BIO-CALCIUM FROM HYBRID CATFISH BUK SIAM (Pangasianodon gigas × Pangasianodon hypophthalmus) BONE : PRODUCTION, BIOACTIVITY AND APPLICATION IN CRISPY BROWNIES

Abstract

Bio-calcium from fish bones is a high quality of organic calcium product. The objective of this research was to develop a process for bio-calcium production from hybrid catfish (Pangasianodon gigas x Pangasianodon hypophthalmus) bone including 4 steps: 1) high pressure water jet process 2) soaking in alkaline solution 3) ethanol immersion process 4) bleaching and grinding to obtain bio-calcium powder. %Yield, chemical composition, color values, mineral contents, hydroxyproline contents, protein pattern, amino acid composition, lipid oxidation, total volatile acids, X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) techniques and the microstructure of fish bone from different processes were analyzed. It was found that the obtained bio-calcium had yield of 14.46%. In addition, bio-calcium had a low protein, fat and moisture contents with coincidental increases of ash content and the lightness values (L*) (p≤0.05). Bio-calcium was rich in calcium and phosphorus content, while heavy metals (Pb, Hg and As) were not detected. Bio-calcium contained a high hydroxyproline content of 30.82 ± 1.83 mg/g samples. When analyzing the protein pattern of fish bone from 4 processes using sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) technic, two major protein bands with a molecular weight of 133 and 116 kDa were found. Moreover, bio-calcium was also rich in amino acid contents of glycine, proline, alanine, glutamic and aspartic acids. However, the process of ethanol immersion, bleaching and grinding to obtain bio-calcium powder decreased in Thiobarbituric acid-reactive substances (TBARS) values and total volatile acids (p≤0.05), compared to the previous process. When studying the structure of bio-calcium using X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) techniques showed that bio-calcium had the crystalline structure of hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2). The particle sizes of bio-calcium powder were in a range of 2-10 µm and distributed uniformly. Therefore, bio-calcium production was suitable process to obtain a good quality bio-calcium of fine powder, white color, without fishy and rancid odor. It can be developed as a calcium supplement.

Comparative study of calcium powder from bio-calcium, calcined calcium of hybrid catfish bone and commercial calcium were characterized and analyzed of chemical composition, color value, hydroxyproline content, total volatile compounds, antioxidant activity, bioavailability and the structure property. It was found that bio-calcium powder had higher in protein content, lightness value (L*), yellow value (b*), hydroxyproline content than calcined calcium and commercial calcium (p≤0.05). However, calcined calcium had lower volatile compounds than bio-calcium. In addition, calcined calcium had a higher in DPPH• and ABTS• scavenging activities than bio-calcium and commercial calcium but bio-calcium had a higher ferric reducing capacity (FRAP) than commercial calcium and calcined calcium. Commercial calcium had the highest metal chelating activity (Fe2+). When analyzing the calcium bioavailability of in vitro simulated gastrointestinal digestion system, bio-calcium had higher calcium bioavailability than calcined calcium and commercial calcium (p≤0.05). The particle sizes of bio-calcium powder were in a range of 5-10 µm and distributed uniformly. Therefore, bio-calcium, an organic calcium combined with collagen and peptide, had higher in antioxidant activity and calcium bioavailability than calcined calcium and commercial calcium.

Formulation development and quality analysis of bio-calcium products from the hybrid catfish bone containing capsule to be developed as a commercial bio-calcium product. Bio-calcium was supplemented with collagen hydrolysate and calcium ascorbate including: formula 1) bio-calcium powder (Bio-Ca) formula 2) bio-calcium powder mixed with collagen hydrolysate (Bio-Ca + Col) formula 3) bio-calcium powder mixed with calcium ascorbate (Bio-Ca + Vit C) and formula 4) bio-calcium powder with collagen hydrolysate and calcium ascorbate (Bio-Ca + Col + Vit C). The results showed that formula 4 (Bio-Ca + Col + Vit C) had the highest lightness value (L*). In addition, all formulas were not different in the moisture content and water activity (p>0.05). However, formula 3 (Bio-Ca + Vit C) had the highest bulk density, while formula 4 (Bio-Ca + Col + Vit C) had the lowest tapped density. For the solubility of bio-calcium at various pH values, all formulas of bio-calcium had the highest solubility in the pH ranges of 1-2. In addition, formula 3 (Bio-Ca + Vit C) also had a higher in the DPPH• and ABTS• radical scavenging activity, ferric reducing antioxidant power (FRAP) and metal chelating activity (Fe2+) than other formulas. Moreover, formula 1 (Bio-Ca) and formula 3 (Bio-Ca + Vit C) had a higher calcium bioavailability value than formula 2 (Bio-Ca + Col) and formula 4 (Bio-Ca + Col + Vit C). Therefore, bio-calcium supplemented with collagen hydrolysate and calcium ascorbate results in better calcium dissolving. In addition, it has a high antioxidant activity and high calcium bioavailability.

