PL247744B1 - Sposób obróbki solanki pozostałej po procesie solenia lub marynowania lub nasalania - Google Patents

Abstract

Sposób obróbki solanki pozostałej po procesie solenia lub marynowania lub nasalania mięsa, zwłaszcza ryb, z wykorzystaniem mikrofiltracji charakteryzuje się tym, że z solanki usuwa się cząstki stałe tkanki mięśniowej i tłuszcz za pomocą filtracji swobodnej z użyciem filtra 1,0 - 0,1 mm, następnie zmienia się pH solanki i strąca się izoelektrycznie białka rozpuszczone w solance, a po osiągnięciu pH 1,0 - 3,5 lub 7,5 – 14,0 solanki usuwa się białka stosując wirowanie o sile minimum 2000 g lub filtrację swobodną. Drugi raz zmienia się pH solanki na przeciwne niż wcześniej zastosowane i strąca się izoelektrycznie białka rozpuszczone w solance, a po osiągnięciu odpowiednio pH 1,0 - 3,5 lub 7,5 – 14,0 solanki usuwa się białka stosując wirowanie o sile minimum 2000 g lub filtrację swobodną. Po czym solankę poddaje się mikrofiltracji przy użyciu filtra o porowatości 0,5 - 0,1 µm.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki solanki pozostałej po procesie solenia lub marynowania lub nasalania mięsa, zwłaszcza ryb. Uzyskaną oczyszczoną solankę można ponownie zastosować w produkcji, zaś białko wykorzystać do poprawy żywności lub paszy.

W europejskim, a szczególnie w polskim, przemyśle rybnym śledź (i inne ryby śledziowate) jest jedną z najczęściej przetwarzanych ryb. Produkuje się z niego głównie ryby marynowane, solone i konserwy. Procesy marynowania, solenia i solankowania wykonuje się w zbiornikach wypełnionych najczęściej kwaśną solanką (zwane również solanka, kąpiel, kąpiel marynująca, garbat), która po użyciu jest wylewana do ścieków. Kąpiele i solanki są wykorzystywane w ponad 30% przetwórni rybnych, gdzie powstaje ok. 60% nowoczesnych produktów rybnych. Zrzuty olbrzymiej ilości tych ścieków zawierają sól, kwas i materiał biologiczny (Gudelis-Matys K. 2003. Oczyszczanie ścieków w przemyśle rybnym dlaczego warto oczyszczać ścieki. Mag. Przem. Ryb. 5, 35, 12-13.), przez to ścieki te są niechętnie przyjmowane przez miejscowe oczyszczalnie ścieków. Dlatego od wielu lat coraz większym problemem dla zakładów rybnych stają się poprodukcyjne kwaśne solanki (Urbaniec K. 2004. Gospodarka odpadami i ściekami w produkcji żywności. Przem. Spoż. 11, 54-55.). Znacząco obciążają one środowisko naturalne oraz finanse zakładu. Wytworzenie nowej i utylizacja starej kąpieli marynującej stanowi ok. 10-15% kosztu gotowego produktu marynat śledziowych. Jeszcze wyższe koszty odprowadzania ścieków są w przypadku zakładów w miejscowościach bez oczyszczalni, a takich zakładów nadal jest dużo. Problem ten urósł po wejściu Polski do Unii Europejskiej i zaostrzeniu wymagań dotyczących ochrony środowiska. W przemyśle nadal poprodukcyjną kąpiel postrzega się jako odpad. Analiza SWOT branży przetwórstwa rybnego w Polsce wskazała na trzy zagrożenia: duża konkurencja ze strony europejskich przetwórców ryb, wysokie koszty dostosowania do standardów ochrony środowiska oraz wzrost wymagań konsumentów (Koszarek M. 2006. Przetwórstwo ryb /w:/ Wstępna analiza trzech potencjalnych klastrów w województwie zachodniopomorskim (Ed. S. Szultka), Instytut Badań nad Gospodarką Rynkową).

Największym problemem jest kąpiel marynująca (solanka po marynowaniu), która zawiera znacznie więcej substancji azotowych, w tym białka, w porównaniu do solanki pozostałej po minimum kilkudniowym soleniu, a szczególnie w porównaniu do solanki używanej kilka godzin, które zawierają najmniej azotu (Szymczak M., Tokarczyk G., Felisiak K. 2015. Marinating and salting of herring, nitrogen compounds' changes in meat and brine, In: Processing and Impact on Active Components in Food (Ed. Preedy V.), Academic Press, USA, Elsevier (http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-404699-3.00053-6), chapter 53:439-445). Marynowanie ryb jest złożonym procesem dojrzewania mięsa. Pokrótce, kwas octowy i sól wnikają do ryby, powodując pęcznienie, rozpuszczanie, hydrolizę, wysalanie i denaturację różnych białek. Wraz z upływem czasu w mięsie wzrasta stężenie soli i kwasu, a maleje wartość pH, aktywowane zostają proteazy mięśniowe, dzięki którym powstają produkty hydrolizy białek (PHB), czyli wolne aminokwasy, oligopeptydy i polipeptydy, które tworzą azot niebiałkowy (Shenderyuk V.I., Bykowski P.J. 1990. Salting and marinating of fish. In: Sikorski ZE, editor, Seafood: resources, nutritional composition, and preservation. BocaRaton, FL: CRC Press, Inc. p 147-62.; Sikorski Z.E. 2004. Solenie i marynowanie ryb, w: Ryby i bezkręgowce morskie. Pozyskiwanie, właściwości i przetwarzanie. Warszawa: WNT, 203-29; Kołakowski E. 2009. Postępy w technologii solenia i marynowania ryb. Informator dla przedsiębiorców. Projekt “Transfer wiedzy z zakresu innowacyjnych technik hodowli i technologii przetwórstwa ryb z uczelni wyższej do sektora rybołówstwa”.). Te związki azotowe mają również cenne właściwości biologiczne. Zgodnie z prawami m.in. Ficka i van ‘t Hoffa podczas marynowania pomiędzy kąpielą a mięsem wyrównują się stężenia soli i kwasu oraz innych związków azotowych powstających w mięsie. Kwas i sól w stężeniach stosowanych w przetwórstwie ryb mają właściwości ługujące, przez co część białek ulega wyekstrahowaniu z tkanki mięśniowej do solanki, zaś inna część białek ulega oderwaniu podczas mieszania ryb w solankach. Straty substancji azotowych ze śledzi do kąpieli stanowią aż 10-25% ich udziału w surowcu, przy czym azot białkowy stanowi około połowę azotu całkowitego (Szymczak M., Kołakowski E. 2012. Losses of nitrogen fractions from herring to brine during marinating. Food Chemistry 132, 1:237-43).

