CC BY
1Л.А. Остроумов, д-р техн. наук, проф.
О.О. Бабич, канд. техн. наук И.С. Разумникова, канд. техн. наук А.Ю. Полетаев, аспирант ГОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»
УДК 637.6:577.122.2
ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ ГИДРОЛИЗ КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
Для получения гидролизатов с ценными биологическими характеристиками проведена оптимизация процесса ферментативного гидролиза кератинсодержащего сырья ферментными препаратами. Полученные гидроли-заты характеризовались высокой биологической ценностью и сбалансированным аминокислотным составом.
Ключевые слова: кератинсодержащее сырье, гидролиз, ферментные препараты, биологическая ценность, продукты питания, белок
L.A. Ostroumov, D.Sc. Engineering, Prof., O.O. Babich, Cand. Sc. Engineering I.S. Razumnikova, Cand. Sc. Engineering, A.Y. Poletaev, P.G.
ENZYMATIC HYDROLYSIS OF KERATIN CONTAINING RAW MATERIALS
To obtain hydrolysates with valuable biological characteristics of the optimization process of enzymatic hydrolysis of raw enzyme keratins containing specimen. The resulting hydrolysates were characterized by high biological value and a balanced amino acid composition.
Key words: keratin containing raw materials, hydrolysis, enzymes, biological value, food, protein
Современная мясная промышленность охватывает решение целого ряда актуальных задач, прежде всего связанных с восполнением недостатка пищевого и кормового белка в мировом производстве, разработкой и внедрением способов рационального и максимального использования вторичного сырья переработки скота, птицы и мяса, в том числе промышленных кератинсодержащих продуктов [1, 2]. Привлекательность последних состоит, прежде всего, в полноценности аминокислотного состава белков, массовая доля которых находится в пределах 70-98%. Однако сдерживающим фактором являются низкая перевариваемость и усвоение, связанные со специфической упрочненной структурой и наличием значительного числа межцепочечных дисульфидных связей [3].
Рост объемов производства птицеперерабатывающей промышленности и устойчивая тенденция ее дальнейшего развития в мире и у нас в стране обусловливают скопление значительных объемов пера, переход на переработку бройлеров и внедрение механизированных систем приводит к резкому снижению объемов пера, используемого в традиционных направлениях.
В настоящее время остро стоит задача обогащения функциональными ингредиентами пищевых и кормовых продуктов. С целью повышения функционально-технологических свойств и снижения себестоимости продукции предприятия мясной промышленности стали активно использовать белки растительного и животного происхождения. Однако недостатки растительных белков известны и связаны, главным образом, с наличием лимитирующих биологическую ценность аминокислот и ограничениями по органолептическим свойствам. Ассортимент белков животного происхождения достаточно широк и базируется на источниках: кровь промышленных животных, соединительная ткань, молоко и молочная сыворотка и другие [1]. Экономическая целесообразность и аминокислотный состав кератиновых белков позволяют положительно оценить перспективы использования этих малоценных вторичных продуктов мясной отрасли.
В этой связи изыскание путей рациональной переработки и использования кератинсодержащего сырья имеет важное народнохозяйственное значение. В этом сырье содержится до 85% белка при практически полном наборе аминокислот. Организация и совершенствование технологических процессов переработки кератинсодержащего сырья в продукты пищевого, технического и специального назначения тесно связаны со способами их получения. Анализ биохимического состава кератинсодержащего сырья в процессе его переработки в состоянии оказать существенную помощь как в сознательном научно обоснованном управлении отдельными технологическими приемами, так и в обеспечении экологич-ности производства за счет создания безотходных и малоотходных технологий при максимальном вовлечении побочных продуктов переработки в основное производство.
В связи с вышеизложенным весьма актуальным является проведение ферментативной обработки кера -тинсодержащего сырья с целью получения пищевых добавок.
Используемые для этой цели протеолитические ферменты класса гидролаз содержатся во всех живых организмах, катализируя гидролиз пептидных связей различных клеточных белков. Препараты про-теолитических ферментов применяют в лабораториях (для установления строения белков и пептидов), в пищевой промышленности и в медицине [4].
В решении вопроса подбора протеаз в производстве пищевого продукта важное значение имеют их специфичность к определенной пептидной связи гидролизуемого белка, а также активность и стабильность протеаз как функции рН и температуры, присутствие активаторов и ингибиторов, стоимость и возможность приобретения препарата. Учет этих критериев дает возможность оценки различных по специфичности протеаз при их использовании в пищевой промышленности. Как правило, для производства белковых гидролизатов из кератинсодержащего сырья требуется применение ферментов, обладающих широкой специфичностью, что обеспечивает глубокий гидролиз белков упроченной структуры до низкомолекулярных пептидов и аминокислот.
Определяющим фактором для целенаправленного использования этих добавок является состав продуктов ферментативного гидролиза сырья. Компонентный состав получаемых гидролизатов существенно зависит от условий предварительной обработки и выбора ферментного препарата.
