Получение кератинсодержащих белковых дисперсий из перопуховых отходов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 542.06

ПОЛУЧЕНИЕ КЕРАТИНСОДЕРЖАЩИХ БЕЛКОВЫХ ДИСПЕРСИЙ ИЗ ПЕРОПУХОВЫХ ОТХОДОВ

С. В. Бортников, Г. А. Горенкова, О. В. Комарова

Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова

Работа посвящена получению белковых дисперсий кератина из перопуховых отходов птицеводства. Проанализированы, существующие методики переработки кератинсодержащего сырья, получены белковые дисперсии кератина с вариацией условий эксперимента и определено содержание белка в полученных дисперсиях. Изучена эффективность получения водорастворимой формы кератина в присутствии перекиси водорода.

Ключевые слова: перопуховые отходы птицеводства, вторичное сырьё, кератин, нативная структура, денатурация, дисперсии.

В настоящее время человечество имеет большое количество побочных биоценных отходов, которые, значительно загрязняя природу, в то же время являются потенциальным источником для производства ценных продуктов. Так, в процессе переработки птицы в виде побочных продуктов формируется достаточно большое количество подобных отходов, доля пера и пуха в общей массе которых составляет около 30 % [1]. Изучение состава перопухового сырья позволяет положительно оценить потенциальные возможности этих белковых ресурсов. В них содержится до 85 % белка при практически полном наборе аминокислот [2]. Преобладающим структурным и химическим компонентом в перопуховом сырье является фибриллярный белок - кератин. Следует отметить, что кератин является также структурным полипептидом волос, шерсти, рогов, копыт животных, то есть таких видов вторичного сырья, которые в настоящее время недостаточно эффективно перерабатываются, мало того, при интенсивном производстве данные материалы являются загрязняющими окружающую среду веществами. В то же время кератин, будучи животным белком, состоит из обычных а-аминокислот, в том числе около 30 % незаменимых для животного организма. Кератины очень богаты кислыми и основными аминокислотами. Эти белки отличаются также необычно высоким содержанием остатков цистеина - аминокислоты, содержащей тиольную группу ^Н).

Основная проблема практического использования кератина в качестве источника аминокислот заключается в его сложной структуре. По сути, кератин выполняет защитную функцию, формируя наружные покровы животных. Наличие в составе этого белка большого числа тиольных групп обусловливает значительную роль ди-сульфидных ковалентных связей, формирующих и поддерживающих нативную структуру полипептида [3].

Устойчивость кератина к химическим реагентам, внешним воздействиям, ферментам пищеварительных соков животных и птиц главным образом обусловлена именно наличием в структуре его дисульфидной (цистино-вой) связи (рис. 1). Поэтому большинство животных организмов усваивать этот белок не может [1].

Н Н

—ш—с—со—ш—С—со—

СН2 СН2

Б Б

Б Б

СН СН2

I Н I

—КН—С-СО—N—С—СО-

НН

Рис. 1. Структура дисульфидной (цистиновой) связи в молекуле белка

Очевидно, чтобы перевести кератин в водорастворимое состояние, необходимо разрушить третичную структуру белка. Процесс денатурации способствует разворачиванию укладки цепей полипептида. В ходе этого процесса утрачиваются свойства, характерные для нативного кератина. При денатурации становятся доступными функциональные группы, ранее находившиеся в положении скрытых в нативном состоянии молекул. Сле-

довательно, для того чтобы получить растворимый перьевой кератин, необходимо оказывать воздействия, вызывающие процесс денатурации.

Целью настоящего исследования явилось изучение щелочного гидролиза пера птицы для получения белковых водных дисперсий.

В задачи исследования входят:

- изучение эффективности щелочного гидролиза пера птицы в зависимости от температуры;

- изучение эффективности получения водорастворимой формы кератина в присутствии перекиси водорода.