Ponowne użycie solanki w produkcji oznaczałoby przede wszystkim obniżenie zużycia kosztów wody, soli, kwasów i innych substancji używanych w produkcji. Dlatego już w XIX wieku regenerację kąpieli poprodukcyjnej próbowano realizować poprzez ogrzewanie kąpieli, które jest nieekonomiczne i niszczy biologicznie-funkcjonalnie aktywne związki (Meyer V. 1965. Marinades, In Fish as Food, (ed.

Borgstrom G.) Academic Press, New York.). W XX wieku do usuwania zanieczyszczeń z kąpieli próbowano zastosować metody konwencjonalne, jak wirowanie, suszenie bębnowe czy odparowanie, które są również nieekonomiczne (Ziemińska H. 1986. Ścieki przemysłu rybnego - charakterystyka, oczyszczanie i wykorzystanie. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, nr 390, Chemia XXVII.; Haba A., Szoplik D. 1994. Skuteczność oczyszczania ścieków z przetwórstwa ryb w procesach mikroflotacji i elektroflotacji. Gaz, Woda i Technika Sanitarna Nr 4.; Usydus Z. 1997. Oczyszczanie ścieków przemysłu rybnego. Mag. Przem. Ryb. nr 1(1).; Araś F. 2001. Zagospodarowanie zużytych solanek - konieczność czy interes? Mag Przem Ryb, 2, 50-51.). Z kolei stosowanie flotacji (ciśnieniowej i elektroflotacji) oraz koagulacji połączonej z flokulacją powoduje problemy z koniecznością zagospodarowania dużych ilości osadów powstających w tych procesach oraz wysokie koszty inwestycyjne i rozruchowe. Dodatkowo białko usuwane ze ścieków tymi metodami nie może być odzyskane i ponownie użyte do produkcji żywności. Od kilku lat trwają badania nad zastosowaniem technik ultrafiltracji i nanofiltracji w technologii rybnej w celu oczyszczania solanek (Alfonso M.D., Borques R.. 2002. Nanofiltration of wastewaters from the fish meal industry. Desalination 151, 131-138.; Casani S., Leth T., Knochel S.. 2006. Water reuse in a shrimp processing line: Safety considerations using HACCP approach. Food Control 17, 540-550.; Kuca M., Szaniawska D. 2009. Application of ceramic membranes for treatment of salted aqueous effluents from fish processing. Desalination, 241, 227-235.; Saxena A., Tripathi B.P., Kumar M., Shahi W.K. 2009. Membrane-based techniques for the separation and purification of protein: An review. Advances in Colloid and Interface Science, 145,1-22.). Procesy filtracji są szeroko wykorzystywane w wielu dziedzinach przemysłu spożywczego, ponieważ filtracja wykorzystuje fizyczną podstawę separacji, a w związku z tym ma niską energochłonność; proces rozdzielania zachodzi bez konieczności dodawania substancji chemicznych; nie wpływa na zmianę właściwości fizycznych i biologicznych rozdzielanych związków; gwarantuje dużą wydajność w stosunku do innych metod (Witrowa-Rajchert D. 2001. Procesy membranowe w technologii żywności. Przem. Spoż. 8, 52-55.; Pietraszek M. 2001. Nanofiltracja - nowoczesne technologie membranowe w uzdatnianiu wody i oczyszczaniu ścieków w przemyśle spożywczym. Przem. Spoż. 8, 58-59.; Bednarski W., Fiedurka J. 2007. Podstawy biotechnologii przemysłowej. WNT, Warszawa.). Są to techniki predestynowane do zastosowań proekologicznych oraz w technologii żywności. Ostatnie badania z zastosowaniem wysokociśnieniowych metod ultrafiltracji solanek i kąpieli były wykonane przez Nędzarka (Nedzarek, A., Drost, A., Tórz, A., BogusławskaWąs, E. 2017. The use of a micro- and ultrafiltration cascade system for the recovery of protein, fat, and purified marinating brine from brine used for herring marination. Food and Bioproducts Processing. 106. 10.1016/j.fbp.2017.09.001.) Wyniki tych badań oraz osobiste doświadczenie autorów pokazało, że użyte systemy i metody były w stanie przefiltrować stosunkowo nieduże objętości solanki w stosunku do objętości aparatu, gdyż bardzo szybko zapychały się membrany, co nie spełnia nawet minimalnych wymagań przemysłu rybnego. Według naszej wiedzy problem zapychania membran podczas ultrafiltracji solanek i kąpieli jest wynikiem zbyt dużej zawartość rozpuszczonego białka (niewidocznego gołym okiem). Ponadto innym problemem zachodzącym podczas ultrafiltracji solanek jest wysoka temperatura na granicy fazy ciecz-membrana, która denaturuje substancje białkowe, pomimo stosowania układu chłodzenia w tych aparatach. Prawdopodobnie denaturacja tych białek zwiększa efekt zapychania membran. Wstępne badania własne niepublikowane pokazały, że podczas ultrafiltracji solanki zachodzi prawie całkowita inaktywacja proteaz mięśniowych. Membranowe systemy ciśnieniowe, takie jak ultrafiltracja, nanofiltracja i odwrócona osmoza, były również stosowane do odzyskiwania białek z wody do przetwarzania drobiu (Białas, W., Stangierski, J., & Konieczny, P. 2015. Protein and water recovery from poultry processing wastewater integrating microfiltration, ultrafiltration and vacuum membrane distillation. International Journal of Environmental Science and Technology, 12(6), 1875-1888.), wodę procesową do izolacji białek sojowych (Cassini, A. S., Tessaro, I. C., Marczak, L. D. F., & Pertile, C. 2010. Ultrafiltration of wastewater from isolated soy protein production: A comparison of three UF membranes. Journal of Cleaner Production, 18(3), 260-265.) czy ścieki z sera cheddar (Adams, M. C., Zulewska, J., & Barbano, D. M. 2013. Effect of annatto addition and bleaching treatments on ultrafiltration flux during production of 80% whey protein concentrate and 80% serum protein concentrate. Journal of Dairy Science, 96(4), 2035-2047). Procesy membranowe nie wymagają wstępnej obróbki flokulantami/koagulantami, ale nieuchronnie pociągają za sobą fouling (placek filtracyjny, warstwa np. białka na powierzchni membrany), który jest główną przeszkodą w osiągnięciu wydajności separacji (Hube, S., Eskafi, M., Hrafnkelsdóttir, K. F., Bjarnadóttir, B., Bjarnadóttir, M. A., Axelsdottir, S., & Wu, B. 2020. Direct membrane filtration for wastewater treatment and resource recovery: A review. Science of the Total Environment, 710, 136375.).

