ТехнологиЯ получения кератинсодержащей кормовой добавки и оценка ее влияния на качество шкурок норки
|
Скачать 1.96 Mb.
|
COOH COOH COOHЦистин Цистеин 2) большое содержание моноаминодикарбоновых и диаминомонокарбоновых кислот; 3) значительное количество оксикислот (серина и треонина); 4) отсутствие оксипролина; 5) очень малое количество оксилизина (некоторые исследователи его в кератине не обнаружили) [83]. Аминокислотный состав овечьей шерсти представлен в табл. 1. Таблица 1. Аминокислотный состав кератина овечьей шерсти (г на 100 г белка) [32]
В структуре кератина присутствуют три вида связей: 1. Водородные связи – представляют собой взаимодействие между NH2 и СООН группами. Энергия водородных связей мала (6-8 ккал/моль) и разрушается под действием гидротермических нагрузок и щелочей. Эта связь является обратимой, их количество в структуре очень велико и они выполняют стабилизирующую функцию. 2. Электровалентные (ионные) связи. Энергия этих связей в десять раз больше (80-100 ккал/моль) и они разрушаются при температуре более 60-70 °С и действии кислот. Эта связь также является обратимой. 3. Ковалентные связи - -- CO – NH – К ним относят: пептидную, амидную и дисульфидную связи. На строение и свойства кератина, а также на изменения его при различных обработках влияет взаимодействие между главными цепями. Главными молекулярными цепями кератина являются цепи, образованные аминокислотными остатками, соединенные пептидными связями. Взаимодействие между цепями может осуществляться с помощью водородных связей непосредственно между =СО и =N—Н группами пептидных связей соседних цепей, а также между боковыми цепями, активные группы которых могут образовывать водородные, электровалентные и ковалентные связи. Химическая активность кератина связана в значительной мере с содержанием цистина, который легко восстанавливается, окисляется и гидролизуется, образуя разнообразные продукты реакции. Дисульфидные связи существенно влияют на физико-механические свойства волокон. Кроме того, цистин может также участвовать в образовании связей в одной и той же пептидной цепи. Такой цистиновый остаток называют инсулиноподобным. Дисульфидная группа в этом случае не образует поперечную связь, а является дополнительной связью в одной полипептидной цепи, размещаясь параллельно ее оси. При гидролизе или восстановлении дисульфидной связи образуются свободные сульфгидрильные группы — SH, которые могут вступать в обменные реакции с дисульфидными связями, в результате чего может меняться положение дисульфидных связей в макромолекуле кератина, и поперечные дисульфидные связи между двумя цепями переходят в дисульфидные связи в одной цепи [17; 79; 83]. На основании рентгеноструктурного анализа ряд зарубежных и отечественных ученых сделали вывод, что кератин может существовать в трех формах: -, - и сверхсокращенной, которые прежде всего различаются длиной цепи [130; 145; 152; 154; 168]. Кератин шерсти в нативном состоянии имеет -форму. -кератин превращается в -кератин при растягивании волокна в горячей воде или в атмосфере пара. Если растянуть волос в атмосфере пара до определенной длины, а затем снять растягивающую нагрузку или подвергнуть волос воздействию некоторых реагентов в определенных условиях, он сокращается примерно до 2/3 от первоначальной длины. Это явление называют сверхсокращением. В нативном кератине шерсти белок имеет полипептидные цепи в форме -спиральной спирали. Эти цепи упакованы вместе по три цепи путем взаимного их закручивания по спирали [153]. Такая система из трех -спиральных цепей, закрученных в спираль, для кератина называется протофибриллой. Электронномикроскопические исследования волокон шерсти позволяют сделать заключение, что внутри волоса протофибриллы образуют микрофибриллы. Считают, что центральная пара протофибрилл окружена внешним кольцом, состоящим из девяти протофибрилл. Таким образом, каждая микрофибрилла содержит одиннадцать протофибрилл (в более ранних схемах предполагалось семь и девять). Упорядоченное расположение полимерных цепей, характерное для белков с незначительным содержанием серы (цистина), отсутствует у белков с большим содержанием серы. Компонент с большим содержанием цистина существует в виде аморфного цементирующего вещества — матрикса, которое связывает микрофибриллы. Микрофибриллы расположены пучками, параллельно оси (длине) волокна шерсти, а цепи с большим содержанием цистина заполняют пространства между микрофибриллами и связывают всю систему, образуя макрофибриллу [32; 83; 162]. Кератины фибрилл, помимо резко пониженного содержания цистина, отличаются также пониженным содержанием пролина и треонина и повышенным содержанием аланина, лейцина, а также дикарбоновых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой), характеризуются повышенной химической устойчивостью, значительной термоустойчивостью и тенденцией к образованию ориентированных упорядоченных структур. Кератины межфибриллярного вещества характеризуются резко повышенным содержанием цистина и пролина, более высоким содержанием гидроксилсодержащих аминокислот (за исключением тирозина) и пониженным содержанием лейцина, аспарагиновой кислоты и лизина и слабой тенденцией к образованию ориентированных упорядоченных структур. Существенное влияние на структурное формирование белков фибрилл и межфибриллярного вещества оказывает различное содержание в них цистиновых и пролиновых остатков. Пониженное содержание этих остатков в кератинах фибрилл способствует образованию в них упорядоченных α-спиральных укладок полипептидных цепочек, кристаллических зон, в то время как повышенное содержание цистиновых и пролиновых остатков в кератинах межфибриллярного вещества обуславливает их аморфный характер [33]. Последовательность расположения аминокислотных остатков в -спиралях такова, что в некоторых участках спиралей находятся боковые цепи, содержащие свободные карбоксильные и аминогруппы и гидроксилы, по месту которых образуются солевые и водородные связи. Поэтому в продольном направлении фибрилла неоднородна. В ней чередуются участки с незначительным развитием поперечных связей и участки с интенсивным развитием поперечных связей. Полипептидные спиральные цепи цементирующего вещества имеют неупорядоченное расположение, преимущественно глобулярную форму и образуют небольшое количество межмолекулярных связей. Цистиновые остатки в матриксе распределяются не локализовано, как в кератинах фибрилл, а равномерно и образуют преимущественно внутрицепочечные дисульфидные связи. Солевые и водородные связи образуются также в пределах одной цепи, что способствует ее глобулярной конформации. В кератине матрикса преобладают основные аминокислотные остатки, в кератине фибрилл — кислотные. Поэтому между кератином фибрилл и цементирующего вещества возможно ионное взаимодействие и даже образование более прочных связей. Кератин микрофибрилл менее химически активен, чем кератин матрикса. А также более инертен по отношению к влаге, в то время как кератин межфибриллярного вещества способен энергично сорбировать влагу [83]. Волокна шерсти имеют значительное сродство к воде. Водоотталкивающие свойства зависят преимущественно от природы поверхности волокон, гидратация и набухание кератина происходят внутри волокна. Гидрофобность кератина отчасти связана с высоким содержанием гидрофобных аминокислот: фенилаланина, изолейцина. При этом гидрофобные радикалы направлены наружу по отношению к -спиралям или -слоям [123]. При насыщении волокна шерсти водой его диаметр увеличивается примерно на 17,5 – 18 %, длина — на 1,2 – 1,8%. Скорость реакции воды с кератином при температуре 100 °С невелика; при кипячении в течение 24 ч кератин теряет 20 % цистина и после обработки в кипящей воде в течение 21 дня – 75 %. После нагревания при температуре 130°С в течение 10 мин или при температуре 100°С в течение 8 дней кератин дает рентгенограмму дезориентированного -кератина. При сухом нагреве кератин подвергается значительно меньшим изменениям, чем в присутствии воды. Волос в основном сохраняет химические и физические свойства после нагревания при температуре 120 °С в течение 24 ч. В процессе нагрева при температуре выше 100 °С в кератине образуются новые поперечные связи между карбоксильными и аминогруппами. Свойства кератина изменяются в результате сухого нагрева при температуре выше 160 °С [83]. Кератин под влиянием кислот и щелочей может претерпевать изменения, связанные с гидролизом дисульфидных связей. Кератин более устойчив к действию кислот, чем к действию щелочей. Химические