Разработка технологии органических солей кальция из вторичного сырья гидробионтов для обогащения продуктов питания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.07, кандидат наук Орипова Азиза Алишеровна

• Орипова Азиза Алишеровна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Орипова Азиза Алишеровна

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

Введение

Глава 1. Состояние проблемы по применению гидробионтов в технологии получения биологически активных веществ и продуктов питания функционального назначения

1.1 Морские беспозвоночные как сырье для производства и получения пищевых продуктов с высоким содержанием биологически активных веществ

1.1.1 Применение морских беспозвоночных с высоким содержанием кальция в технологии продуктов питания

1.1.2 Биоаккумуляция тяжелых металлов в различных тканях морских беспозвоночных

1.2 Применение биоактивных соединений из вторичного сырья переработки рыбы

1.2.1 Использование рыбных костей для получения солей кальция

1.2.2 Биоаккумуляция тяжелых металлов в тканях рыб

1.3 Технологии получения солей кальция из гидробионтов

1.3.1 Особенности технологий выделения солей кальция из вторичного сырья гидробионтов

1.3.2 Характеристика органических и неорганических солей кальция

Глава 2. Объекты и методы исследования, постановка эксперимента

2.1 Объекты исследования

2.2. Методы исследования

2.3 Постановка экспериментов

Глава 3. Исследование содержания тяжелых металлов во вторичном сырье гидробионтов

3.1 Исследование содержания тяжелых металлов в органах и тканях исследуемых гидробионтов

3.2 Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в пробах тканей исследуемых видов гидробионтов

3.2.1 Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в раковинах брюхоногих и двустворчатых моллюсков

3.2.2 Однофакторный дисперсионный анализ накопления тяжелых металлов в исследуемых рыбах

3.2.3 Исследование содержания тяжелых металлов в диких видах рыб, выловленных из различных водоёмов

3.2.4 Исследование содержания тяжелых металлов в ладожских видах рыб

3.2.5 Исследование содержания тяжелых металлов в балтийской группе рыб

Глава 4. Обоснование показателей безопасности солей кальция из вторичного сырья гидробионтов

4.1 Регулирование содержания тяжелых металлов в солях кальция из вторичного сырья гидробионтов

4.2 Регулирование содержания стронция в солях кальция из вторичного сырья гидробионтов

Глава 5. Разработка технологии получения цитрата кальция из вторичного сырья гидробионтов

5.1 Технология получения органического цитрата кальция без этапа очистки от ионов стронция

5.2 Оптимизация технологических параметров процесса получения цитрата кальция

5.3 Технология получения цитрата кальция с этапом очистки от ионов стронция

Заключение

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложения

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии органических солей кальция из вторичного сырья гидробионтов для обогащения продуктов питания»

РЕФЕРАТ

Актуальность работы. Гидробионты составляют около половины всего мирового биоразнообразия и в последние десятилетия широко исследовались на предмет потенциальных источников новых биологически активных природных продуктов. Благодаря биоразнообразию гидробионтов и физиологическим свойствам, из них выделено от 10 000 до 18 000 химических соединений, многие из которых обладают пищевой и фармакологической активностью. Примечателен растущий интерес к отходам рыбоперерабатывающего производства в качестве источника ценных биологически активных веществ: вторичные ресурсы глубокой переработки гидробионтов имеют ширукую область практического применения, но на сегодняшний день не используются в полной мере. Выходом в этой области является создание новых технологий переработки гидробионтов на современном высокотехнологичном уровне с соблюдением комплексного подхода и экологичности применяемых методов.

Гидробионты служат богатым источником функциональных соединений, таких как полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК), коллаген, полисахариды, минеральные элементы, витамины, антиоксиданты, ферменты и биоактивные пептиды с ценным нутрицевтическим, фармацевтическим и косметическим потенциалом.

К гидробионтам с высоким содержанием кальция относятся морские беспозвоночные (головоногие, брюхоногие двустворчатые моллюски, морские ежи с твердым скелетом), а также кости рыб, в том числе семейства лососевых и сиговых.

Важнейшим и перспективным направлением в области устойчивого природопользования является разработка малоотходных технологий извлечения и очистки различных веществ из гидробионтов. При этом, необходимо соблюдать принцип максимальной переработки гидробионтов, который предусматривает получение технических и пищевых продуктов, различных композиций и индивидуальных соединений.