PL 247744 Β1

Znacznie tańszą i szybszą metodą od ultrafiltracji jest mikrofiltracja, użycie której nie wymaga specjalistycznej aparatury. W mikrofiltracji najczęściej stosuje się tanie jednokrotnego użytku filtry workowe o określonej średnicy porów od 100 do 0,1 μίτι. Metoda mikrofiltracji stosując fi Itry 0,2 pm pozwala na eliminację zagrożenia mikrobiologicznego (tzw. zimna sterylizacja), a jednocześnie pozwala wykorzystać właściwości funkcjonalne enzymów i peptydów w kąpieli. Badania Szymczaka pokazały, że zastosowanie mikrofiltracji do oczyszczenia kąpieli marynującej, którą następnie użyto do marynowania śledzi zamiast czystej kąpieli, spowodowało poprawę dojrzewania mięsa, zwiększyło ocenę sensoryczną marynat oraz obniżyło stopień utlenienia lipidów w mięsie marynat (Szymczak M., Felisiak K., Szymczak B. 2018. Characteristics of herring marinated in reused brines after microfiltration. Journal of Food Science and Technology - Mysore, 55(11), 4395-4405, https://doi.org/10.1007/s13197-018-3343- 3). Pozytywny wpływ proteaz i biologicznie aktywnych peptydów występujących w kąpieli po mikrofiltracji został również zauważony w przypadku ryb nieśledziowatych (pstrąg, łosoś, dorsz i karp), które ze względu na niską aktywność endogennych proteaz mięśniowych są oporne na marynowanie (Sposób marynowania ryb morskich i słodkowodnych opornych na marynowanie, Szymczak M., Felisiak K., Szymczak B., Tokarczyk G., patent przyznany 23.11.2020, nr P.426641; Szymczak M., Felisiak K., Tokarczyk G., Szymczak B. 2019. The reuse of brine to enhance the ripening of marinę and freshwater fish resistant to marinating. International Journal of Food Science & Technology, https://doi.orq/10.1111/ijfs.14034). Niestety badania te zostały wykonane tylko w skali laboratoryjnej wykorzystując małe filtry strzykawkowe do małych objętości prób, gdyż dotychczas nie była znana metoda mikrofiltracji solanek bez stosowania wysokiego ciśnienia lub podciśnienia.