методы используют как для полного (тотального) гидролиза белков, так и для частичного, а в некоторых случаях, и для точечного (избирательного) разрыва пептидных связей [3; 47; 123]. При обработке шерсти 1 н соляной кислотой при температуре 80 °С в течение 8 часов гидролизуется около 35 % пептидных связей. Волокна шерсти могут быть полностью гидролизованы в 10 н. соляной кислоте при кипячении в течение 4 часов. Серная кислота при значительных ее концентрациях, кроме действия на различные функциональные группы и связи в кератине, влияет на остатки серина и треонина, содержащие гидроксильные группы. Растворимость кератина в щелочи зависит от ее концентрации, длительности обработки и температуры. В процессе обработки 0,1 н. едким натром при температуре 65 °С в течение 1 часа растворяется около 10 % волокон шерсти. Растворимость кератина в щелочи увеличивается, если предварительно разрушить в нем пептидные и дисульфидные связи. Кератин обладает большой устойчивостью к действию ферментов. Однако после восстановления дисульфидных связей он подвергается ферментативному воздействию. Чувствительность к действию ферментов повышается при переходе -кератина в -кератин [5; 43; 83; 135; 157]. По данным Сапожниковой с соавторами [110] кератин целесообразно использовать в виде молекулярно-диспергированной субстанции, полученной в результате соответствующей обработки исходного кератинсодержащего материала. 1.1.2 Способы получения кератина 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 [117]. При щелочном гидролизе в качестве химического реагента используют 0,25 - 10,0 % растворы едкого натра, 13 % раствор едкого калия или 25 % раствор аммиака [34; 85; 87; 144; 147]. Гидролиз проводят с нагреванием до 95 оС, либо под давлением до 0,4 МПа [163]. По окончании процесса гидролизат нейтрализуют соляной или ортофосфорной кислотами [99]. В некоторых случаях проводят кристаллизацию солей, образовавшихся при нейтрализации, затем их отделяют и жидкость концентрируют в гидролизат без запаха [86]. Полученные продукты в форме перевариваемых порошков и жидких гидролизатов применяют в пищевых продуктах и кормах [4; 87]. К недостаткам щелочного гидролиза относят разрушение аминокислот цистина, метионина и цистеина, частичную их рацемизацию [99; 148]. 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 правил техники безопасности вследствие применения такого опасного агента, как аммиак [107]. Щелочной гидролиз находит применение в ряде технологий как самостоятельный процесс, часть смешанного или начальная стадия обработки материала [123]. 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 [88; 91; 100; 125; 127]. 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 [85, 86]. Гидролизаты очищают активированным углем [100] 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 [141; 146; 159]. Ещё одним положительным моментом является образование бактерицидных условий в ходе процесса, что предотвращает бактериальную контаминацию и позволяет хранить гидролизат без нейтрализации продолжительное время [123]. Однако при кислотном способе разрушаются аминокислоты триптофан и тирозин, а также некоторые из них превращаются в неусвояемую организмом животных форму [127; 155]. К числу химических способов переработки кератинсодержащего сырья относится гидролиз под давлением в горизонтальном вакуумном котле с использованием мочевины или сульфата натрия [81; 115; 158]. Сырье и воду берут при гидромодуле 1:1-1:2,5 и вносят кристаллические мочевину или сульфат натрия из расчета 1-3 или 5 % к массе сырья. Гидролиз проводят при давлении 0,2 МПа 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 [128]. Гидролиз кератина можно проводить и 0,5 - 3 % раствором карбоната натрия при 10 – 70 °С [140]. 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 [74; 107]. 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 [25; 65; 128]. 