Qida qablaşdırması üçün bio-plastiklər hazırlamaq üçün bio əsaslı material innovasiyası, pulcuqlar və digər balıq sənayesi tullantıları!

2019-cu ildə dünya balıq istehsalının 177.8 milyon metrik ton olduğu təxmin edilir və gələcəkdə əhəmiyyətli dərəcədə artacağı gözlənilir. Birləşmiş Millətlər Təşkilatının 2030-cu il Davamlı İnkişaf Gündəliyi və FAO tərəfindən geniş şəkildə qəbul edildiyi kimi, balıqçılıq və akvakultura qida təhlükəsizliyi və qidalanmada mühüm rol oynayır. Balıq və dəniz məhsullarının təxminən 70%-i satılmadan əvvəl emal olunur və bu da baş kəsmə, qabıq çıxarma, daxili orqanların təmizlənməsi, müəyyənləşdirilməsi və qabıqlanması, file çıxarılması kimi fəaliyyətlərdə çoxlu miqdarda bərk tullantıya səbəb olur.

Balıqçılıq yan məhsullarına adətən daxili orqanlar, əzələ toxuması, cəmdəklər, başlar, üzgəclər, dəri, pulcuqlar və sümüklər daxildir ki, bunlar da növlərdən asılı olaraq təzə çəkinin təxminən 50-75 faizini təşkil edir. Məsələn, karides və fileto emalı zamanı təxminən 50% və 75% (çəkiyə görə) tullantılar əmələ gəlir. Balıqçılıq yan məhsulların təxminən 20%-i heyvan yemində aşağı dəyərli inqrediyentlər kimi istifadə olunur, bunların əksəriyyəti quruya doldurulur və ya yandırılır ki, bu da ətraf mühitə, sağlamlığa və iqtisadi itkilərə səbəb olur.

Buna görə də balıq tullantıları innovativ yanaşmalar və həllər tələb edən artan bir problemdir. Bu məqsədlə, qida tullantılarının qarşısını almaq üçün qlobal miqyasda bir sıra layihə və tədbirlər həyata keçirilmişdir. Bunların arasında bioplastiklər üçün yeni xammal kimi balıq tullantıları müxtəlif tətbiq sahələrində (əsasən qida qablaşdırması) getdikcə daha çox diqqət cəlb edir və əhəmiyyətli iqtisadi və ekoloji üstünlüklərə malikdir.

Onlar yağlar, zülallar, rəngləndiricilər, bioaktiv peptidlər, amin turşuları, kollagen, xitin, jelatin daxil olmaqla bir neçə potensial dəyərli molekulun təkrar emalı ilə qida qablaşdırmasına çevrilə bilər. Qablaşdırma hələ də əsas seqment hesab olunurbioplastik istehsalı, 2020-ci ildə bioplastik bazarının 47%-ni (990,000 ton) təşkil edir. Bu innovativ ekoloji materiallar arasında qida qablaşdırması üçün yeməli/bioloji parçalana bilən filmlər akademik və sənaye tədqiqatçılarının diqqətini cəlb etmişdir.

Salento Universitetinin İnnovasiya Mühəndisliyi Departamentindən Françeska Rioneto, Polimerlər jurnalında dərc olunub. "Balıq Sənaye Tullantılarından Biopolimerlərin Qida Qablaşdırmasında Son Tətbiqləri" adlı ümumi məqalədə balıq sənayesindən tullantıların qiymətləndirilməsindəki son nailiyyətlər və bu yan məhsulların qida qablaşdırması üçün bioplastiklərin hazırlanması üçün dairəvi iqtisadiyyat yanaşmalarında təkrar istifadə potensialı ümumiləşdirilir.

1. Əzələ zülalı
Əzələ zülalları həll olma qabiliyyətinə görə üç geniş kateqoriyaya bölünür: miogen fibrin, sarkoplazmatik zülallar və matris zülalları. Miofibrin skelet əzələsinin əsas komponentidir və ümumi əzələ zülalının təxminən 65-75%-ni təşkil edir. Miofibrin tərkibinə miozin və aktin kimi bəzi yığılma zülalları, protomiozin və troponin kimi tənzimləyici zülallar və digər ikinci dərəcəli zülallar daxildir. Quruluşlarına və lokalizasiyasına görə miofibrinlərin həll edilməsi və çıxarılması üçün yüksək ion gücünə malik məhlulların denaturasiya şərtləri tələb olunur.