Z uwagi na to, że głównym powodem zapychania się membran podczas filtracji (ultrafiltracji lub mikrofiltracji) solanki jest wysoka zawartość białka i jego denaturacja na powierzchni membran, rozpuszczalne białko powinno być usunięte z solanki przed jej filtracją. Dlatego też została opracowana metoda usuwania białka z solanek polegająca na izoelektrycznym wytracaniu białka i jego odwirowaniu z solanki. Zbliżona metoda polegająca na odzysku białek mięśniowych z różnych surowców, włączając ryby nazywana jest pH-shift w Europie, zaś w USA ten proces jest nazywany izoelektrycznym rozpuszczaniem i wytrącaniem (ISP). Nazwa ISP lepiej oddaje kwestię metodyczną. Izoelektryczne rozpuszczanie-strącanie (ISP) jest procesem odzyskiwania białka, który rozpuszcza (solubilizuje) i wytrąca (precypituje) białko w roztworze wodnym (np.: solance) w oparciu o jego zachowanie izoelektryczne przy zmianie wartości pH (Matak, K.E., Tahergorabi, R., Jaczynski, J. 2015. A review: Protein isolates recovered by isoelectric solubilization/precipitation processing from musclefood by-products as a component of nutraceutical foods. Food Research International, 77). Z jednej strony białko ma tendencję do agregacji w roztworze (np. solance), gdy wartość pH roztworu jest na poziomie punktu izoelektrycznego (pl) białka, ze względu na dominujące oddziaływania hydrofobowe białko-białko. Z drugiej strony, białko staje się rozpuszczalne w roztworze (np. solance), gdy wartość pH jest dalekie od pl białka, ze względu na dominujące przyciąganie elektrostatyczne białko-woda. Podczas gdy białko jest rozpuszczane, to można je oddzielić od lipidów i innych nierozpuszczalnych składników w roztworze np. w solance (Shi, L., Beamer, S.K., Yin, T., Matak, K.E., Yang, EL, Jaczynski, J. 2017. Mass balance for isoelectric solubilization/precipitation of carp, chicken, menhaden, and krill. LWT-Food Science and Technology, 81, 26-34). Metodę ISP z różnymi zmianami stosuje się do produkcji preparatów białek sojowych oraz kolagenu, które powszechnie wykorzystuje się na świecie w przemyśle spożywczym. Otrzymywanie izolatów białka metodą ISP z surowców ubocznych ryb jest dość dobrze znane i opisane w literaturze naukowej (Gehring, C.K., Gigliotti, J.C., Moritz, J.S., Tou, J.C., Jaczynski, J. 2011. Functional and nutritional characteristics of proteins and lipids recovered by isoelectric processing of fish by-products and low-value fish: A review. Food chemistry, 124(2), 422-431; Matak, K.E., Tahergorabi, R., Jaczynski, J. 2015. A review: Protein isolates recovered by isoelectric solubilization/precipitation processing from musclefood by-products as a component of nutraceutical foods. Food Research International, 77). Klasyczna metoda ISP polega na rozpuszczaniu zmielonego białka-surowca mięsnego w jednym ze skrajnych pH, najczęściej w pH 2,0 lub pH 12,0, a po odwirowaniu nierozpuszczalnych substancji wykonuje się strącanie rozpuszczonego białka w pl, najczęściej w okolicach pH 5,5. Zatem w klasycznej metodzie nigdy nie stosuje się jednocześnie rozpuszczania białka stosując dwa skrajne pH, a zastosowane wartości pH mogą przybrać warianty 2,0+5,5 lub 12,0+5,5. Z kolei w przypadku opisanego sposobu usuwania białek z solanek stosuje się odwrócone podejście, czyli wytrącanie w skrajnych wartościach pH. Jest to spowodowane tym, że białko obecne w solankach uległo częściowemu rozpuszczeniu w pH 4,04,5 (dla ryb marynowanych) lub 5,5-6,0 (dla ryb solonych), czyli w pH zbliżonym do pl białek mięśnio wych 5,5. To sugeruje że w solankach występują białka inne niż mięśniowe oraz białka mięśniowe poddane odwracalnym i nieodwracalnym zmianom strukturalnym (konformacji) i modyfikacjom (proteoliza, buforowanie). Te zmiany i modyfikacje przesuwają charakterystykę rozpuszczania białek mięśniowych lub nie- mięśniowych do innych zakresów pH odnośnie rozpuszczania i wytrącania. Dodatkowo, częściowy wpływ na przesunięcie pI białek ma wzrost stężenia soli w solankach (Chen, Y.C., Jaczynski, J. 2007. Protein recovery from rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) processing by-products via isoelectric solubilization/precipitation and its gelation properties as affected by functional additives. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 55(22):9079-9088). Wydajność odzysku białka jest krytycznym parametrem do rozpoczęcia określenia ekonomicznej wykonalności nowej technologii. Klasyczna metoda ISP skutkuje stosunkowo wysokim odzyskiem białek z rybnych surowców ubocznych. Rozpuszczanie w środowisku zasadowym zwykle powoduje wyższy odzysk białka niż w środowisku kwaśnym. Wydajność odzysku białka dla klasycznej metody ISP podawana w literaturze wynosi w zakresie 42-90% (Kristinsson, H.G., Liang, Y. 2006. Effect of pH-shift processing and surimi processing on Atlantic croaker (Micropogonias undulates) muscle proteins. Journal of Food Science, 71, 304-312). Rozpiętość wyników może być spowodowana różnymi metodami stosowanymi do oznaczania stężenia białek i wydajności odzysku, różnym gatunkiem ryb, siły wirowania stosowanej podczas ISP oraz względnego stężenia rozpuszczalnych w wodzie białek sarkoplazmatycznych. Białka sarkoplazmatyczne są tylko częściowo odzyskiwane w metodzie ISP (Chen, Y.C., Jaczynski, J. 2007. Protein recovery from rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) processing by-products via isoelectric solubilization/precipitation and its gelation properties as affected by functional additives. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 55(22), 90799088). Obecnie na rynku nie występują komercyjne urządzenia lub metody filtracji solanek o wysokiej zawartości azotu, szczególnie białka rozpuszczalnego. Badania naukowe prowadzone przez różne zespoły nie doprowadziły do powstania sposobu wydajnego i taniego filtrowania takich solanek. Wydaje się, że było to spowodowane nieprawidłowym podejściem do problemu, gdyż wszystkie te zespoły starały się usunąć z solanek nie tylko białko ale również związki niebiałkowe (peptydy), aby odzyskać tylko wodę, sól i kwasy organiczne. W tym celu zespoły te stosowały ultrafiltrację z użyciem membran ceramicznych lub z tworzyw sztucznych, które bardzo szybko ulegały zapchaniu / zablokowaniu, pomimo stosowania kaskadowego filtrowania, co uniemożliwiało dalszą filtrację. W metodach tych starano się jednocześnie usuwać rozpuszczone białka metodą fizyczną (filtracja) oraz peptydy z solanki. Solanki zawierają zbyt dużo rozpuszczonego białka aby usunąć je za pomocą filtracji, zaś peptydy powinny pozostać w solance, gdyż mają właściwości bioaktywne i poprawiają jakość sensoryczną i trwałość marynat (Szymczak M., Felisiak K., Szymczak B. 2018. Characteristics of herring marinated in reused brines after microfiltration. Journal of Food Science and Technology - Mysore, 55(11), 4395-4405). Albertos i in. (2016) zastosował strącanie białek rozpuszczalnych w solance po soleniu śledzi (nie po marynowaniu) stosując pH 2,0 lub 12,0 do usunięcia zawiesiny i białka (Albertos I., Gringer N., Rico D., Baron C. P. 2016. Salted herring brine as a coating or additive for herring (Clupea harengus) products — A source of natural antioxidants? Innovative Food Science & Emerging Technologies, 37, Part B, 286292). Po tych zabiegach solanka nie była poddawana filtracji. W badaniach tych nie zastosowano jednocześnie obu skrajnych pH i nie określono wpływu kolejności obu etapów na przebieg filtracji solanek. Badania te nie stanowią zatem żadnej części rozwiązań przedstawionych w niniejszym zgłoszeniu patentowym.

