Характеристика способов получения кератина

Известен ряд способов получения кератина. Однако часть из предлагаемых технологий требует применения дорогостоящих реактивов, другие приводят к полному гидролизу кератина, и соответственно, к потере ценных свойств, присущих нативному белку.

Наиболее близким к предлагаемому является способ (патент N 2007181, РФ кл. A 61 K 37/12, 1994) [8], заключающийся в обработке кератиносодержащего сырья раствором, содержащим смесь пероксида натрия, хлорида натрия и пероксида водорода, промывке, кислотной, затем повторной щелочной обработке, нейтрализации, доведении pH до 7,0-9,0, гомогенизации, фильтровании, осаждении зтанолом и выделении целевого продукта.

Цель достигается тем, что растворение исходного сырья осуществляют первоначально смесью муравьиной кислоты и перекиси водорода, а затем гидроксидом натрия в присутствии окислителя для осаждения кератина используют уксусную и/или соляную кислоту; перерастворение проводят в растворе гидрооксида натрия, а для достижения высокой степени очистки кератиновую массу диализуют против обычной или дистилированой воды.

Под действием окислительной смеси (муравьиная кислота и пероксид водорода) происходит окисление дисульфидных связей, сопроводающееся образованием производных цистеиновой кислоты, а следовательно, увеличением в белке содержания функциональных групп кислотного характера. В связи с тем, что кератин цементирующего вещества химически более активен, чем кератин фибрилл, окисление серусодержащих групп на этом этапе растворения происходит преимущественно в этом веществе. Это приводит к снижению катионной активности кератинов цементирующего вещества и к изменению ионного взаимодействия с кератинами фибрилл. Окисление дисульфидных связей является начальным процессом дестабилизации структуры белка и значительно облегчает его дальнейшую деструкцию посредством разрушения межфибриллярных пептидных связей, т.к. этот процесс значительно легче и интенсивнее протекает по месту пептидных связей, смежных с остатками цистеиновой кислоты. Получаемый полуфабрикат содержит в своем составе нативный кератин в виде макромолекул, их ассоциатов, а также в небольшом количестве продукты полного гидролиза белка и минеральные вещества [11].

Способ получения кератина, предусматривающий обработку, кератинсодержащего сырья в щелочной среде, промывку, обработку в кислотной среде, сбор полученного осадка, удаление примесей, перерастворение осадка в слабощелочной среде с последующими гомогенизацией и фильтрованием полученного продукта, отличающийся тем, что вначале исходное сырье обрабатывают раствором, содержащим 4 5% муравьиной кислоты и 0,4 0,8% пероксида водорода при жидкостном коэффициенте 15 20 и комнатной температуре в течение 7 9 ч, а после промывки раствором, содержащим 1 3% гидроксида натрия и 0,5 1,5% пероксида водорода при жидкостном коэффициенте 8 12 и 20 30oС в течение 24 48 ч с последующей обработкой в кислотной среде, содержащей уксусную и соляную кислоты или их смесь в соотношении соответственно 3 1, а после сбора осадка проводят его диализ против обычной или дистиллированной воды, причем перерастворение осадка проводят 0,01%-ным раствором гидроксида натрия до pН 6 8 с последующим добавлением консерванта [8].