Zülallar qida dəyəri, toksik olmayan, bioloji parçalana bilən və gel əmələ gətirmə qabiliyyətinə görə qida sənayesində ən çox istifadə edilən biomateriallardan biridir. Son illərdə balıq matrisi zülalları və miogen fibrin suda həll olmayan, lakin məhlulun pH-nı tənzimləməklə həll edilə bilən yaxşı maneə qazları, üzvi uçucu maddələr və lipid xüsusiyyətlərinə malik bioloji parçalana bilən, yeməli filmlər yaratmaq qabiliyyətinə görə çox diqqət çəkmişdir. Balıq əzələ liflərindən və ya əzələ zülallarından hazırlanmış bu filmlərin bir sıra üstünlükləri var: (i) PVC-dən hazırlanmış kommersiya qablaşdırma filmləri ilə müqayisədə əla UB maneəsi; (ii) yaxşı oksigen və karbon qazı maneələri; (iii) yüngül şəffaflıq; (iv) aktiv qablaşdırma istehsalı potensialı.

Bu filmlərin geniş kommersiya tətbiqini məhdudlaşdıran əsas çatışmazlıqlar sərtlik və aşağı mexaniki möhkəmlikdir ki, bu da nazik film şəbəkəsində geniş protein-zülal zəncir qarşılıqlı təsirləri səbəbindən disulfid rabitələri, hidrogen rabitələri və/və ya elektrostatik qarşılıqlı təsirlərlə daha da artır. Bu problemi aradan qaldırmaq üçün, protein-zülal zəncirləri arasındakı qüvvəni azaltmaqla kövrəkliyi azaltmaq və elastikliyi və sərtliyi artırmaq üçün bioloji parçalanan filmlərə yüksək səviyyədə plastikləşdiricilər (təxminən 40-60%) əlavə edilə bilər. Balıq fibrin membranlarının digər bir məhdudiyyəti, zülallardakı amin turşularının yüksək hidrofilliyi və membrana kifayət qədər elastiklik vermək üçün çox sayda hidrofil plastikləşdiricilərin (məsələn, qliserol və sorbitol) əlavə edilməsi ilə əlaqəli zəif su buxar maneəsidir. Kimyəvi çarpaz əlaqə, elektron şüaları və qamma şüalanmasının daha güclü və daha az keçirici filmlər əldə etmək üçün təsirli üsullar olduğu bildirilir.

2. Dəniz kollageni

Kollagen ən çox yayılmış heyvan zülalıdır, çünki o, bütün birləşdirici toxumalarda (yəni dəri, sümüklər, bağlar, vətərlər və qığırdaq) və parenximal orqanların interstisial toxumalarında olur.

Dəniz kollageni əsasən balıq dərilərindən, balıq sümüklərindən, üzgəclərindən, pulcuqlarından və ya meduza, dəniz kirpisi, dəniz ulduzu və ya dəniz xiyarlarının birləşdirici toxumasından çıxarılır. Balıq dəriləri kollagen çıxarmaq üçün istifadə olunur, çünki onun quru maddəsinin 70-80%-i kollagendir. Bundan əlavə, balıq pulcuqları dəniz kollageninin başqa bir perspektivli və ucuz mənbəyidir və balıq içalatının ümumi illik çəkisinin təxminən 4%-ni, yəni təxminən 18-30 milyon ton təşkil edir. Balıq pulcuqları həm üzvi komponentlərdən (kollagen, yağ, lesitin, sərt protein, müxtəlif vitaminlər və s.), həm də qeyri-üzvi komponentlərdən (hidroksiapatit, kalsium fosfat və s.) ibarətdir.

Məməli kollagenlərlə müqayisədə dəniz kollageninin molekulyar çəkisi müqayisə edilə bilən və ya bir qədər aşağı, denaturasiya (ərimə) temperaturu isə əksər balıqlar üçün təxminən 20-35°C-dir, isti su növlərindən alınan kollagen dəyərləri isə daha yüksəkdir. Termik stabilliyi artırmaq üçün uyğun çarpaz birləşmə müalicələri öyrənilmişdir.

Koppola və s.-yə görə, balıq məhsullarından çıxarılan kollagenin quru kütləsi 50%-dən çox ola bilər. Bundan əlavə, balıq emalı zamanı yağsızlaşdırma heç bir qoxu və ya dadın olmamasını təmin edir. Kollageni balıq pulcuqlarından kimyəvi üsullarla çıxarmaq çox vaxt uzun çəkir. Nəticədə, tədqiqatçılar balıq pulcuq kollagenini çıxarmaq üçün uyğun bir proseslə getdikcə daha çox maraqlanırlar.