Sposób obróbki solanki pozostałej po procesie solenia lub marynowania lub nasalania mięsa, zwłaszcza ryb, według wynalazku, z wykorzystaniem mikrofiltracji, charakteryzuje się tym, że z solanki usuwa się cząstki stałe tkanki mięśniowej i tłuszcz (tłuszcz, kawałki mięsa, ewentualnie również usuwa się zawiesinę białek i lipoproteiny) za pomocą filtracji swobodnej (grawitacyjnej) z użyciem filtra 1,0-0,1 mm, następnie zmienia się pH solanki i strąca się izoelektrycznie białka rozpuszczone w solance, a po osiągnięciu pH 1,0-3,5 (najlepiej 2,5) lub 7,5-14,0 (najlepiej 10,0) solanki usuwa się z niej białka stosując wirowanie o sile minimum 2000 g lub filtrację swobodną. Po pierwszym cyklu zmiany pH solanki i usunięciu białka drugi raz zmienia się pH solanki na przeciwne niż wcześniej zastosowane (jeżeli za pierwszym razem zastosowano pH zasadowe to w drugiej stosuje się kwaśne i odwrotnie czyli najpierw kwaśne a następnie zasadowe) i strąca się izoelektrycznie białka rozpuszczone w solance. Po osiągnięciu odpowiednio pH 1,0-3,5 lub 7,5-14,0 solanki usuwa się białka stosując wirowanie o sile minimum 2000 g lub filtrację swobodną. Zastosowanie środowiska zasadowego jako ostatniego ułatwia w kolejnym kroku mikrofiltrację. Zastosowanie trzeciej zmiany pH solanki nie spowoduje wytrącania białka. Po czym solankę poddaje się mikrofiltracji przy użyciu filtra o porowatości 0,5-0,1 μm (najlepiej 0,2 μm) oraz wykorzystując nieduże ciśnienie lub podciśnienie w układzie filtrującym. Mikrofiltracja maksymalnie przy

0,2 μm nazywana jest również zimną sterylizacją, która umożliwia usunięcie większości bakterii. Te bakterie, jeśli nie są usunięte, uniemożliwiają ponowne zastosowanie solanki w przemyśle. Według sposobu z wynalazku rozpuszczalne białka w solance są usuwane metodą chemiczną (strącanie izoelektryczne), zaś peptydy są pozostawione w solance, a na koniec stosowana jest mikrofiltracja, aby usunąć zagrożenie mikrobiologiczne. Zastosowanie strącania w obu skrajnych pH bez etapu mikrofiltracji można także stosować do zmniejszenia ładunku biologicznego różnych solanek/ścieków z przemysłu spożywczego. Zaletą tej metody będzie zarówno zmniejszenie ilości substancji azotowych (obniżenie wskaźników chemicznego i biologicznego zapotrzebowania na tlen) oraz zmniejszenie liczby drobnoustrojów w solankach o kilka logarytmów, co często oznacza całkowitą eliminację bakterii, które stanowią konkurencję dla bakterii dodawanych do ścieków (preparaty bakterii oczyszczające ścieki), które przyspieszają oczyszczanie ścieków. Oba zjawiska są korzystne dla szybszego oczyszczania ścieków. Zwykle im bardziej jest skrajne pH, tym większa jest wydajność strącania białka, jednak w przypadku solanek kwaśnych większość białka wytrącono w środowisku kwaśnym przy minimum 3,5 a najlepiej 2,5, zaś w środowisku zasadowym stosując minimum 7,0 a najlepiej 10,0. Korzystnie do zmiany pH solanki stosuje się kwas nieorganiczny (np. kwas solny) lub kwas organiczny (np. kwas octowy, winowy itp.) lub wodorotlenek sodu lub wodorotlenek potasu lub wodorotlenek wapnia. Dla przykładu sposób ten można także zastosować do usuwania białka z wody pozostałej po produkcji surimi metodą tradycyjną (płukanie mięsa) stosując oba skrajne pH. Po uzyskaniu/doprowadzeniu pH kwaśnego lub zasadowego następuje samoczynne wytrącanie białek z kąpieli. Różne białka wymagają różnych czasów na wytrącenie, ale prawie wszystkie białka wytrącają się po około 15 minutach, czasami tylko w pH kwaśnym warto wydłużyć czas do 30-60 min, aby wytrącić wszystkie białka trudniej strącane. Podczas etapu strącania w kwaśnym pH proteazy obecne w solance hydrolizują białka na peptydy. Dlatego wydłużając czas strącania białek korzystnie wydłuża się czas aktywności proteaz w solance o pH 1,0-3,5, aby zwiększyć w niej udział peptydów. Pozwala to na uzyskanie solanki, która po wytrącaniu białek, zawiera jak najwięcej peptydów, które mają cenne biologicznie aktywne właściwości np. przeciwutleniające, przez co otrzymane i zastosowane ponownie solanki będą chronić lipidy w rybach przed utlenianiem.

Sposób według wynalazku pozwala na dalsze wykorzystanie zużytej solanki w taki sposób, że białko wytrącone z solanki można użyć do produkcji żywności lub paszy a przefiltrowaną solankę można ponownie zastosować w produkcji po uzupełnieniu o wymagane substancje i po dostosowaniu pH solanki do wymaganej wartości (zgodnie z wymaganiami procesu technologicznego, w którym ma być zastosowana odfiltrowana solanka). Zaletą sposobu jest usunięcie większości białek rozpuszczonych w solance, które szybko zapychają mikrofiltry i uniemożliwiają wykonanie filtracji nawet w wysokociśnieniowych aparatach. Solanka przygotowana według sposobu poddaje się mikrofiltracji z szybkością zbliżoną do filtracji wody dejonizowanej. Z kolei zawartość peptydów i aminokwasów w uzyskanej solance według sposobu pozostaje nie obniżona, co jest zaletą, gdyż substancje te wykazują aktywność biologiczną, np. przeciwutleniającą i hamującą utlenianie lipidów w rybach. Bez zmian pozostaje również zawartość soli i kwasu, które należy tylko uzupełnić do wymaganego poziomu, przed ponownym użyciem solanki. Usuwanie strąconych białek w solance na etapie izoelektrycznego strącania według sposobu można wykonać stosując tanie w kupnie i użyciu wirówki do mleka lub filtrację grawitacyjną, co znacząco obniża koszty całej instalacji. Metoda strącania białek za pomocą kwasu i ługu ma przyznany status GRAS przez Amerykańską Agencję Żywności i Leków (FDA. 2004. Agency Response Letter GRAS Notice No. GRN 000147). Metoda ta nie wpływa na zmianę i właściwości technologiczne solanek, które po uzupełnieniu wybranych substancji można ponownie użyć do produkcji żywności. Odzyskane białko po filtracji / oczyszczaniu solanek ma właściwości technologiczne (wodochłonność, olejochłonność, emulgowanie, pianotwórczość), przez co ma zastosowanie w produkcji żywności. Białko to nie ma aktywności proteaz, które mogły by obniżyć jakość technologiczną uzyskanych preparatów białek. Etap izoelektrycznego strącania składa się z dwóch etapów strącania w środowisku kwaśnym i zasadowym, które można zastosować w dowolnej kolejności. Proces strącania izoelektrycznego zastosowany w wynalazku jest stosunkowo prosty i zautomatyzowany w przemyśle spożywczym (Jaczynski J. 2010. Continuous protein and lipid recovery from food animal processing byproducts. U.S. Patent and Trademark Office. Patent number 7,763,717). Etap usuwania wytrąconego białka w solance można wykonać łatwo dostępnymi wirówkami lub za pomocą filtracji grawitacyjnej, gdyż do rozdzielenia od siebie są tylko dwie frakcje: ciecz i białko bez udziału lipidów, w przypadku których do oddzielania potrzebna jest droga wirówka typu trikanter. Najważniejszą zaletą opisanego sposobu jest to, że solanka po usunięciu rozpuszczalnych białek poddaje się bardzo łatwo mikrofiltracji przy zastosowaniu podciśnienia bliskiemu ciśnieniu atmosferycznemu, przez co pozostaje duży zapas do obniżenia podciśnienia, które można użyć w miarę filtrowania dużych objętości solanki i pojawiania się foulingu na filtrze. Do usuwania białek nie trzeba dodawać substancji koagulujących, które pozostają w białku i solance, przez co staje się ograniczona możliwość późniejszego ich wykorzystania w produkcji żywności. Dodatkową zaletą sposobu jest to, że wytrącone białko z solanki ma właściwości technologiczne, dzięki czemu można je użyć do produkcji żywności lub pasz. Sposób umożliwia również odzyskanie biologicznie aktywnych peptydów i aminokwasów, które mogą pełnić różne funkcje po ponownym użyciu solanek w produkcji żywności, np.: obniżenie utleniania lipidów i białek, poprawa smaku i wartości odżywczej, ograniczenie straty peptydów z mięsa do solanek i poprawa wodochłonności mięsa. Oczyszczoną solankę można wielokrotnie używać w zakładzie, co przyczyni się do zmniejszenia zużycia wody, ilości ścieków i obciążenia oczyszczalni ścieków. Z kolei zastosowanie opisanego sposobu przed skierowaniem solanek do oczyszczania ścieków spowoduje szybsze procesy oczyszczania ze względu na mniejszy ładunek biologiczny i inaktywacje mikroorganizmów.

Sposób według wynalazku przedstawiono w poniższym przykładzie wykonania i na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia masę mokrego białka wytrąconą z kąpieli marynującej przy różnej wartości pH; Fig. 2 pokazuje zawartość białka w mokrych osadach wytrąconych z kąpieli marynującej przy różnym pH oznaczone metodą BCA; Fig. 3 pokazuje zawartość białka w mokrych osadach wytrąconych z kąpieli marynującej przy różnym pH oznaczone metodą Lowry.

Tabela 1 przedstawia przykładową wydajność otrzymywania preparatów białkowych oraz zawartość w nim białka, wody i suchej masy w zależności od środowiska strącania;

Tabela 2 zawartość azotu całkowitego, niebiałkowego, białkowego oraz frakcji peptydów i aminokwasów w kąpieli A-E;

Tabela 3 przedstawia czas (minuty, sekundy) filtracji wody i kąpieli A-E przez filtr 0,2 μm.

Przykład

Surowcem do badań była kąpiel marynująca otrzymana po 7 dobach marynowania mrożonychrozmrożonych filetów śledzia bałtyckiego. Kąpiel przefiltrowano przez sitko kuchenne aby usunąć kawałki tkanki mięśniowej uzyskując kąpiel surową (A). Kąpiel następnie przefiltrowano grawitacyjnie przez sączek z bibuły miękkiej do analiz jakościowych (porowatość 10-20 μm), aby usunąć zawiesinę i lipidy i uzyskano kąpiel klarowną (B).

Aby wyznaczyć minimalną wartość pH do strącania izoelektrycznego białka w klarownej kąpieli mieszanej przy użyciu mieszadła magnetycznego, zmieniano pH w zakresie od 2,0 do 12,5 co pół jednostki, dodając z biurety miarowej odpowiednio 1-3 N HCl lub 1-3 N NaOH. Po ustawieniu żądanej wartości pH pobierano 10 ml próby do probówki, które po 15 min odwirowano przez 10 min przy 9000 g. W otrzymanym osadzie oznaczano zawartość białka metodami kolorymetrycznymi stosując zestawy i metodykę podaną przez producenta metody BCA (Pierce™ BCA Protein Assay Kit, Catalog number: 23225, Thermo Scientific Pierce®, Rockford) oraz metody Lowry (Pierce™ Modified Lowry Protein Assay Kit, Catalog number: 23240).

