Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОТЕХНОЛОГИИ им.К.И. СКРЯБИНА"

Факультет товароведения и экспертизы сырья животного происхождения

Кафедра товароведения, технологии сырья и продуктов животного и растительного происхождения имени С.А. Каспарьянца

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

направление подготовки 100800.62 Товароведение

профиль Товароведение и экспертиза продукции животноводства

ТЕМА: "Оценка качества раствора кератина, полученного из различного кератинсодержащего сырья"

Москва 2015

Реферат

дипломной работы на тему: "Оценка качества раствора кератина, полученного из различного кератинсодержащего сырья"

Работа посвящена получению раствора кератина и оценке качества кератинсодержащего сырья. Объектами исследования служили волос кролика и северного оленя, а также раствор кератина, полученный из данных кератинсодержащих материалов.

В ходе выполнения работы получали раствор кератина по методике, разработанной сотрудниками кафедры товароведения, технологии сырья и продуктов животного и растительного происхождения имени С.А. Каспарьянца и провели оценку его качества.

Оценка качества готовой продукции была проведена по некоторым показателям: содержание влаги, жировые и минеральные вещества, водородный показатель (pH), а также показатели микробиологической чистоты.

В результате проведенной работы были получены данные, благодаря которым были сделаны соответствующие выводы.

кератин раствор качество оценка

Содержание

• Реферат
• Введение
• 1. Обзор литературы
• 1.1 Кератинсодержащие отходы и их краткая характеристика
• 1.2 Современные представления о структуре и свойствах кератина
• 1.3 Характеристика способов получения кератина
• 1.4 Рациональное использование белковых препаратов
• 2. Экспериментальная часть
• 2.1 Объекты исследования
• 2.2 Методы исследования
• 2.2.1 Определение содержания влаги
• 2.2.2 Определение содержания жировых веществ растворов кератина
• 2.2.3 Определение содержания минеральных веществ (золы)
• 2.2.4 Определение рН потенциометрическим методом
• 2.2.5 Количественный учёт микроорганизмов микробиологическим методом
• 2.3 Результаты собственных исследований и их обсуждение
• 2.4 Экономическая эффективность переработки
• Выводы
• Список используемой литературы

Введение

Проблема переработки и рационального использования отходов кожевенного и мехового производства в последние годы становится особенно актуальной. Это обусловлено тем, что в процессе производства натуральных кож и пушно-меховых полуфабрикатов образуется значительное количество (30 - 50% от массы сырья) отходов, содержащих до 50% белковых веществ, а также многих других побочных продуктов. Значительная часть органических отходов кожевенного и мехового производства еще не нашла применения и вывозится на свалки, что, помимо материальных потерь, ведет к загрязнению окружающей среды [10].

Такая форма хозяйственной деятельности человека - воздействие промышленности на окружающую среду, несет серьезные угрозы: деградацию поверхности земли (изменение рельефа, структуры и качества почвы), загрязнение воздуха, вод, климатические изменения, обеднение флоры и фауны, ухудшение условий жизни и состояния здоровья населения.

Итак, в процессе получения основной товарной продукции на кожевенных, меховых, шерстеперерабатывающих предприятиях на отдельных этапах производства образуется большое количество побочных продуктов в виде скотоволоса, щетины, очеса шерстяных волокон. Преобладающим структурным и химическим компонентом перечисленных выше побочных продуктов является фибриллярный белок - кератин [10].

Важным направлением в современной биологии являются исследования, направленные на расширение возможностей переработки белоксодержащего сырья животного происхождения с целью обеспечения экологичности производств за счет создания безотходных и малоотходных технологий при максимальном вовлечении побочных продуктов переработки в основное производство [3].

В настоящее время предприятия, занимающиеся изготовлением продукции биотехнологического, фармацевтического и косметического назначения заинтересованы в кератинсодержащих продуктах, как к новому перспективному источнику белоксодержащего сырья. Белковые препараты, состоящие из кератина производят в основном из таких видов сырья, как волос, щетина, перо и т.д., и чтобы убедиться в эффективности продукции, мы проводили оценку качества.

