Биотехнология кератинсодержащих материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Под понятием «кератиновре сырье» подразумевают вещества, отличающиеся высоким содержанием нерастворимого белка - кератина, составляющего их основную часть.

К важнейшему кератиновому сырью относятся шерсть, щетина, пух, непригодные для иных целей переработки, затем рога и копыта. Кератин различного происхождения часто имеет разный состав, однако общим признаком его является относительно высокое содержание цистина.

Кератинсодержащие сырье является ценным биологическим концентратом всех жизненно необходимых для животного организма аминокислот.

В настоящее время существуют возможности рационального использования кератинсодержащих отходов: в мировой практике используется кислотный, щелочной, ферментативный гидролиз.[1]

Белковый гидролизат может применяться, например, в качестве заменителя цельного молока для спаивания молодняку животных; в медицине; в пищевой промышленности; для производства клея, пластмасс и искусственного волокна. Кератинсодержащие отходы мясной и птицеперерабатывающей промышленности используются в качестве белковых добавок в рацион сельскохозяйственным животным.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристика кератинсодержащего сырья

Кератин - белок, обладающий механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь хитину. В основном из кератинов состоят роговые производные эпидермиса кожи - такие структуры, как волосы, ногти, рога носорогов, перья и рамфотека клюва птиц и др. Причем содержание кератина в них доходит до 55-87%.

Молекулы кератина связаны между собой не только водородными связями, но и большим количеством дисульфидных связей, образованных при участии серосодержащей аминокислоты - цистеина, которая придает дополнительную прочность и упругость кератину термостабильными межмолекулярными связями.. Прочные дисульфидные связи делают кератин нерастворимым, кроме тех случаев, когда компоненты подвергаются электролитической диссоциации или окислительно-восстановительным реакциям.[3]

Кератины являются одним из основных компонентов для производных элементов кожи животных, выполняющих защитную функцию. Значительную часть сухого веса наружного слоя кожи составляют α-кератины (имеют конформацию в виде плотных витков вокруг длинной оси молекулы). Эластичные α-кератины входят в состав волос, шерсти, ногтей, игл, роговых чехлов рогов, когтей и копыт млекопитающих.

Чешуйки и когти пресмыкающихся (в том числе панцирь у черепах), а также перья, роговой чехол клюва и когти у птиц кроме α-кератинов содержат и более жёсткие β-кератины (более твёрдые и имеющие форму несколько зигзагообразных полипептидных цепей). Например, у ракообразных, β-кератины часто входят в состав экзоскелета вместе с хитином.

Кератин содержит все незаменимые аминокислоты, однако в натуральном состоянии он не усваивается организмом животных, т. к. ферменты их желудочно-кишечного тракта его не расщепляют. Для повышения усвояемости животными кератина, его подвергают специальной обработке с целью расщепления белковой молекулы на полипептиды, пептиды и аминокислоты.

Кератинсодержащее сырье содержит от 13,7 до 14,4% азота или 85,6-90,0% сырого протеина. Оксида кальция, а также фосфорного ангидрида больше всего содержится в копытах свиней и рогах крупного рогатого скота, а оксида калия - в копытах крупного рогатого скота.

Кератины шерсти животных содержат от 3 до 6% серы, азота от 14 до 16 %. Кератиносодержащее сырье характеризуется наличием небольшого количества липидов (1,5-1,8 %) и влаги (до 3 %). [4]

Таблица 1  Элементный состав кератина рогов и копыт крупного рогатого скота

 

Наименование элемента	Содержание, %
Углерод	45,53-48,26
Кислород	28,57-27,41
Азот	14,18-14,88
Водород	7,33-6,98
Сера	1,84-1,99
Фосфор	0,49-0,54
Магний	0,36
Кальций	0,25
Калий	0,15
Железо	0,14
Цинк	0,032
Алюминий	0,029
Мышьяк	0,013
Марганец	0,0055
Молибден	0,0033
Хром	0,0016
Свинец	0,0016
Медь	0,00033
Фтор	0,00003

 

 

 

 

Очистка кератинсодержащего сырья

Шерсть животных подвергают дезинфекции в специальных камерах текучим паром при температуре пара 111 °С в течение 1,5 час. Укладка шерсти должна быть рыхлая. При массовой обработке шерсти ее промывают в воде с температурой 55°, а затем высушивают в воздухе, нагретом до 75-80 °С. Шерсть животных, подозрительных в заражении бруцеллезом, выдерживают на складе в течение трех месяцев.