Aby wyznaczyć wpływ strącania izoelektrycznego białek na wydajność mikrofiltracji przygotowano trzy osobne próby po 100 ml kąpieli klarownej (kąpiel B), które:

• doprowadzano do pH 2,0 i po 15 min odwirowano zawiesinę białka uzyskując kąpiel C;

• doprowadzano do pH 12,0 i po 15 min odwirowano zawiesinę białka uzyskując kąpiel D;

• doprowadzano do pH 2,0, po 15 min wirowano zawiesinę białka, zdekantowano supernatant i doprowadzano go do pH 12,0, po 15 min wirowano zawiesinę białka uzyskując kąpiel E.

W kąpielach A-E oznaczono zawartość azotu całkowitego, zaś w 5% ekstrakcie TCA tych kąpieli oznaczono zawartość azotu niebiałkowego oraz frakcje peptydów i aminokwasów metodą Lowry w modyfikacji Kołakowski (Kołakowski E. 2005. Analysis of proteins, peptides, and amino acids in foods. In S. Otles (Ed.), Methods of analysis of food components and additives (pp. 59-96). Boca Raton: CRC Taylor & Francis). Zawartość azotu oznaczono metodą Kjeldahla (AOAC. 1990. Official Methods of Analysis of the Association of Official Analytical Chemists, 15^th edition, In K. Helrich (Ed.) AOAC, Arlington, p. 1298). Azot tworzący białko (Nb) obliczono z różnicy azotu całkowitego (Nc) do azotu niebiałkowego (Nnb): Nb = Nc - Nnb.

Kąpiele A-E oraz wodę dejonizowaną poddano mikrofiltracji stosując zestaw szklany do filtracji wody Sartorius typ 16309 (Otto-Brenner-Straβe 20, 37079 Goettingen, Germany) oraz filtry Sartorius z azotanu celulozy, typ 11407, średnica 47 mm, rozmiar porów 0,2 μm. Do zestawu filtracyjnego podłączono pompę próżniową (Rocker 300C, Taiwan) uzyskując podczas filtracji bardzo słabą próżnię w zakresie 750-730 kPa (0,99-0,97 bar). Szybkość przepływu kąpieli i wody przez filtr mierzono co

PL 247744 Β1 ml dla 100 ml cieczy. Jeśli podczas filtracji poziom cieczy nie zmienił się o pełne 10 ml w czasie do 60 min, to zatrzymywano filtrację uznając, że dalsza filtracja jest nie możliwa przy zadanych parametrach.

Wyniki

Kąpiel pozostała po marynowaniu posiada pH w zakresie 4,0-4,5. Wyniki z Fig. 1 pokazały, że wraz ze wzrostem lub obniżaniem pH kąpieli rosła masa mokrego białka wytrącona z kąpieli. Praktycznie białko z kąpieli wytrąca się już od pH 3,5 lub 6,5, zaś maksymalną ilość można uzyskać stosując pH 2,5-3,5 lub 8,5-12,0. Wyniki z Fig. 1 pokazały też, że w środowisku zasadowym odzyskano około 3 razy większą masę mokrego białka niż w środowisku kwaśnym. Jednak wyniki przedstawione na Fig. 2 i Fig. 3 pokazały, że mokry izolat białka odzyskany w środowisku kwaśnym zawiera około 5 razy więcej czystego białka niż mokry izolat odzyskany w środowisku zasadowym. Wyniki na Fig. 2 i Fig. 3 wskazały też na optimum pH odzyskiwania białka. Dla środowiska kwaśnego jest to pH 2,5 a dla środowiska zasadowego jest to od 9,0 do 12,0.

Powodem odwrotnej proporcjonalności pomiędzy wysoką masą mokrego izolatu a niską zawartością białka w izolacie jest różna wodochłonność białka w izolacie kwaśnym i zasadowym. Wyniki w tabeli 1 pokazały, że izolat kwaśny zawierał 80% wody, zaś izolat zasadowy 90% wody. Dlatego też izolat zasadowy zawierał mniej białka, które było rozcieńczone wyższą zawartością wody. Wyniki z tabeli 1 pokazały też, że z jednego litra kąpieli można odzyskać 2-4 g białka, co daje ok. 1,2-2,4 kg białka z jednego zbiornika kąpieli pozostałej po marynowaniu (600 L solanki wymieszanej z 400 kg śledzia). Zatem z 1 tony śledzi użytego do marynowaniu można odzyskać ok. 3-6 kg czystego-suchego białka.

Tab. 1.

Wartość pH użytego do wytrącania białka	Masa mokrego preparatu białka uzyskana z 1 litra kąpieli [g/L]	Masa białka uzyskana z 1 litra kąpieli marynującej [g/L]	Izolat / preparat białka
Zawartość białka w uzyskanym preparacie [g/lOOg]	Zawartość wody [g/lOOg]	Zawartość suchej masy w preparacie [g/lOOg]
2,0	9.88	1.77	17,9	80,1	19,9
12,0	38.01	2.45	6,5	90,3	9,7