В литературных источниках описаны различные методы получения гидролизатов из кератинсодержащего

сырья: гидротермический, щелочной, кислотный, ферментативный [4]. Известные методы по переработке кератинсодержащего сырья основаны на разрыве связей, образующих четвертичную, третичную, вторичную и первичную структуры. В последнем случае деструкция кератина идёт до свободных аминокислот. Как показывает анализ доступной научно-технической информации, в основном для извлечения белка используют комбинацию физических и химических воздействий на кератинсодержащее сырьё. Чтобы получить растворимый белок из нерастворимого, необходимо подобрать условия и реагенты, которые позволили бы разрушить четвертичную, третичную, вторичную структуры. В числе факторов, которые изменяют четвертичную структуру перьевого кератина, называют: изменение рН, повышение температуры, действие детергентов и др. К разрушению третичной и вторичной структуры без разрыва пептидной связей (денатурации) могут привести: нагревание растворов белка выше 60 °С, изменение рН (< 3-4 или > 10), ультразвук, органические растворители, соли тяжёлых металлов, детергенты и т. д. Результатом действия указанных фактов являются изменение кристаллической структуры, растворимость и др. [5].

При щелочном гидролизе в качестве реагентов используют 0,25-10 % растворы гидроксида натрия, 13 % раствор гидроксида калия или 25 % раствор аммиака. Гидролиз осуществляют при нагревании до 95 °С в течение длительного времени (до 5 часов). К недостаткам щелочного гидролиза относят: длительность процесса, разрушение аминокислот цистина, метионина и цистеина, их частичную рацемизацию [4].

Моделирование процесса гидролиза пера птицы, основанное на литературных аналогиях и заключающееся в длительном кипячении исходного сырья в растворах щёлочи и кислоты, обнаружило следующие изменения в системе:

- полное растворение пера и глубокая деструкция кератина. По истечении пяти часов кипячения нерастворимой фракции в системе не осталось. В случае обработки кислотой наблюдалось значительное обугливание органического вещества;

- разрушение структуры белка. Так, тонкослойная хроматография с нингидрином показала наличие серосодержащих аминокислот (цистеина и метионина) в гидролизатах исследуемых образцов. Это свидетельствует о том, что при выбранном нами методе деструкции пухоперового сырья происходит разрушение не только третичной и вторичной, но также и первичной структуры белка с образованием олигопептидов с низкой молекулярной массой и свободных аминокислот;

- частичная деструкция образующихся аминокислот.

В целях избежания указанных негативных процессов в системе нами осуществлён щелочной гидролиз в мягких условиях, когда перо выдерживалось в 10 % растворе №ОН при комнатной температуре. Эксперимент показал, что в течение суток произошло полное растворение пера, при этом максимальная концентрация белка в гидролизате составила 47 г/л. Таким образом, при действии щёлочи в мягких условиях кератин также гидро-лизуется и в раствор переходят образовавшиеся продукты распада кератина (рис. 2). Иными словами, для достаточного выхода водорастворимой формы кератина кипячение не требуется.

со со со со

НС—СИ2-8-8—Сн2-Сн + н20-► НС—СН2-80Н + Ш—СН2-СН

1ЧН 1ЧН 1ЧН 1ЧН

Рис. 2. Гидролиз дисульфидной (цистиновой) связи

Действие щелочи прежде всего сводится к гидролизу дисульфидной связи -8-8-. Образующиеся продукты реакции (тиолы, сульфоновые кислоты), как правило, неустойчивы в щелочных растворах, и в них могут протекать дальнейшие изменения, осложняющие процесс и загрязняющие конечный целевой продукт. Подобных

нежелательных последствий при осуществлении процесса гидролиза можно попытаться избежать, используя особенности химического поведения рассматриваемых веществ.

Одной из главных характеристик химической активности тиолов и их органических производных является их способность к окислительно-восстановительным превращениям. Так, при действии на дисульфиды восстановителей (сульфидов, бисульфитов, гидросульфитов и др.) дисульфидные связи разрываются с последующим присоединением по месту освободившихся валентностей различных групп в зависимости от применяемого реагента. При окислении тиолы превращаются в сульфоновые кислоты, образующие в щелочной среде соответствующие соли, тем самым нейтрализуя конечный раствор.

