Valorization of Skipjack Tuna (Katsuwonus pelamis) By-products

Abstract

Skipjack tuna (Katsuwonus pelamis) serves as the primary raw material for processed fishery products. By-products produced during fishing and pro-cessing make up roughly 50% of the raw material. However, the disposal and processing of these by-products can lead to adverse environmental impacts. Therefore, this study aimed to extract lipids and proteins from skipjack tuna by-products (including the head, viscera, and skin) using innovative and en¬vironmentally friendly methods of supercritical carbon dioxide and subcritical water. Oil was extracted utilizing supercritical carbon dioxide with fixed con¬ditions of 55℃ temperature and 30 MPa pressure. Phospholipids were then continuously extracted using degreased powder and a co-solvent of ethanol and supercritical carbon dioxide, at a temperature of 40℃, a pressure of 30 MPa, a carbon dioxide flow rate of 6 mL/min, and a co-solvent flow rate of 10% of the carbon dioxide flow rate. The protein was recovered from de-oiled powder using subcritical water hydrolysis, and then extracted and compared at a temperature between 160 and 240℃. The pressure was maintained at 3 MPa for 15 min with a ratio of 1:50 (w/v). The skin oil (SO) extracted from skipjack tuna had the highest oil yield at 31.18% ± 0.59%. In contrast, the head oil (HO) and viscera oil (VO) resulted in 14.20% ± 0.67% and 13.79% ± 1.05% oil, respectively. Phospholipid yields varied by body part, with the head yielding the highest net phospholipid content at 3.24%, 2.47%, and 1.68%, respectively. A qualitative and quantitative analysis was conducted using the 31P NMR spectrum of phospholipids. The major classes identified were phos¬phatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), and lysophosphatidyl¬choline (LPC), with PC accounting for more than 70% of the major classes. Palmitic acid, oleic acid, and docosahexaenoic acid (DHA) have been identified as the primary fatty acids found in lipids. These fatty acids account for 28.26%, 15.74%, and 30.02% of ω-3 in oil and 7.89%, 15.82%, and 19.91% of phos¬pholipids, respectively. Additionally, the sample contained fatty acids. Retinol was detected at 1.06 ± 0.02 mg/100g solely in the viscera oil, while tocoph¬erol, a major vitamin, was found in both the oil and phospholipids. In the oil, γ-tocopherol measured 29.73 ± 0.13 mg/100g, 17.88 ± 0.02 mg/100g, and 76.57 ± 0.84. mg/100g, and in the phospholipids, it was 25.98 ± 0.12 mg/100g, 18.90 ± 0.11 mg/100g, and 19.49 ± 0.09 mg/100g. Additionally, thermogravimetric analysis indicated that the oil exhibited excellent thermal stability, as it experienced simple weight reduction. The extraction yield of skipjack tuna hydrolysate increased as the temperature rose, with the highest yield obtained in the viscera hydrolysate (VH) at 90.17% ± 0.96%. The pro¬duction of Maillard reactants increased with the increasing temperature, as confirmed through the Maillard reaction products (MRPs) results. The study indicates that as temperature increased, the total sugar content generally de¬creased. The sugar content varied between 6.44 ± 0.22 to 13.34 ± 0.67 mg glucose/g dried sample, 12.81 ± 0.20 to 55.19 ± 0.82 mg glucose/g dried sample, and 6.34 ± 0.11 to 13.69 ± 0.49 mg glucose/g dried sample. The highest reducing sugar content was observed at 200℃ for the head hydroly¬sate (HH), with 8.87 ± 1.09 mg glucose/g dried sample, at 220℃ with 23.62 ± 2.04 mg glucose/g dried sample, and for the extract of the VH and SH with 7.95 ± 0.43 mg glucose/g dried sample. The content decreased as the temper¬ature increased. SDS-PAGE confirmed that the molecular weights of 75 KDa, 63 KDa, and 35 KDa were mainly reduced to low molecular weight compounds above 200℃ at each parts. The total protein content in all parts exhibited a de¬creasing trend, with the highest values observed at 200℃ (219.86 ± 2.26 mg BSA/g dried sample, 297.36 ± 2.17 mg BSA/g dried sample, and 265.88 ± 0.85 mg BSA/g dried sample). Upon analysis of the amino acid composition of the 200℃ hydrolysates with the highest protein content, the primary constit¬uent amino acids were found to be leucine, glutamic acid, glycine, arginine, and alanine. Additionally, histidine and taurine were marked as the main free amino acids. A variance in content was observed in comparison to raw sample. The antioxidant activity of the hydrolysate increased with temperature, reaching its highest levels at 240℃, specifically at 52.21 ± 1.05 mg Trolox/g dried sample, 80.30 ± 1.70 mg Trolox/g dried sample, and 68.28 ± 7.19 mg Trolox/g dried sample. Progressively higher antidiabetic activity also occurred as the temperature increased. The IC50 values for α-glucosidase inhibition were 6.38 ± 0.09 mg/ml, 2.08 ± 0.17 mg/ml, and 5.18 ± 0.14 mg/ml at 240℃, respectively. The VH displayed the highest level of activity when contrasted with extracts from other parts. Anti-inflammatory activity also showed maximum activity at 240℃, and the highest activity was shown in the VH. Based on the study findings, skipjack tuna is deemed a viable raw material for both the food and pharmaceutical industries. Supercritical carbon dioxide and subcritical water extraction techniques were identified as critical data that will enable re¬searchers and industry experts to selectively use it in future studies. It is highly likely that the use of skipjack tuna will continue to expand in these fields.|가다랑어(Katsuwonus pelamis)는 수산가공품의 주 원료로 사용되며, 어획 및 가공 과정에서 발생하는 부산물은 원료의 약 50%를 차지한다. 그러나 이러한 부산물의 처리와 폐기는 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 인지질은 친수성 머리 부분과 소수성 꼬리 부분으로 이루어진 양친매성 화합물로, phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylinositol (PI) 및 lysophosphatidylcholine (LPC) 등을 포함한다. 