Органические кальциевые соли после нейтрализации скелета и костей гидробионтов имеют большой потенциал применения в фармацевтической и пищевой промышленности. Например, структура отходов добычи морских ежей на 70-80% состоит из панцирей и игл. Растворы органических кислот легко разлагают карбонатный скелет морских ежей с получением кальциевых солей, таких как лактат, цитрат, тартрат кальция. Данные соли разрешены к применению на предприятиях пищевой отрасли Российской Федерации в качестве пищевых ингридиентов. Кальциевая соль аскорбиновой кислоты может служить дополнительным источником витамина C.

По своим качественным характеристикам, органические соли кальция лучше усваиваются организмом. Например, абсорбция кальция от лактата извлеченного из панцирей морского ежа Hemicentrotus pulcherrimus выше, чем от синтетического лактата кальция, что было научно доказано в условиях in vivo на крысах.

Учитывая преимущества гидробионтов при получении пищевых и фармакологических продуктов с повышенным содержанием кальция, особое значение имеют исследования о биоаккумуляции токсикантов в их организмах, в особенности, тяжелых металлов, ввиду высокой антропогенной нагрузки в водоемах Баренцева и Японского морей, водоемов Балтийского региона.

Материалы зарубежных исследований показывают, что гидробионты, в особенности морские беспозвоночные, обладают свойством аккумулировать тяжелые металлы из окружающей среды в своем организме в большом количестве, так как обладают фильтрационной способностью. В Российской Федерации к биологически активным добавкам (БАД) и пищевым добавкам установлены нормативные требования к предельному допустимому содержанию тяжелых металлов, однако в этот перечень не входит стронций. Стронций в организме является спутником кальция. Стронций и кальций имеют довольно близкие радиусы, сходные химические свойства, поэтому они могут замещать друг друга в кристаллической решетке кости. Согласно имеющимся научным исследованиям, повышенная способность стронция к аккумуляции в организме обусловлена замещением ионов кальция в костной и других тканях. Следствием этого является

нарушение обмена ионов кальция в организме и нарушение Са2+-зависимых регуляторных процессов, что определяет токсическое действие ионов стронция. Концентрация кальция в водоемах в большой степени влиет на биоконцентрацию стронция в водных организмах. Коэффициет биоаккумуляции стронция имеет обратную зависимость с содержанием кальция в воде.

Длительное поступление повышенных количеств стабильного стронция и недостаток кальция приводит к резким нарушениям минерального обмена, нарушению работы почек и развитию уровской болезни.

Цель работы - исследовать содержание солей кальция и тяжелых металлов в различных тканях и органах вторичного сырья гидробионтов и разработать технологию получения экологически безопасных органических солей кальция для применения в пищевой индустрии.

Для осуществления поставленной цели решались следующие основные задачи:

- обосновать выбор гидробионтов в качестве сырья для получения биологически активных органических солей кальция;

- исследовать содержание солей кальция в различных тканях и органах вторичного сырья гидробионтов;

- исследовать содержание тяжелых металлов в различных тканях и органах вторичного сырья гидробионтов;

- оптимизировать технологические параметры получения экологически безопасных органических солей кальция из вторичного сырья гидробионтов;

- разработать ресурсосберегающую технологию получения органических солей кальция из вторичного сырья гидробионтов;

- разработать рецептуру комплексной пищевой добавки на основе цитрата кальция и техническую документацию (ТУ и ТИ) для производства рыбных продуктов функционального назначения;

- провести апробацию разработанных технологий в опытно-промышленных условиях.

Научная новизна исследований. Получены данные по накоплению и распределению солей кальция и тяжелых металлов в различных органах и тканях следующих видов гидробионтов: атлантический лосось Salmo salar, балтийская кумжа Salmo trutta, волховский сиг Coregonus lavaretus baeri, гигантская устрица Crassostrea gigas, зеленый S. Droebachiensis и сиреневый морские ежи S. Purpuratus рода Strongylocentrotus, трубач Neptunea lyrata, приморский гребешок Patinopecten yessoensis и съедобная мидия Mytilus trossulus.

Показано, что во вторичном сырье исследуемых морских гидробионтов содержатся стронций, мышьяк, цинк, свинец, ртуть и хром. Содержание данных элементов зависит от их свойств, вида и органов гидробионтов и условий их обитания. Выявлено, что стронций отличается высокими кумулятивными свойствами и накопление его зависит от вида и органов гидробионтов. Максимальное количество его обнаружено в раковинах, панцирях и костях всех исследуемых видов, особенно в мидиях и трубаче независимо от условий обитания.