Цель работы - получения раствора кератина из различных кератинсодержащих материалов и оценка его качества.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

провести растворение кератинсодержащих материалов: волоса кролика и северного оленя и получить растворы кератина;

исследовать химический состав растворов кератина по показателям: содержания влаги, жировых и минеральных веществ;

определить значение рН растворах кератина;

обследовать растворы кератина по показателю микробиологической чистоты по методу КМАФАнМ.

кератин раствор качество оценка

1. Обзор литературы

1.1 Кератинсодержащие отходы и их краткая характеристика

Основное сырье (ОС) - составная часть сырья, существенно влияющая на формирование товароведных характеристик готовой продукции на стадии производства. ОС кератина могут служить рога, копыта, шерсть крупного рогатого скота, волос, перо.

Отходы кератина - белоксодержащие отходы (БСО) - массовый вид токсичных биологически опасных возобновляемых отходов, возникающих в производствах переработки животного сырья и производства продуктов питания. К ним относятся отходы первичной обработки шерсти, выделки кожи и меха, которые содержат волос, пух, перо, рыбью чешую, мездру, кости и мышечную ткань.

Белоксодержащие отходы содержат от 40 до 95 % кератина и кератиноподобных белков, коллагена и коллагеноподобных белков; миозина, альбуминов, глобулинов и т.д. Продуктами гидролиза белков являются аминокислоты, низкомолекулярные пептиды и липопротеины. В этом плане БСО перспективны как возобновляемое сырье для переработки в нетоксичную экологически безопасную продукцию на основе композиций АК, ПК и ЛПК и их производных [5].

Кератинсодержащими твердыми отходами являются шерсть, щетина, возникающие при переработки кожевенного и мехового полуфабриката (на подготовительных стадиях производства), основным структурным и химическим компонентом которых является уникальный по своим свойствам фибриллярный белок кератин.

Шерсть и щетина представляют собой ценный побочный продукт кожевенного и овчинно-шубного производства и являются исходным сырьем для валяльно-войлочной, щетино-щеточной и некоторых отраслей текстильной промышленности.

Основную массу заводской шерсти, получаемой на кожевенных заводах, составляет коровья шерсть. Она отличается хорошей валкоспособностью и используется в валяльно-войлочной промышленности. Однако наиболее ценной является овечья шерсть. Она прядома и валкоспособна. Шерсть, снятая намазным методом, имеет недостаточно хорошую валкоспособность. Часть ее повреждена действием сульфида натрия. В отдельности ость и пух представляют очень ценное вторичное сырье (ость - для щеточной промышленности, пух-для фетровой); неразделенная заводская козья шерсть имеет значительно меньшую ценность и используется в основном в валяльно-войлочной промышленности. Крупный очес состоит из сравнительно коротких волокон, содержащих значительное значение мушек, узелков, растительных примесей и используются в аппаратах прядения, где перерабатывается в смеси с другими волокнами и шерстью для получения камвольных и грубосуконных тканей. Мелкий очес состоит из очень коротких волокон, его обычно используют в фетровом производстве [2].

Перопуховое сырье - получают с сельскохозяйственных птиц (гусей, уток, кур и др.) и с пернатой дичи. Его подразделяют на перо цельное, мелкое и среднее, перо недозрелое, перо ломанное, слипшиеся комочки, ворс перопуховой. Перопуховое сырье применяют для изготовления кормовой муки, фильтров, щеточных изделий, зубочисток, одеял, подушек, пуховиков.

К рогокопытному сырью относят рога (полые и плотные) и копыта (от КРС, лошадей, коз и овец). Они используются для получения расчесок, гребней, пуговиц, роговых пластин. Роговые опилки и обрезки идут на изготовление прессованных изделий, кормовой муки.

Кератинсодержащие отходы применяют в качестве вторичного сырья в различных отраслях народного хозяйства [6].

Кератинсодержащие отходы являются ценным источником самой дефицитной части рационов сельскохозяйственных животных - протеина. Кератин содержит все незаменимые аминокислоты, однако в натуральном состоянии он не усваивается организмом животных, так как ферменты пищеварительного тракта его не переваривают [2].

Щетина шкур свиней также является ценным видом побочной продукции. Основное отличие щетины от волоса - это расщепление наружного конца стержня на несколько отростков. Расщепленная часть носит название флажка. Такую щетину применяют для изготовления кистей малярных и художественных. Благодаря мягкости и гибкости отростков исключаются царапины на окрашиваемой поверхности.

