CC BY
35
УДК 636.294:637 М.Г. Кротова
ПЕРЕРАБОТКА КЕРАТИНСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ МАРАЛОВ
M.G. Krotova
THE PROCESSING OF KERATIN-CONTAINING MARAL MATERIAL
Кротова М.Г. - канд. с.-х. наук, ст. науч. сотр. Всероссийского НИИ пантового оленеводства Федерального Алтайского научного центра агро-биотехнологий, г. Барнаул. E-mail: [email protected]
Изучены условия проведения гидролиза ке-ратинсодержащего сырья маралов. Материалом служили шерсть и копыта маралов. Гидролиз осуществляли в автоклаве при температуре 120 °С в течение 5-10 часов и гидромодуле 1:10. Ферментативный гидролиз проводили в течение 8-12 часов при температуре 45-50 °С в поле ультразвука с применением ферментов микробного происхождения с ке-ратиназной активностью: Протозим В (бактериальная протеаза) и Протозим С (грибная протеаза). Ферменты вносили в гидролизат в количестве 2 % от объема сырья. Полученный гидролизат отфильтровывали и высушивали в инфракрасной сушке до остаточной влажности 7-10 %>. Установлено, что при переработке копыт марала оптимальным является гидролиз в автоклаве в течение 5 часов с последующей ферментацией в течение 8 часов, что обеспечивает 16,0 % выхода сухого растворимого концентрата с массовой долей белка 80,3 %. Проведен щелочной гидролиз шерсти марала в растворе гидроксида натрия концентрацией 0,5-1 % при содержании кера-тинсодержащего сырья в растворе не менее 10 % и температуре 90 °С. Показано, что при щелочном гидролизе происходит разрушение значительной части аминокислот, а также образование нежелательных побочных продуктов, что требует дополнительной очистки гидролизатов. Автоклавирование шерсти маралов в течение 10 часов с последующей ферментацией обеспечило выход растворимой белковой фракции от 15,5 до 16 % с массовой долей белка 41,8 %. Исследование полу-
Krotova M.G. - Cand. Agr. Sci., Senior Staff Scientist, All-Russia Research and Development Institute of Reindeer Breeding for Velvet Antlers, Federal Altai Scientific Center of Agrobiotechnologies, Barnaul.
E-mail: [email protected]
ченных биосубстанций из кератинсодержаще-го сырья маралов на культуре инфузорий выявило, что показатель относительной биологической ценности концентратов из копыт марала был выше в 2-3 раза по сравнению с концентратом из шерсти.
Ключевые слова: кератинсодержащее сырье, марал, копыта, шерсть, гидролиз, концентрат.
The conditions of carrying out keratin-containing marai materials hydrolysis were studied. Maral wool and hooves served as the material of the study. The hydrolysis was conducted in an autoclave at the temperature of 120°С for 5-10 hours in 1:10 hydraulic module. Enzymatic hydrolysis was conducted for 8-12 hours at the temperature of 4550 °С in ultrasound field using enzymes of microbial origin with keratinizing activity: Protozyme B (bacterial protease) and Protozyme С (fungus protease). The amount of enzymes introduced to hydrolysate comprised 2 % of raw material amount. Obtained hydrolysate was being filtered and dried up in infra-red drying chamber to residual humidity of 7-10 %. It was established that processing maral hooves by hydrolysis in the autoclave for 5 hours with subsequent fermentation within 8 hours providing 16.0 % of an exit of dry soluble concentrate with mass fraction of protein of 80.3 % was optimum. Alkaline hydrolysis of maral wool was conducted in 0.5-1 % sodium hydroxide solution with the content of keratin-containing material not less than 10 % at the temperature of 90 °С. It was shown that at alkaline hydrolysis there was the destruction of considerable part of amino acids, and also the formation
of undesirable by-products demanding additional decontamination of hydrolysates. Autoclave treatment of maral wool for 10 hours and subsequent enzyme treatment provided from 15.5 to 16 % exit of soluble proteinaceous fraction with 41.8 % of protein mass fraction. The research of received biosubstances from keratin-containing raw materials of marals on the culture of infusorians showed that the indicator of relative biological value of concentrates from maral hooves was 2-3 times higher in comparison with wool concentrate.