Məməli kollagenlərlə müqayisədə dəniz kollageninin dini səbəblərə və mümkün yoluxucu xəstəliklərə görə istifadəsinə məhdudiyyət yoxdur və eyni zamanda əla film əmələ gətirmə qabiliyyətinə, bio-uyğunluğa, aşağı antigenliyə, yüksək bioloji parçalanmaya və hüceyrə böyümə potensialına malikdir. Bu tullantılar ətraf mühitə uyğun və ucuz kollagen mənbəyi kimi inkişaf etdirilə bilər və sağlamlıq qidası, kosmetika və biotibb kimi müxtəlif sahələrdə dərman/çatdırılma daşıyıcısı və ya yara sarğısı kimi bir çox potensial tətbiqlərə malikdir. Yüksək su udma qabiliyyətinə görə kollagen teksturizasiya, qatılaşma və gel əmələ gəlməsi üçün yaxşı namizəddir. Bundan əlavə, emulsiya, köpük əmələ gəlməsi, stabilizasiya, yapışma və koheziya, qoruyucu kolloid funksiya və film əmələ gətirmə qabiliyyəti daxil olmaqla səth davranışı ilə əlaqəli maraqlı xüsusiyyətlərə malikdir. Qidaların reoloji xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırmaq üçün qida əlavəsi kimi istifadə olunsa da, dəniz kollageni hələ tam istifadə olunmayıb və tətbiqi məməli kollagenlərindən daha aşağıdır.

Balıq kollagen filminin qablaşdırma sənayesində istifadəsi aşağı istilik stabilliyi və nisbətən zəif mexaniki xüsusiyyətlər kimi bəzi çatışmazlıqlarla məhdudlaşır. Bundan əlavə, kollagen hidroksil qruplarına malik hidrofilik polimerdir. Buna görə də, su buxarı filmdən asanlıqla keçir. Bu məhdudiyyətləri aradan qaldırmaq üçün müxtəlif səylər göstərilmişdir, o cümlədən kollageni digər biopolimerlərlə qarışdırmaq və bir neçə kimyəvi və fermentativ proseslər aparılmışdır. Məsələn, Əhməd və digərləri dəri gödəkçə dərilərindən çıxarılan kollagen və xitozan qarışığından istifadə edərək filmin bakteriostatik tutumu və bakteriostatik aktivliyi artır, lakin filmin elastikliyi və ya kövrəkliyi təsirlənir.

3. Balıq yapışqanı

Jelatin, kollagenin qismən hidrolizi və istilik emalı nəticəsində əldə edilən denaturasiya olunmuş bir proteindir. Tərkibi əsasən ana kollagendən və ekstraksiya prosedurundan asılı olan müxtəlif molekulyar çəkilərə malik bir sıra zülallardan və polipeptidlərdən ibarətdir. Hidroliz zamanı fərdi kollagen zəncirləri arasındakı təbii molekulyar bağlar parçalanır və hər biri uzadılmış sol spiral konformasiyasına malik və 50-1000 amin turşusu ehtiva edən tək və ya çoxzəncirli polipeptidlərin qarışığı əmələ gəlir. Turşu hidrolizi və qələvi hidrolizi yolu ilə iki növ jelatin əldə edilir, yəni A və B tipləri.

Dini məsələlər və xəstəliklərin insanlara yayılmasının sağlamlığı ilə bağlı narahatlıqlar səbəbindən balıq peyinindən jelatinin çıxarılması və tətbiqi geniş maraq doğurub. Jelatin qida, əczaçılıq və digər əlaqəli sahələrdə istifadə edilə bilən əhəmiyyətli jelləşmə və film əmələ gətirmə xüsusiyyətlərinə malik vacib bir sənaye biopolimeridir.

