Establishing processes in producing dicalcium phosphate, octacalcium phosphate and gelatin from monkfish (Lophius vomerinus) bones
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Extraction of valuable products from solid waste generated from fish processing can contribute towards improved utilisation of solid waste originating from fisheries. Fish heads are one of the solid wastes generated by monkfish processing in South African monkfish and hake fisheries. Recovery of protein nutrients from fish heads using a well-established technique, namely enzymatic hydrolysis, results in bones as by-product. Bones, naturally rich in calcium phosphate minerals and protein in small quantities, are a potential source of dicalcium phosphate (DCP) and gelatin protein. This study aimed to develop and optimise processes for the extraction of minerals from bones, precipitation of DCP from the extracted mineral liquor and extraction of gelatin from residual ossein, a by-product during the extraction of minerals from bones. The study entailed four main procedures: preliminary treatment, demineralisation, DCP precipitation and gelatin extraction. The bones utilised for the experimental work were recovered from monkfish heads by way of enzymatic hydrolysis using a simple treatment as the objective of the preliminary treatment.
A two-level, three-factor full factorial design was implemented for demineralisation optimisation. The design was applied to study the effect of H3PO4 concentration (% v/v), number of 24-hour extractions and ratio of solution (v) to raw material (w) at ambient temperature of 17 °C on ash and hydroxyproline contents of ossein. The results showed that the optimum conditions to obtain minimised ash content and maximised hydroxyproline contents in the ossein were 5% H3PO4 (v/v), four successive 24-hour extractions and 5:1 ratio of solution (v) to bones (w) at ambient temperature of 17 °C. Linear regression models were developed to predict ash content of 0 g kg-1 and hydroxyproline content of 75.9 g kg-1 in dry mass ossein at optimum conditions. The experimental results showed 2.8 g kg-1 dry mass and 69.7 g kg-1 dry mass ash and hydroxyproline contents in ossein, respectively, and within the ± 95% prediction interval of the models. The results showed that significant amounts of minerals contained in the monkfish bones were recovered in the mineral liquor while an amount of 69.7 g dry hydroxyproline per kg dry ossein was preserved in ossein.
A maximum precipitate of DCP from mineral liquor, having a maximum phosphorus (P) content and Ca:P molar ratio equal to one, was optimised using response surface methodology (RSM) with a three-factor, five-level central composite design (CCD). Quadratic regression models were proposed to study the combined effect of reaction temperature (°C), 1 M Ca(OH)2:mineral liquor ratio (v:v) and reaction time (minutes) on the amount of DCP precipitate and the P content and Ca:P molar ratio thereof. The results showed that the optimum conditions were 75 °C reaction temperature, 0.95:1 v/v 1 M Ca(OH)2:mineral liquor ratio and reaction time no longer than 17 minutes as reaction times longer than 17 minutes did not lead to increased DCP precipitate. At optimum conditions, the predicted values were 20.5 g dry mass of DCP precipitate per 150 ml starting mineral liquor, and the precipitate contained 221.6 g kg-1 dry mass P and 1.07 Ca:P molar ratio. The experimental results of 21.1 g dry mass of DCP precipitate per 150 ml starting mineral liquor, 215.2 g kg-1 dry mass P content and 1.16 Ca:P molar ratio were closely matched to the predicted values. The spent solution, as a by-product in the DCP precipitation, contained very low levels of calcium (Ca) and P. Thus, there was an indication that there was a high recovery of total Ca and P inputs.
An X-ray powder diffraction analysis revealed that the DCP was precipitated in the form of dicalcium phosphate dihydrate (DCPD). The precipitated DCPD also contained essential micro minerals and very low levels of harmful heavy metals. The relative solubility of P in 2% citric acid solution for the precipitated DCPD was determined to be 95.1%, which was an estimate of the P bioavailability thereof and an indication of a potential good-quality inorganic P feed supplement. It was also found that octacalcium phosphate (OCP) was precipitated by using 25 °C reaction temperature, 1.2:1 v/v 1 M Ca(OH)2:mineral liquor ratio and reaction time no longer than 17 minutes. It yielded 25.4 g dry mass of OCP precipitate per 150 ml starting mineral liquor, and the precipitate contained 18.3 g kg-1 dry mass P and 31.6 g kg-1 dry mass Ca, giving a Ca:P molar ratio of 1.34. Based on the literature, a composite of OCP has specific applications in the medical and dental fields; thus, OCP is regarded as an important biomaterial.
To establish the optimum gelatin extraction conditions from the ossein, RSM with a three-factor, five-level CCD was used. This design was applied to study the joint effect of extraction pH, temperature (°C) and time (minutes) on the hydroxyproline yield in the gelatin liquor at a fixed 1:10 ratio of ossein:water (w:v) and one extraction. The optimum conditions were extraction pH of 8, temperature of 80 °C and time of 125 minutes. The predicted hydroxyproline yield of the model at optimal conditions was 0.6% with an equivalent hydroxyproline recovery of 8.3%. The recovery of hydroxyproline was significantly lower than that from bones of cod species reported in literature on studies that utilised three or more successive extractions. Improving the hydroxyproline recovery (that will also improve hydroxyproline yield) in the present work can be achieved by employing two or more successive extractions of gelatin from ossein. This study demonstrated that gelatin could be extracted from monkfish ossein.
Based on the results of this study, there is a potential for extraction of valuable products DCPD, OCP and gelatin from monkfish bones using processes that were developed and optimised in this study. Consequently, this study can make future contributions towards improved utilisation of monkfish heads, which are currently viewed as a solid waste product from the South African monkfish and hake fisheries.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ekstraksie van waardevolle produkte uit die vaste afval wat van visverwerking afkomstig is, kan meewerk dat vaste afval uit visserye beter benut word. Viskoppe is een soort vaste afval wat uit monnikvisverwerking in die Suid-Afrikaanse monnikvis- en stokvisbedryf afkomstig is. ’n Goed gevestigde tegniek om proteïenvoedingstowwe uit viskoppe te herwin, te wete ensimatiese hidrolise, beteken dat visbeen as neweproduk gebruik kan word. Been, wat ’n natuurlike bron van kalsiumfosfaatminerale en klein hoeveelhede proteïene is, is ’n potensiële bron van dikalsiumfosfaat (DKF) en gelatienproteïen. Die oogmerk van hierdie studie was om prosesse te ontwikkel en optimaal te benut vir die ekstraksie van minerale uit been, die presipitasie van DKF uit die geëkstraheerde mineraalvloeistof, asook die ekstraksie van gelatien uit die oorblywende osseïen (gedemineraliseerde been). Die studie het vier hoofprosedures behels: voorbereidende behandeling, demineralisering, DKF-presipitasie, en gelatienekstraksie. Die been wat vir die eksperimentele werk gebruik is, is deur ensimatiese hidrolise met ’n eenvoudige behandeling, wat met die voorbereidende behandeling in die vooruitsig gestel is, uit die monnikviskoppe herwin. ’n Tweevlak-, driefaktor-volfakulteitsontwerp is vir die demineralisasie toegepas. Die ontwerp is toegepas om die uitwerking van H3PO4-konsentrasie (% v/v), die getal 24-uur-ekstraksies en die verhouding oplossing (v) tot grondstof (w) teen ’n omringende temperatuur van 17 °C op die as- en hidroksiprolieninhoud van die osseïen te bestudeer. Die resultate het getoon die optimum toestande om geminimeerde asinhoud en gemaksimeerde hidroksiprolieninhoud in die osseïen te bereik, is 5% H3PO4 (v/v), vier opeenvolgende 24-uur-ekstraksies en ’n 5:1-verhouding oplossing (v) tot been (w) teen omringende temperatuur van 17 °C. Lineêre regressiemodelle is ontwikkel om asinhoud van 0 g kg-1 en hidroksiprolieninhoud van 75.9 g kg-1 in droëmaterieosseïen by optimale toestande te voorspel. Die resultate het onderskeidelik 2.8 g kg-1 droë materie (dm) en 69.7 g kg-1 dm as- en hidroksiprolieninhoud in die osseïen binne die ± 