Keywords: keratin-containing raw materials, maral, hooves, wool, hydrolysis, concentrate.
Введение. В настоящее время идет процесс интенсивного развития пантового оленеводства - отрасли сельского хозяйства, занимающейся разведением маралов и пятнистых оленей. Славится оленеводство своей уникальной продукцией (панты, кровь, хвосты, репродуктивные органы, сухожилия), которая обладает огромным количеством биологически активных веществ в своем составе [1, 2]. При переработке сырья маралов стоит задача максимально повысить биодоступность его компонентов, расширить ассортимент пищевых продуктов на его основе, а также снизить затраты на их производство.
На сегодняшний день проблемой перерабатывающей отрасли мараловодства является комплексная переработка сырья и внедрение безотходной технологии [3]. В связи с этим актуальность приобретают вопросы рационального применения второстепенной продукции мараловодства. Анализ литературных источников указывает на возможность эффективного использования кератиновых отходов. Белок кератин содержит в своем составе глутаминовую кислоту, лейцин, серин, пролин, валин, а наибольшая ценность данного сырья связана с наличием серосодержащих аминокислот цистина и метионина [4, 5]. Вышеизложенное объясняет интерес фармацевтических и косметических предприятий к кератиновым продуктам, как к новому ценному источнику белка. При этом биохимический анализ кератинового сырья позволяет оценить возможность применения этих белковых ресурсов как источников незаменимых аминокислот.
На мараловодческих предприятиях при убое животных кератинсодержащее сырье (копыта и шерсть маралов) в настоящее время не перерабатывается и в основном утилизируется, что обусловлено сложностью его переработки. Кератин имеет упроченную структуру и ограниченную растворимость, что обуславливает низкую функциональность данного сырья при промышленном производстве и требует разработки новых подходов и методов переработки и получения готовых белковых продуктов из кератинсо-держащего сырья маралов.
Цель работы. Изучение возможности переработки кератинсодержащего сырья маралов.
Материалы и методы исследования. Исследования проводили в лаборатории переработки и сертификации пантовой продукции ФГБНУ ФАНЦА в период 2018 года. Для приготовления сухого растворимого концентрата из кератинсодержащего сырья проводили его гидротермическую обработку в автоклаве при следующих значениях параметров: гидромодуль -1:10, температура нагрева - 120 °С, продолжительность гидролиза - 5-10 часов. Ферментативную обработку проводили в поле ультразвука мощностью 37 кГц при температуре 45-50 °С в течение 8-12 часов. Протеолиз осуществляли в присутствии ферментов микробного происхождения, обладающих кератиназной активностью: Протозима В (бактериальная протеаза) и Протозима С (грибная протеаза), вносимых в гидролизат в количестве 2 % от объема сырья.
Полученные гидролизаты отфильтровывали и высушивали в инфракрасной сушке при температуре 50 °С.
Гидролиз шерсти маралов с применением щелочей осуществляли в водном растворе гид-роксида натрия (NaOH) концентрацией 0,5-1 % при содержании кератинсодержащего сырья в растворе не менее 10 % и температуре 90 °С.
С целью оценки качества экстракции проведен биохимический анализ полученных образцов концентратов по общепринятым методикам.
Токсичность и относительную биологическую ценность (ОБЦ) полученных концентратов оценивали с помощью тест-культуры инфузорий [6].
Результаты исследования и их обсуждение. При переработке шерсти марала апробирован способ обработки сырья водно-щелочным раствором гидроксида натрия при
температуре 90 °С (п=10). При экстракции шерсти 0,5%-м раствором щелочи степень экстракции кератина составила не более 3 % (шерсть практически не растворялась). При обработке шерсти 1%-м раствором гидроксида натрия степень экстракции кератинов составила 95-97 % (практически полное растворение шерсти) через 1 час экстракции при температуре 90 °С. Однако при данных условиях наблюдалась значительная деструкция аминокислот, которая выявлялась в образовании сероводорода при нейтрализации щелочи соляной кислотой. Таким образом, данная технология переработки шерсти приводит к разрушению значительной части аминокислот, а также к образованию нежелательных побочных продуктов, что требует дополнительной очистки гидролизатов, а следовательно, усложняет технологический процесс.