Yaxşı film əmələ gətirmə xüsusiyyətləri, aşağı qiyməti, bio-uyğunluğu və bioloji parçalanma qabiliyyəti sayəsində balıq jelatini bu yaxınlarda ənənəvi bioloji parçalanmayan polimerləri və digər məməli əsaslı jelatinləri əvəz etmək üçün aktiv qida qablaşdırmalarında bioloji parçalana bilən filmlərin hazırlanması üçün tövsiyə edilmişdir. Ekstruziya əsaslı texnologiyada istilik və mexaniki gərginlik tətbiq etməklə jelatin asanlıqla emal olunur. Elastikliyi artırmaq üçün plastikləşdiricilər molekulyar axıcılığı yaxşılaşdıran daxili sürtkü kimi istifadə olunur. Jelatin sulu məhlulu jelatin filmi tökməklə əldə edilə bilər. Onlar qoxusuz, rəngsiz, şəffaf, suda həll olan və qida qablaşdırmasında istifadə olunan digər bioloji əsaslı filmlərdən daha elastikdir. Jelatinin ərimə nöqtəsi bədən istiliyinə yaxın olduğundan, yeməli filmlər hazırlamaq üçün jelatin əsaslı filmlərdən istifadə etmək olar. Bundan əlavə, balıq jelatini antioksidanlar/antibakterial maddələr kimi gücləndirici funksiyaları olan bioaktiv birləşmələrin əla matrisi kimi böyük potensiala malikdir.

Suya davamlılıq, balıq jelatin təbəqəsinin nəmə davamlı bioloji parçalana bilən polimerlə, xüsusi qablaşdırma və şərtlər üçün optimallaşdırılmış nəm və oksigen baryeri təbəqəsi ilə çoxqatlı təbəqədə laminasiya edilməsi ilə artırılır. Matutsch və s. Daxili təbəqə kimi montmorillonit natrium plastikləşdirici jelatin, xarici təbəqə kimi çarpaz əlaqəli dialdehid nişastası və plastikləşdirici jelatin təbəqəsi istifadə edilərək, üç qat jelatin təbəqəsi isti presləndi. Fərdi təbəqələr bir-biri ilə güclü hidrogen rabitələri ilə qarşılıqlı təsir göstərə bildiyindən, çoxqatlı membranlar kompakt və vahid mikrostrukturlar nümayiş etdirir. Eyni müəlliflər həmçinin poli-süd turşusu təbəqəsinin yüksək sıxlıqlı polietilen və ya polivinilxlorid kimi digər kommersiya polimerlərinə nisbətən daha yüksək su buxarı keçiriciliyinə malik xarici təbəqə kimi çıxış etdiyi çoxqatlı bir struktur hazırladılar.

Qida qablaşdırması üçün balıq yapışqanının maneə xüsusiyyətlərini, mexaniki xüsusiyyətlərini və istilik xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırmağın digər perspektivli yolu çarpaz bağlantıya əsaslanır. Xüsusilə, Garavand və s. tərəfindən nəzərdən keçirildiyi kimi, təbii əsaslı çarpaz bağlantılar ətraf mühit və sağlamlıq problemlərini, eləcə də iqtisadi məsələləri nəzərə almaq üçün daha çox diqqət cəlb etmişdir. Liguori və s. balıq jelatinini limon turşusu ilə çarpaz bağlantı üçün bir protokol hazırlamışdır. Reduksiyaedici şəkərlərin iştirakı ilə istilik müalicəsinin (Maillard reaksiyası adlanır) çarpaz bağlantı proseslərinə və şəbəkə strukturlarının dəyişdirilməsinə səbəb olduğu göstərilmişdir. Bu yaxınlarda Maroufi və s. balıq jelatininin K-karragenanın aldehid qrupu ilə kimyəvi çarpaz bağlantısını nümayiş etdirmişdir.

4. Qida qablaşdırmasında xitozanın tətbiqi

Sellülozadan sonra təbiətdə ikinci ən çox yayılmış biopolimer olan xitin, göbələk hüceyrə divarında və plankton, xərçəngkimilər və həşərat ekzoskeletində ildə təxminən 100 milyard ton xitin istehsal edən nizamlı kristal mikroliflər şəklində yerləşən xətti polimer, polisaxariddir.

Xitin və xitosan biopolimerlərinin bio-uyğun, toksik olmayan və bio-funksional xüsusiyyətləri onları qida qablaşdırması tətbiqləri üçün potensial olaraq uyğun edir. Xüsusilə, karidesdən çıxarılan xitosan biopolimerləri ümumiyyətlə Təhlükəsiz (GRAS) kimi tanınır. Digər tərəfdən, Xitosan digər bio-polimerlərlə müqayisədə daha ucuzdur. Buna baxmayaraq, xitosanın əla xüsusiyyətləri onu qida qablaşdırması tətbiqləri üçün daha uyğun edir. Məsələn, çörəyin raf ömrünü uzatmaq üçün uğurla təklif edilmişdir, çünki mikrobların böyüməsinin qarşısını alaraq nişastanın geri qayıtmasını gecikdirdiyi göstərilmişdir.