Предлагаемый в настоящей работе метод получения растворимой модификации кератина основан на взаимодействии кератина с водным раствором щёлочи в присутствии перекиси водорода. В результате такой обработки дисульфидные связи в структуре цистиновых групп разрываются с выходом в качестве побочного продукта сульфида натрия и образованием растворимой модификации кератина - кератеината натрия.

Эффективность метода оценивалась по содержанию белка в растворе. Как показал эксперимент, предлагаемый метод оказался достаточно эффективным. Концентрация белка увеличивалась в течение трёх суток до 21 г/л. Последующее уменьшение концентрации, по-видимому, связано с дальнейшей трансформацией белка в растворе (рис. 3).

25

& Ё

20

15

10

5

24 48 72 144

время выдержки, ч

0

Рис. 3. Изменение концентрации белка в модельной системе МаОИ (0,1н) : НО2 (10 %)

Выводы:

- Изучен процесс щелочного гидролиза пера птицы в растворах гидроксида натрия. Показано, что процесс деструкции кератина протекает с достаточной эффективностью как при кипячении, так и при комнатной температуре. Однако в последнем случае процесс не осложняется негативными для дальнейшего использования сырья последствиями.

- Изучена эффективность получения водорастворимой формы кератина при щелочном гидролизе в присутствии перекиси водорода. Концентрация белка в растворе увеличивалась. Кроме того, действие двух реагентов способствует не только разрушению дисульфидной связи, но и нейтрализации реакционной системы без дополнительной обработки кислотными реагентами.

Экспериментальная часть

Щелочной гидролиз. 10 г пера промывали тёплым мыльным раствором, несколько раз ополаскивали дистил-лированой водой, помещали в колбу и добавляли 100 мл 10 % раствора №ОН. Отбирали пробы через 24, 48, 72, 144 часов. Определяли концентрацию белка.

Гидролиз в присутствии восстановителя. 10 г пера промывали тёплым мыльным раствором, несколько раз ополаскивали дистиллированой водой, помещали в колбу и добавляли 200 мл 0,1н раствора №ОН, и 200 мл 10 % раствора Н2О2. Отбирали пробы через 24, 48, 72, 144 часов. Определяли концентрацию белка.

Количественную оценку содержания белка проводили по методу Лоури [6].

Библиографический список

1. Волик, В. Г. Эффективное использование вторичного сырья, получаемого при переработке птицы / В. Г. Волик [и др.] // Птица и птице-

продукты. - 2011. - № 3. - С. 16-19.

2. Митрохин, П. В. Исследование состава и свойств отходов птицеперерабатывающей промышленности / П. В. Митрохин, О. В. Кригер, А. В. Изгарышев // Пищевые инновации и биотехнологии: мат-лы Междунар. науч. конф. - Кемерово: Кемеровский технологический институт пищевой промышеленности, 2015. - С. 101-102.

3. Ленинджер, А. Основы биохимии / А. Ленинджер; пер. с англ. В 3-х т. Т. 1. - М.: Мир, 1985. - С. 167-176.

4. Полетаев, А. Ю. Особенности переработки белкового сырья в полноценные корма для сельскохозяйственных животных / А. Ю. Полетаев, М. Г. Курбанова // Техника и технология пищевых производств. - 2010. -Т. 18. - № 3. - С. 29-34.

5. Розанова, Е. Н. Влияние ПАВ на морфологию комплексов меди и кератина, полученных деструкцией пера составами на основе сульфита натрия / Е. Н. Розанова [и др.] // Auditorium: электронный научный журнал Курского государственного университета. - 2014. - N° 3. -URL: http://elibrary.m/contents.asp?issueid=1341061 (дата обращения: 14.11.2015).

6. Методы количественного белка в биологическом материале. Метод Лоури // Практикум по биохимии / под ред. С. Е. Северина, Г. А. Соловьевой. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 509 с.

© Бортников С. В., Горенкова Г. А., Комарова О. В., 2015