фирного їх расте-:я фено-рного и іезначи-ілях, его шие на астения, е умень-УГОСТЬ от
іавнени-
а Р. Нови іната проблеми на ", 2-4 ап-
[ 5. pilosa Автореф.
я: Мед. и
Edute des en milieu analysees.
Sostanze 939-944. Ole, Band
икои раз-шяване e . - № 3.
rfumer & ,54.
chimique // VIII. )ct, 1980, se, 1982,
чни масла 1962.
mposition na L. / / lies, Oct. «-Grasse,
III, 742-
юраторни і и .синте-
кродести-- 1974.
й.: Меди-
i в хими-
масел
637.52.002.67
ПОЛУЧЕНИЕ КОЛЛАГЕНОВЫХ СУБСТАНЦИЙ НА О СНОВЕ ФЕРМЕНТА ТЯВНОЙ О БРА Б О ТКИ , ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ МЯСНОЙ: ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Л.В, АНТИПОВА, И.А. ГЛОТОВА
Воронежская государственная технологическая академия
Коллаген — белок, являющийся основным структурным компонентом в теле позвоночных, на долю которого приходится около 1/3 массы всех белков [1]. Известно, что коллаген имеет уникальное пространственное строение и физико-химические свойства. Он присутствует практически во всех животных тканях в самых разнообразных формах и разновидностях [2]. Особенно богаты коллагеном соединительные ткани дермы, сухожилий, хрящей, фасций, стенок сосудов, половых органов. Массовый выход соединительной ткани составляет 16% мясной туши промышленных животных, в связи с чем мясная промышленность располагает значительными ресурсами коллагенсодержащего сырья — источника коллагенов [3, 4].
Попытка максимального вовлечения соединительнотканых компонентов в производство пищевых продуктов для решения проблемы дефицита животного белка не дала, к сожалению, желаемых1 результатов.
На протяжении последнего десятилетия значительно возрос объем информации об оценке перспектив коллагеновых белков в получении ряда полезных продуктов различного назначения: пищевых пленок, покрытий, съедобных колбасных оболочек, пищевых добавок, шовных хирургических материалов, пролонгаторов основных лекарственных форм, биологически активных компонентов в составе косметических средств — кремов, мазей, шампуней, лосьонов [5, 6].
Исследования по получению, рациональному и эффективному использованию коллагенсодержащего сырья и его ингредиентов представляют определенный интерес и перспективу для различных отраслей народного хозяйства, в том числе для укрепления сырьевой базы мясной промышленности, обеспечения животным белком пищевых рационов, создания безотходных экологически чистых технологий, сокращения потерь и максимального использования мясного сырья, а также для удовлетворения социальных запросов, связанных со здравоохранением, питанием, охраной окружающей среды. Поэтому целенаправленное селективное выделение и эффективное применение коллагенов животных тканей, основанное на их специальных свойствах, является актуальной задачей. По мнению большинства специалистов и ученых, успех здесь следует ожидать от использования методов биотехнологии [4].
Цель данной работы — обоснование биотехнологических методов выделения и очистки коллагеновой фракции белков животных тканей с получением функциональных коллагеновых субстанций
из вторичных коллагенсодержащих ресурсов мясоперерабатывающей промышленности.
Объектами исследования служили вторичные коллагенсодержащие ресурсы мясной промышленности, низкоценные и невостребованные на пищевые цели отходы контурирования и первичной обработки шкуросырья (краевые участки, мездра), жиловки мяса (жилки, сухожилия, фасции), обработки кишечного сырья и натуральной колбасной оболочки, полученные при промышленной переработке крупного рогатого скота КРС в условиях мясоперерабатывающих предприятий Воронежской области.
В качестве ферментных препаратов использовали промышленные образцы: мегатерии
(ТУ 00479942-002-94), протосубтилин Г20х (СТП 100-02-88) Вышневолоцкого завода ферментных препаратов (пос. Зеленогорский7 Тверской обл.); липоризин ГЗх — экспериментальный, разработан в НИЛ МГУПП (Москва).
При оценке специфической активности использовали методы определения: общей протеолитиче-ской активности — метод Ансона в модификации Каверзневой [7], липолитической — модифицированный метод Ота-Ямада [8], коллагенолитической — по накоплению оксипролина в реакционной смеси [9].