С целью направленного выбора ферментов для модификации кератинсодержащего сырья применяли следующие отечественные и импортные препараты протеолитического действия: протосубтилин Г 3х, коллагеназу, мегатерин Г 10х, протеазу «С», амилопротооризин Г 10х и «Савиназу», характеристика свойств которых дана в таблице 1. Ферментные препараты выбирали по оптимальному значению рН для проявления их активности, совпадающему с диапазоном растворов кератинового сырья (рН 7-9).
Таблица 1
Физико-химические характеристики ферментных препаратов
Протеолитические ферментные препараты Оптимальное значение рН Оптимальное значение температуры, оС
Протосубтилин Г 3х 7,2-7,6 40
Коллагеназа 7,2-7,4 40
Мегатерин Г 10х 7,4-7,6 40
Протеаза «С» 10,0 50
Амилопротооризин Г 10х 5,0-5,5 50
Савиназа 10,0 50
В качестве субстрата использовали предварительно обработанное кератинсодержащее сырье при температуре 1200С в течение 30 минут (гидромодуль 1:20) с целью денатурации белка кератина. Ферментные препараты вносили в соответствии с характеристикой препаратов в концентрации 60 ед активности на 1 г белка субстрата, обеспечивающей его максимальный гидролиз. В процессе ферментативного гидролиза определяли содержание общего азота с помощью анализатора белка RAPID N ELEMENTAR, содержание общего белка рассчитывали умножением общего азота на пересчетный коэффициент для белков (составляющий 6,25), пептидов и аминокислот на аминокислотном анализаторе «ARACUS» методом распределительной хроматографии и аминокислоты тирозина при разрыве боковых связей, образованных ее фенольным кольцом (реакция Фолина на тирозиновые и цистеиновые радикалы) и редуцирующие вещества [3, 4].
После предварительной обработки кератинсодержащего сырья в растворе фиксировали (рис. 1): растворимый белок - 1,1 мг/см3, суммарные пептиды и аминокислоты - 60 мкг/см3, тирозин - 0,2 мкмоль/см3 и редуцирующие вещества - 35 мкг/см3. Доля растворенного продукта - 5,2 мас.% сырья. Следует отметить, что предварительная обработка кератинсодержащего сырья не приводила к его значительному растворению. Для более глубокой деструкции после предварительной обработки в среду вносили ферментные препараты в виде водных растворов.
Ферментативный гидролиз проводили в течение 6 ч при оптимальных условиях действия ферментов.
На основании проведенных результатов исследований сделаны следующие выводы: максимальная растворимость кератинсодержащего сырья отмечена при использовании «Савиназы» (41,5%) и протеазы «С» (42,4 %). Данный показатель имеет важное значение при массовой промышленной переработке кератина с целью более полной утилизации сырья. Дальнейшая обработка кератинсодержащего сырья с ферментными препаратами не приводила к ощутимым результатам: после 6 часов гидролиза массовая доля растворимого белка повысилась всего на 1-2 %.
л ~
Н о
о (J
2 S
К S л о и н о й Рч
л &
3 о
«'
о
£ 5
° ¡¿
и й н S
О ч
л
«
К н с
(U
с
л н о
4 ' о К
и о к к
5 й
к Й й
о 5 ^ §
К S
н «
50п 40 30 20 10 0
12 10 8 6 4 2 0
3000п 2000 1000 0 1,5 1
0,5
К
3 а 4
-lililí
К 12 3 g 4 5 6
.11.1
К 1 2 3 в 4 5
■ lililí
К 1 2 3 4 5 6
г
Рис. 1. Сравнительный гидролиз кератинсодержащего сырья различными препаратами: К-до гидролиза;
1 - Савиназа; 2 - Протосубтилин Г 3х; 3 - Коллагеназа; 4 - Мегатерин Г 10х; 5 - Протеаза «С»; 6 -
Амилопротооризин Г 10х
После действия коллагеназы и амилопротооризина Г 10х отмечены самые низкие показатели растворимого белка - не более 3,2 мг/см3. Применение мегатерина, протосубтилина Г 3х и протеазы «С» на 25-50 % повышает данный показатель. При действии препарата «Савиназа» массовая доля растворимого белка увеличилась почти в 5 раз по сравнению с исходным значением и составила к концу гидролиза 5,2 мг/см3, что превышает аналогичные показатели для всех остальных препаратов.
Содержание пептидов и аминокислот в исследуемой смеси увеличилось с 60 до 1498 мкг/см3 для некоторых препаратов и максимально - для коллагеназы - 2669 мкг/см3, что подчеркивает специфичность ее эффек -тивного действия по отношению к исследуемому сырью. Очевидно, параллельно с образованием растворимого белка происходил процесс его дальнейшего гидролиза до низкомолекулярных веществ. К концу гидролиза действие всех ферментных препаратов ослабевало в связи с ограничением их специфической активности в отношении кератина.
Повышение массовой доли аминокислоты тирозина с 0,2 до 1,1 мкмоль/см3 во всех случаях может свидетельствовать об изменениях во вторичной структуре белка - разрыве связей в боковых радикалах, освобождении фенольного кольца аминокислоты тирозина и его окрашивании реактивом Фолина [5, 6].