1.2 Современные представления о структуре и свойствах кератина

Высокая стабильность и нерастворимость кератина обусловлена большим числом поперечных дисульфидных связей между его пептидными цепями. Разрыв поперечных дисульфидных связей кератина в результате окисления, восстановления или гидролиза приводит к образованию растворимого продукта, расщепляющегося протеолитичеекими ферментами. Восстановленный кератин, содержащий вместо остатков цистина остатки цистеина, был назван кератеином. Его можно окислить и вновь получить кератин. Временное восстановление кератина волос тиогликолем или тиогликолятом и последующее окисление кислородом воздуха используется для завивки волос (перманент).

Устойчивость кератина к растворителям и ферментам понижается не только под действием химических реагентов, разрывающих дисульфидные мостики, но также и в результате механических воздействий. Тонко перемолотая шерсть частично растворима в воде и расщепляется под действием протеолитических ферментов. При кипячении шерсти в 2% -ном углекислом натрии происходит гидролиз дисульфидных связей с образованием сульфида.

Длина волокон кератина зависит от содержания в них воды; увеличение длины влажного волоса позволяет использовать его в гигрометре для измерения влажности воздуха. Кератиновые волокна поддаются растяжению и обладают эластическими свойствами. Растяжение волокон шерсти сопровождается понижением изоэлектрической точки кератина с рН 5,5 до 5,3. Кератин, имеющий вытянутые волокна, был назван в-кератином.

При нагревании шерсти с водой ее волокна необратимо сокращаются (при температуре около 90°). Поскольку такое нагревание не затрагивает поперечных S-S-связей, эта реакция должна быть отнесена за счет разрыва каких-то иных межцепочных связей. Это могут быть либо водородные связи, либо связи между гидрофобными группами, либо солевые мостики между положительно и отрицательно заряженными группами. Кератин очень богат кислыми и основными аминокислотами. Вполне возможно, что эти аминокислоты тоже вносят свой вклад в поперечное связывание пептидных цепей; их разрыв при нагревании ведет к сверхсокращению [1].

Кератин входит в состав рогового вещества, содержится в волосе, рогах, ногтях, перьях, копытах, роговом слое эпидермиса. Он в значительной степени изменяется в зависимости от условий образования и процессов, протекающих при жизни организма. Кератин отличается от других белков содержанием большого количества цистина, а, следовательно, и серы. Однако белковое вещество сердцевины волоса отличается низким содержанием цистина и серы. Кератин подразделяют на мягкий, содержащийся в небольшом количестве в наружных слоях эпидермиса, сердцевине волоса, и твердый, содержащийся в волосе, рогах, ногтях и т.д.

Мягкий кератин отличается меньшим серосодержанием (2-3% серосодержащих аминокислот), менее структурирован и менее устойчив к химическим воздействиям, чем твердый - высоко сульфидный (18% серосодержащих аминокислот), имеющий высокодифференцированную морфологическую структуру.

Таблица 1 - Элементарный состав кератина

Углерод	50,65
Водород	7,03
Азот	17,70
Кислород	20,00
Сера	6,10

Аминокислотный состав изменяется в зависимости от типа кератина.

Особенностями аминокислотного состава кератина являются:

1) значительное содержание серосодержащих аминокислот цистина и Цистеина (для твердых кератинов):

2) большое содержание моноаминодикарбоновых и диаминомонокарбоновых кислот;

3) значительное количество оксикислот (серинаитреонина);

4) отсутствие оксипролина;

5) очень малое количество оксилизина (некоторые исследователи его в кератине не обнаружили).

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 ди сульфидную 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.

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 оси. На основании рентгеноструктурного анализа ряд зарубежных и отечественных ученых сделали вывод, что кератин может существовать в трех формах: -, - и сверх сокращенной, которые прежде всего различаются длиной цепи. Кератин шерсти в нативном состоянии имеет -форму. -кератин превращается в -кератин при растягивании волокна в горячей воде и 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 сверх сокращением. В нативном кератине шерсти белки полипептидные цепи в форме - спиральной спирали. Эти цепи упакованы вместе по три цепи путем взаимного их закручивания по спирали. Такая система из трех-спиральных цепей, закрученных в спираль, для кератина называется протофибриллой. Микрофибриллы расположены пучками, параллельно оси (длине) волокна шерсти, а цепи с большим содержанием цистина заполняют пространство между микрофибриллами и связывают всю систему, образуя макрофибриллу. 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 межфибриллярного вещества оказывает различное содержание в них цистиновых и пролиновых остатков.

