P. 77 – 83.
13. Cano- lopez, A. Extraction of carotinoprotein from shrimp process wastes
with the aid of trypsin from Atlantic cod / A. Cano- lopez, B. K. Simpson and N.
F.Haard / / J. Food Science . – 1985. – Vol .52. – P. 503 – 506.
14. Sachindra N.M. Recovery of carotenoids from shrimp waste with organic
solventes/ N.M. Sachindra, N.S. Mahendrakar// Waste management. – 2006. – Vol. 26
P. 1092 – 1098.
15. Yamaguchi K.1986. Supercritical carbon dioxide extraction of oil from
Antarctic krill./ K. Yamaguchi, M. Murakami, H. Nakano, T. Konosu, H. Yamamoto,
M. Kosaka, K. Hata, // J. Agric. Food Chem. – 1986. – Vol .34. – P. 904 – 907.
16. Sachindra N.M. Process optimization for extraction of carotenoids from
shrimp waste with vegetable oils/ N.M. Sachindra, N.S. Mahendrakar// Bioresurse
Technol. – 2005. – Vol. 96. – P. 1195 – 1200.
17. Inoue T. Condensed astaxanthin of pigmented oil from crawfish carapace
and its feeding experiment./ T. Inoue, K.L. Simpson, Y. Tanaka, M. Sameshima, // Bull
Jpn. Soc. Sci. Fish . – 1988. – Vol .54. – P. 103 – 106.
18. Simpson, B.K. The use of proteolytic enzymes to extract carotenoproteins
from shrimp wastes/ B.K. Simpson, N.F. Haard // J. Appl. Biochem. – 1985. –
Vol. 7 – P. 212 – 222.
19. Hara, S. Concentration of esterified astaxanthin in euphasid oil./ S. Hara,
T. Omata, Y. Tanaka, H. Hibino, Totani, // J. Oleo Sci. – 1981. – Vol .50. – P. 73.
THE MAIN DIRECTIONS IN PRODUCING OF FISH FEED ADDITIVES
WITH HIGH CONTENT OF CAROTENOIDES FROM SHRIMP WASTE
M.L. Vinokur, M.P. Andreev
This article presentes the preferences of the different directions in producing of fish feed
additives with high content of carotenoides from shrimp waste.