Megináhrifaþættir gæða og umhverfisáhrifa við framleiðslu fiskmjöls og lýsis úr uppsjávarfiski. Ferlagreining í átt að framleiðslu hágæða afurða og umhverfisvænni framleiðslu með tilliti til orkugjafa.

Abstract

Í dag eru uppsjávartegundir, hliðarstraumar frá vinnslustærri fisktegunda og annar meðafli uppistaðan í því hráefni sem unnið er í fiskmjöl og lýsi. Fiskmjöl og lýsi eru helst notuð sem fóður í fiskeldi, en þar sem verð á fiskmjöli hefur lækkað síðasta áratuginn og hlutur fiskmjöls hefur minnkað í fiskeldisfóðri, þarf að finna nýjar leiðir til að nýta hráefnið á hagkvæman hátt. Mikið hefur verið lagt í að bæta kælingu á hráefni uppsjávarveiðiskipa sem skila sér í betri gæðum þegar aflinn kemur í vinnsluna. Þessi þróun hefur þó ekki skilað sér í fiskmjöls- og lýsisvinnsluna, sem hefur lítið breyst síðan á sjöunda áratugnum.

Þessi rannsókn varpar ljósi á núverandi ástand á hráefninu og þeim gæðabreytingum sem eiga sér stað í hverju vinnsluþrepi í fiskmjöls- og lýsisframleiðslunni (Grein I-II), ásamt því að meta áhrif breytilegs hitastigs í sjóðara á gæði (Grein I), kannar hvernig framleiðsluferlið höndlar mismunandi hráefni (Grein II), rannsakar eiginleika hliðarstrauma m.t.t. próteingæða (Grein III), kannar umhverfisáhrif á framleiðslu fiskmjöls og lýsis úr loðnu með mismunandi orkugjöfum (Grein IV) og kannar hvort hægt sé að nota nærinnrauða litrófsgreiningu (NIR) til gæðamælinga og ferlastýringar í fiskmjöls- og lýsisframleiðslunni (Grein V). Greinarnar leggja grunninn að bættum fiskmjöls- og lýsisferlum og auka þekkingu á vinnsluferlunum sem mun nýtast við þróun þeirra næstu árin.

Þessi rannsókn sýndi jafnframt fram á að fituinnihald í fiskmjöli sem framleitt er í hefðbundnu fiskmjöls- og lýsisframleiðsluferli er breytilegt, en það mældist á bilinu frá 2% upp í 20%. Þröskuldur á fituinnihaldi fyrir hágæða fiskprótein miðast við fituinnhald innan við 0,5%, sem gefur til kynna að róttækar breytingar í vinnsluferlinu þurfa að eiga sér stað ef varan á að uppfylla kröfur til manneldis. Innihald himnufitu í fiskmjöli mældist hátt, sem bendir til þess að aðskilnaður fitunnar frá þurrefninu sé ekki nægur. Hins vegar benti magn frírra fitusýra til þess að niðurbrot af hráefninu var talsvert. Lækkun á hitastigi í sjóðara var rannsökuð til að skoða hvort fita skilaði sér betur frá þurrefninu, og fengust meiri gæði fiskmjöls við 85°C samanborið við 90° og 95°C (Grein I). Bent er á að bæta þurfi niðurbrot hráefnisins í fyrstu skrefum fiskmjöls og lýsisvinnslunnar, auk þess sem gufunin skilaði ekki eins lágu vatnsinnihaldi og búist var við (Grein I-II).

Fitu- og próteingæði voru rannsökuð í mismunandi hliðarstraumum og í hverju vinnsluþrepi, og niðurstöður þessara rannsókna leggja grunn að vöruþróun á nýjum afurðum og endurhönnun á vinnsluferlinum. Leysanleiki próteina í saltlausn (SSP) og styrkleiki lífrænna amín-sambanda minnkuðu í gegnum framleiðsluna, sem hafði áhrif á gæði fiskmjölsins, og benda til niðurbrots, líklega vegna mikils hita í vinnslunni (Grein II). Trímetýlamín (TMA) fylgdi vökvahlið vinnslunnar og jókst í gegnum framleiðsluna, en hagnstæð þróun sást í styrki dímetýlamíns (DMA). Þessi þróun gæti skýrst af flóknum niðurbrotsferlum trímetýlamínoxíð (TMAO) yfir í TMA og DMA, auk mikils hitaálags i vinnslunni.

Bættir vinnsluferlar, með lækkun hitastigs í sjóðara (Grein 1), sýndu fram á betri gæði fiskmjöls. Það gaf tilefni til að kanna hvort slík lækkun hitastigs skilaði mögulegum umhverfislegum ávinningi. Til þess að meta slíkan ávinning varlífsferilsgreiningu beitt, en aðerðin er stöðluð aðferðafræði. Lífsferilsgreining metur umhverfisáhrif umfram losun gróðurhúsalofttegunda og í þessari greiningu voru greind umhverfisáhrifin sem hljótast frá veiðum til og með vinnslu fiskmjölsins. Áhersla var lögð á að skoða áhrif mismunandi orkugjafa til vinnsluhlutans (fiskmjölsframleiðslunnar). Um orkufrekan iðnað er að ræða og því mikilvægt að kanna mismun á umhverfisáhrifum fiskmjölsframleiðslu knúinni með endurnýjanlegri orku annars vegar, sem og orku framleiddri með brennslu jarðefnaeldsneytis hins vegar. Það var gert til að sýna fram á mögulegan umhverfislegan ávinning af því ef fiskmjöl er framleitt með endurnýjanlegri orku. Til viðbótar, voru umhverfisáhrif af fiskmjölframleiðslu á Íslandi reiknuð miðað við mismunandi orkugjafa fyrir vinnsluárið 2018. Niðurstöður lífsferilgreiningarinnar sýndu að þrátt fyrir að lækkun hitastigs í sjóðara hafi einungis numið um 5°C, þá skilar slík lækkun minnkuðum umhverfisáhrifum sama hver orkugjafinn er. Það sýnir því að þróun vinnsluferla fiskmjöls, með áherslu á lækkun hitastigs vinnsluferla, gefur umtalsverðan ávinning við minnkun umhverfisáhrifa af fiskmjölsframleiðslu (Grein IV). Áhersla framtíðarþróunar vinnsluferla í fiskmjölsframleiðslu ætti því að vera á enn frekari lækkun hitastigs í vinnsluferlum, án þess þó að minnka gæði vörunnar. Auk þess leiddi lífsferilsgreiningin í ljós að veiðarnar og vinnslan höfðu mest umhverfisáhrif (Grein IV). Áhrif mismunandi orkugjafa voru skilgreind út frá umhverfislegum áhrifum, sem kemur sér vel þegar skipta á út eða endurbæta vinnsluskref í vinnslunni. Auk þess voru talsverð umhverfisleg áhrif frá þeim hreinsiefnum sem notuð eru í vinnslunni, og er ráðlagt að skipta þeim út fyrir umhverfisvænni efni eða takmarka notkun þeirra. Þar sem vinnsluafköstin eru mikil, og endurhönnun eða gæðaeftirlit ferla á sér stað er mikill fjárhagslegur og umhverfislegur sparnaður fólginn í hraðari mælingum og eftirliti á gæðaþáttum í vinnslunni. Nútíma framleiðslukröfur gera ráð fyrir miklum áreiðanleika mælinga og einsleitari afurðum en áður. Litrófsgreiningar hafa verið nýttar í fjölbreyttum tilgangi við mati á framleiðsluferlum, þar á meðal nærinnrauð litrófsgreining (NIR) sem gæðaeftirlit á lokaafurðum í fiskmjöls- og lýsisframleiðslu. Í rannsókninni var NIR litrófsgreining notuð til að spá fyrir um breytingar á efnainnihald vinnslustrauma í gegnum vinnsluna alla. Spálíkön fyrir vatns- og fituinnihald, þurrefni, fosfólípíð, mettaðar fitusýrur, einómettaðar fitusýrur og fjölómettaðar fitusýrur, dókósahexaensýru (DHA) og eíkósapentaensýru (EPA) voru búin til með góðum árangri. Nýting á NIR litrófsgreiningu flýtir þannig greiningu mælinga umtalsvert og minnkar notkun á leysum og öðrum búnaði, og skilar sér í auðveldari stýringu vinnsluferilsins.

Today, small pelagic species, side-streams from the production of larger fishes intended for human consumption, and other by-catch are currently processed into fishmeal and fish oil. Fishmeal and fish oil are presently mainly used as feed, primarily for aquaculture, but fishmeal prices have declined over the last decade. Great effort towards improving handling on board the fishing vessels has resulted in higher quality of the catch reaching the harbor. Meanwhile, the fishmeal and fish oil production processes have remained similar since the 1960s. Hence, this thesis aims to shed light on the current state of the raw material and the quality changes occurring during each operational step of the production (Paper I-II), to assess the effect of cooking temperature on the fishmeal quality (Paper I), investigates how the production process handles different raw materials (Paper II), investigates promising protein rich side-streams for the production of higher value products (Paper III), investigates the environmental impacts of producing 1 tonne of fishmeal and fish oil (Paper IV), and investigates if Near infrared spectroscopy (NIR) can be used as a monitoring tool during the fishmeal and fish oil production. The papers, I-V, also lay a foundation for redesigning purposes of the currently operated fishmeal and fish oil factories.

The study demonstrates that the traditional fishmeal and fish oil production processes currently returns high-lipid fishmeal from raw material ranging between 2% to 20% lipids. The lipid content should be less than 0.5% fat content to classify as high-quality fishmeal, indicating that extracting lipids from the raw material is inefficient, and drastic changes need to happen if the products are intended for human consumption. Although a lower cooking temperature is proposed for higher quality fishmeal (Paper I), attention towards higher lipid separation during the initial production steps is suggested for a more effective breakdown of the raw materials. Further improvements suggest adjusting the evaporation step, as the concentrate was relatively high in water content compared to the other solid streams entering the drying steps (press cake, sludge, and concentrate) (Paper I-II).

Protein quality was investigated in promising side-streams, where salt soluble proteins content (SSP) decreased throughout the production, affecting the solubility of the fishmeal (Paper III). The same trend was observed in biogenic amines, indicating protein decomposition, possibly due to extensive heat treatment. The press-cake (solid stream) had the lowest amount of volatile nitrogen compounds during production from both the fatty and lean raw material. Trimethylamine (TMA) followed the liquid stream, increasing throughout the production, and reaching the highest values in the fishmeal, while the opposite trend was observed in Dimethylamine (DMA) concentrations. These trends could be the result of trimethylamine oxide degradation into TMA and DMA due to high thermal exposure during processing.

The effects of changing the cooking temperature on the fishmeal quality and processing efficiency were investigated, both on a quality basis and the effect on the environment. Lowering the cooking temperature by 5°C resulted in higher lipid quality fishmeal (Paper II), and overall lower environmental impacts (Paper IV). Furthermore, the environmental impacts were studied with environmental hot-spot analysis, assessed with the Life Cycle Assessment methodology in a cradle-to-gate study, based on the functional unit “the production of 1 tonne of capelin fishmeal including fish oil from cradle to factory gate, produced in Iceland in 2018. The assessment showed that the raw material acquisition was the highest environmental hotspot, contributing the most to almost all impact categories, followed by the production process. The assessed processing steps contributing the least to the assessed environmental impacts were packaging and back-up power, which effects were negligible, but cleaning agents (assessed with waste) were the highest contributors in many impact categories. The focus of the study included the effect of different energy sources for operating the fishmeal production, on the overall environmental impacts, and changes in the environmental hotspots (Paper IV). Furthermore, Paper IV identified optimization potentials for lower energy consumption, e.g. using purse seiner compared to trawling, during the raw material acquisition. Identified steps with potential for lower environmental impacts of fishmeal and fish oil production lie within the drying and evaporation steps, and includes exchanging the current cleaning agents for more eco-friendly cleaning agents or limiting their use altogether. The environmental impacts of cleaning and waste were independent of the assessed energy sources for the processing.

In processes, such as fishmeal and fish oil production processes, with high throughput, and process redesigning, and quality monitoring are ongoing there is great financial and environmental gain to achieve by applying fast and robust monitoring techniques. Modern demands further require both higher precision in quality monitoring and higher product consistency than before. Spectroscopic analytical techniques have been used for a wide variety of quality assurance applications, including the use of near infrared spectroscopy to evaluate fishmeal and oil end-product quality. In the current study were NIR spectroscopy used to assess chemical composition of the streams throughout the whole process. Prediction models based on NIR data were successful in predicting water- and lipid content, fat free dry matter, phospholipids, along with the fatty acid classes (SFA, MUFA, PUFA), including docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA) with acceptable precision. The application of NIR spectroscopy during the fishmeal and fish oil production provides faster analysis and minimizes the use of solvents, chemicals and instruments, which is reflected in easier process control and monitoring.

Increasing the quality of the raw material and reducing the environmental impacts requires excessive measurements, emphasizing the need for robust measuring methods to secure quicker and less costly analysis, e.g., the lipid quality and the separation from the water and FFDM. Assessing changes aimed to lower the environmental impact may not only reduce the energy cost but encourage sustainable practice and responsible production, as demonstrated in this thesis.