Пониженное содержание этих остатков в кератинах фибрилл способствует образованию в них упорядоченных б-спиральных укладок полипептидных цепочек, кристаллических зон, в то время как повышенное содержание цистиновых и пролиновых остатков в кератинах межфибриллярного вещество обуславливает их аморфный характер. 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 внутри цепочечные дисульфидные связи. Солевые и водородные связи образуются также в пределах одной цепи, что способствует его 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. 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 -спиралями -слоям. 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. 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. При обработке шерсти соляной кислотой при температуре 80° С в течение 8 часов гидролизуется около35 % пептидных связей. Волокна шерсти могут быть полностью гидролизованы в 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 втечение 1 часа растворяется около 10 % волокон шерсти. Растворимость кератина в щелочи увеличивается, если предварительно разрушить в не 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 [1].

Кератин является специфическим веществом в эпителиальных тканях и еще содержится в волосах, роговице, ногтях, исключение - хрусталик. Кератин можно встретить еще где - то. Нервные ткани содержат кератин в виде нейрокератина, исключение - сетчатка и обонятельный нерв. Кератин выходит из белковых составляющих, замещая части кислорода белка компонентами серы. Кератин отличим своим составом от белка максимальным содержанием серы (Дрексель). Кератин способен разбухать в воде, удельный вес меньше уксусной кислоты и растворяется в щелочах и растворах калия и натрия. В числе продуктов разложения. Разлагаясь, дает, как все белки - аммиак, жирные кислоты, лейцины и тирозины, сероводород.

Кератина, в основе своей представляет омертвевшие клетки. Формируясь из отмерших клеток, все выталкивается вновь образовавшимися клетками наружу. Отмершие клетки служат прекрасным защитным слоем для вновь образуемого нежного слоя кератина, который образуется под ним.

Это вещество весьма стойкое к разрушениям и содержит дисульфид цистеина, что дает возможность формировать двусульфидные мосты. Эти цепочки представляют спиралеобразную конструкцию, которая весьма устойчива, на основании тесного расположению атомов серы в самой спирали - составляя волокнистую матрицу, где присутствует высокая степень растворимости. На основании от того, сколько дисульфид цистеина содержит кератина, само соединение очень сильное, чтобы образовывать твердые клетки такие же, как и те, что находятся в копытах. Они бывают мягче, придав кератину гибкость (волоса и кожа). При высоком уровне содержания серы в кератине, когда он сгорает - выделяется сильный запах серы, что является неприятным явлением.

Кератин производится кератиноцитами - живыми клетками, которые синтезируют кератин. Это является основой ногтей, кожи, волос. Клетки движутся вверх - умирают и формируют защитный барьер.

1.3 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

Возможность лечения кератиносодержащими препаратами с давних времен интересовала ученых. И только в России в 90-х годах кератинотерапия была внедрена в клиническую практику и показала свою высокую эффективность при лечении и профилактике многих заболеваний.

Кератин получается из экологически чистого и натурального материала - шерсти, волоса, пера и т.д. и родственен всем кератинсодержащим оболочкам, включая кожный покров, слизистые и синовиальные оболочки, ногти и волосы. Белковые препараты используют как в пищевой промышленности, так и в других отраслях: медицине, косметологии, легкой промышленности.

Перспективность использования модифицированных кератинов в качестве пищи для человека показана в работах Шорланд и Бейтли [23]. Они исследовали возможность замены 2/3 обычной муки мукой, полученной из ферментативных гидролизатов шерсти. Бисквиты, выпеченные из муки, которая на 37 % состояла из упомянутых выше видов белковой муки, не уступали по своим свойствам обычным бисквитам [4].