Химический состав образцов животных тканей определяли с помощью общих методов: массовую долю влаги и золы — термогравиметрически по стандартным методикам, жира — методом Соксле-та и рефрактометрически, белка — фотометрически с предварительным мокрым озолением образцов по Кьельдалю; фракционный состав белков — последовательным экстрагированием белковых фракций специфическими растворителями и их количественным определением по методу Биурета.
Аминокислотный состав коллагеновых полуфабрикатов определяли методом ионообменной хроматографии на автоматическом аминокислотном аминоанализаторе марки ААА-ТЗЗЗ (Чехия), тиро-зиновый показатель — расчетным путем по количественному соотношению оксипролина и тирозина.
Сравнительную оценку структурных изменений коллагенов нативных животных тканей и подвергнутых различным видам предварительной обработки с применением химических реагентов и специальных препаратов ферментов проводили с использованием метода ///^-спектроскопии, ИК-спектры очищенных коллагеновых фракций сняты на спектрофотометре ИКС-29 в области 4000-650 см-1. Препараты готовили путем гомогенизирования измельченных обезвоженных образцов с минеральным (вазелиновым) маслом, С целью идентификации истинных полос поглощения раствори-
теля и образцов в качестве базы сравнения использован спектр поглощения растворителя. Калибровка спектров проведена по спектру пленки полистирола, интерпретация — с учетом известных данных [10]; обработка экспериментальных данных — с использованием статистических методов.
Коллагенсодержащие ткани животных являются структурно сложными многокомпонентными системами, часть компонентов которых при выделении и очистке коллагеновых субстанций характеризуются как балластные — альбумины и глобулины, углеводы, липиды. Фракция белков соединительных тканей также характерна сложностью состава, физико-химических свойств и разнообразием биологических функций.
Установленная совокупность оценок содержания суммарных белков, их качественного и количественного соотношения, соотношения бе-■ лок:жир с учетом особенностей структуры и массовой доли коллагеновых нитей, структурно-механических свойств и показателей биологической ценности позволила сформировать две группы отходов мясоперерабатывающей промышленности [5]: обогащенные коллагеном с минимумом примесных биополимерных веществ и смешанные структуры, где коллаген присутствует в смеси с другими биополимерами (белки, липиды, углево-1 ды).
Отходы, объединенные в состав 2-й группы, имеют общие признаки: значительное массовое содержание неколлагеновых белков, тонкие слаборазвитые коллагеновые волокна, достаточно высокое содержание жира. Это обусловливает целесообразность комплексного использования всех белковых фракций на пищевые цели, в том числе для получения натуральных пищевых добавок в составе мясных продуктов.
В ходе экспериментальных исследований гисто-морфологических признаков установлено [5], что отходы 1-й группы характеризуются высокой долей коллагеновых фракций с мощной фибриллярной структурой, относительно низким содержанием неколлагеновых белков и жира, представляющих балластные фракции. Эти виды сырья представляют интерес для выделения коллагена и создания на этой основе коллагеновых субстанций различной функциональности.
Очевидно, этапы выделения и очистки коллагеновых субстанций связаны с удалением сопутствующих фракций без явных потерь и нарушений структуры целевого вещества — коллагена. Интерес в этой связи представляют различные биотехнологические методы, в частности, ферментативный гидролиз неколлагеновых белков и жиров. В результате биохимических исследований установлено, что требованиям к ферментным системам для направленной биоконверсии коллагенсодержащего сырья, отнесенного к 1-й группе, удовлетворяют отечественные ферментные препараты, имеющие специфическую направленность при действии на субстраты: протосубтилин Г20х, мегатерии, липоризин ГЗх.
Несмотря на идентичность физико-химических характеристик биокаталитических реакций гидролиза субстратов — температурный оптимум действия 37-40°С, рН-оптимум 6,8-7,2, — выявилась особенность действия, что создало предпосылки для их совместного использования в составе энзимных композиций, учитывающих специфику суб-
стратов и препаратов: протосубтилин—липоризин, мегатерии—липоризин.