Получено уравнение регрессии, характеризующее зависимость изменения количества цитрата кальция, получаемого при переработке вторичного сырья гидробионтов от технологических параметров процесса.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана ресурсосберегающая технология получения экологически безопасных органических солей кальция из вторичного сырья гидробионтов.

Обоснованы технологические параметры очистки вторичного сырья гидробионтов от ионов стронция.

Оптимизированы технологические параметры получения экологически безопасных органических солей кальция из вторичного сырья морских гидробионтов.

Разработаны рецептуры и технология комплексной пищевой добавки на основе цитрата кальция и техническая документация (ТУ и ТИ) для производства рыбных продуктов функционального назначения.

Проведена апробация разработанных технологий в опытно-промышленных условиях ООО «НОРДЕНА» и ООО «КРИСТАЛ», Санкт-Петербург.

Результаты работы по методикам определения содержания тяжелых металлов во вторичном сырье гидробионтов используются в учебном процессе факультета биотехнологий Университета ИТМО при подготовке магистрантов по направлению 18.04.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии» по дисциплине модуля профессионального цикла «Методы и приборы эколого-аналитических исследований /Methods and Instruments of Ecological Analytical Research».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования распределения и содержания солей кальция и тяжелых металлов в различных органах и тканях вторичного сырья исследуемых видов гидробионтов.

2. Технологические параметры процесса очистки от ионов стронция вторичного сырья гидробионтов при получении солей кальция.

3. Ресурсосберегающая технология получения экологически безопасных органических солей кальция из вторичного сырья гидробионтов.

4. Рецептуры и технология комплексной добавки на основе цитрата кальция для производства рыбных продуктов функционального назначения.

Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности работы подтверждается полученными автором результатами физико-химических аналитических исследований накопления тяжелых металлов в гидробионтах, выполненных в соответствии с утвержденными методиками, с применением современных методов статистической обработки информации.

Результаты, полученные в ходе диссертационной работы представлены на конференциях разного уровня - международные, всероссийские конгрессы и форумы: 9-й Конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2020), Food BioTech 2021 Conference (Санкт-Петербург, 2021), Международная научно-практическая конференция «Устойчивое развитие регионов: опыт, проблемы, перспективы» (Казань, 2017), Юбилейный 10-й Конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2021), 49-я научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2020), 9-я международная научно-техническая конференция

«Низкотемпературные и пищевые технологии в 21 веке» (Санкт-Петербург, 2019), International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies «FarEastCon-2019» (Владивосток, 2019), 48-я научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2019), 7-й Конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2018).

Публикации. Всего по работе опубликовано 18 научных трудов, в том числе 3 статьи в индексируемых изданиях баз данных Scopus и Web of Science.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 117 страницах, содержит: 26 рисунков, 28 таблиц, 4 приложения. Список литературных источников включает 170 наименований, из них 130 на иностранном языке.

Заключение диссертации по теме «Биотехнология пищевых продуктов (по отраслям)», Орипова Азиза Алишеровна

Работа выполнена в рамках темы НИР №617027 «Ресурсосберегающие экологически безопасные биотехнологии функциональных и специализированных продуктов на основе глубокой переработки продовольственного сырья».

Работа посвящена изучению аккумулящш тяжелых металлов во внутренних органах ценных водных биоресурсов, на примере атлантического лосося, выращиваемых от диких производителен рыб, отловленных для искусственного воспроизводства, определены центры накопления тяжелых металлов в тканях исследуемых рыб.

Ключевые слова: атлантический лосось, тяжелые металлы, биоаккумуляция, естественный нерест, Балтийское море.

Лососевые, в особенности атлантический лосось, являются одними из наиболее ценных объектов рыбного промысла в регионах Балтийского моря. Однако, начиная с середины XX века, добыча этих водных биоресурсов снижалась и в настоящее время дикие популяции этих видов достигли критических уровней, полностью или частично утратив свои естественные нерестилища. Лососевые виды рыб имеют огромное значение при решении задач обеспечения населения Северо-Запада России качественной рыбной продукцией. Дикие популяции лососевых рыб хранят генетическое богатство и разнообразие рыбного

сообщества на Северо-Западе России, их поддержание является основой устойчивой отрасли, и одной из важных задач является восстановление популяций лососевых до промысловых размеров.