Кератиновый гидролизат - это порошок светло - кремового цвета со слабым грибным запахом, мясным вкусом, присущим глютаминату. К особенностям белкового гидролизата относят: полноценный аминокислотный состав; хорошая растворимость в воде; Экономическая эффективность ферментативного гидролиза обеспечивается низкой стоимостью исходного сырья, высоким содержанием азотистых веществ, возможностью использования его для эквивалентной замены дефицитных и дорогостоящих белков (обезжиренного молока, рыбной муки) в составе рациона для кормления раннего возраста телят и поросят.

Применяемый для выращивания бактериальных культур пептон, состоящий из смеси различных ди-, трипептидов, а также свободных аминокислот и получаемый ферментативным гидролизом мясных продуктов может быть заменен гидролизатом из кератинсодержащего сырья, при этом экономятся пищевые ресурсы, не требуется дополнительных затрат на оборудование. В результате аммиачного и ферментативного гидролиза всех видов кератинсодержащего сырья получен препарат - порошок желтого цвета, хорошо растворимый в воде, гигроскопичный, со специфическим запахом. Выход составляет 30-45 % от исходного сырья.

Были предприняты попытку изменить пищевые привычки человека, применив кератинсодержащее сырье, которые провели ряд экспериментов с кератиновыми гидролизатами. Есть данные об использовании белкового продукта, полученного в результате экстракции с ДМФ, с различными добавками для приготовления печенья, кофейного торта, блинов. Белковый продукт получаемый по предлагаемому способу, содержит все незаменимые аминокислоты. При необходимости его смешивают с 1,75 % триптофана или 15 % (весовых или объемных) белкового концентрированного гидролизата и с 85 % дистиллированной воды в смесителе и получают эмульсию. Белковый продукт можно применять в виде суспензий для многих напитков, соков. Эти суспензии стабильны, не дают осадков и могут быть использованы для приготовления апельсинового и виноградного соков и шоколадных напитков [4].

Кератины находят все большее применение и в непищевых отраслях народного хозяйства, медицине. Например, щелочные гидролизаты кератинового сырья используют в литейном производстве в качестве быстротвердеющего вещества. Этот материал обладает большой относительной прочностью, скоростью твердения и меньшей прилипаемостью. Основой для производства быстротвердеющего связующего крепителя из кератина послужили его свойства под действием щелочей давать высокомолекулярные растворы частичного гидролиза в виде вязких и клейких продуктов при их упаривании. Это же свойство кератина используется при изготовлении клея из рого-копытного сырья. Щелочные гидролизаты применяются при производстве пенообразователя для тушения огня. Регулятор травления металлургических и металлообрабатывающих заводов для химического травления металла кислотами, изготавливают также из кератиновых отходов. Заметим, что эти направления использования гидролизатов имеют тенденцию к свертыванию из-за внедрения синтетических аналогов.

Белковый продукт на основе кератина можно применять как составную часть различных косметических препаратов, в том числе шампуней, кремов для кожи, средств ухода за волосами. В настоящее время эти производства значительно расширены из-за высокого спроса на компоненты и добавки натурального происхождения [6].

В медицинской практике известно использование препаратов "аминопептид", "аминосол" для парентерального белкового питания. Полученные из кератиновых гидролизатов, они содержат до 70 % свободных аминокислот и обладают высокой питательной эффективностью. Последние разработки в использовании продуктов ферментативного гидролиза кератинсодержащего сырья связаны с модификацией аминокислоты цистеина в таурин (2-аминоэтансульфоновую кислоту) и его применение в виде 4 % - го водного раствора (лекарственная форма "тауфон") в медицинских целях.

Особый интерес представляют пути применения дисперсий фибриллярных белков в легкой промышленности.

В текстильной промышленности белковые препараты применяют достаточно давно в составе композиций специальных видов отделки шерстяных тканей для получения так называемых временных эффектов (в составе шлихтующих средств). Чаще всего для шлихтования основ тканей используют природные и модифицированные крахмалы, водорастворимые синтетические полимеры. Но в последнее время разрабатывают шлихтующие композиции, которые позволили бы не только сократить потребление пищевого сырья, но и частично или полностью исключить использование дорогостоящих импортных материалов при сохранении технологических свойств шлихты. Все чаще в качестве заменителя крахмала для шлихтования используют белковые гидролизаты.