Установленные в ходе однофакторных экспериментов закономерности ферментативного распада сопутствующих липидных и белковых фракций показывают, что специфика целенаправленной биоконверсии белково-липидных комплексов под действием ферментов отвечает поставленной цели, обеспечивая минимальный уровень потерь коллагенов — 0,03-0,3% к щелочерастворимой фракции в зависимости от вида сырья при обработке мегатерином при дозировке 0,8 ед. ПА/г сырья, измельчении сырья до размера частиц 2-3 мм, гидромодуле 1:2, температуре (37± 1)°Су естественном pH среды (6,9±0,2) и продолжительности обработки в течение 3 ч.
Применение стандартной программы максимизации функции нескольких переменных по методу штрафных функций позволило учесть межфактор-ные взаимодействия и определить рациональные режимы предварительной обработки разных видов невостребованного в пищевых целях коллагенсодержащего сырья мясной промышленности, которые легли в Основу принципиальной технологической схемы получения коллагеновых масс (полуфабрикатов). Этапы, на которых реализуется биотехнологическая схема получения коллагеновых субстанций, представлены на рис, 1.
Рис. 1 ,
Как видно на рисунке, основа технологии получения коллагеновых масс связана с очисткой от балластных биополимерных веществ путем гидролиза с образованием растворимых низкомолекулярных продуктов.
ИЗВЕС
Оц
состаї новьк гии, г товле: зин”,
:СП0(
ИСТО'
полу1
С при!
НИЄ1
биот
логи
чесв
мет(
из с жил сухо
ЛИЙ
из
отхс
КИШ
сыр]
из
отхс
обрг
бот*
шку
сыр]
По трг
ЦИ0І
техн
гии:
из
голь
спил
шку
КРС
(кон
ИзЕ
С0СТЭЕ
нокис
ГЛИЦИ
что н<
белкої
коллаї
сипро,
нием
состав
И 0КС1 КИСЛО’ СВЄДЄЇ
продуі ных п коллаг для щ ции и вых б( состав
•липори-
жспери-распада )ракций вленной ;сов под ой цели, ь колла-й фрак-іработке : сырья, !-3 мм, гествен-льности
аксими-)методу факториальные їх видов чагенсо-и, кото-могиче-асс (по-изуется магено-
:илонки
дочки)
]
]
'ИИ по-гкой от гидро-лолеку-
Оценка общего химического и фракционного состава белков (табл. 1) показывает, что коллагеновые массы, полученные методами биотехнологии, практически идентичны контрольным, приготовленным в промышленных условиях (з-д ’’Белкозин”, г. Луга, Ленинградской обл.).
Таблица 1
Массовая доля компонентов, % к массе сырья
Способ и Белок
источник получения об- щий водо- раст- вори- мый соле- раст- вори- мый щелоче- раствори- мый Жир Зола Влага
С применением биотехнологических методов:
из смеси жилок и сухожилий
10,90 0,00 0,00 10,90 0,4 1,10 87,8
из
отходов , кишечного сырья 1,76
из
отходов
обра-
ботки
шкуро-
сырья
0,00 0,06 11,70 0,8 1,04 86,40
10,25 0,00 0,38 9,87 0,8 0,80 88,17
По традиционной технологии:
из
гольевого
спилка
шкур
КРС
(контроль) 12,40 0,00
1,55 10.85 0,4 0,30 87,00
Известно, что коллаген обладает необычным составом и необычной последовательностью аминокислот, имея в составе около 35% остатков глицина и приблизительно 11% остатков аланина, что необычно много для большинства известных белков [2]. Еще более отличительным признаком коллагена является высокая доля пролина и 4-ок-сипролина — аминокислоты, которая, за исключением коллагена и эластина, редко встречается в составе биополимеров. В сумме на долю пролина и оксипролина приходится около 21% всех аминокислотных остатков коллагена. В связи с этим сведения об аминокислотном составе конечных продуктов, полученных с применением специальных препаратов ферментов в процессе обработки коллагенсодержащего сырья, важны и необходимы для идентификации целевой коллагеновой фракции и оценки степени ее очистки от неколлагеновых белков на основе данных об аминокислотном составе коллагенов из разных источников.