Wyniki w tabeli 2 pokazały, że kąpiele zawierały 372-405 mg azotu całkowitego, z czego główny udział stanowił azot niebiałkowy 367-382 mg / 100 ml, zaś azot białkowy stanowił najwyżej 5% azotu całkowitego. Po zastosowaniu strącania izoelektrycznego zawartość azotu całkowitego w kąpieli klarownej bez zawiesiny (kąpiel B) zmalała z 405 mg/100 ml do 380-385 w kąpielach C i D oraz do 372 w kąpieli E, czyli o około 5%. Jednocześnie zmniejszyła się zawartość azotu niebiałkowego z 380 mg do 367-376 mg, czyli o około 1-3%. Strącanie izoelektryczne miało największy wpływ na zmianę zawartości azotu białkowego, którego ilość zmniejszyła się z 23 mg do 5-11 mg, czyli o 50-78%. To pokazuje, że zmiana pH w kąpieli (strącanie izoelektryczne) wpływało głównie na zmniejszenie zawartości białka w solance. Wpływ strącania izoelektrycznego na zawartość azotu niebiałkowego oceniono dodatkowo badając zawartość frakcji peptydów i aminokwasów. Wyniki dla tych obu frakcji pokazane w tabeli 2 wskazały, że zawartość peptydów w kąpielach C-E wzrosła, zaś frakcji aminokwasów nie zmieniła się, w porównaniu do kąpieli A-B nie poddanych zmianom pH. Wzrost frakcji peptydów, największy w kąpieli C posiadającej pH 2,0, prawdopodobnie jest spowodowany wzrostem aktywności proteaz aspartylowych (katepsyna D i E) oraz innych silnie kwaśnych proteaz, które zhydrolizowały część białek w kąpieli do peptydów. Można zatem zauważyć, że dłuższy czas utrzymywania pH 2,0 w kąpieli sprzyja powstawaniu peptydów i może być sposobem na zwiększenie zawartości tej frakcji w solankach.

PL 247744 Β1

Tab. 2.

Kąpiel	Azot całkowity [mg /100 ml]	Azot niebiałkowy [mg /100 ml]	Azot tworzący białko [mg / 100 ml]	Peptydy [mg / 100 ml]	Aminokwasy [mg / 100 ml]
A	404,4 ±1,4	380,4 ±0,8	20,0	345,8 ±3,4	83,7 ±1,3
B	404,9 ±0,8	382,2 ±1,6	22,7	334,4 ±13,1	85,7 ±2,6
C	385,8 ±1,0	376,2 ±0,0	9,6	388,5 ±5,1	83,2 ±2,3
D	380,0 ±4,7	369,2 ±1,3	10,8	369,6 ±14	83,5 ±3,3
E	371,8 ±0,0	367,0 ±2,5	4,8	378,3 ±2,8	81,4 ±0,0

Wyniki w tabeli 3, pokazały, że zastosowanie strącania izoelektrycznego białek miało ogromny wpływ zarówno na możliwość, jak i szybkość filtracji różnych solanek. Próbą kontrolną była woda dejonizowana, której 100 ml przefiltrowano w czasie 1 minuty. Z kolei filtracja 100 ml kąpieli była możliwa tylko w przypadku kąpieli D i E, zaś kąpieli C przefiltrowano tylko 30 ml. Kąpiel C zawierała mniej azotu białkowego (białka) 9,6 mg niż kąpiel D, która zawierała 10,8 mg azotu białkowego, a mimo to nie było możliwe przefiltrowanie całej próby 100 ml kąpieli C, w przeciwieństwie do kąpieli D. To pokazuje, że na możliwość i szybkość filtracji mają wpływ zarówno ilość wytrąconego białka (które usunięto w solanki) oraz wartość pH solanki poddanej filtrowaniu. Kąpiel D filtrowała się 5 razy wolniej od wody a kąpiel E 4 razy wolniej. Są to doskonałe wyniki, gdyż były uzyskane dla bardzo niskiego podciśnienia, co wskazuje, że kąpiel przygotowaną naszym sposobem można filtrować stosując tanie zestawy do filtracji i/lub jest możliwość filtrowania dużych objętości solanek stosując rzadkie wymiany i czyszczenia filtrów w skali przemysłowej.

Tab. 3.

Objętość przefiltrowanej cieczy [ml]	Woda	Kąpiel A (surowa)	Kąpiel B (klarowna)	Kąpiel C(pH 2,0)	Kąpiel D(pH 12,0)	Kąpiel E (pH 2,0±12,0)
10	0,05	Brak filtracji	55,20	1,20	0,31	0,13
20	0,12	Brak filtracji	21,00	1,03	0,32
30	0,20	56,00	1,29	1,02
40	0,24	Brak filtracji	2,06	1,37
50	0,32	2,33	2,10
60	0,36	3,00	2,62
70	0,41	3,30	3,00
80	0,48	3,57	3,28
90	0,55	4,20	3,56
100	1,01	4,55	4,03

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki solanki pozostałej po procesie solenia lub marynowania lub nasalania mięsa, zwłaszcza ryb, z wykorzystaniem mikrofiltracji, znamienny tym, że z solanki usuwa się cząstki stałe tkanki mięśniowej i tłuszcz za pomocą filtracji swobodnej zużyciem filtra 1,0-0,1 mm, następnie zmienia się pH solanki i strąca się izoelektrycznie białka rozpuszczone w solance, a po osiągnięciu pH 1,0-3,5 lub 7,5-14,0 solanki usuwa się białka stosując wirowanie o sile minimum 2000 g lub filtrację swobodną, dalej drugi raz zmienia się pH solanki na przeciwne niż wcześniej zastosowane i strąca się izoelektrycznie białka rozpuszczone w solance, a po osiągnięciu odpowiednio pH 1,0-3,5 lub 7,5-14,0 solanki usuwa się białka stosując wirowanie o sile minimum 2000 g lub filtrację swobodną, po czym solankę poddaje się mikrofiltracji przy użyciu filtra o porowatości 0,5-0,1 μm.

2. Sposób obróbki solanki według zastrz. 1, znamienny tym, że najpierw zmienia się pH solanki na 1,0-3,5 a drugi raz na 7,5-14,0.

3. Sposób obróbki solanki według zastrz. 1, znamienny tym, że do zmiany pH solanki stosuje się kwas nieorganiczny lub kwas organiczny lub wodorotlenek sodu lub wodorotlenek potasu lub wodorotlenek wapnia.

4. Sposób obróbki solanki według zastrz. 1, znamienny tym, że wydłuża się czas strącania białek w solance o pH 1,0-3,5, aby wydłużyć aktywność proteaz i zwiększyć udział peptydów w solance.