Green Technologies for the Extraction of Oil and Protein from Baltic Herring (Clupea harengus membras)

Abstract

ABSTRACT

Baltic herring (Clupea harengus membras) is a species of herring (Clupea harengus) found exclusively in the Baltic Sea. In Finland, it is the most valuable commercially caught species in both volume and value; however, it is highly underutilised as food. Of the approximately 100 million kilograms of Baltic herring caught annually from the Finnish Sea areas, only 3‒4 million kilograms are used as food, while most of the catch is processed for feed. The small size of the fish makes conventional processing more challenging, which is why new technologies for the utilisation of the important proteins and omega-3 fatty acids are essential to create added value from the fish resources.

In the first part of the thesis research (publication I), pH-shift method was used to extract proteins from Baltic herring using alkaline processing method (solubilisation pH 11.2 and precipitation pH 5.4). The protein isolate obtained from the pH-shift process was incorporated into two food models: surimi-type gel and fish balls. The functionality of the protein isolate in these models was studied based on composition, colour, texture through texture profile analysis, and volatile compounds with HS-SPME-GC-MS. Furthermore, two different pH-shift methods (changed solubilisation (pH 11.5) and precipitation (pH 6.5) pH values, respectively) were applied to study their effects on the colour of the protein isolate. The results showed that the surimi-type gel had a hardness value comparable to commercial surimi, while the fish balls were significantly softer than commercial products. However, the colour of the surimi was significantly darker than the commercial surimi typically made of white-muscle fish species. The changed solubilisation or precipitation modifications did not improve the whiteness of the gels. According to the volatile analysis, increasing solubilisation pH increased the total content of volatile compounds, as well as the amounts of many important secondary oxidation compounds, which indicates increased oxidation compared to the method using a lower solubilisation pH. Conversely, increasing the precipitation pH decreased the total volatile content, indicating a decreased level of oxidation but it lead to a significantly softer surimi-type gel.

In the second part of the research (publication II), enzyme-assisted aqueous extraction was used to extract oil from whole Baltic herring and filleting coproducts. Different commercial proteases (Alcalase, Neutrase & Protamex) were used with two different extraction times (35 and 70 min), and the effect on oil stability and quality were studied by determining peroxide value, para-anisidine value, volatile compounds, fatty acid composition, and oil recovery. Overall, longer extraction times led to better extracted recoveries of oil, but also increased oxidation. The highest oil yields from whole fish were from the 70-minute extractions with Neutrase and Protamex. The extraction for 35 minutes using Protamex resulted in the highest contents of eicosapentaenoic acid (EPA; 20:5n‒3) and docosahexaenoic acid (DHA; 22:6n‒3), but it also increased oxidation compared to the extractions with other enzymes. The highest extracted oil content from the co-products was obtained from the 70-minute extraction with Protamex. However, there were no significant differences in EPA and DHA contents among the oils extracted with different enzymes. Oxidation was the lowest in the oil produced with 35-minute treatment using Neutrase and Protamex. This study showed the potential of using proteolytic enzymes in the extraction of crude oil from Baltic herring and its co-products.

The third part of the research (publication III) focused on the optimisation of enzyme-assisted aqueous extraction from lean Baltic herring. Pre-trials showed that Baltic herring with low lipid content (<4%) led to significant emulsion formation with low oil recovery. Lowering stirring speed during extraction, centrifuging while the hydrolysate was still hot (compared to cooling down), and cutting the fish raw materials into smaller sizes before extraction were all effective methods to improve recovery. However, different enzymes, treatment times, or enzyme concentrations did not have significant effects on oil stability, recovery, or composition in this study. Furthermore, lipid classes were analysed using a novel UHPLC-MS-based method. The study revealed that nearly all phospholipids were lost during the enzyme-assisted aqueous extraction, together with a partial loss of DHA, likely due to the emulsion formation. Different methods were applied to reduce emulsion: hanging the fish-to-water ratio from 1:1 to 2:1 (w/w) together with an addition of ethanol was the best method to both reduce emulsion and improve oil recovery. As a result of the emulsion reduction, more DHA was recovered, and the oil contained more triacylglycerols while the phospholipid content remained low.

SUOMENKIELINEN ABSTRAKTI

Silakka on Itämeressä esiintyvä sillin alalaji, ja se on kalastusmäärältään ja markkina-arvoltaan Suomen tärkein kaupallisesti kalastettu kalalaji. Vaikka Suomessa pyydystetään vuosittain lähes 100 miljoonaa kiloa silakkaa, vain 3–4 miljoonaa kiloa päätyy suomalaisten lautasille, kun taas suurin osa saaliista käytetään eläinten rehuksi. Suurimmat syyt silakan käytön vähenemiselle on sen nopeasti heikkenevä laatu, sesongittainen saatavuus ja kuluttajien muuttuneet käyttötottumukset. Silakka on kuitenkin terveellinen kala: se sisältää runsaasti terveydelle hyödyllisiä omega-3-rasvahappoja ja proteiinia sisältäen kaikki ihmiselle välttämättömät aminohapot. Lisäksi sen kalastus on tärkeää Suomen kalataloudelle ja poistaa samalla Itämerestä ravinteita. Näiden syiden takia silakkaa täytyisi hyödyntää nykyistä paremmin ja kehittää uusia teknologioita mahdollistamaan sen laajemman hyödyntämisen ihmisten ravinnoksi sekä lisäarvon luomisen alihyödynnetylle kalalajille.