По аналогии с применением кератина в медицине и косметологии в качестве матрицы для лекарств с эффектом замедленного выделения возможно их использование в меховой промышленности как носителей химических веществ и защитных реагентов.

В технологии выделки меха также были реализованы попытки использования дисперсий кератина. Для улучшения физико-механических свойств волоса крашеного каракуля применялся кератин, полученный путем кипячения волоса в течение 12 ч в 25% -ном растворе серной кислоты при соотношении волоса и кислоты 1: 10. Сернокислый экстракт кератина вводился в раствор при протравлении взамен серной кислоты.

Биологическое происхождение кератина, инертность в организме, большая сорбционная емкость, способность перевариваться ферментами и высокие механические свойства открыли широкие возможности применения продуктов их растворения, из которых получают волокна, пленки, губки в медицине и косметике.

К положительным свойствам кератина следует отнести также способность химически взаимодействовать с лекарственными веществами за счет большого числа функциональных групп. Создан ряд лекарственных форм, в которых кератин как биоадекватныей полимер, выполнякт роль матрицы. При этом не только улучшаются свойства иммобилизирующих веществ, но и оказывается благоприятное воздействие на организм. Благодаря уникальным свойствам кератиновые губки используются в качестве носителей лекарств замедленного выделения с эффектом резервуара, а в смеси с лекарственными препаратами - для лечения ожогов, ран, пролежней, язв.

На основе кератина выпускаются препараты для послеоперационного лечения рубцов и шрамов, особенно на лице (Byderm - США, Koken Atelocollagen - Япония).

Принимая во внимание основной принцип гомеопатии "подобное лечится подобным", косметологи широко используют в составе косметических и моющих средств кератин. По статистике более 42 % современных шампуней содержат кератин. Он ограничивает набухание волос в растворах ПАВ, особенно в щелочной среде, снижает их раздражающее действие на кожу и слизистые оболочки глаз, обладает кондиционирующим эффектом для волос, выполняет защитную и пеностабилизирующую функции в составе пенных препаратов для ванн и душа.

Косметические средства, содержащие солюбилизированные эластин и кератин, полученные с помощью нового пероксидно-щелочного метода обработки белоксодержащих отходов, имеют высокую эффективность. Они хорошо проникают в кожу и волос, блокируя свободные радикалы молекул, разрушенных в процессе старения и под действием агрессивных факторов внешней среды, обеспечивая коже надежную защиту, улучшая механические свойства поврежденных волос.

Средство для укрепления волос на основе кератина и мукополисахаридов усиливает обмен веществ, улучшает кровообращение, насыщает корни волос питательными веществами, уменьшает сухость кожи головы и восстанавливает поврежденную структуру волос. Микроэлементы в виде растворимых в воде химических соединений (например, CuCl2, ZnCl2, СоС12 и т.д.) значительно повышают эффективность косметических средств, предотвращающих полное облысение и восстанавливающих волосы.

Бальзам с биоактивной добавкой глиастин, которая представляет собой комплекс растительных протеинов, равномерно распределяются по всей поверхности волоса, покрывают и сглаживают чешуйки кутикулы, как бы склеивают их. В результате волосы легко расчесываются, не спутываются, приобретают блеск и пышность.

Кератинсодержащие отходы мясной и птицеперерабатывающей промышленности после чисто водного гидролиза используются в качестве белковых кормовых добавок в рацион сельскохозяйственным животным. Гидролизаты кератина в смеси с содой, ацетатом алюминия, сульфатом железа, водой, применяют в качестве пенообразующих средств с усиленным пенообразованием для огнетушителей [2].

Кератинсодержащие отходы мехового и кожевенного производства используют в небольших количествах в виде продуктов кислотного, щелочного, водного или ферментативного гидролиза в производстве кормовых добавок, органоминеральных удобрений, пеногасителей, строительных материалов [3].

Весьма перспективным следует считать использование молекулярно-диспергированного кератина для защиты меховых шкур от неблагоприятного воздействия агрессивных сред в ходе отдельных жидкостных процессов производственного цикла.