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 [116]. По сравнению с щелочным и 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 [41; 99]. В последнее время в связи с внедрением безотходных технологий и необходимостью обеспечения безвредности производств популярны способы деструкции кератинсодержащих отходов сырья животного происхождения с помощью протеолитических препаратов [6; 12; 89; 92; 160; 161; 173]. Они позволяют получить обессоленные белковые гидролизаты, не требуют жестких условий обработки, максимально сохраняют полный набор аминокислот. При ферментативном гидролизе максимально сохраняется питательная ценность получаемых продуктов, значительно повышаются их растворимость и усвояемость [5; 6; 7; 67; 103]. 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 [129]. 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 непереработанного твердого остатка, концентрируют и высушивают (при необходимости) [14; 93; 94; 123; 137; 138; 165]. Ферментативный гидролиз кератинов приобретает важное значение в связи с возможностью создания на его основе различных белковых добавок и гидролизатов кормового назначения [9; 40; 54; 75; 82; 115]. 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 [13; 16; 31; 35; 56; 57; 73; 169]. 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 [29; 44; 142; 150; 174]. 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 [9; 24; 52]. 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. |
Похожие:
 |
Отчет по научно-исследовательской работе на тему: «Изучение влияния... Одной из возможностей решения этой проблемы является использование пробиотиков как кормовой добавки, которая помогает переваривать... |
 |
1. Качество материалов и его оценка. Механические свойства материалов... Учебные планы и программы для подготовки и повышения квалификации рабочих на производстве по профессии «Оператор электронно-вычислительных... |
|
Медико-біологічні проблеми оздоровчої фізичної культури І спорту Оценка влияния психической нагрузки на психофизиологические показатели студентов-лыжников в учебно-тренировочном процессе |
|
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное... На тему: «Оценка влияния сотрудничества с интернет – моллом Tmall com на стоимость компании розничной торговли» |
|
Тесты и приборы. Воронеж, 2009 Наименование темы Стандартизация. Оценка влияния фармацевтических факторов на кинетику высвобождения лекарственных веществ из мазей. Современные тесты... |
|
Экологическая оценка влияния интенсивной сельскохозяйственной деятельности... Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении впо «Белгородский национальный исследовательский... |
|
Дипломная работа На тему: «Экономическая оценка влияния научно-технического... Внедрение научно-технического прогресса (автоматизации) эффективная основа развития бизнеса. 9 |
|
Ii раздел 22. Требования безопасности пищевых добавок и ароматизаторов Единых санитарных требований распространяются на пищевые добавки и ароматизаторы в части их производства, оборота и хранения, а также... |
|
Рабочая программа по дисциплине Оценка воздействия на окружающую среду Цель дисциплины овладения знаниями и приемами оценки влияния на окружающую среду хозяйственной деятельности человека при проектировании,... |
|
Рабочая программа по предмету "Технология" для 6 класса, предметная... Технология" (Направление "Технология ведения дома" 5 9 классы (М.: Вентана-Граф, 2014)), умк "Технология ведения дома" (авторы: Н.... |
|
Разработка и оценка потребительских свойств соков с повышенным антиоксидантным действием Специальность 05. 18. 15 Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного... |
|
Общая сравнительная характеристика традиционной и минимальной технологий... Азности использования для ресурсосберегающего земледелия техники, поддерживающей технологии «лидер», приведена сравнительная характеристика... |
|
Лабораторная in vitro оценка влияния качества обработки корневых... Бота выполнена в Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный... |
|
Письменной экзаменационной работы: технология приготовления песочных тортов Многие из них оказали влияния на другие национальные кухни, обогащали их. Мировую известность получили русские изделия из теста.... |
|
Технология приготовления блюда «Запеканка картофельная с мясным фаршем» Многие из них оказали влияния на другие национальные кухни, обогащали их. Мировую известность получили русские изделия из теста.... |
|
Разработка эффективной технологии получения гидратированных подсолнечных... Специальность 05. 18. 06 – Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов |