Морфологическое обоснование технологии переработки чешуи рыб для получения коллагеновых субстанций

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Морфологическое обоснование технологии переработки чешуи рыб для получения коллагеновых субстанций

Иванова Е.А.

Одним из основных условий эффективного существования перерабатывающей промышленности является разработка и применение рациональных ресурсосберегающих технологий переработки сырья, с максимальным вовлечением в технологический процесс остающихся отходов. При переработке рыбы неизбежно образование отходов, около 30 % составляют несъедобных отходы, большую долю которых представляют коллагенсодержащие вторичные ресурсы, в том числе чешуя рыб, доля которой может составлять до 90% от массы неиспользуемых отходов. В реальных условиях работы рыбообрабатывающих предприятий чешую не перерабатывают.

Сегодня проблема рационального использования коллагенсодержащего сырья рыб стоит весьма остро. Во многих странах мира образовались научные школы и направления, занимающиеся исследованием состава, свойств и получением коллагеновых субстанций (рыбного коллагена, желатина, глютина, коллагеновых дисперсий и др.), а также продуктов на их основе, ведется разработка новых областей применения коллагеновых субстанций и полимерных композиций на их основе. Разработка и реализация безотходных технологий и рациональное, комплексное использование вторичных рыбных сырьевых ресурсов, в том числе чешуи рыб, требуют углубленного исследования их химического состава и морфологического строения.

Результаты предшествующих исследований химического состава показали содержание в чешуе рыб от 44,2 % до 68,7 % азотсодержащих веществ. Большую долю азотсодержащих веществ чешуи (примерно 80-89 %) представляет собой щелочерастворимые белки, в частности коллаген. Массовая доля минеральных веществ чешуи составляет от 31,1 % до 55,7 %. Содержание жира в чешуе незначительно, составляет 0,1 % - 0,2 %.

Для разработки рациональной технологии переработки чешуи рыб необходимо знание особенностей её морфологического и микроструктурного строения, исследование которых стало целью настоящей работы.

В качестве объекта исследования была выбрана чешуя сазана и судака, поступившая в отходы на предприятиях индустрии питания Астраханской области. Гистологические исследования чешуи рыб проводили путем прямого микроскопирования парафиновых срезов. Пробы чешуи целенаправленно отбирали от аналогичных анатомических участков рыб. Биоматериалы фиксировали в 10%-ном нейтральном формалине, обезвоживали растворами этилового спирта, после чего готовили парафиновые срезы. Специфическую окраску срезов проводили по методу Ван-Гизона, гематоксилин и эозином. Гистологические препараты изучали и фотографировали с помощью светового микроскопа марки «Микромед Р-1 LED» на основе программного обеспечения ScopeTekScopePhoto 3.0. Морфометрические показатели устанавливали с помощью окуляр-микрометра. Цифровые данные обработали статистически.

У большинства видов костистых рыб чешуйный покров образуется из перекрывающихся подобно черепице или разрозненных костных чешуек. Отличительной особенностью чешуи костистых рыб является способ ее закладки. Внедряясь своей передней (краниальной) частью в чешуйный кармашек, ввернутый в дерму, она свободным концом (каудальным краем) черепицеобразно налегает на следующую чешую.

Изучение архитектоники (поверхностного строения) объектов исследования позволило определить, что чешуя сазана (рисунок 1) относится к типу циклоидной, имеет овальную форму и свободный гладкий каудальный край. Краниальный край чешуи характеризуется волнистой конфигурацией. Центр чешуи занимает срединное положение, либо смещен ближе к каудальному краю. Поверхность чешуи сазана испещрена концентрическими костными гребнями-склеритами, прерывающимися исходящими из центра радиальными лучами. Считается, что склериты выполняют функцию ребер жесткости и одновременно препятствуют сдвигу покрывающего чешую эпителия под воздействием гидродинамических сил трения, возникающих при плавании.

Рисунок 1 - Архитектоника чешуи сазана

Чешуя судака (рисунок 2) относится к типу ктеноидной, характерными чертами которой служат: расположение центральной части ближе к наружному краю чешуи, расчленение краниального поля на глубоко вырезанные фестоны, наличие гребня на наружном краю каудального поля, состоящего из одного ряда копьевидных костных выростов - ктений. У судака ктении представляют собой выросты длиной 113-167 мкм и шириной 40-47 мкм в основании и порядка 20 мкм на вершине. Однако за рядом перемежающихся ктений следуют шишковидные остатки разрушенных ктениев, которые располагаются в 10-12 рядов наподобие фаланг пальцев. Эти шишки придают хорошо различимую шершавость поверхности чешуи. Такая чешуя может быть отнесена к типу собственно ктеноидной чешуи с видоизменяющимися ктениями.

Рисунок 2 - Архитектоника чешуи судака

Свободный каудальный край чешуи покрыт специфическим пигментным эпителием, который содержит в себе пигментные клетки, называемые хроматофорами. В наибольшем количестве в чешуе изученных видов рыб представлены меланофоры (пигменты черного цвета), которые имеют дендритные отростки, придающие им звездчатую форму, и гуанофоры, которые содержат кристаллы гуанина, придающие чешуе серебристую окраску. Наибольшее количество меланофоров сосредоточено на каудальном краю чешуи рыб.