Таким образом, результаты ферментативного гидролиза кератинсодержащего сырья свидетельствуют, что для получения белковых добавок целесообразно использоать ферментные препараты протеолитического действия. В зависимости от целевого использования белковых пищевых добавок необходимо руководствоваться выбором ферментных препаратов для гидролиза. Для увеличения функционально-технологических свойств пищевого сырья обосновано внесение гидролизата, полученного с помощью ферментного препарата «Савиназа» (большее содержание растворимого белка - 5,2 мг/см3 и меньшее низкомолекулярных веществ - 852 мкг/ см3). Для сбалансированности химического состава и увеличения биологической ценности предпочтительно внесение
1
2
5
6
6
0
гидролизата, полученного обработкой ферментным препаратом коллагеназой (меньшее содержание растворимого белка - 3,2 мг/см3 и повышенное содержание пептидов и аминокислот - 2759 мкг/ см3).
Увеличение потребности в белковых продуктах на перспективу и необходимость обеспечения рационального питания приводят к возникновению и быстрому развитию качественно новых направлений в производстве пищи [1, 7]. Это направление включает получение комбинированных и искусственных продуктов на основе значительных потенциальных ресурсов пищевого белка с учетом строжайшей экономии природных и модифицированных животных белков [8].
Комбинирование белковых добавок животного происхождения с кератиновым ферментативным гидро -лизатом позволяет обогатить конечные продукты пептидами и аминокислотами и сократить расход животных белков в рецептурах продуктов пищевого и кормового назначения. На основе полученных результатов разработаны технологические схемы получения продуктов на основе кератиновых гидролизатов.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы», государственный контракт №16.740.11.0058
Библиография
1. Антипова, Л.В. Использование вторичного сырья в технологических процессах птицеперерабатывающей промышленности / Л.В. Антипова, С.В. Полянских // Известия вузов. Пищевая технология.- 1998.- №2.- С. 17-19.
2. Неклюдов, А.Д. Источники резервного белка для получения пищевых гидролизатов из животного сырья /
A.Д. Неклюдов, А.Н. Иванкин, Н.А. Баер, В.И. Дубина // Хранение и переработка сельхозсырья.- 1998.- №3.- С. 2425.
3. Рождественский, К.В. Кормление сельскохозяйственной птицы: учеб. пособие / К.В.Рождественский,
B.А. Шафров.-М.: Колос, 1990.- 303 с.
4. Попов, Е.М. Проблема белка: Структурная организация белка / Е.М. Попов, В.Т. Иванов, Т.И. Соркина. -М.: Наука, 1997.- 243 с.
5. Рухлядева, А.П. Методы определения активности гидролитических ферментов / А.П. Рухлядева, Г.В. По-лыгалина.- М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981.- 288 с.
6. Антипова, Л.В. Методы исследования мяса и мясных продуктов / Л.В. Антипова, И.А. Глотова, И.А. Рогов.- М.: Колос, 2001. - 376 с.
7. Шамханов Ч.Ю.Получение и применение кератиновых продуктов на основе биомодификации сырья мясной промышленности: Теория и практика: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук - Воронеж, 2004. - 44 с.
8. Сарапкина С.В. Новые технологии усвояемых продуктов на основе белковых гидролизатов// Актуальные проблемы качества и безопасности продовольственного сырья и пищевой продукции: Сб. науч. тр. -Краснодар: Изд-во КНИИХП, 2005. - С.106-108.
Bibliography
1. Antipova L.V. The use of salvage in technological processes of poultry industry / L.V. Antipov, S.V. Polyanskikh // Proceedings of the universities. Food technology. - 1998 .- № 2 .- P. 17-19.
2. Neklyudov A.D. Sources of redundant protein for obtaining food hydrolysates from animal raw materials / A.D. Neklyudov, A.N. Ivankin, N.A. Baer, V.I. Dubina // Storage and processing of agricultural raw materials .- 1998 .- № 3 .P. 24-25.
3. Rozhdestvensky K. V. Poultry feeding: Textbook / K.V. Rozhdestvensky, V.A. Shafrov.- M.: Kolos, 1990 .- 303p.
4. Popov E.M. The problem of protein: Structural organization of protein / E.M. Popov, V.T. Ivanov, T.I. Sorkina. -M.: Nauka, 1997 .- 243 p.
5. Ruhlyadeva A.P. Methods for determining hydrolytic enzymes activity / A.P. Ruhlyadeva, G.V. Polygalina .- M.: Light and food industry, 1981 .- 288 p.
6. Antipova L.V. Research Methods for meat and meat products / L.V. Antipova, I.A. Glotova, I.A. Rogov - M.: Kolos, 2001. - 376 p.
7. Shamkhanov Ch.Y. Preparation and use of keratin-based products on bio modifications of raw meat industry: Theory and practice. Abstract of diss. D. Sc. Eng. - Voronezh: VSTA, 2004.-44p.
8. Sarapkina S.V. New technology of digestible products based on protein hydrolysates. The collection of scientific papers KNIIHP "Actual problems of quality and safety of food raw materials and food products".- Krasnodar KNIIHP, 2005 .- P.106-108.
