CC BY
74
664.959
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА БАЛТИЙСКОГО ГАММАРУСА С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ХИТИНА, ХИТОЗАНА И БЕЛКОВОГО ГИДРОЛИЗАТА
О.Я. МЕЗЕНОВА, Е.В. ГРИГОРЬЕВА
Калининградский государственный технический университет Институт технической и макромолекулярной химии (Гамбург, Германия)
Природные биополимеры хитин и хитозан давно находят широкое применение в пищевой промышленности как составные части многокомпонентных систем, в медицине при лечении хронических и ожоговых ран, фармакологии и других отраслях экономики. Благодаря их уникальным свойствам биосовместимости, нетоксичности и биодеградируемости спектр использования хитина/хитозана постоянно растет.
В Калининградском регионе нами предложено получать хитин и хитозан из регионального ракообразного - рачка гаммаруса (Оаттагш' \acustris), обитателя морского побережья, Курского и Вислинского заливов и озер области.
В Калининградском государственном техническом университете (КГТУ) и Институте технической и макромолекулярной химии (Гамбург) проведены исследования по комплексной и безотходной переработке биотканей рачка гаммаруса для получения хитина, хитоза-на и сопутствующих биокомпонентов, полезных в технологии кормовых и микробиологических продуктов.
С этой целью были изучены возможности получения хитина и хитозана биотехнологическими методами, оптимизации режимов процесса автоэнзимолиза и деминерализации полуфабриката математическим методом. Определены качественные показатели белковых гидролизатов в технологии биополимеров, характеристики и свойства готового продукта.
За основу получения хитина/хитозана был взят химически-экстракционный метод, заключающийся в последовательном разрушении структуры сырья под действием раствора едкого натра и соляной кислоты. Принимая во внимание легкую диспергируемость, высокую автопротеолитическую способность гаммаруса, использовали предварительный автоэнзимолиз сырья. Для повышения эффективности способа депротеини-зацию гаммаруса проводили в два приема: методом ав -тоэнзимолиза с биоконсервированием (рис. 1) и методом щелочно-кислотной обработки раствором едкого натра и соляной кислоты в концентрации 4%. При ав -то энзимо лизе в качестве жидко й среды для биоко нс ер-вирования использовали молочную сыворотку и экстракт из листьев алоэ, что предотвращало появление гнилостного запаха и порчу сырья.
Для оптимизации эксперимента осуществляли математическое планирование по методу Бокса-Уилсона с применением ортогонального центрального композиционного плана второго порядка для двух факторов [1]. Путем планирования эксперимента получили математическую модель процесса автоэнзимолиза и установили его оптимальные параметры.
Определен массовый химический состав гаммару-са, %:
Массовая доля воды 9,0
Липиды 4,7
Общий азот 6,82
Минеральные вещества 26,0
Хитин 6,5-7,0
Хитозан 4,5
Полученные данные близки к показателям гаммаруса алтайского.
Сырье (сушеный рачок гаммарус) Измельчение
Автоэнзимолиз с биоконсервированием (т = 20,6 ч, Г = З^С, V = 1 : 4)
Разделение на фракции
Полуфабрикатхитина
Получе ние хитина/х итозана
Де минерализация 1
Де проте инирование 1
Промывка водой до нейтральной реакции
1
Сушка в потоке теплого воздуха 1
Хитин
п л
Деацетилирование 1
Промывка водой до нейтральной реакции
Сушка в потоке теплого воздуха
I
Хитозан
Рис. 1
Бульон
Сушка (сублимационная распылительная, струйная)
I
Переработка на белковые гидролизаты,
кормовые добавки минеральные добавки
Были выделены основные факторы, оказывающие наиболее существенное влияние при интенсификации процесса автоэнзимолиза. Диапазон изменения основных факторов, подлежащих оптимизации , ~2), а также пределы их варьирования были установлены на основе предварительных экспериментов и литературных данных. Реализация эксперимента была осуществлена согласно матрице ОЦКП.
Безразмерный параметр оптимизации [уг (х)] устанавливали с применением способа введения метрики, задающей «близость к идеалу»:
у г (х) = Е ((уш- - умо)/умо)2,
где уш - значение экспериментального частного отклика; уш0 - наи -высшее значение г-го отклика.