Согласно полученным нами результатам (табл. 2), сумму аминокислот можно расположить в убывающий ряд для образцов: коллаген дермы шкур КРС > коллагеновые массы на основе: отходов шкуросырья КРС > гольевого спилка шкур КРС (контроль) > мездры КРС > отходов кишечного сырья > отходов жиловки КРС. Экспериментальные данные позволяют рассчитать тирозиновый показатель, определяемый по количественному соотношению оксипролина и тирозина, и оценить тем самым соотношение коллагеновой и балластных белковых фракций в продуктах.
Таблица 2
Аминокислота
Состав в коллагеновых продуктах, % к СВ
Коллагеновые массы на основе
Кол-
отхо- отхо- голь- лаген
дов мез- сухо- дов евого дермы
шку- дры жилий ки- спил- шкур
ро- шеч- ка КРС
сырья ного сырья шкур (11)
Аспараги- новая кислота 7,38 6,55 4,36 6,26 6,26 6,95
Треонин 3,59 2,15 2,22 1,96 1,96 2,26
Серии 4,61 2,90 2,62 2,96 2,96 4,27
Глутаминовая кислота 12,61 8,91 5,98 9,79 9,79 11,16
Пролин 13,55 7,02 7,02 13,10 13,10 11,37
Оксипролин 11,15 8,05 8,12 10,82 10,82 12,83
Глицин 6,26 5,50 6,10 6,03 6,03 26,57
Аланин 7,10 5,79 7,10 6,43 6,43 10,32
Валин 2,57 2,64 4,15 1,98 1,98 2,46
Метионин 1,34 1,25 0,82 1,54 1,54 0,97
Изолейцин 3,54 2,50 1.70 2,86 2,86 3,73
Лейцин 1,66 1,33 1,77 2,21 2,21 1,83
Тирозин 1,10 0,92 1,40 0,85 0.85 0,99
Фенилаланин 2,61 1,94 2,28 2,35 2,35 2.35
Гистидин 0,99 ■ 0,76 1,06 1,22 1,22 0,70
Лизин 4,85 4,90 3,36 5,42 ' 5,42 3,96
Аргинин 5,60 7,84 7,00 9,10 9,10 8,22
Тирозиновый показатель 10,10 8,80 5,80 12,70 12,70 12,90
Отсутствие триптофана, низкие доли метионина и тирозина свидетельствуют о высокой степени очистки коллагеновых субстанций, а также об идентичности аминокислотного состава промышленным образцам — коллагеновым продуктам из гольевого спилка шкур КРС.
В разработке практических аспектов применения очищенных биотехнологическими методами коллагеновых продуктов представляет интерес оценка структуры основного вещества — коллагена в сравнении с аналогами, полученными традиционными методами, в частности, при обработке химическими реагентами — НС1, Са(ОН)2,
Известно, что в ИК-спектрах полипептидов и белков проявляется несколько относительно сильных полос поглощения, которые, как правило, относятся к колебаниям пептидной группы -СО-ЫН-, как общему структурному компоненту белковых молекул. Полоса на //Х-спектрах, соответствующая основному колебанию групп -ЫН в структуре молекул большей^ части белков, находится в области около 3300 см 1. Для структуры коллагена эта полоса несколько смещена, расположена в области 3330-3350 см"1 и носит название амид Л. В области 1600-1700 см”1 проявляется сильная полоса, которая смещается в сторону более высоких частот в разбавленном растворе. Она относится к валентному колебанию группы -СО и называется амид I. Третья характеристическая полоса в спектре белковых молекул лежит вблизи области 1510-1570 см”1 и называется амид II.
При оценке структуры белковых молекул существенным является положение полос ОН-групп, свободных и участвующих в образовании Н-связей,
глощение в последней области обусловлено наличием групп > С=0, -С-О/В спе.ктре образца после обработки препаратом мегатерии зафиксировано исчезновение'полосы 1660 что, по всей видимости, обусловлено , изменениями молекулярной структуры коллагена,
Сравнение спектров поглощения образцов до и после обработки энзимной композицией мегатерии—липоризин ГЗх показало, что в спектре обработанного образца, полученного из кожных покровов КРС, возникают полосы в областях 1580-1490, 900-650, 1440-1395, 1320-1211 см”1. Структурные изменения были отмечены также при сравнении спектров поглощения образцов кишечного сырья до и после обработки препаратом мегатерии: исчезновение полосы в области 3420 см-1 (валентные колебания группы -ОН в полимерах) и усиление полосы 1150 см (валентные колебания любой группы -ОН). В спектре обработанного материала отмечено появление новых полос в области 2200-1800 см”1.
