How can proteins, lipids and astaxanthin be extracted from snow crab (Chionoecetes opilio) rest raw material in a sustainable manner?

Abstract

Den norske fangsten av snøkrabbe (Chionoecetes opilio) genererer store mengder restråstoff som kastes på havet. Dette restråstoffet er en god kilde for proteiner, lipider og astaxantin til bruk i produksjon av mat og fôr. Målet med denne oppgaven er å studere hvordan utnyttelsen av snøkrabben kan forbedres ved å ekstrahere ut proteiner, lipider og astaxantin fra restråstoffet på en bærekraftig måte. Et litteratursøk ble gjennomført for å kartlegge hvilke ekstraksjonsmetoder som brukes på restråstoff fra skalldyr, og hvilke av disse som er mest miljøvennlige og effektive. Metodene som ble funnet var syre- og basebehandlinger og ensilering, enzymhydrolyse, varmebehandling, oljeekstraksjon og superkritisk væskeekstraksjon. De mer tradisjonelle metodene med bruk av sterke syrer og baser ble identifiserte som mindre miljøvennlige, og mindre effektive i ekstraksjon av forbindelser med høy kvalitet. I den eksperimentelle delen av studiet ble to partier med restråstoff fra snøkrabbe studert. Restråstoffet kom fra fangst av snøkrabbe i Barentshavet i november 2017. Parti 1 var slaktet for hånd på land, og inneholdt skall, innvoller og hemolymfe. Parti 2 var slaktet på båt og inneholdt dermed kun tomme skall. Det kjemiske innholdet i begge partiene ble bestemt. Både enzymhydrolyse med Alcalase® 2.4 L, Protamex®, Papain GSM80 og Corolase® 2TS, og varmebehandling ble gjennomført for å ekstrahere proteiner og lipider. Enzymatisk hydrolyse med Corolase® 2TS ble kombinert med påfølgende varmebehandling av hydrolytisk slam sammen med rapsolje. Dette ble gjennomført for å ekstrahere proteiner ved enzymhydrolyse, og dernest astaxantin i rapsolje. Dette ble sammenlignet med enkel varmebehandling av ubehandlet restråstoffsammen med rapsoilje og superkritisk væskeekstraksjon for å avgjøre hva som er den beste metoden for ekstraksjon av astaxantin fra restråstoff av snøkrabbe. Den kjemiske sammensetningen bestemt i parti 1 og 2 viste at partiet med innvoller og hemolymfe hadde et høyere innhold av lipider og astaxantin, og derfor kan regnes som mer næringsrik. Totalt protein ble bare bestemt for parti 2. Den kommersielle proteasen Corolase® 2TS var mest effektiv i ekstraksjon av løselige proteiner. Enzymatisk hydrolyse av parti 2 med Corolase gav 27,8±0,8% deproteinisering ved 65°C etter 1 time, med 30 g prøve, vann til prøve ratio 1:2, og enzym til prøve ratio (E/S) 0,1%. Varmebehandling var ikke like effektivt som bruk av protease, og ekstraksjon av løselig protein avtok når temperaturen oversteg 65°C. Hverken enzymhydrolyse eller varmebehandling kunne brukes til å ekstrahere og isolere lipider. Kombinasjonseksperimentet med enzymhydrolyse og varmebehandling med rapsolje ekstraherte løselig protein i vannfase og astaxantin i rapsoljen. Høyeste ekstraksjon av pigment var 25,95±1,92% av totalt astaxantininnhold, og ble oppnådd når varmebehandlet slam og rapsolje fikk stå lagret over natten (-20°C) før oljen ble separert fra slammet. Uten lagring gav enkel varmebehandling med og uten forberedende enzymhydrolyse samme mengde ekstrahert astaxantin i rapsoljen. Superkritisk væskeekstraksjon ble vist å ha for sterk løselighet, og ekstraherte andre forbindelser sammen med astaxantin. Resultatene viser at prosessering ved slakt av snøkrabbe påvirker næringsinnholdet i restråstoffet. Lipidinnholdet i snøkrabben var lavt i dette studiet, og lipid var derfor vanskelig å isolere på denne skalaen. Enzymatiske proteaser kan brukes til å ekstrahere protein fra restråstoff av snøkrabbe. Proteasene er ikke like effektive som bruk av syre- og basebehandlinger, og hovedutfordringen er mineralisering av krabbeskallet som hindrer proteasene adgang til proteinene. Proteaser er mer effektive enn varmebehandling i ekstraksjon av protein. Ekstraksjon av astaxantin med rapsolje er mest effektivt ved varmebehandling sammen med rapsolje og lagring av slam sammen med rapsoljen etter behandling, uten forberedende enzymhydrolyse. Bruk av enzymhydrolyse som forberedende behandling påvirket ekstraksjon av astaxantin positivt, sammenlignet med respektive kontrollprøver. Men varmeeksponeringen ved avslutning av hydrolysen på 90°C antas å degradere astaxantin. Dermed har enkel varmebehandling sammen med rapsolje blitt vist å være mer effektivt. Superkritisk væskeekstraksjon av astaxantin fra restråstoff av snøkrabbe bør optimeres før sammenligning med oljeekstraksjonen. Restråstoffet som genereres ved fangst av snøkrabbe er en god kilde til protein og astaxantin. Mildere prosesser enn tradisjonell syre- og basebehandling kan brukes til å ekstrahere ut protein og astaxantin, men demineralisering av snøkrabbeskallet hindrer tilgang til proteinene, og hindrer dermed også effektiv ekstraksjon.