Расчет значений коэффициентов математической модели вели по матрице в кодированном виде
у = Ь0 + Ь 1х 1 + Ь2х2 + Ь12х1х2 + Ь хх(xх2 - 2/3) + + Ь22(Х22 - 2/3),
где Ьо, Ьх, Ь2, Ьц, Ьц, Ь22 - неизвестные коэффициенты полиномиаль -ной модели; хх, х2, хх2, х22 - изменяемые факторы процесса.
В результате расчетов получена кодированная математическая модель исследуемого процесса, представляющая собой зависимость качества полуфабриката хитина от параметров продолжительности процесса и температуры автоэнзимолиза:
у = 0,2808 + 0,0085 х1 + 0,0464 х2 + 0,1260 х хх2 + + 0,0797(х12 - 2/3) + 0,1390( х22 - 2/3).
В упрощенном виде уравнение имеет вид
у = у = 0,1350 + 0,0085 хх + 0,0464 х2 + 0,1260 ххх2 + + 0,0797 х12 + 0,1390 х22.
Полиномиальная модель второго порядка в натуральном виде применима для отыскания оптимальных параметров исследуемого процесса
у = 2,0838 - 0,0352 х1 - 0,0997 х2 + 0,0007 х1х2 + + 0,00025 х2 + 0,00139 х22.
Данное уравнение позволяет рассчитать оптимальные условия процесса автоэнзимолиза (экстремальные значения целевой функции).
йу/йх1 = 0; ёу/ёхх = - 0,0352 + 0,0007 ~2 + 0,0005 ~ = 0; йу/йх2 = 0; йу/йх2 = - 0,0997 + 0,0007 ~ + 0,0028 ~2 = 0.
Оптимальные значения:
продолжительность процесса автоэнзимолиза
~ = 20,6 ч;
температура проведения автоэнзимолиза
~2 = 35,6°С.
Важнейшими качественными показателями биополимера хитозана являются степень деацетилирования (ББЛ) и молекулярная масса Мл полимера, влияющие на растворение и вязкостные характеристики произво-
димого хитозана \2]. По результатам исследований были получены следующие данные:
Массовая доля воды, % 9,0
Средняя DDA, % 94,4
Штаудингер-индекс (Staudinger Index) [h], мл/г 323,6
kH [h]2 19894
Критическая концентрация полимера C [h], % 0,77
Mh, г/моль 116000
Хаггинс-коэффициент, kH 0,19
Плотность полимерного клубка р, г/мл 0,00773
Объем полимерного клубка Vk, нм3 24840
Диаметр полимерного клубка d, нм 36,20
Молекулярная масса рис. 2 (Мл определена через Штаудингер-индекс: [г|] = 5,8 • 10-2 • М0,4) и средняя степень деацетилирования хитозана были получены с использованием метода вискозиметрии и ядерно-магнитного резонанса [3, 4].
Полученные данные свидетельствуют, что хитозан гаммаруса обладает высокой степенью деацетилирова-ния - 94,4% и сравнительно низкой молекулярной массой - 116000 г/моль, что способствует быстрому растворению полимера в кислотных растворах [5].
Также были исследованы вязкоэластичные свойства растворов хитозана и изменения структуры полимера с течением времени. Вязкость 3 и 4%-х растворов, полученная при 25°С на вискозиметре Ubbelohde Тур 1с, составила 102, 120 мПа • с в 1-е сут и 90, 120 мПа • с на 24-е сут соответственно. Эти данные свидетельствуют о незначительном падении вязкости и обусловливают ньютоновский характер текучести кривых хи-тозана.
Бульон, полученный после предварительного фер-ментирования гаммаруса молочной сывороткой, отделяли от полуфабриката хитина и направляли на сушку (предпочтительна сублимационная, струйная или распылительная сушка). Сухой остаток в количестве 14-15% рекомендован к использованию в качестве минеральной добавки в корм или для микробиологических целей.
ОШовап (Эаттагив ¡асив^э) 0,5 М уксусной кислоты + 0,2 М ацетата натрия 1,сП / с,мл/г
400 300 200 100
0
2,0Е-04 3,0Е-04 4,0Е-04 5,0Е-04 6,0Е-04 7,0Е-04 8,0Е-04 С, г/мл Рис. 2
Анализ бульона при консервировании гаммаруса молочной сывороткой выявил следующий химический состав, %:
Общий азот 5,26
Липиды 0,27
Массовое содержание воды 84,75
Выход сухого остатка 14,83
Микробиологический контроль бульонов (в жидком состоянии) свидетельствует об отсутствии патогенных микроорганизмов Salmonella, E. coli, Shigella, Klebsiella, Pseudomonas, а также наличия грибов и дрожжевых клеток. Общая бактериальная обсеменен-ность бульона составила 5 • 104 кл./г.