95%-voorspellingsinterval van die modelle aangedui. Die resultate het getoon dat beduidende hoeveelhede minerale in die monnikvisbeen uit die mineraalvloeistof herwin is, terwyl altesaam 69.7 g droë hidroksiprolien per kg droë osseïen in die osseïen behou is. ’n Maksimum presipitaat van DKF uit minerale vloeistof met ’n maksimum inhoud fosfor (P) en Ca:P- molêre verhouding gelyk aan een is deur middel van responsieoppervlakmetodologie (ROM) met ’n driefaktor-, vyfvlak- sentrale samestellingsontwerp (SSO) geoptimeer. Kwadratiese regressiemodelle is voorgestel om die gekombineerde uitwerking van reaksietemperatuur (°C), 1M Ca(OH)2:minerale vloeistofverhouding (v:v) en reaksietyd (minute) op die hoeveelheid DKF-presipitaat, en die P-inhoud en Ca:P- molêre verhouding daarvan, te ondersoek. Die resultate het getoon dat die optimum toestande bereik is by ’n reaksietemperatuur van 75 °C, 0.95:1 v/v 1M Ca(OH)2:minerale vloeistof-verhouding en ’n reaksietyd van nie meer nie as 17 minute, aangesien reaksietye van meer as 17 minute nie tot verhoogde DKF-presipitasie gelei het nie. Teen optimum toestande was die voorspelde waardes 20.5 dm van DKF-presipitaat per 150 ml aanvangsoplossing, terwyl die presipitaat 221.6 g kg-1 P en 1.07 Ca:P- molêre verhouding bevat het. Die eksperimentele resultate van 21.1 g dm van DKF-presipitaat per 150 ml-aanvangsoplossing, 215.2 g kg-1 dm P-inhoud en 1.16 Ca:P- molêre verhouding het ’n sterk ooreenkoms met die voorspelde waardes getoon. Die gebruikte oplossing, as ’n neweproduk in die DKF-presipitasie, het baie lae vlakke van Ca en P bevat. Daar was dus ’n aanduiding van ’n hoë herwinning van totale Ca- en P-insette. ’n X-straalpoeierdiffraksieontleding het aangedui dat die DKF in die vorm van dikalsiumfosfaatdihidraat (DKFD) gepresipiteer word. Die gepresipiteerde DKFD het ook essensiële mikrominerale en beduidend lae vlakke van skadelike swaarmetale bevat. Die relatiewe oplosbaarheid van P in ’n 2%-sitroensuuroplossing vir die gepresipiteerde DKFD is vasgestel op 95.1%, wat ’n raming van die P-biobeskikbaarheid daarvan en ’n aanduiding van ’n potensieel goeie kwaliteit anorganiese fosforvoeraanvulling gee. Daar is ook bevind dat oktakalsiumfosfaat (OKF) by ’n reaksietemperatuur van 25 °C, ’n 1.2:1 v/v 1M Ca(OH)2:mineraalvloeistofverhouding en ’n reaksietyd van nie meer nie as 17 minute presipiteer. Dit het 25.4 g dm van OKF-presipitaat per 150 ml- aanvangsoplossing opgelewer, terwyl die presipitaat 18.3 g kg-1 dm P en 31.6 g kg-1 dm kalsium (Ca) opgelewer het, met ’n gevolglike Ca:P- molêre verhouding van 1:34. Volgens die literatuur het ’n OKP-samestelling spesifieke toepassings in die mediese en tandheelkundige veld; en word OKP dus as ’n belangrike biomateriaal beskou. Om die optimum gelatienekstraksietoestande vir die osseïen te bewerkstellig is ROM met ’n driefaktor-, vyfvlak-SSO gebruik. Hierdie ontwerp is toegepas om die gesamentlike uitwerking van ekstraksie-pH, temperatuur (°C) en tyd (minute) op die hidroksiprolienopbrengs in die gelatienvloeistof teen ’n vaste 1:10-verhouding van osseïen:water (w:v) en een ekstraksie te ondersoek. Die optimum toestande was ’n ekstraksie-pH van 8, temperatuur van 80 °C en tyd van 125 minute. Die voorspelde hidroksiprolienopbrengs van die model by optimale toestande was 0.6%, met ’n ekwivalente hidroksiprolienherwinning van 8.3%. Die herwinning van hidroksiprolien was beduidend laer as dié vir die been van kabeljouspesies wat in die literatuur genoem word in studies wat drie of meer opeenvolgende ekstraksies gebruik het. Verbeterde hidroksiprolienherwinning (wat hidroksiprolienopbrengs