В настоящее время, известно большое количество технологических приемов получения растворов кератина, которые постоянно совершенствуются. Разработаны и апробированы в промышленности несколько способов получения гидролизатов из кератинсодержащего сырья: гидротермический, щелочной, кислотный и ферментативный. При щелочном гидролизе в качестве химического реагента используют 0,25 - 10,0 % растворы едкого натра, 13 % раствор едкого калия или 25 % раствор аммиака. Гидролиз проводят с нагреванием до 95 о С, либо под давлением до 0,4 МПа. По окончании процесса гидролизат нейтрализуют соляной или ортофосфорной кислотами. В некоторых случаях проводят кристаллизацию солей, образовавшихся при нейтрализации, затем их отделяют и жидкость концентрируют в гидролизат без запаха. Полученные продукты в форме перевариваемых порошков и жидких гидролизатов применяют в пищевых продуктах и кормах. К недостаткам щелочного гидролиза относят разрушение аминокислот цистина, метионина и цистеина, частичную их рацемизацию. К другим недостаткам данного способа гидролиза кератинового сырья относятся длительность процесса, применение аппаратов для отгонки аммиака из гидролизата и для центрифугирования, использование кислот для нейтрализации щелочного гидролизата. Применение аммиака в качестве щелочного реагента исключает необходимость нейтрализации кислотой, что необходимо в случае применения других щелочных реагентов (едкого натра или едкого калия), позволяет получить продукт с низким содержанием золы(1,25 %). Вместе с тем, этот метод гидролиза сопряжен с необходимостью строгого соблюдения правилтехникибезопасностивследствиеприменениятакогоопасногоагента, как аммиак. Щелочной гидролиз находит применение в ряде технологий как самостоятельный процесс, часть смешанного или начальная стадия обработки материала. Кислотный гидролиз используют в технологических схемах изготовления кормовых гидролизатов из кератинового сырья, которые предусматривают очистку сырья и его гидролиз 2 - 6 % соляной кислотой, 10-40 % серной кислотой или 5 % ортофосфорной кислотой. Продолжительность гидролиза 6 - 10 часов. Гидролиз ведут при температурах 80 – 152 °С (0,4 - 0,8 МПа). Кератин шерсти или пуха иногда предварительно обрабатывают щелочной протеазой при рН 12. Гидролизаты очищают активированным углем и нейтрализуют кальцинированной содой, окисью кальция или щелочами; раствор отделяют от образовавшегося осадка соли и упаривают. Готовые белковые гидролизаты можно использовать в сухом и жидком виде. Кислотный гидролиз имеет некоторые преимущества перед щелочным: предотвращается распад аминокислоты аргинина на орнитин и аммиак, исключается дезаминирование таких аминокислот, как серин, треонин; интенсифицируется гидролиз сырья. Ещё одним положительным моментом является образование бактерицидных условий в ходе процесса, что предотвращает бактериальную контаминацию и позволяет хранить гидролизат без нейтрализации продолжительное время. Однако , при кислотном способе разрушаются аминокислоты триптофан и тирозин, а также некоторые из них превращаются вне усвояемую организмом животных форму. К числу химических способов переработки кератинсодержащего сырья относится гидролиз под давлением в горизонтальном вакуумном котле с использованием мочевины и дисульфатанатрия. Сырье и воду берут при гидромодуле 1:1-1:2,5 и вносят кристаллические мочевину или сульфатнатрия из расчета1-3 или5 % к массе сырья. Гидролиз проводят при давлении 0,2 М Па в течение 5 - 6 часов, затем обработанную массу сушат. В процессе гидролиза кератинсодержащего сырья образуются высокомолекулярные пептиды, которые хорошо связывают воду. Благодаря этому слив бульона исключается, что предотвращает потери сухих веществ. Гидролиз кератина можно проводить и 0,5 - 3 % раствором карбоната натрия при 10 – 70 °С. Анализ методов щелочного и кислотного гидролизов позволяет выделить некоторые их недостатки. При обработке сырья растворами щелочей не всегда сохраняется аминокислотный состав, происходит разрушение некоторых аминокислот. Кроме того, по этому способу не достигается полного разрушения прочных дисульфидных связей, в продуктах неполного гидролиза сохраняется трехмерная структура кератина, обуславливающая низкую переваримость и усвояемость продукта. Кислотный гидролиз белка давно используют для практических целей, однако из-за наличия в молекулах белка участков, трудно поддающихся действию минеральных кислот, содержащих гидрофобные аминокислоты, для целей гидролиза также используют сильные органические кислоты. Существенным недостатком кислотного гидролиза является частичное или полное разрушение, триптофана, лизина и ряда других аминокислот. Так, при 20-ти часовом гидролизе соляной кислотой разрушается 5% тирозина, треонина, 10% серина, весь триптофан, аспарагин, глутамин, что существенно ухудшает биологическую