Волосы рогатого скота снимают с хвостов, срезая его острым ножом. С коровьего хвоста собирают около 100 г волос. Очистка волоса от грязи заключается в промывке его в воде с температурой 25-30 °С.[4]

Щетина подвергается сортировке и сушке. Вначале ее высушивают при температуре выше 40 °С, а затем постепенно температуру повышают до 70 °С. Процесс сушки длится 5-7 ч. Высушенную щетину вяжут в пучки и упаковывают в холщевые мешки.

Рого-копытное и костное сырье: роговые чехлы с рогов и копыт отделяют путем обработки их в горячей воде при температуре 95-97 °С. Снятые с костной основы рога и копыта сушат, сортируют и используют для производства роговых изделий, а костную основу направляют на костеобрабатывающие заводы.[3]

 

Переработка кератинсодержащего сырья

В качестве переработки кератинсодержащего сырья применяют его измельчение в порошок, тепловую обработку. Способность кератина вступать в реакцию связана с разрушением его дисульфидных связей, поэтому для переработки отходов также применяют взаимодействие с химическими реагентами (кислотный, щелочной гидролиз), ферментами.

Для растворения кератинов применяют в основном такие окислители как бром, перекись водорода или перекись водорода в щелочной среде.

При измельчении кератиновое вещество изменяет свою структуру, в результате чего может частично растворится в воде или расщепиться ферментами. При экстрагировании водой измельченного до пудры кератина частично извлекают азот и серу, после чего кератин значительно лучше переваривается ферментами -пепсином и трипсином. При этом период перевариваемости  зависит от степени размола кератинсодержащего материала, т.к. в измельченном кератине повышается количество свободных сульфидных групп, в результате этого он становится частично растворим и чувствителен к воздействию ферментов.

При нагревании в воде пера, рогов, копыт, волос, щетины под давлением 0,25-0,45 МПа происходит разрыв дисульфидных связей и частичный гидролиз. Полученная мука растворяется в воде и подвергается действию ферментов.

Технологическая схема при ферментативном гидролизе выглядит следующим образом: сырье промывают и загружают в горизонтальный вакуумный котел, в него же заливают трехкратный раствор мочевины и бикарбоната натрия, после чего массу обрабатывают в течение 2,5 часов при давлении пара 0,2 МПа. По окончании гидролиза жидкую фракцию сливают, а размягченное сырье размельчают на волчке, загружают в мешалку и добавляют фермент - технический панкреатин. В ту же мешалку подают жидкость, слитую из котла. Ферментацию ведут в течение 10 часов при температуре 18-20 °С. Полученный гидролизат высушивают в распылительных сушилках.[2]

В настоящее время в РФ предложен и активно используется новый способ  получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья, который  включает обработку исходного сырья водным раствором сульфита натрия под давлением 0,1-0,3 МПа. Предпочтительно в качестве кератинсодержащего сырья используют пух-перо птицы, предварительно обезжиренное, а затем обработанное водным раствором 0,1-1,0%-ым сульфита натрия. Стадию ферментативного гидролиза сырья проводят в присутствии фермента с протеолитической активностью не менее 10000 ед. на 1 кг сырья, например датского препарата «Савиназа»,при оптимальной скорости непрерывного перемешивания реактантов 90-150 об/мин. Выделение конечного продукта из гидролизата осуществляют сепарацией и/или фильтрацией с последующей сушкой, предпочтительно распылительной.Отработанный раствор сульфита натрия рециклизуется на стадию предварительной обработки и оптимально многократно.[5]

Гидролиз кислотами приводит к разрыву всех связей, соединяющих составные части белковой молекулы, и почти полностью превращает белок в смесь свободных аминокислот. Преимущество такого гидролиза в том, что он не приводит к рацемизации кислот: они получаются в виде L-аминокислот. Однако при этом практически полностью разлагается триптофан, частично - серин, треонин и цистин, серосодержащие аминокислоты  аспарагин и глутамин превращаются в аспарагиновую и глутаминовую кислоты.[2]

Кислотный гидролиз проводят в эмалированных реакторах. Предварительно отходы промывают водой, загружают в реактор и заливают 28%-ной технической соляной кислотой и водой в соотношении по объему 1:1. Рого-копытное сырье гидролизуют при температуре 115-120 °С в течение 4-6 часов при непрерывном перемешивании. Очищенный активированным углем, нейтрализованный кальцинированной содой и высушенный на распылительной сушилке  комплексамин подвергают упариванию, после чего полученный продукт поставляется потребителю.

Щелочной гидролиз осуществляют с помощью гидрата окиси натрия, калия, кальция. Такой гидролиз приводит к частичной рецемизации аминокислот и разрушению цистина, но триптофан и треонин сохраняются.