해양 인지질은 주로 DHA 또는 EPA를 함유한 인지질을 말하며, 이러한 ω-3 지방산은 건강에 다양한 이점을 제공한다. 따라서, 본 연구에서는 청정 기술인 초임계 이산화탄소 및 아임계 수 공정을 활용하여 가다랑어 부산물 (머리, 내장, 껍질)로부터 지질류와 단백질을 회수하고, 이러한 물질들의 물리화학적 및 생리활성 평가를 수행하였다. 초임계 이산화탄소를 이용하여 오일을 추출하였으며 온도 55℃, 압력 30 MPa의 고정된 조건을 사용하였으며, 탈지된 분말을 이용하여 초임계 이산화탄소와 공용매인 에탄올을 사용하여 인지질을 연속적으로 추출하였다. 이때 추출 조건은 온도 40℃, 압력 30 MPa, 이산화탄소 유속 6 mL/min, 공용매 유속은 이산화탄소 유속의 10%로 고정하여 추출 진행되었다. 또한, 탈지분말은 다시 아임계 수 가수분해를 이용하여 단백질을 회수하였으며, 온도 범위 160-240℃에서 비교하였으며, 압력은 4 MPa, 반응시간 15분, 비율 1:50 (w/v)로 고정하여 추출되었다. 가다랑어의 지질 추출에서 껍질에서 얻은 오일이 31.18% ± 0.59%로 가장 높은 수율을 보였고, 머리와 내장은 각각 14.20% ± 0.67%와 13.79% ± 1.05%였다. 인지질의 수득량은 부위별로 다르며, 순 인지질 함량은 머리에서 가장 높게 나타났으며, 각각 3.24%, 2.47%, 1.68%였다. 인지질의 31P NMR 스펙트럼을 기반으로 정성 및 정량 분석하였으며 주요 클래스로서, PC, PE 및 LPC가 확인되었으며, PC가 주요 클래스 중 70% 이상을 차지했다. 또한, 지질의 주요 지방산으로는 palmitic acid, oleic acid, DHA가 확인되었으며, 이러한 지방산은 오일에서 28.26%, 15.74%, 30.02% 및 인지질에서 7.89%, 15.82%, 19.91%의 ω-3 지방산을 함유하고 있었다. 레티놀은 내장의 오일에서만 1.06 ± 0.02 mg/100g으로 검출되었으며, 토코페롤은 오일과 인지질 모두에 존재하는 주요 비타민으로 오일에서 감마 토코페롤이 29.73 ± 0.13 mg/100g, 17.88 ± 0.02 mg/100g, 76.57 ± 0.84 mg/100g이었고, 인지질에서 25.98 ± 0.12 mg/100g, 18.90 ± 0.11 mg/100g, 19.49 ± 0.09 mg/100g이었다. 열중량 분석 결과를 통해 오일의 단순한 중량 감소를 보여 우수한 열적 안정성을 갖고 있다고 판단하였다. 가다랑어 가수분해물은 온도가 증가함에 따라 추출율이 증가하며 240℃에서 73.17% ± 0.39%, 90.17% ± 0.96%, 79.50% ± 0.12%로 내장 추출물에서 가장 높은 수율을 나타냈다. MRPs 결과를 통해 온도 증가로 마이야르 반응물의 생성이 증가하는 것을 확인하였다. 총 당함량은 온도가 상승하면서 감소하는 경향을 보였으며, 부위별로 6.44 ± 0.22에서 13.34 ± 0.67, 12.81 ± 0.20에서 55.19 ± 0.82, 6.34 ± 0.11에서 13.69 ± 0.49 mg glucose/g dried sample으로 다양한 함량을 나타냈다. 환원당은 머리 추출물은 200℃에서 8.87 ± 1.09 mg glucose/g dried sample, 내장과 껍질 추출물은 220℃에서 23.62 ± 2.04 mg glucose/g dried sample, 7.95 ± 0.43 mg glucose/g dried sample으로 최대 함량을 나타냈으며, 온도가 증가함에 따라 함량이 감소하는 경향을 보였다. SDS-PAGE를 통해 160℃에서 부위별로 75 KDa, 35 KDa, 63 KDa이었던 분자량이 200℃ 이상에서 대부분 저분자화되는 것을 확인했다. 총 단백질 함량은 모든 부위가 200℃에서 219.86 ± 2.26 mg BSA/g dried sample, 297.36 ± 2.17 mg BSA/g dried sample, 265.88 ± 0.85 mg BSA/g dried sample로 가장 많은 양을 함유되었으며, 온도 상승에 따라 감소하는 경향을 나타냈다. 가장 높은 단백질 함량을 가진 200℃ 가수분해물의 아미노산 조성을 분석한 결과, 주요 구성아미노산으로는 leucine, glutamic acid, glycine, arginine, alanine 등이 확인되었으며, 주요 유리 아미노산으로는 histidine 및 taurine의 함량이 우세하게 나타났으며 가다랑어 원물과 비교하였을 때 함량의 차이가 발생하였다. 가수분해물의 항산화 활성은 온도가 상승함에 따라 증가하였으며, 240℃에서 52.21 ± 1.05 mg Trolox/g dried sample, 80.30 ± 1.70 mg Trolox/g dried sample, 68.28 ± 7.19 mg Trolox/g dried sample로 가장 높은 활성을 나타냈다. 항당뇨 활성도 동일하게 온도가 상승함에 따라 증가하였으며 가장 활성이 높았던 240℃ 가수분해물의 α-glucosidase 억제활성의 IC50 결과, 각각 6.38 ± 0.09 mg/ml, 2.08 ± 0.17 mg/ml, 5.18 ± 0.14 mg/ml으로 내장 추출물이 다른 부위에 비해 가장 높은 활성을 나타냈다. 항염증 활성 역시 240℃에서 최대활성을 나타내었으며 내장 추출물에서 가장 높은 활성을 나타냈다. 따라서, 본 연구의 결과를 통해 가다랑어는 식품 및 제약 분야에서 활용할 수 있는 유망한 원료로 판단되며, 초임계 이산화탄소 및 아임계 수 추출을 적용함으로써 향후 연구 및 산업에서 선택적으로 활용할 수 있는 중요한 기초자료로 활용될 수 있다.