The development of crispy brownie products supplemented with bio-calcium powder at different levels of 0, 10, 20, and 30 % were analyzed of color values, moisture content, water activity (aw) texture property and sensory evaluation. The results showed that the crispy brownies supplemented with bio-calcium powder at higher levels had more porosity in the product. For the physical characteristics, the lightness values (L*) of crispy brownies increased with increasing in the content of bio-calcium powder (p≤0.05). The moisture contents of all crispy brownies were not different (p>0.05). Water activity (aw) of the crispy brownies supplemented with bio-calcium powder at the levels of 20% and 30% had higher than those control sample (without bio-calcium powder) and 10% bio-calcium addition (p≤0.05). Brownies supplemented with bio-calcium affected on the texture quality, which was more brittle compared to the control brownies (p≤0.05). It also had a higher sensory acceptance score than the other formulas (p≤0.05). Therefore, brownies supplemented with bio-calcium is an alternative healthy product for consumers.

ไบโอแคลเซียมจากกระดูกปลาเป็นผลิตภัณฑ์แคลเซียมชนิดอินทรีย์ที่มีคุณภาพสูง วัตถุประสงค์ของการวิจัยนี้เพื่อพัฒนากรรมวิธีการผลิตไบโอแคลเซียมจากกระดูกปลาลูกผสมบึกสยาม (Pangasianodon gigas x Pangasianodon hypophthalmus) 4 ขั้นตอน ประกอบด้วย 1) กระบวนการฉีดน้ำแรงดันสูง 2) กระบวนการแช่ในสารละลายด่าง 3) กระบวนการแช่ในตัวทำละลายเอทานอล 4) กระบวนการฟอกสีและบดให้เป็นผงไบโอแคลเซียม จากนั้นนำไปวิเคราะห์ ร้อยละผลผลิต องค์ประกอบทางเคมี ค่าสี ปริมาณแร่ธาตุ ปริมาณไฮดรอกซีโพรลีน รูปแบบของโปรตีน องค์ประกอบของกรดอะมิโน การเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของไขมัน ปริมาณสารประกอบที่ระเหยได้ โครงสร้างทางผลึก หมู่ฟังก์ชัน และโครงสร้างทางจุลภาคของกระดูกปลาจาก 4 กระบวนการ พบว่า ไบโอแคลเซียมที่ได้มีร้อยละผลผลิตเท่ากับ 14.46 นอกจากนี้ ไบโอแคลเซียมมีปริมาณโปรตีน ไขมัน และความชื้นลดลง แต่กลับมีปริมาณเถ้า และค่าความสว่าง (L*) เพิ่มขึ้น (p≤0.05) ไบโอแคลเซียมยังอุดมไปด้วยแร่ธาตุแคลเซียมและฟอสฟอรัส ซึ่งไม่พบว่ามีการปนเปื้อนโลหะหนัก เช่น ปรอท ตะกั่ว สารหนู อีกทั้งยังพบว่าไบโอแคลเซียมมีปริมาณไฮดรอกซีโพรลีนสูงถึง 30.82 ± 1.83 มิลลิกรัม/กรัมตัวอย่าง เมื่อวิเคราะห์รูปแบบโปรตีนของกระดูกปลาจาก 4 กระบวนการด้วยวิธี Sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) พบแถบโปรตีนหลัก 2 แถบที่มีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากับ 133 และ 116 กิโลดาลตัน ไบโอแคลเซียมยังอุดมไปด้วยกรดอะมิโน ไกลซีน โปรลีน อะลานีน กรดกลูตามิก และกรดแอสพาติก อย่างไรก็ตามกระบวนการแช่กระดูกปลาในตัวทำละลายเอทานอลและฟอกสี แล้วบดให้เป็นผงไบโอแคลเซียมทำให้มีค่า Thiobarbituric acid-reactive substances (TBARS) และมีปริมาณสารประกอบที่ระเหยได้ลดลงอย่างมาก (p≤0.05) เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการก่อนหน้า เมื่อศึกษาโครงสร้างทางผลึกของไบโอแคลเซียมด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และหมู่ฟังก์ชันด้วยเทคนิค Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) พบว่าไบโอแคลเซียมมีรูปแบบผลึกไฮดรอกซีอะพาไทต์ (Ca10(PO4)6(OH)2) และผงไบโอแคลเซียมที่ได้มีลักษณะเป็นก้อนขนาดเล็กขนาด 2-10 ไมโครเมตร กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้นกระบวนการข้างต้นมีความเหมาะสมที่จะทำให้ได้มาซึ่งไบโอแคลเซียมที่มีคุณภาพดี เป็นผงละเอียด มีสีขาวบริสุทธิ์ ปราศจากกลิ่นเหม็นหืน และกลิ่นที่ไม่พึงประสงค์สามารถนำไปพัฒนาเป็นผลิตภัณฑ์อาหารเสริมแคลเซียมได้

