High-value products from low-grade by-products of animal and marine origin: process monitoring of industrial enzymatic protein hydrolysis

Dette prosjektets hovedmål er å øke kunnskapen om enzymatisk hydrolyse av restråstoffer fra animalsk og marin industri gjennom utvikling av hurtige teknikker for kontroll og overvåkning av prosessene. I prosjektet har det blitt etablert eksperimentelle og analytiske protokoller for enzymatisk hydrolyse av restråstoffer fra kyllingproduksjon (AP 1). Kyllingråstoffet man har benyttet er i første rekke rester etter mekanisk separasjon av bein (skjærebein fra kylling), hvilket er en blanding av skinn, bein og noe kjøttrester. I innledende forsøk har man suksessivt tatt ut prøver på ulike tidspunkter. Disse prøvene har så blitt analysert med ulike spektroskopiske teknikker for å undersøke potensialet for rask måling av hydrolysegrad (AP 2), og tre ulike teknikker har initielt vist seg å ha et potensiale: 1) Fluorescence; 2) Nær-infrarød (NIR) spektroskopi; og 3) Infrarød (IR) spektroskopi. Fra resultatene i prosjektet har vi imidlertid sett at IR spektroskopi gir de sterkeste indikasjoner for hvordan proteinstrukturen og proteinkjedelengdene endres i løpet av hydrolysen, hvilket gjør denne metodikken til en spesielt potensiell metodikk for industrielle målinger av hydrolysegrad. I løpet av prosjektet har vi klart å reprodusere resultatene ved hydrolyseovervåkning med IR av en rekke ulike råmaterialer: rene proteiner, kyllingfileter, laksefileter, laksehoder, lakserygger og skjærebein fra kylling. Vi har også sett lignende resultater ved industrielle uttaksforsøk og uttaksforsøk ved andre laboratorier. For industriell anvendelse av IR for hydrolysegradsmålinger må teknikken kalibreres og valideres mot eksisterende kjemisk referansemetodikk, og dette har medført store utfordringer i prosjektet. I en større måleserie av fiskehydrolysater har vi oppnådd veldig høy korrelasjon mellom IR spektre og kjemisk bestemt hydrolysegrad (R2 = 0.96). Ved tilsvarende målinger for kylling-basert materiale er korrelasjonene imidlertid ikke gode, og våre undersøkelser viser at dette skyldes i første rekke kompleksiteten i proteinsammensetningen hos kyllingen og at referansemetodikken ikke er nøyaktig nok. Vi har derfor satt av mye ressurser til å bygge opp reproduserbare analyser basert på eksklusjonskromatografi. Dette arbeidet har ført frem, og vi ser nå gode kvantitative koblinger mellom IR spektre og kromatogrammer for hydrolyseprøver. Et større datamateriale har blitt generert for å studere effekten av råstoff- og enzymtype på IR og eksklusjonskromatografi, og vi ser at koblingen mellom IR og størrelsesfordelinger har et stort potensiale for å kunne brukes i fremtidig kalibreringer av hydrolysegrader industrielt. Arbeidet i AP1 og AP2 har alt i alt gitt oss en ny og effektiv måleplattform for utførelse, kontroll og optimalisering av enzymatisk hydrolyse i laboratorie-skala med store anvendelsesmuligheter. Vi har sett i prosjektet at produksjon av et proteinhydrolysat med stabil kvalitet betinger god kontroll over råvarevariasjonen. Resultater fra prosjektet viser at NIR spektroskopi kan benyttes både for å overvåke kjemisk sammensetning i restråstoffene og proteininnholdet i produktene (AP3). Sammen vil derfor NIR analyser av råstoff og produkt kunne benyttes som en kontinuerlig overvåkning av utbytte i hydrolyseprosessene, noe som er en vesentlig parameter i industriell sammenheng. Måleplattformen utviklet i AP 1 og AP 2 har i sluttfasen av prosjektet blitt benyttet for å øke forståelsen av og utvikle nye enzymatiske hydrolyseprosesser for bearbeiding av animalske og marine restråstoffer (AP 4) i nært samarbeid med de deltakende industribedriftene. Større forsøk både på skjærebein fra kylling og på lakseråstoff har blitt utført, og felles for forsøkene har vært fokus på enkeltkomponenter (eksempelvis skinn, bein og kjøtt) for å øke forståelsen av hva som faktisk skjer under enzymatisk hydrolyse av disse komplekse råstoffene. Prosjektet har gitt opphav til to ulike industrielle målekonsepter. Det første er basert på NIR og vil i fremtiden kunne benyttes for kontinuerlig overvåkning av råvare- og produkt-variasjon og dermed også proteinutbytte. Det andre konseptet er basert på IR spektroskopi for å måle hydrolysegrad eller gjennomsnittlig molekylvekt av produktene. Videre utvikling av et prototype IR instrument for industriell anvendelse av hydrolyseovervåkning er også påbegynt i et prosjekt finansiert av Regionalt Forskningsfond Oslofjordfondet. I et annet pågående prosjekt finansiert av Regionalt Forskningsfond Oslofjordfondet med fokus på enzymatisk hydrolyse av skjærebein fra kylling er denne metodikken også sentral, og både Norilia og Biomega fra dette konsortiet er med videre i hvert sitt av disse prosjektene. Vi jobber nå også med Kjeller Innovasjon for å se på muligheten for patentering av dette verktøyet.

The animal and marine industries produce a significant amount of by-products that is either destructed or processed to low-value products. Both animal and marine by-products contain substantial amounts of proteins that only to a small extent is utilised f or high-grade protein products, and this possesses a great economic potential for Norwegian animal and marine industries. The main target of the project is to increase the knowledge-base on enzymatic hydrolysis of animal and marine by-products by the deve lopment of rapid screening techniques for process monitoring of industrial enzymatic protein hydrolysis. The following critical challenges will be sought solved in the project: 1) Development of reaction protocols for enzymatic hydrolysis of chicken by-pr oducts. 2) Development of screening tools to monitor degree of hydrolysis and end-product quality. 3) Development of screening tools for rapid assessment of chemical composition of animal and marine by-products. 4) Optimisation of enzymatic hydrolysis of by-products of animal and marine origin according to raw materials, processing settings and end-product quality. Norilia, Jærkylling and Marine Bioproducts are involved as industry partners in the project. Through this project we hope to facilitate optimi sed industrial enzymatic protein hydrolysis for the animal and marine industries, which in turn will reduce production waste, increase the sales value of by-products, and open new markets for utilisation of animal and marine hydrolysates.