Hydrolyse og membranfiltrering for økt utnyttelse av seihoder – karakterisering av proteinhydrolysat og antioksidative peptider

Abstract

For at vi skal kunne skape og høste fra havet i fremtiden, må vi ta vare på de ressursene havet gir oss. Økt bærekraftig utnyttelse av marine ressurser kan være en av flere løsninger for å møte befolkningsvekst og overforbruk av landjorden. Som en av verdens største sjømatnasjoner kan Norge bidra ved å utnytte råstoffet, spesielt fra hvitfisksektoren, i enda større grad. Marint restråstoff er en betegnelse på deler av fisk og skalldyr som ikke brukes som hovedprodukt. Dette omfatter hoder, avskjær og slo som er næringsrikt råstoff som brukes hovedsakelig til lavprisprodukter som fiskemel, -olje og annet dyrefôr. Teknologi og prosessering utvikles nå for å utnytte mer av restråstoffet til verdifulle ingredienser i kosttilskudd og matvarer. Denne masteroppgaven ble utført som en del av en phD-oppgave under det NTNU-finansierte prosjektet OPTiMAT, hvor målet er å optimalisere utnyttelsen av marine ressurser gjennom hele verdikjeden. Fiskeproteinhydrolysat (FPH), kan lages gjennom kontrollert, enzymatisk hydrolyse av restråstoff, hvor proteiner spaltes til lettere fordøyelige peptider. Utover å være en kilde til essensielle aminosyrer og energi har forskning vist at peptider kan ha spesifikke, bioaktive egenskaper som kan være positive for folks helse. En av disse egenskapene er antioksidativ aktivitet, som er påvist i korte peptider i FPH, og kan utvinnes med separasjonsmetoder basert på molekylstørrelse. Ultrafiltrering (UF) er en slik metode som kan brukes til å separere ulike komponenter i en væske via semipermeable membranfiltre til et permeat, som passerer membranen, og et konsentrat (retentat). Det overordnede målet med denne oppgaven har vært å se på mulighetene for å øke utnyttelsen av restråstoff fra sei. FPH fra enzymatisk hydrolyse av seihoder har blitt karakterisert for å se på kvalitet og bioaktivitet. Effekten av ultrafiltrering på antioksidativ aktivitet i FPH har blitt undersøkt. Disse resultatene kan bidra i vurderingen av potensialet for bruk av FPH i matvarer. Antioksidanter har ulike virkemåter som ble undersøkt ved analysene ABTS, FRAP og ORAC in vitro. Det ble påvist antioksidativ aktivitet i både FPH, permeat og retentat. FPH hadde signifikant høyere antioksidativ aktivitet enn permeat og retentat målt ved ABTS, mens retentat UF 150 kDa viste signifikant mest antioksidativ aktivitet målt ved FRAP. Den antioksidative aktiviteten målt ved ORAC var omtrent lik i FPH og i permeat. FPH hadde et høyt proteininnhold (87,4-91,4 %) med en overvekt av aminosyrene glysin/arginin, glutaminsyre, asparginsyre, alanin, lysin og leucin. Disse aminosyrene var mest fremtredende også i permeat UF 4 kDa. Av disse aminosyrene er alanin, leucin og glysin kjent for sin antioksidative aktivitet. Profilering av peptider ved molvektsfordeling viste at separasjon av FPH ved ultrafiltrering førte til en oppkonsentrering av små peptider. Videre bekreftet resultater fra molvektsfordeling at høy hydrolysegrad medfører kortere peptidkjeder og økt andel frie aminosyrer, som beskrevet i litteraturen. Resultater fra denne oppgaven kan tyde på at antioksidativ aktivitet er like høy i FPH som i permeat, og at ultrafiltrering ikke er hensiktsmessig for å øke produktets bioaktivitet.

To be able to generate and harvest from the ocean in the future, we must utilise the resources the ocean provides us. A more sustainable utilisation of marine resources may be among the solutions to meet population growth and exploitation of land resources. As one of the world’s major seafood nations Norway can contribute to a better raw material utilisation, especially among gadoid species. Marine rest raw materials are a designation of parts of the fish and shellfish not used as the main product. Heads, cut-offs and entrails from the seafood industry are nutritious raw materials that are mostly used for low-cost products as fish flour, fish oil and other animal fodder. Technology and processing are now developed to utilise more of the rest raw materials as valuable ingredients in dietary supplements and foodstuffs. This master thesis was carried out as part of a PhD thesis in the NTNU-funded project OPTiMAT, where the goal is to optimise utilisation of marine raw materials throughout the value chain. Fish protein hydrolysate (FPH) can be manufactured through a controlled enzymatic hydrolysis of rest raw materials, where proteins are fragmented into easy digestible peptides. Beyond being a source of essential amino acids and energy, research has shown peptides can have specific bioactive properties that may be beneficial to human health. One of these properties is antioxidative activity, which is shown in short peptides in FPH and may be extracted by separation methods based on molecular size. Ultra-filtration (UF) is a method of processing that can be used to separate different components in a liquid via semi-permeable membrane filters to a permeate, that passes the membrane, and a retentate. The main object of this thesis has been to investigate the possibilities to increase utilisation of residual raw materials from saithe (Pollachius virens). FPH from enzymatic hydrolysis of saithe heads have been characterised in terms of quality and bioactivity. The effect from ultra-filtration of FPH on antioxidative activity has been investigated. These results can contribute to the evaluation of FPH usage in foodstuffs. Antioxidants have different ways of working that was investigated by different analytical methods such as ABTS, FRAP and ORAC. Antioxidative activity was shown in FPH as such, as well as in permeate and retentate. FPH showed significantly higher antioxidative activity than permeate and retentate, measured with ABTS. Retentate UF 150 kDa showed significantly most antioxidative activity, measured with FRAP. The antioxidative activity in FPH and permeate, measured with ORAC, were the same. The antioxidative activity of FPH, permeate and retentate were compared with results from biochemical composition. FPH had a high protein content (87.4 – 91.4 %), dominated by the amino acids glycine/arginine, glutamic acid, asparagine, alanine, lysine and leucine. These amino acids were also abundant in permeate UF 4 kDa. Of these alanine, leucine and glycine are most known for their antioxidative activity. Profiling of peptides by molecular weight distribution showed that separation of FPH by ultra-filtration resulted in high concentration of small peptides. Further, the results from molecular weight distribution show that a high degree of hydrolysis gives shorter peptide chains and an increased amount of free amino acids, as described in the literature. Results from this thesis point to that the antioxidative activity in FPH is just as high as in permeate and that ultra-filtration is not expedient to increase the products bioactivity.