На сегодняшний день существует много программ по восстановлению диких популяций лососевых рыб, однако водоемы, которые важны в рыбохозяйственном значении для этих видов, имеют повышенные уровни загрязнения токсическими веществами, а именно, нагульные акватории Балтийского моря и нерестовые реки. В связи этим возникает вопрос о возможности и целесообразности восстановления данных видов до промысловых.

Учитывая пищевые преимущества диких водов рыб относительно рыбоводной продукции, особое значение имеет информация о накоплении и миграции токсикантов в организмах диких видов.

Тяжелые металлы - это неотъемлемая составная часть организма, так как они входят в состав ферментов, витаминов и гормонов. У организмов различных водов индивидуальная потребность в данных элементах мата, поэтому вследствие изменения фонового содержания тяжелых металлов в окружающей среде существует опасность, которая может привести к различным токсическим эффектам и нарушению жизнедеятельности.

Соединения тяжелых металлов в больших концентрациях отрицательно втияют на гидробнонты, нарушая гомеостаз от молекулярного до организменных уровней [1]. В случае интоксикации тяжелыми металлами наибольшему воздействию подвергаются ферментативные механизмы, чье нарушение, прежде всего, приводит к патологическим сдвигам, вызывая нарушения функциональных механизмов клеток и физиологических систем [2]. Содержание тяжелых металлов в рыбах в основном зависит от типа питания -уровень биоаккумуляции тем выше, чем выше стоит вид рыбы в трофической цепи.

Основными источниками поступления тяжелых металлов в водоемы являются сточные воды промышленных предприятий, в особенное™ горнодобывающей, черной, цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы также являются составной частью удобрений и пестицидов и загрязняют воды через стоки сельскохозяйственных угодий. Одним из источников загрязнения водоемов тяжелыми металлами являются атмосферные выбросы от движения автотранспорта, судоходства, производства энергии, сжигания отходов, а также кислотные дожди.

Согласно оценке опасных веществ в Балтийском море, тяжелыми металлами с наиболее высоким коэффициентом загрязнения являются свинец, ртуть (коэффициент загрязнения 9%), кадмий (5%), цинк (3%), медь (1%) [3].

Свинец является одним из основных загрязнителей окружающей среды, который является протоплазматическим ядом, который действует на все органы бноорганнзмов. При токсичных дозах он накапчивается в почках, печени, костных тканях: в первую очередь поражаются кроветворные органы, нервная система и почки.

Токсическое воздействие меди классифицируется на летальное и хроническое. Сублетальное воздействие приводит к снижению роста, ослаблению иммунитета, снижает репродуктивные способности. Известно, что медь снижает устойчивость рыб к болезням, нарушает мшрацию (рыбы избегают нерестилища, загрязненные медью), нарушает дыхание, приводит к патолопш почек, печени, жабр и стволовых клеток, ухудшает функции головного мозга. Высокие концентращш меди связывают с изменениями поведения рыб, химии крови, ферментативной активностью, метаболизмом кортикостеровдов транскрипщш и экспресаш генов [4].

Кадмий считается одним из самых токсичных элементов, который может вызвать стресс у рыб. Он имеет свойства биоаккумуляции (когда живые организмы получают кадмий непосредственно от окружающей среды) и биомагнификации (концентращш кадмия в организме повышается при потреблении в шпцу организмов, стоящих ниже в пищевой цепи). Воздействие кадмия может привести к некоторым патофизиологическим повреждениям, включая снижение скорости роста [5].

Стронций не является биологически необходимым предметом, однако, он может заменять катионы кальция в живых организмах, тем самым вызывая озабоченность по поводу высокого содержания радиогенных форм стронция в окружающей среде. Долгосрочная токсичность стронцием вызывает «стронциевый рахит» - недостаточная минерализация скелета даже при наличии достаточного количества кальция и витамина Б.

Основной целью исследования являлось проведение комплексного анализа аккумуляции и распределения тяжелых металлов в тканях и внутренних органах лососевых рыб в основных нерестовых водоемах Ленинградской области.

Объектами исследования являлись лососевые рыбы Ленинградской области, а именно, атлантический лосось. Предметов исследования являлась аккумуляция тяжелых металлов во внутренних органах исследуемых видов.