По результатам гистологического исследования поперечного среза чешуи установлено, что структура чешуи всех исследуемых видов рыб четко подразделяется на два слоя и состоит из тонкого наружного гиалодентинового слоя и толстой внутренней базальной пластинки. На гиалодентиновом слое чешуи формируются тела склеритов, несущих зерна гуанина. По своей структуре гиалодентиновый слой состоит из пигментов, кристаллов гидроксиапатита и случайно ориентированных коллагеновых волокон.

Базальная пластинка чешуи состоит из множества тонких ламелл, каждая из которых включает плотноупакованные пучки коллагеновых волокон постоянного диаметра (рисунок 3). Характерной особенностью базальной пластинки является трехмерное распределение её коллагеновых волокон. Они параллельны в пределах одной ламеллы, тогда как между собой ламеллы имеют разноориентированные волокна. Таким образом, коллагеновые волокна распределены по типу многослойной клееной фанеры в базальной пластинке чешуи. Плотность укладки пучков коллагеновых волокон достаточно велика. Это проявляется в минимальном количестве просветов между соединительнотканными слоями. Устойчивость чешуи к механическому воздействию очень высока благодаря именно этой иерархически организованной структуре.

Рисунок 3 - Чешуя сазана: а - фибриллярный базальный слой, состоящий из коллагеновых волокон; б - гиалодентиновый слой, состоящий из склеритов, несущих зерна гуанина. Окраска- гематоксилин и эозин. Ув. 16 х 40

Подробное исследование поперечных гистологических срезов чешуи под микроскопом (при увеличении до 1500 крат) не позволило выявить каких-либо структурно организованных, четко выраженных слоев (скоплений) минеральных веществ в структуре чешуи. Однако согласно проведенному анализу химического состава чешуи исследуемых видов рыб массовая доля минеральных веществ в ней составляет от 31,1 до 55,7 % в пересчете на абсолютно сухой вес чешуи. Выявленную особенность можно объяснить тем, что минеральные компоненты лежат на межмолекулярном уровне, между концом одной молекулы и началом следующей. Вероятно, что промежутки молекул тропоколлагена исполняют роль центров отложения минеральных составных частей чешуи. Именно эти структурные особенности позволяют объяснить наличие поперечной исчерченности фибрилл с определенной периодичностью.

Такая сверхпрочная конструкция чешуи, способная выдерживать большие механические нагрузки, ставит задачу разработки способов и методов максимального извлечения коллагеновых белков с учетом трудоемкости отделения их от других химических компонентов чешуи.

В сравнительно-гистологической работе в качестве ключевых морфологических параметров, подвергнутых измерению, были выбраны такие признаки как общая толщина чешуи, толщина гиалодентинового слоя и базальной пластинки чешуи, толщина одной ламеллы базальной пластинки. Чешуя изученных видов рыб характеризуется достаточно уравненными параметрами гистоструктур (таблица 1). Касаясь изменчивости показателей, можно отметить, что максимальное значение коэффициента вариации остается за толщиной гиалодентинового слоя чешуи.

Таблица 1 - Морфометрические показатели гистологической структуры чешуи сазана и судака

Примечание: M ± m - средняя арифметическая простая с ошибкой средней арифметической; ± у - среднее квардратичное отклонение; Сv - коэффициент вариации.

Различие в гистологическом строении чешуи различных видов рыб непосредственным образом повлияет на выбор и обоснование способов и параметров физико-химических воздействий на сырье при получении целевого продукта - коллагеновой субстанции. Именно способ укладки и плотность компоновки пучков коллагеновых волокон и ламеллярных слоев между собой, толщина гиалодентинового и базального слоев чешуи будут определять природу используемых химических реагентов и интенсивность технологических обработок чешуи. чешуя рыба коллаген

Таким образом, в технологическом отношении можно выделить ценность базальной пластинки чешуи рыб, которая состоит в основном из коллагеновых волокон. Сопутствующие коллагену вещества (пигменты и минеральные вещества) сосредоточены в верхнем гиалодентиновом слое. Трехмерное распределение коллагеновых волокон и плотность их укладки в базальной пластинке существенно затрудняют процесс измельчения чешуи рыб. Следовательно, для выделения коллагена из чешуи необходимо предварительно удалить гиалодентиновый слой. Полноценное его отделение, учитывая плотность укладки коллагеновых волокон и слоев чешуи, возможно при ослаблении межмолекулярного взаимодействия между слоями, которое осуществляется при набухании и частичном гидролизе сырья. После проведения указанных превращений возможно механическое отделение сопутствующих компонентов с чешуи рыб. Результаты эмпирических исследований показали эффективность кислотной обработки чешуи в растворах неорганических кислот при рН 3-4 и последующей механической очистке для снятия гиалодентинового слоя с чешуи рыб.

Размещено на Allbest.ru