ook sal verbeter) kan in die huidige werk deur twee of meer opeenvolgende ekstraksies van gelatien uit die osseïen behaal word. Hierdie studie bewys dat gelatien uit monnikvisosseïen geëkstraheer kan word. Gebaseer op die resultate van hierdie studie bestaan die potensiaal vir die ekstraksie van die waardevolle produkte DKFD, OKP en gelatien uit monnikvisbeen aan die hand van prosesse wat in hierdie studie ontwikkel en geoptimeer is. Gevolglik kan hierdie studie bydra tot die toekomstige nuttige gebruik van monnikviskoppe, wat op die oomblik as ’n afvalproduk van die Suid-Afrikaanse monnikvis- en stokvisbedryf beskou word.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ekstraksie van waardevolle produkte uit die vaste afval wat van visverwerking afkomstig is, kan meewerk dat vaste afval uit visserye beter benut word. Viskoppe is een soort vaste afval wat uit monnikvisverwerking in die Suid-Afrikaanse monnikvis- en stokvisbedryf afkomstig is. ’n Goed gevestigde tegniek om proteïenvoedingstowwe uit viskoppe te herwin, te wete ensimatiese hidrolise, beteken dat visbeen as neweproduk gebruik kan word. Been, wat ’n natuurlike bron van kalsiumfosfaatminerale en klein hoeveelhede proteïene is, is ’n potensiële bron van dikalsiumfosfaat (DKF) en gelatienproteïen. Die oogmerk van hierdie studie was om prosesse te ontwikkel en optimaal te benut vir die ekstraksie van minerale uit been, die presipitasie van DKF uit die geëkstraheerde mineraalvloeistof, asook die ekstraksie van gelatien uit die oorblywende osseïen (gedemineraliseerde been). Die studie het vier hoofprosedures behels: voorbereidende behandeling, demineralisering, DKF-presipitasie, en gelatienekstraksie. Die been wat vir die eksperimentele werk gebruik is, is deur ensimatiese hidrolise met ’n eenvoudige behandeling, wat met die voorbereidende behandeling in die vooruitsig gestel is, uit die monnikviskoppe herwin. ’n Tweevlak-, driefaktor-volfakulteitsontwerp is vir die demineralisasie toegepas. Die ontwerp is toegepas om die uitwerking van H3PO4-konsentrasie (% v/v), die getal 24-uur-ekstraksies en die verhouding oplossing (v) tot grondstof (w) teen ’n omringende temperatuur van 17 °C op die as- en hidroksiprolieninhoud van die osseïen te bestudeer. Die resultate het getoon die optimum toestande om geminimeerde asinhoud en gemaksimeerde hidroksiprolieninhoud in die osseïen te bereik, is 5% H3PO4 (v/v), vier opeenvolgende 24-uur-ekstraksies en ’n 5:1-verhouding oplossing (v) tot been (w) teen omringende temperatuur van 17 °C. Lineêre regressiemodelle is ontwikkel om asinhoud van 0 g kg-1 en hidroksiprolieninhoud van 75.9 g kg-1 in droëmaterieosseïen by optimale toestande te voorspel. Die resultate het onderskeidelik 2.8 g kg-1 droë materie (dm) en 69.7 g kg-1 dm as- en hidroksiprolieninhoud in die osseïen binne die ± 95%-voorspellingsinterval van die modelle aangedui. Die resultate het getoon dat beduidende hoeveelhede minerale in die monnikvisbeen uit die mineraalvloeistof herwin is, terwyl altesaam 69.7 g droë hidroksiprolien per kg droë osseïen in die osseïen behou is. ’n Maksimum presipitaat van DKF uit minerale vloeistof met ’n maksimum inhoud fosfor (P) en Ca:P- molêre verhouding gelyk aan een is deur middel van responsieoppervlakmetodologie (ROM) met ’n driefaktor-, vyfvlak- sentrale samestellingsontwerp (SSO) geoptimeer. Kwadratiese regressiemodelle is voorgestel om die gekombineerde uitwerking van reaksietemperatuur (°C), 1M Ca(OH)2:minerale vloeistofverhouding (v:v) en reaksietyd (minute) op die hoeveelheid DKF-presipitaat, en die P-inhoud en Ca:P- molêre verhouding daarvan, te