Рис. 2
поскольку гидроксильные группы оксиаминокис-лот и структурно связанной воды участвуют в стабилизации молекулярной и надмолекулярной организации белка. ОН-группы мономеров обусловливают появление в ///(-спектрах полосы 3600 см”1, в то время как водородно связанные ОН-группы поглощают в области 3400-3500 см
Нами проведена сравнительная оценка спектров поглощения следующих коллагенсодержащих образцов: не подвергнутого химической или биохимической предварительной обработке малоценного коллагенсодержащего сырья мясной промышленности (сухожилий, отходов шкуросырья, отходов кишечного сырья крупного рогатого скота); коллагеновой массы из гольевого спилка шкур КРС, полученной по традиционной технологии [11]; коллагеновых субстанций, предварительно,обработанных препаратами ферментов или их композициями [12].
Установлено, что в спектре поглощения нативных сухожилии КРС наблюдаются полосы в областях 2985, 2820, 1365-1165, 1660-1470 см-1. По-
Спектры поглощения образцов после альтернативных вариантов предварительной обработки кол-лагенсодержащйх животных тканей представлены на рис. 2 (/ — база сравнения (вазелиновое масло); 2 — полуфабрикат’ на основе гольевого спилка шкур КРС (традиционная технология, химическая обработка); 3 ■— полуфабрикат на основе сухожилий КРС (биотехнологическая обработка); Т — поглощение света, V — частота). Полученные данные показывают, что полосы амид I расширены и состоят из нескольких разных по частоте и интенсивности компонентов. Это указывает на расщепление полосы амид I и является результатом специфического взаимодействия между соседними пептидными группами, а расширение полос происходит в результате образования Н-связи. Однако эта полоса® образцов сдвинута на 30 см”1 в низкочастотную область.
Известно [10], что полосы валентных колебании сдвигаются в низкочастотную область при образовании Н-связей, следовательно, предварительная обработка коллагенсодержащего сырья с целью
dнали-a после [ровано
1ИДИМО-
лярной
эв до и !мегате->е обра-покро-1-1490, эуктур-:равне-шчного )терин: валент-и уси-ебания энного 1C в об-
.терна-<и кол-1влены товое ьевого 1Я, хи-основе зотка); енные ирены :оте и ют на |ульта-сосед-полос и. Од-см в
баний
'бразо-
гльная
целью
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, №5-6, 2000
выделения и очистки коллагеновых субстанций несколько изменяет молекулярную структуру коллагена, способствуя появлению дополнительных Н-связей, в которых участвуют пептидные группы белка.
Разницы в спектрах поглощения образцов коллагеновых масс, полученных по традиционной технологии (образец 2) и с применением препаратов ферментов (образец 3), в области полосы амид I не наблюдалось. Смещение полос, связанных с группами, являющимися донорами протонов (>ЫН и -ОН), обычно проявляется в большей степени, чем смещение полос, связанных с группами — акцепторами протонов (>С=0). Действительно, в области колебаний ЫН- и ОН-групп (3300—3600 см *) зафиксирована разница в спектрах образцов 2 и 3. Необходимо отметить, что в этой области поглощения находятся характеристические частоты групп НН и ОН, как свободных, так и водородно связанных, а также структурно связанной воды, которая, как известно, является одним из компонентов, обеспечивающих структурную стабильность нативного белка, в настоящем случае коллагена.
Это усложняет интерпретацию Я/С-спектров в данном интервале частот, так как полосы поглощения вследствие частичного наложения плохо разрешены. Однако могут быть сделаны некоторые сравнительные выводы.
На спектрах образцов 2 и 3 фиксируются одни и те же полосы по частоте, но различной интенсивности. Возрастает доля ОН-групп и структурно связанной воды, причем образец после ферментной обработки характерен значительно меньшим общим высокочастотным сдвигом спектра в области 3300-3600 см~‘ по сравнению с образцом после обработки химическими реагентами: максимум приходится на область 3400 см~‘, а не 3500 см доля полосы 3340 см-1 значительно больше, чем у образца после химической обработки.