การศึกษาเปรียบเทียบคุณลักษณะของผงไบโอแคลเซียม แคลเซียมอนินทรีย์จากกระดูกปลาลูกผสมบึกสยาม และแคลเซียมทางการค้า โดยวิเคราะห์เปรียบเทียบ องค์ประกอบทางเคมี ค่าสี ปริมาณไฮดรอกซี โพรลีน ปริมาณสารประกอบที่ระเหยได้ชนิดต่าง ๆ กิจกรรมการต้านอนุมูลอิสระ การดูดซึมทางชีวภาพของแคลเซียม และโครงสร้างทางสัณฐานวิทยา พบว่าผงไบโอแคลเซียมมีโปรตีน ค่าความสว่าง (L*) ค่าสีเหลือง (b*) ปริมาณไฮดรอกซีโพรลีนสูงกว่าแคลเซียมอนินทรีย์และแคลเซียมทางการค้า (p≤0.05) อย่างไรก็ตามแคลเซียมอนินทรีย์มีปริมาณสารประกอบที่ระเหยได้น้อยกว่าไบโอแคลเซียม นอกจากนี้แคลเซียมอนินทรีย์ยังมีกิจกรรมการต้านออกซิเดชัน DPPH• และ ABTS• สูงกว่าไบโอแคลเซียมและแคลเซียมทางการค้า แต่ไบโอแคลเซียมมีค่าความสามารถในการรีดิวซ์เฟอร์ริก (FRAP) สูงกว่าแคลเซียมทางการค้าและแคลเซียมอนินทรีย์ ส่วนแคลเซียมทางการค้ามีค่าความสามารถในการจับโลหะ (Fe2+) สูงที่สุด เมื่อวิเคราะห์ค่าการดูดซึมทางชีวภาพของแคลเซียมในระบบจำลองการย่อยอาหารในหลอดทดลอง พบว่าไบโอแคลเซียมมีค่าการดูดซึมทางชีวภาพของแคลเซียมสูงกว่าแคลเซียมอนินทรีย์และแคลเซียมทางการค้า (p≤0.05) และเมื่อวิเคราะห์โครงสร้างทางสัณฐานวิทยาพบว่าผงไบโอแคลเซียมที่มีลักษณะเป็นก้อนขนาดเล็กขนาด 5-10 ไมโครเมตร กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้นไบโอแคลเซียมเป็นแคลเซียมอินทรีย์ที่อุดมไปด้วยคอลลาเจนและเปปไทด์ ที่มีกิจกรรมการต้านออกซิเดชัน และค่าการดูดซึมทางชีวภาพของแคลเซียมสูงกว่าแคลเซียมอนินทรีย์ และแคลเซียมทางการค้า