ВЫВОДЫ
1. Применение предварительного автоэнзимолиза гаммаруса с биоконсервированием позволило провести последующую депротеинизацию полуфабриката хитина в один цикл, в отличие от двухэтапной общепринятой обработки щелочью.
2. Показана рациональность предварительного ав-тоэнзимолиза гаммаруса с целью упрощения технологии получения хитина и хитозана. Выявлено, что процесс автоэнзимолиза следует проводить при температуре 20,6°C в течение 35,6 ч.
3. Предложенная технология позволяет комплексно использовать рачок гаммарус, получая хитин/хито-зан и белковые гидролизаты, а также сократить расход кислот и щелочей, снизить себестоимость готовой продукции, повысить экологический уровень производства и его безотходность.
4. Хитозан, полученный по предложенной техноло -гии, может быть рекомендован в пищевой промышленности и медицине в качестве биологически активной добавки или композитного материала для мембран.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мезенова О.Я. Моделирование и оптимизация техноло -гических процессов производства продуктов питания путем математического планирования эксперимента. Ч. 3. - Калининград: КГТУ, 1995. - 52 с.
2. Hesse M., Meier H., Zeeh В. Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie. - Stuttgart, 1991. - 236 s.
3. Knop S. Synthese und Charakterisierung von Symplex-Membranen zur Pervaporation von Alkohol-Wasser-Mischungen. -2000.
4. Kulicke W.-M., Clasen C. Viscosimetry of Polymers and Polyelectrolytesr. - Heidelberg, 2004. - 120 p.
5. Lavertu M., Xia Z. A vailidated 1H-NMR method for the determination of the degree of deacetylation of chitosan // Jornal of Pharmaceutical and Biochemical Analysis. - 2003. - 32.
Кафедра пищевой биотехнологии
Поступила 07.02.07 г.
664 (075.8)
БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЙ ПРЕПАРАТ ХОНДРОПРОТЕКТОРНОГО ДЕЙСТВИЯ ИЗ ОТХОДОВ ОТ РАЗДЕЛКИ СУДАКА
О.Я. МЕЗЕНОВА, Е.С. ЗЕМЛЯКОВА
Калининградский государственный технический университет
Остеоартроз относится к заболеваниям суставов. В основе его лежит первичная дегенерация и деструкция суставного хряща с последующим изменением подлежащей костной ткани. По современным представлениям, при возрастной дегенерации хряща происходят деполимеризация и убыль компонентов протеогликанов, в первую очередь хондроитинсульфата, что меняет гидродинамические свойства хряща и уменьшает скорость диффузии питательных веществ в нем. В результате основное вещество хряща перерождается, местами исчезает, замещается соединительной тканью. Хрящ теряет упругость и эластичность, становится сухим, шероховатым, мутным. По данным патологоана-томических исследований, подобные изменения хряща встречаются у 95% людей старше 40 лет и у всех старше 60 лет. Установлено, что курсовое назначение препаратов хондроитинсульфата в течение 1-3 мес сопровождается увеличением подвижности суставов, уменьшением их отечности и болезненности. Стабилизация рентгенологических показателей свидетельствует о стойком восстановлении структуры суставного
хряща, чего никогда не наблюдается при применении только противовоспалительных средств. Таким образом, при лечении остеоартроза традиционные противовоспалительные препараты должны обязательно сочетаться с хондропротекторами.
Основными хондропротекторами признаны глюко -замин и хондроитинсульфат - компоненты суставного хряща, входящие в состав протеогликанов и гликоза-миногликанов хрящевой ткани. В настоящее время для получения биологически активных веществ (БАВ) хондропротекторного действия используют костную и костно-хрящевую ткань крупного рогатого скота, которая значительно минерализована и содержит менее 1% хрящевой ткани. Альтернативой данному виду сырья служат костно-хрящевые ткани, которые остаются после разделки рыб [1].
Цель данной работы - получение биологически активных добавок (БАД) хондропротекторного действия из отходов от разделки судака. Наиболее значимые места обитания этой промысловой рыбы - Кубань, Дон, Каспийское море, побережье Дагестана, дельта Волги, Балтийское море, озеро Ильмень. Широкое распространение и доступность сырья в различных регионах страны делают его актуальным для использования