Tässä tutkimuksessa tutkittiin kahta erilaista ympäristöystävällistä teknologiaa silakan hyödyntämiseksi. Väitöskirjan ensimmäisessä osatutkimuksessa (I) peratun silakan proteiinit eristettiin pH:n vaihteluun perustuvalla tekniikalla, ja tuotettua proteiini-isolaattia käytettiin kahdessa eri mallielintarvikkeessa: geeliytetyssä suriminkaltaisessa tuotteessa sekä kalapullissa. Lisäksi tutkittiin kahta eri variaatiota pH-muunnosmenetelmästä: korkeampaa proteiinien liuotus tai saostus-pH-arvoa, joilla ajateltiin olevan vaikutusta proteiini-isolaatin väriin. Tutkimuksessa selvitettiin proteiini-isolaatin vaikutus tuotteiden rakenteisiin, väriin sekä haihtuviin yhdisteisiin, mitkä kertovat sekä tuotteiden aromeista että härskiintymisestä. Tulosten mukaan silakasta uutettu proteiini-isolaatti toimi hyvin geeliytettynä, sillä surimi oli rakenteeltaan kaupallisten surimien kaltaista. Kalapullat olivat puolestaan pehmeämpiä kaupalliseen kalapullaan verrattuna, mutta niiden vedensidontakyky oli hyvä, ja pullat pitivät muotonsa kypsennyksen aikana. Proteiini-isolaatista tehty suriminkaltainen geeli oli kuitenkin väriltään huomattavasti tummempaa kuin kaupalliset surimit, mikä johtuu silakan lihaskudoksen sisältämistä pigmenteistä. pH-muunnosmenetelmän variaatiot eivät parantaneet proteiini-isolaatin väriä. Haihtuvien yhdisteiden analyysin mukaan korkeamman liuotus-pH:n käyttö lisäsi kuitenkin haihtuvien yhdisteiden kokonaismäärää sekä useiden sekundääristen hapettumistuotteiden määriä verrattuna verrokkimenetelmään. Alhaisemman saostamis-pH-arvon käyttö puolestaan alensi haihtuvien yhdisteiden määriä, mikä kertoo alhaisemmasta hapettumisesta prosessin aikana.

Toisessa osatutkimuksessa (II) perehdyttiin öljyn uuttamiseen sekä kokonaisesta silakasta että fileoinnin sivuvirtatuotteista. Öljy uutettiin kolmea eri kaupallista proteaasientsyymiä hyödyntäen (Alcalase, Neutrase ja Protamex) ja öljyn laatua tutkittiin hapettumisen ja rasvahappokoostumuksen kannalta. Lisäksi tutkimuksessa selvitettiin entsyymien ja kahden eri käsittelyajan (35 ja 70 min) aiheuttamia eroavaisuuksia öljysaantoihin ja öljyn koostumukseen. Tutkimuksessa havaittiin eroja sekä entsyymien, käsittelyaikojen että raakaaineiden välillä. Kokonaisen kalan käsittelyssä Neutrase-entsyymillä saavutettiin paras öljysaanto mutta Alcalase-entsyymillä saavutettiin alhaisin hapettumisaste. Sivuvirtatuotteiden kohdalla Protamex-entsyymi 70 minuutin käsittelyajalla oli paras saannon ja hapettumisen kannalta, kun taas Alcalase lisäsi hapettumista. Kaikissa öljyissä oli korkea monityydyttymättömien rasvahappojen pitoisuus ja parhaimmillaan öljyn saanto ylsi 70 %:in.

Kolmannessa osatutkimuksessa (III) tutkittiin vähärasvaisen kokonaisen silakan öljyjen uuttoa. Öljyn saanto oli uudella raaka-aine-erällä erittäin alhaista ja sen sijaan prosessin aikana muodostui huomattava määrä emulsiota. Saannon parantamiseksi uutto-olosuhteita optimointitiin raaka-aineen pilkkomiskoon, sentrifugointilämpötilan ja sekoitusnopeuden optimoinnilla, jonka jälkeen tarkasteltiin entsyymipitoisuuksien ja eri uuttoaikojen vaikutusta öljyn saantoon ja koostumukseen. Tutkimusta varten kehitettiin lipidiluokka-analyysimenetelmä, jolla selvisi, että lähes kaikki fosfolipidit katosivat entsymaattisessa uutossa ja öljyn omega-3-rasvahappopitoisuus oli myös alhaisempi kuin liuottimilla uutetussa kontrolliöljyssä. Tutkimuksessa selvitettiin, miten eri keinot vähentävät prosessissa muodostuvaa emulsiota. Lisätyn veden määrän vähentäminen ja etanolin lisääminen uuton aikana vähensivät emulsiokerrosta huomattavasti, mikä johti myös korkeampiin triasyyliglyserolien ja omega-3-rasvahappojen määriin öljyssä. Fosfolipidien määrä jäi kuitenkin edelleen alhaiseksi, mutta tutkimuksessa ei selvitettty, jäävätkö fosfolipidit emulsiokerrokseen vai muihin uuton faaseihin. Tutkimuksen aihe oli tärkeä, sillä silakan rasvapitoisuus vaihtelee huomattavasti vuodenaikojen ja vuosien välillä, mikä täytyy ottaa huomioon sen prosessoinnissa.