ondersoek. Die resultate het getoon dat die optimum toestande bereik is by ’n reaksietemperatuur van 75 °C, 0.95:1 v/v 1M Ca(OH)2:minerale vloeistof-verhouding en ’n reaksietyd van nie meer nie as 17 minute, aangesien reaksietye van meer as 17 minute nie tot verhoogde DKF-presipitasie gelei het nie. Teen optimum toestande was die voorspelde waardes 20.5 dm van DKF-presipitaat per 150 ml aanvangsoplossing, terwyl die presipitaat 221.6 g kg-1 P en 1.07 Ca:P- molêre verhouding bevat het. Die eksperimentele resultate van 21.1 g dm van DKF-presipitaat per 150 ml-aanvangsoplossing, 215.2 g kg-1 dm P-inhoud en 1.16 Ca:P- molêre verhouding het ’n sterk ooreenkoms met die voorspelde waardes getoon. Die gebruikte oplossing, as ’n neweproduk in die DKF-presipitasie, het baie lae vlakke van Ca en P bevat. Daar was dus ’n aanduiding van ’n hoë herwinning van totale Ca- en P-insette. ’n X-straalpoeierdiffraksieontleding het aangedui dat die DKF in die vorm van dikalsiumfosfaatdihidraat (DKFD) gepresipiteer word. Die gepresipiteerde DKFD het ook essensiële mikrominerale en beduidend lae vlakke van skadelike swaarmetale bevat. Die relatiewe oplosbaarheid van P in ’n 2%-sitroensuuroplossing vir die gepresipiteerde DKFD is vasgestel op 95.1%, wat ’n raming van die P-biobeskikbaarheid daarvan en ’n aanduiding van ’n potensieel goeie kwaliteit anorganiese fosforvoeraanvulling gee. Daar is ook bevind dat oktakalsiumfosfaat (OKF) by ’n reaksietemperatuur van 25 °C, ’n 1.2:1 v/v 1M Ca(OH)2:mineraalvloeistofverhouding en ’n reaksietyd van nie meer nie as 17 minute presipiteer. Dit het 25.4 g dm van OKF-presipitaat per 150 ml- aanvangsoplossing opgelewer, terwyl die presipitaat 18.3 g kg-1 dm P en 31.6 g kg-1 dm kalsium (Ca) opgelewer het, met ’n gevolglike Ca:P- molêre verhouding van 1:34. Volgens die literatuur het ’n OKP-samestelling spesifieke toepassings in die mediese en tandheelkundige veld; en word OKP dus as ’n belangrike biomateriaal beskou. Om die optimum gelatienekstraksietoestande vir die osseïen te bewerkstellig is ROM met ’n driefaktor-, vyfvlak-SSO gebruik. Hierdie ontwerp is toegepas om die gesamentlike uitwerking van ekstraksie-pH, temperatuur (°C) en tyd (minute) op die hidroksiprolienopbrengs in die gelatienvloeistof teen ’n vaste 1:10-verhouding van osseïen:water (w:v) en een ekstraksie te ondersoek. Die optimum toestande was ’n ekstraksie-pH van 8, temperatuur van 80 °C en tyd van 125 minute. Die voorspelde hidroksiprolienopbrengs van die model by optimale toestande was 0.6%, met ’n ekwivalente hidroksiprolienherwinning van 8.3%. Die herwinning van hidroksiprolien was beduidend laer as dié vir die been van kabeljouspesies wat in die literatuur genoem word in studies wat drie of meer opeenvolgende ekstraksies gebruik het. Verbeterde hidroksiprolienherwinning (wat hidroksiprolienopbrengs ook sal verbeter) kan in die huidige werk deur twee of meer opeenvolgende ekstraksies van gelatien uit die osseïen behaal word. Hierdie studie bewys dat gelatien uit monnikvisosseïen geëkstraheer kan word. Gebaseer op die resultate van hierdie studie bestaan die potensiaal vir die ekstraksie van die waardevolle produkte DKFD, OKP en gelatien uit monnikvisbeen aan die hand van prosesse wat in hierdie studie ontwikkel en geoptimeer is. Gevolglik kan hierdie studie bydra tot die toekomstige nuttige gebruik van monnikviskoppe, wat op die oomblik as ’n afvalproduk van die Suid-Afrikaanse monnikvis- en stokvisbedryf beskou word.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Dicalcium phosphate, Monkfish -- Bones, Salvage (Waste, etc.), Microminerals, Octacalcium phosphate, UCTD