Первоначальная реакция кератина со щелочью сводится к гидролитическому расщеплению или разрыву дисульфидных мостиков, в результате чего образуются сульфеновые кислоты  и сульфгидрильные производные. Сульфеновые кислоты неустойчивы в щелочных растворах и подвергаются распаду на H2S и альдегид, который затем вступает в реакцию конденсации с аминогруппой. Скорость и глубина гидролиза белка зависят от температуры, концентрации кислоты или щелочи , их количественного соотношения с белком, давления, времени нагрева.

Щелочной гидролиз проводят двумя способами. По первому способу в отдельной емкости готовят 13%-ный раствор щелочи. Для этого в стальной чан вместимостью 300-400 л загружают 21 кг гидроперекиси калия или натрия и наливают 145 л воды. После полного растворения раствор перекачивают в открытый котел, в который загружают 50 кг кератинсодержащего сырья. Затем в рубашку котла подают пар под давлением 0,4 МПа. Когда содержимое котла нагреется до 100 °С, давление в рубашке котла понижают до 0,1 МПа. Гидролиз ведут при 100 °С в течение 3 ч. По завершении процесса гидролиза прекращают подачу пара, выпускают конденсат и охлаждают содержимое в течение 30 минут до температуры 45-50 °С. Полученный гидролизат (темно-зеленый раствор с рН=11) подвергают нейтрализации до рН=6,5-7, добавляя в течение 25 минут 6-8 л фосфорной кислоты при постоянном перемешивании. Готовый продукт отправляют потребителю или высушивают по общепринятой технологии.

Схема получения кератинового гидролизата представлена на рис.1.

 

Рис.1   Схема получения кератинового гидролизата

 

1 – подъемник

2 – емкость для набухания  сырья

3 – горизонтальный вакуумный  котел

4 – емкость для нейтрализации  гидролизата

5 – дозатор кислоты

6,7 – насосы

 

По второму способу гидролиз кератинсодержащего сырья ведут в горизонтальном вакуумном котле под давлением 0,2 МПа в течение 3 ч. Нейтрализацию осуществляют в специальном чане из нержавеющей стали, куда подается фосфорная кислота.

При производстве муки из малоценного пера и отходов фабрик перо-пуховых изделий в котел наряду с пером добавляют 2-3,5 части воды. В процессе гидролиза и сушки перо-пуховое сырье превраща-ется в мягкую кашеобразную массу серого или светло-коричневого цвета, легко растираемую пальцами. Высушенную массу, содержа-щую 9-10 % влаги, выгружают в отцеживатель для отделения жира и выдерживают в течение 6-8 часов до температуры 18-20 оС, после чего дробят, просеивают, удаляют металломагнитные примеси.[2]

 

Применение кератинсодержащего сырья

Кератинсодержащее сырье используют для производства кормовой муки предназначенной для применения при производстве комбикормов и кормления скота и птицы. В зависимости от состава сырья кормовую муку животного происхождения подразделяют на муку из гидролизованного пера, мясокостную, кровяную. Полученная мука представляет собой сыпучий продукт без плотных, нерассыпающихся при надавливании, комков или гранул диаметром не более 12,7 мм, длиной не более двух диаметров, крошимостью не более 15%, со специфическим, но не гнилостным и затхлым запахом, с содержанием протеина не менее 55 %. Помимо этого кормовая мука содержит комплекс незаменимых аминокислот, частично негидролизованный белок, необходимые минеральные вещества в виде фосфорнокислых солей натрия и кальция, а также микроэлементы. [6]

Мясокостная мука является самым распространенным видом муки животного происхождения. Белки мясокостной муки отличаются высокой переваримостью и усвояемостью.

Кровяная мука представляет собой порошок темно-шоколадного цвета с характерным запахом. Ее вырабатывают из крови и ее фракций с добавлением до 10 % кости. Благодаря высокому содержанию белка предпочтительна для кормления молодняка сельскохозяйственных животных, главным образом, поросят. Продукт характеризуется повышенным содержанием железа.

Мука из гидролизованного пера представляет собой порошок серого или светло-коричневого цвета. Предназначена для изготовления комбикормов и кормления скота и птицы. Содержит не менее 75% белка.

Рого-копытная мука - порошок серого или темно-коричневого цвета, ее изготавливают из рогов и копыт. Мука предназначена для цементации стали в машиностроительной и металлургической промышленности. Рого-копытную муку, полученную водным гидролизом можно использовать взамен 7% мясокостной муки.[1]