Такой подход является вполне правомочным ввиду использования белкового продукта, практически не отличающегося по своей химической природе от кератина волоса. Его реализация будет способствовать значительному улучшению эстетических и эксплуатационных свойств, получаемого мехового полуфабриката за счет использования в ходе жидкостных обработок композиций, содержащих кератин, и, что не менее существенно, позволит включать в хозяйственный оборот белоксодержащие отходы мехового производства, давая перерабатывающим предприятиям дополнительный доход, открывает новые возможности на пути к созданию экологически чистых технологий.

На кафедре товароведения и технологии сырья животного происхождения была проведена работа по получению и оценке возможностей применения растворов кератина в меховом производстве.

2. Экспериментальная часть

2.1 Объекты исследования

Объектами исследования в дипломной работе служили:

· кератинсодержащие отходы (волос кролика и северного оленя)

· раствор кератина, полученный из кератинсодержащих отходов.

Исследуемый материал был взят на кафедре товароведения, технологии сырья и продуктов животного и растительного происхождения имени С.А. Каспарьянца.

Схема получения представлена на рисунке

Рисунок 1 - Схема эксперимента

2.2 Методы исследования

2.2.1 Определение содержания влаги

Процент влаги определяли в бюксах, предварительно доведенных до постоянной массы, при тех же условиях, что и высушивание вещества. Содержание влаги определяли путем измерения потери массы 100-105⁰С.

Для определения влаги брали навески массой 1,0 - 1,5 мл раствора кератина. Взвешивали в бюксе с закрытой крышкой на аналитических весах, сушили в сушильном шкафу при температуре 100-105⁰С в течение 4 часов в бюксах с открытой крышкой. Затем бюкс закрывали и переносили в эксикатор для охлаждения до температуры воздуха помещения. После этого взвешивали, повторяли сушку в течение 2 часов, вновь охлаждали бюкс в эксикаторе, взвешивали и снова сушили. Сушку повторяли до достижения постоянной массы (пока разность между результатами двух последовательных взвешиваний не будет превышать 0,001 г.). Минимальную массу бюкса с навеской принимали за окончательный результат [8].

Содержание влаги вычисляли в процентах по формуле:

W = H-H₁/H x 100, где (1)

W - содержание влаги;

H - навеска до сушки;

H_{1 -} высушенная навеска.

2.2.2 Определение содержания жировых веществ растворов кератина

Навеску дисперсии кератина массой 2 г растирали в ступке с 4 г безводного сульфата натрия. Затем количественно переносили в колбу. Приливали 15 мл четыреххлористого углерода. Колбы устанавливали на площадку встряхивателя и экстрагировали в течение одного часа.

По истечении экстрагирования содержимое колбы фильтровали. Далее отбирали 5 мл фильтрата для дальнейшего высушивания. Количественно переносили в бюкс, предварительно доведенный до постоянной сухой массы. Бюкс с фильтратом ставили в сушильный шкаф и высушивали до постоянно сухой массы при температуре 105 ⁰С. После этого бюкс охлаждали и взвешивали [4].

Количество жира (Х) определяется по формуле:

Х = (m₁ - m) * v₁ * 100 (m₀ * v), (2)

где m₁ - масса с жиром;

m - масса бюкса;

v₁ - объем четыреххлористого углерода;

v - объем фильтрата.

2.2.3 Определение содержания минеральных веществ (золы)

Под золой подразумевают минеральную составную часть вещества, которая не удаляется в процессе сжигания органической части.

Определение содержания золы производили в тиглях, предварительно доведенных до постоянной массы, прокаливанием в муфельной печи.

В тигель помещали предварительно измельченную навеску (2,0-3,0г). Приготовленную навеску в тигле сжигали в муфельной печи.

Начальную стадию сжигания - обугливание - проводили в муфеле при температуре, не вызывающей покраснения (от раскаливания) внутреннего помещения печи. По прекращении выделения газообразных продуктов повышали температуру муфеля до температуры, соответствующей слабо-красному калению, но не выше 600^оС. При этих условиях осторожно вели прокаливание до полного сжигания частиц и черного налета на стенках (вторая стадия сжигания).

Конец прокаливания (сжигания) определяли по отсутствию в тигле следов несгоревшего угля. По окончании прокаливания цвет золы был светло-серым.

Конец сжигания устанавливали путем взвешивания тигля на аналитических весах с предшествующим охлаждением в эксикаторе.