ценность получаемых гидролизатов. Перечисленные недостатки кислотного гидролиза сдерживают распространение этого метода переработки кератинсодержащего сырья. Гидротермический способ является более простым и наиболее часто встречающимся способом обработки кератинового сырья, так как представляет собой термическую обработку в водной среде под давлением. Сырье обрабатывают в течение 0,5 - 5,0 часов при давлении 0,1 - 1,0 МПа. После обработки кератиновый материал сушат, измельчают и просеивают. По сравнению с щелочными кислотным гидролизом гидротермический способ имеет преимущества: непродолжительность процесса, исключение использования химических веществ, аппаратов для очистки гидролизата от соли, не требуется сложное оборудование. Но жесткие условия гидролиза разрушают некоторые незаменимые и серосодержащие аминокислоты, способствуют образованию циклопептидов, в результате чего они становятся устойчивыми к воздействию пищеварительных протеолитических ферментов. Поэтому продукт имеет низкую усвояемость животными. В последнее время в связи с внедрением безотходных технологий и необходимостьюобеспечениябезвредностипроизводствпопулярныспособы деструкции кератинсодержащих отходов сырья животного происхождения с помощью протеолитических препаратов. При ферментативном гидролизе максимально сохраняется питательная ценность получаемых продуктов, значительно повышаются их растворимость и усвояемость. Гидролиз ведут ферментами при температуре и рН, обеспечивающих максимальную активность используемых протеаз. Гидролиз проходит чаще в нейтральной, слабощелочной или слабокислой среде. Для большинства используемых в промышленности ферментных препаратов оптимум колеблется в пределах нейтральных значений от 4,5 до 7,5. Температурный оптимум промышленных протеаз находится а пределах 35-55 °С. В зависимости от удельной активности используемого ферментного препарата и времени проведения процесса глубина гидролиза белкового субстрата может быть различной. Для обогащения отходов к необработанному сырью добавляют препараты ферментов и ведут гидролиз до достижения максимальной степени обогащения аминокислотами. Затем температуру поднимают до уровня, необходимого для инактивации энзимов. Термоинактивацию ферментов часто совмещают с нейтрализацией, т.е. добавление реагентов проводят при одновременном прогревании. Водный раствор отделяют от не переработанного твердого остатка, концентрируют и высушивают(при необходимости). Ферментативный гидролиз кератинов приобретает важное значение в связи с возможностью создания на его основе различны белковых добавок и гидролизатов кормового назначения. Многими учеными на протяжении последних лет проводится работа, направленная на получение растворов кератина, с использованием методов ферментативной обработки. В большинстве случаев, технологическая схема которых включает в себя следующие этапы: подготовку сырья, предварительную обработку сырья, механическое измельчение сырья, ферментативный гидролиз, инактивацию ферментного препарата и нейтрализацию гидролизата . Анализируя используемые в настоящее время биотехнологические подходы к переработке кератинсодержащего сырья и организацию рассматриваемого производственного процесса, следует отметить, что длительный ферментативный гидролиз и низкий уровень переработки сырья, как правило, указывают на необходимость специальной обработки для ослабления водородных связей в молекуле белка, а также дисульфидных связей, придающих чрезвычайную прочность кератинсодержащему сырью. В связи с этим невозможно гидролизовать нативный кератин при помощи большинства известных ферментных препаратов даже в оптимальных для их действия условиях. Чаще всего предварительная обработка сырья основывается на применении высоких температур и различных химических веществ, способствующих нарушению водородных и разрыву дисульфидных связей между полипептидными цепочками в кератине. Наиболее предпочтительно применять вещества, не изменяющие реакцию среды и исключающие последующую нейтрализацию полученных ферментативных гидролизатов. Обработка протеолитическими препаратами приводит к полному растворению исходного сырья при небольших затратах времени на стадии ферментативного гидролиза. Применение ферментных препаратов способствует созданию малоотходных технологий, позволяет улучшить качество полуфабрикатов и готовой продукции, уменьшить расход сырья на единицу выпускаемой продукции, улучшить условия труда, уменьшить загрязненность и количество сточных вод. В связи с этим биотехнологические исследования, направленные на использование щадящих методов воздействия на кератинсодержащее сырье химических веществ, с применением ферментных препаратов для оптимизации технологий получения кормовых добавок, является актуальной задачей [15].

1.4 Рациональное использование белковых препаратов