Tyliszczak və s. xitosan filmlərinin çiyələkləri də qoruya biləcəyini nümayiş etdirdilər. Bundan əlavə, Zakaria və s. xitosan filmlərinin tərəvəzlərin fiziki xüsusiyyətlərindəki dəyişiklikləri maneə törətdiyini nümayiş etdirdilər. Xitosan həmçinin onunla örtülmüş qida qablaşdırması istehsal etmək üçün də istifadə edilə bilər və bununla da mikroorqanizmlərin böyüməsini gecikdirir. Qida qablaşdırması üçün xitosan filmlərinin performansını yaxşılaşdırmaq strategiyası, balıq jelatin filmləri üçün istifadə edilən strategiya ilə demək olar ki, eynidir. Əslində, polimer qarışıqlarının hazırlanması mexaniki xüsusiyyətləri yaxşılaşdırmaq və suda həllolma qabiliyyətini və su buxarı keçiriciliyini azaltmaq üçün təsirli bir yoldur. Qida tətbiqləri üçün gücləndirilmiş son xüsusiyyətlərə malik qarışıq filmlərin istehsalı üçün xitosana bir neçə polisaxarid əlavə edilmişdir. Bunların arasında, aşağı qiyməti, geniş mövcudluğu və bioloji parçalanma qabiliyyətinə görə, nişasta xitosan əsaslı biofilmlərin istehsalı üçün təklif olunan ən çox yayılmış polisaxaridlərdən biridir.

Xitosan/nişasta təbəqələri qablaşdırmada azalmış bakteriya yapışmasını, əla antioksidan aktivliyini və artan su buxar maneə xüsusiyyətlərini göstərir və beləliklə, onların spesifik tətbiqlər üçün potensial uyğunluğunu nümayiş etdirir. Bir neçə alim təmiz xitosanın mexaniki xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırmaq üçün sellüloza/xitosan qarışığı hazırlamaq imkanını araşdırıb.

Balıq sənaye tullantıları biopolimer istehsalı üçün yeni xammal kimi böyük potensiala malikdir və əsasən qida qablaşdırmasında müxtəlif tətbiq sahələrində istifadə edilə bilər. Balıq tullantılarının əlavə dəyərli istifadəsi iqtisadi üstünlüklərə malikdir, çünki bu, təhlükəsiz tullantıların atılması xərclərini azaltmağa kömək edir və dəyərli ola biləcək bir neçə molekulun təkrar emalı ilə əlavə dəyər yaradır. Bundan əlavə, balıq yan məhsullarının əlavə dəyəri, torpaqların doldurulmasının, yandırılmasının və utilizasiyasının azaldılmasından irəli gələn bir sıra ekoloji üstünlüklər gətirir ki, bu da ciddi resursların israfı, eləcə də fosil əsaslı polimerlərin əvəzlənməsi deməkdir. Bu şəkildə balıqçılıq tullantılarının təkrar emalı ekosistemlərə və balıqçılığın maliyyə dayanıqlığına müsbət təsir göstərə bilər. Onun təsirinin yaxın illərdə artacağı gözlənilir.

Bu icmalın əsas töhfəsi, karbon əsaslı istixana qazı emissiyaları ilə əlaqəli klassik neft emalı zavodları ilə müqayisədə bütün balıqçılıq yan məhsullarından biotəmizləmə texnologiyalarının inkişafı üçün potensial olaraq istifadə edilə biləcəyini göstərməkdir. Göstərildiyi kimi, əzələlərdən, visseral orqanlardan, dəridən, pulcuqlardan, üzgəclərdən və ya xərçəngkimilər qabıqlarından alınan fibro-fibrin, kollagen, jelatin, xitin, xitozanın, qablaşdırma ilə qida və ya qablaşdırma atmosferi daxilində qida arasında qarşılıqlı əlaqəni əhatə edən ağıllı qablaşdırma adlanan yeni nəsil qablaşdırmanın texniki tələblərinə cavab verdiyi göstərilmişdir. Gələcək bazar perspektivləri gözlənilə bilər!