During harvest of snow crab (Chionoecetes opilio) by Norwegian vessels, the rest raw material is discarded into the ocean. This rest raw material is an abundant source of proteins, lipids and pigments, which can be purified and applied in production of food and feed. The aim of this thesis is to study how to increase the utilisation of the snow crab by recovering proteins, lipids and astaxanthin from the rest raw material in a sustainable manner. A literature search was performed in order to identify the different methods for recovery of proteins, lipids and pigments from crustacean rest raw material, and determine which methods that were more environmentally friendly and efficient. Methods found in the literature search was acid and alkaline treatments and ensilation, enzymatic hydrolysis, heat treatment, oil extraction and supercritical fluid extraction. The traditional acid and alkaline treatments were identified as less environmentally friendly and less efficient in qualitative recovery. In the experimental part of the study, two batches of snow crab rest raw material harvested in the Barents Sea in November 2017 was studied. Batch 1 and 2 were processed differently at slaughter and consisted of carapaces with intestines and empty carapaces, respectively. The chemical composition of both batches was determined. Both enzymatic hydrolysis with Alcalase® 2.4 L, Protamex®, Papain GSM80 and Corolase® 2TS as hydrolytic agents and heat treatment was performed to recover proteins and lipids. Enzymatic hydrolysis with Corolase® 2TS was combined with subsequent heat treatment of the hydrolytic sludge with rapeseed oil. This was done to first recover proteins in hydrolysate and then recover astaxanthin in rapeseed oil. This was compared to plain heat treatment with rapeseed oil and to supercritical extraction of astaxanthin. The determined chemical composition of the two snow crab batches showed that the batch with carapaces including intestines was richer in lipids and astaxanthin. The protease Corolase® 2TS was the most efficient protease in recovery of soluble protein in hydrolysate. Enzymatic hydrolysis of batch 2 with Corolase gave 27,8±0,8% deproteinisation at 65°C, 1 hour, 30 g sample, water to sample ratio 1:2 and enzyme to substrate ratio (E/S) 0,1%. Heat treatment was not as efficient as the use of protease in recovery of protein, and recovery of protein in water fraction decreased at temperatures over 65°C. Neither enzymatic hydrolysis nor heat treatment could be used to extract lipids at this small scale. The combination experiment with enzymatic hydrolysis and heat treatment with rapeseed oil recovered protein in water fraction, and astaxanthin in the rapeseed oil. The highest recovery of astaxanthin was 25,95±1,92% of total amount of astaxanthin, and was achieved when the treatment mix was stored overnight (-20°C) before separation of fractions. Without storing, plain heating of un- treated rest raw material with rapeseed oil gave the same recovery of pigment as when combining with a pre-treatment with Corolase. The supercritical fluid extraction was shown to have too strong solubility powers, extracting other compounds together with the astaxanthin. The results show that the processing of the snow crabs at slaughter is determining for the nutritional composition of the rest raw material. The lipid content of the snow crab is low and the lipid is therefore difficult to extract from the material. Enzymatic proteases can be used in recovery of proteins from snow crab rest raw material. The proteases are not as efficient as the use of acid and alkaline treatments, and the main challenge is extensive demineralisation of the crab shells hindering access of the proteases. Proteases are found to be more efficient than heat treatment. Recovery of astaxanthin with rapeseed oil is most efficient when heating rest raw material together with rapeseed oil without pre-treatment and then storing the mixture overnight before separating the astaxanthin enriched oil from the snow crab sludge material. The use of protease compared to control samples has been shown to enhance extraction, but the heat load during enzymatic hydrolysis is assumed to degrade the astaxanthin. This leads to a loss of color in the astaxanthin, and the identification of absorbance of astaxanthin in spectrophotometric analysis is decreased. Supercritical fluid extraction of astaxanthin from snow crab should be optimised before comparison to the recovery with rapeseed oil. The rest raw material generated through snow crab harvest is a good source of protein and pigment. Milder processes than the traditional chemical treatments can be used to recover protein and astaxanthin, but the demineralisation of the snow crab shells material hinders access to the proteins and pigments and thus hinders efficient recovery.