Таким образом, ферментативное воздействие в меньшей степени затрагивает упорядоченность стабилизированной структуры молекулы нативного коллагена, хотя оно и приводит к некоторому увеличению ее разрыхленности и обводненности. При химической обработке наблюдается более значительное нарушение нативной структуры белка, приводящее к частичному разрушению водородных и ковалентных связей, стабилизирующих молекулу, нарушению внутримолекулярного электростатического режима, что сопровождается увеличением доли структурной воды за счет ее дополнительного связывания при участии освободившихся СООН- и ОН-групп. Их дополнительное число возникает при дезаминировании под действием щелочи амидов дикарбоновых кислот, входящих в состав коллагена, а также в результате отщепления связанных с коллагеном аминосаха-ров и гексоз.
Установленные различия в изменении молекулярной структуры всех коллагенсодержащих бц<р-
21
материалов после разных видов предварительной обработки позволяют экспрессию и объективно оценить преимущества биотехнологических методов обработки животного сырья в получении очищенных коллагеновых субстанций.
Результаты исследований имеют большое практическое значение, так как убедительно свидетель- . ствуют о возможности биотехнологических методов в производстве высококачественных коллагеновых масс для получения биополимеров, отвечающих существующим требованиям применительно к технологии формовочных материалов и пищевых белковых покрытий ДЛЯ МЯСНОЙ промышлен-;; ности. При высоком качестве конечных продуктов • отмечены возможности сокращения общей продолжительности производственного цикла в 6-8 раз, снижения затрат на сырье и материалы в 5-8 раз, создания экологически безопасных условий производства.
Работа является составной частью научных исследований по теме федерального гранта 1998—
1999 гг. в области фундаментальных наук ’’Разра-ботка теоретических и практических аспектов, йШХШ10Лйгшес™>сяршесс(Щ.вхцм1Ш.и_.б.и_оп£е; паратов специального назначения на основе рационального использования второстепенных белковых ресурсов”.
ЛИТЕРАТУРА :
1. Страйер Л. Биохимия. Т. 3 / Пер. с англ. М.Д. Гроздовой,
A.Н. Колчинского; Под ред. С.Е. Северина. — М.: Мир, 1985. — 385 с.
2. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3 т. / Пер. с англ.
B.Г. Горбулева, М.Д. Гроздовой, С.Н. Преображенского; Под ред. В.А. Энгельгардта, Я.Н. Варшавского. — М.: Мир, 1985.
3. Антипова Л.В., Жеребцов Н.А. Биохимия мяса и мясных продуктов, — Воронеж, 1991, — 184 с.
4. Антипова Л.В. Биотехнологические аспекты рационального использования вторичного сырья мясной промышленности. — М.: АгроНИИТЭИММП, 1991. — 36 с.
5. Антипова Л.В., Глотова И.А., Перепелкин В.Ю. Нетрадиционные виды сырья в технологии съедобных колбасных оболочек и покрытий // Изв. вузов. Пищевая технология. — 1994. — До 1-2. — С. 14-18.
6. Структура, товарно-технологические свойства, методы обработки, улучшение качества и рациональное использование животного сырья и продуктов животноводства / Л.П. Истранов, Р.К. Абоянц, Е.В. Истранов и др. — М., 1983.
— С. 85-87.
7. Каверзнева Е.Д. // Прикл. биохимия и микробиология.
— 1971. — 7. — Вып. 2. — С. 225-228.
8. Лабораторный практикум по технологии ферментных препаратов / И.М. Грачева, Ю.1'1. Грачев, М.С. Мосичев и др. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982. — 240 с.
9. Endo А. / / Biotechnol, adv. — 1987. — 5. — № 11. — P. 158.
10. Сузи Г. Структура и стабильность биологических макромолекул. — М.: Мир, 1973. — С. 481-486.
11. Производство белковой колбасной оболочки / А.П.’Ком-лев и др. — М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. — 144 с.
12. Пат. 2096966 РФ. Способ подготовки коллагенсодержащего сырья для производства колбасной оболочки / Л.В. Антипова, И.А. Глотова. — Опубл. в Б.И. — 1997. — №33.— С. 34.
Кафедра технологии мяса и мясных продуктов
Поступила 27.09.99 г.