При проведении исследований по определению тяжелых металлов использовались три метода анализа: рентгенофлуоресцентный анализ (РФА), вольтамперометрия и капиллярный электрофорез.

Отбор проб тканей атлантического лосося производился от диких производителей рыб, отловленных для искусственного воспроизводства на Невском рыбоводном заводе (р. Нева). У диких производителей были взяты пробы печени, почек, гонад и нкры для дальнейшего анализа.

Данные по содержанию тяжелых металлов в тканях производителей атлантического лосося, отловленного в р. Неве представлены в таблице.

Таблица. Накопление тяжелых металлов в тканях атлантического лосося, р. Нева

Тяжелые металлы Количественное содержание тяжелых металлов, мг/кг

печень почки гонады икра

Медь Си 2,98 0,36 0,50 14,81

Кадмий С<1 0,10 0,39 0,01 0,53

Свинец РЬ 0,15 0,19 0,30 20,83

Стронций Эг 18,00 22,00 31,00 12,00

Мышьяк Аб 6,00 5,00 3,00 6,00

Цинк 220,00 183,00 56,00 104,00

Исходя из полученных данных, центром накопления цинка, мышьяка и меди у атлантического лосося, отловленного для искусственного воспроизводства на р. Нева, является печень. Для стронция и свинца центром накопления являются гонады, для кадмия -почки (рис. 1).

1п Аб

220,00

183,00

5,00

3,00

0% 20% 40% 60%

ЕЭ печень почки 0 гонады

0,36 0,50 I 80% 100%

Рис. 1. Нормированная диаграмма распределения тяжелых металлов в тканях атлантического лосося (р. Нева)

При сравнении концентрации тяжелых металлов в центрах накопления атлантического лосося и их содержанием в икре (рис. 2), согласно полученным данным, практические все исследуемые тяжелые металлы (кроме стронция и щшка) в атлантическом лососе получили наибольшее концентрирование в икре - это говорит о том, что общее состояние накопления тяжелых металлов в организме производителя влияет на уровень накопления тяжелых металлов в потомстве (икре), причем в большинстве случаев содержание тяжелых металлов в икре в несколько раз превышает их количественное содержание в центрах накопления.

zn As sr Pb Cd Cu

104,00

6,00

12,00

220,00

31,00

¡,00

20,83

0 30

0,53

0,39

14,81

2,98

20% 40% 60% 80% 100%

Концентрации TM в икре Концентрации TM в центрах накопления

Рис. 2. Сравнительная оценка накопления тяжелых металлов в центрах накопления и икре атлантического лосося, отловленного в р. Нева

Примечательным является случай накопления мышьяка у атлантического лосося -мышьяк имеет одинаковое распределение как в центре накопления (печени), так и в икре. А аккумуляция свинца в икре атлантического лосося, в десятки раз превышает его концентрации в центре накошення.

Полученные результаты свидетельствуют о допустимости и целесообразности восстановления исследуемых популяций диких лососевых до промысловых значений, но при этом строго необходим регулярный мониторинг содержания щшка и стронция в водоемах нереста и нагула. Полученные зависимости аккумуляции и распределения тяжелых металлов внутри исследуемой группы и выявленные закономерности накопления тяжелых металлов могут послужить научной базой для более эффективного контроля безопасности рыбоводной продукции диких лососей Северо-запада России и обеспечения ее высокого качества.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Орипова Азиза Алишеровна, 2021 год

Литература

1. Алабастер Дж., Ллойд Р. Критерии качества воды для пресноводных рыб. - М.: Легк. и пищ. пром-сть, 1984. -344 с.

2. Ларский Э.Г. Методы определения и метаболизм металло-белковых комплексов. - М.: ВИНИТИ, 1990. - 197 с.

3. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lielcom.fi/Lists/Publications/BSEPl 20В pdf (дата обращения: 06.01.2019).

4. Tiemey КВ., Baldwin D.H., Нага T.J., Ross P.S., Scholz N.L. and Kennedy C.J. Olfactory toxicity in fishes // Aquatic Toxicology. - 2010. - V. 96(1). - P. 2-26.

5. Hansen J.A., Welsh P.G., Lipton J. and Suedkamp M.J. The effects of long-term cadmium exposure on the growth and survival of juvenile bull trout (Salvelinus confleuentus) // Aquat.Toxicol. - 2002. -V. 58. - P. 165-174.