จากการพัฒนาสูตรและวิเคราะห์คุณภาพของผลิตภัณฑ์ไบโอแคลเซียมจากกระดูกปลาลูกผสมบึกสยามชนิดบรรจุแคปซูล เพื่อต่อยอดเป็นผลิตภัณฑ์แคลเซียมทางการค้าด้วยการนำไบโอแคลเซียมมาเสริมคอลลาเจนไฮโดรไลเซตและแคลเซียมแอสคอร์เบต ประกอบด้วย สูตรที่ 1 ผงไบโอแคลเซียม (Bio-Ca) สูตรที่ 2 ผงไบโอแคลเซียมผสมคอลลาเจนไฮโดรไลเซต (Bio-Ca + Col) สูตรที่ 3 ผงไบโอแคลเซียมผสมแคลเซียมแอสคอร์เบต (Bio-Ca + Vit C) และสูตรที่ 4 ผงไบโอแคลเซียมผสมคอลลาเจนไฮโดรไลเซตและแคลเซียมแอสคอร์เบต (Bio-Ca + Col + Vit C) โดยนำผงไบโอแคลเซียมทั้ง 4 สูตรมาวิเคราะห์คุณภาพ ได้แก่ ค่าสี ค่าปริมาณร้อยละของความชื้น ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ (aw) ค่าความหนาแน่นรวม ค่าความหนาแน่นจำเพาะ ค่าร้อยละของการละลาย กิจกรรมการต้านอนุมูลอิสระ และการดูดซึมทางชีวภาพของแคลเซียม พบว่า ไบโอแคลเซียมบรรจุแคปซูลสูตรที่ 4 (Bio-Ca + Col + Vit C) มีค่าความสว่าง (L*) สูงที่สุด นอกจากนี้ ไบโอแคลเซียมทุกสูตรมีค่าปริมาณร้อยละของความชื้น และค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ไม่แตกต่างกัน (p>0.05) อย่างไรก็ตามไบโอแคลเซียมบรรจุแคปซูลสูตรที่ 3 (Bio-Ca + Vit C) มีค่าความหนาแน่นรวมสูงที่สุด ขณะที่ไบโอแคลเซียมบรรจุแคปซูลสูตรที่ 4 (Bio-Ca + Col + Vit C) มีค่าความหนาแน่นจำเพาะต่ำที่สุด เมื่อพิจารณาถึงค่าการละลายของไบโอแคลเซียมที่ค่าพีเอชต่าง ๆ พบว่าไบโอแคลเซียมทุกสูตรมีค่าการละลายสูงสุดในช่วงพีเอช 1-2 นอกจากนี้ไบโอแคลเซียมบรรจุแคปซูลที่ 3 (Bio-Ca + Vit C) ยังมีค่ากิจกรรมการต้านออกซิเดชัน DPPH• และ ABTS• ค่าความสามารถในการรีดิวซ์เฟอร์ริก (FRAP) และค่าความสามารถในการจับโลหะ (Fe2+) สูงกว่าสูตรอื่น ๆ อีกทั้งไบโอแคลเซียมสูตรที่ 1 (Bio-Ca) และสูตรที่ 3 (Bio-Ca + Vit C) มีค่าการดูดซึมทางชีวภาพของแคลเซียมสูงกว่าไบโอแคลเซียมบรรจุแคปซูลสูตรที่ 2 (Bio-Ca + Col) และ สูตรที่ 4 (Bio-Ca + Col + Vit C) ดังนั้นการเสริมคอลาเจนไฮโดรไลเซตและแคลเซียมแอสคอร์เบตในไบโอแคลเซียมจะส่งผลทำให้ไบโอแคลเซียมที่ได้มีการละลายที่ดีขึ้น มีกิจกรรมการต้านออกซิเดชัน และค่าการดูดซึมทางชีวภาพของแคลเซียมสูงขึ้น

การพัฒนาผลิตภัณฑ์ขนมบราวนี่กรอบเสริมไบโอแคลเซียมจากกระดูกปลาลูกผสมบึกสยามโดยเสริมผงไบโอแคลเซียมที่ระดับร้อยละ 0, 10, 20, และ 30 ของน้ำหนักแป้ง และศึกษาลักษณะทางกายภาพ ค่าสี ปริมาณความชื้น ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ (aw) คุณภาพทางด้านเนื้อสัมผัส และการยอมรับทางด้านประสาทสัมผัส ผลการทดลองพบว่าขนมบราวนี่กรอบที่เสริมผงไบโอแคลเซียมในระดับที่สูงขึ้น ทำให้มีรูพรุนขนาดเล็กในผลิตภัณฑ์เพิ่มมากขึ้น เมื่อพิจารณาลักษณะทางกายภาพ พบว่าขนมบราวนี่กรอบที่เสริมผงไบโอแคลเซียมที่ระดับต่าง ๆ มีค่าความสว่าง (L*) สูงขึ้นเมื่อเพิ่มระดับของผงไบโอแคลเซียมในปริมาณที่สูงขึ้น (p≤0.05) ส่วนความชื้นของขนมบราวนี่กรอบทุกสูตรไม่แตกต่างกัน (p>0.05) แต่ค่าวอเตอร์แอคติวิตี้ (aw) ของขนมบราวนี่กรอบเสริมผงไบโอแคลเซียมที่ระดับร้อยละ 20 และ 30 สูงกว่าบราวนี่กรอบสูตรควบคุม (ไม่มีผงไบโอแคลเซียม) และขนมบราวนี่กรอบเสริมไบโอแคลเซียมร้อยละ 10 (p≤0.05) ขนมบราวนี่กรอบเสริมผงไบโอแคลเซียมที่ระดับร้อยละ 10 จะส่งผลต่อคุณภาพทางด้านเนื้อสัมผัสโดยจะทำให้มีความเปราะมากขึ้นเมื่อเทียบกับสูตรควบคุม (p≤0.05) อีกทั้งยังได้รับคะแนนการยอมรับทางด้านประสาทสัมผัสสูงกว่าสูตรอื่น (p≤0.05) ดังนั้นขนมบราวนี่กรอบเสริมไบโอแคลเซียมจึงเป็นผลิตภัณฑ์เพื่อสุขภาพอีกทางเลือกสำหรับผู้บริโภคในการรับประทานอาหารเสริมแคลเซียม