В другой серии опытов проводили высокотемпературный гидролиз шерсти в автоклаве с последующей ферментативной обработкой в поле ультразвука. При высокотемпературной обработке в течение 5 часов (п=6) выход белковой фракции составил 15,6 %. При автоклави-ровании шерсти марала в течение 10 часов
(п=6) выход кератиновых белков в гидролизат составил 16,0 %.
Проведен гидролиз копыт марала в автоклаве с последующей обработкой ферментами. В первой серии опытов осуществляли гидролиз в автоклаве в течение 5 часов. После автоклави-рования проведен ферментативный гидролиз в течение 8 и 12 часов. Выход концентрата при данных технологических операциях составил 16,0 % после 8-часовой ферментации и 16,7 % после 12-часовой ферментации. Во второй серии опытов гидролиз в автоклаве проводили в течение 10 часов с последующей ферментацией в течение 8 и 12 часов. Выход концентрата при данной технологии составил 12,0 % при 8-часовой экстракции и 12,5 % при 12-часовой экстракции.
Таким образом, при переработке копыт марала оптимальным является 5-часовой гидролиз в автоклаве с последующей ферментацией в течение 8 часов.
Исследования биохимического состава концентратов, полученных из кератинсодержащего сырья, представлены в таблице 1.
Наименование биосубстанции
Показатель Нативный порошок из копыт марала Концентрат из копыт после 10-часового Концентрат из копыт после 5-часового Концентрат из шерсти после 10-часового авто-клавирования и ферментации
автоклавирования и ферментации автоклавирования и ферментации
Вода, % 7,2 5,3 7,7 9,4
Протеин, % 89,8 65,2 80,3 41,8
Жир, % 1,3 8,0 7,9 5,4
БЭВ, % - 14,1 - 16,9
Зола, % 1,7 7,4 4,1 26,5
Макроэлементы, г/кг
Фосфор 2,2 1,2 2,4 0,9
Кальций 5,9 7,6 5,0 6,7
Магний 0,2 0,8 0,4 4,5
Хлор 3,1 2,4 2,3 3,0
Сера 2,3 3,8 5,1 3,6
Микроэлементы, мг/кг
Железо 151,1 275,0 256,0 58,8
Цинк 25,1 33,4 16,5 9,9
Таблица 1
Биохимический состав концентратов из кератинсодержащего сырья
Биохимический анализ концентратов из ке-ратинсодержащего сырья маралов показал, что массовая доля протеина в образцах из копыт, полученных при гидролизе в автоклаве в течение 5 часов, была выше на 23,2 %, чем в биосубстанциях из копыт, полученных после 10-часового автоклавирования, и на 92,1 % выше, чем в концентрате из шерсти. В концентратах из копыт марала содержание жира на 48 % превышало данный показатель в концентрате из шерсти. Зольность концентратов из шерсти в 3,6-6,4 раза превышала данный показатель концентратов из копыт марала.
Согласно полученным данным, в биосубстанциях из копыт марала отмечено высокое содержание белка и железа. Процент протеина в концентрате, полученном при 5-часовой экстракции, был значительно выше, чем после 10-часовой. Достоверной разницы в количественном содержании макроэлементов в зависимости от технологии получения не установлено.
В концентрате из шерсти марала отмечен низкий уровень белка. Зольность образца из шерсти значительно выше по сравнению с концентратами из копыт.
Таким образом, переработка шерсти марала для получения белковых питательных биосубстанций является трудоемким и экономически затратным процессом.
По результатам проведенных исследований сухих концентратов из кератинсодержащего сырья маралов установлено, что гибели инфузорий, а также угнетения подвижности и деформации клеточной стенки не установлено. Замедления роста и мутации отдельных особей не наблюдалось, что свидетельствует о биологической безопасности полученных концентратов.
Исследована динамика роста и развития простейших в течение суток с целью выявления биологической активности полученных биосубстанций (табл. 2).
Таблица 2
Оценка роста и развития инфузорий полученных биосубстанций
Исследуемый образец Генерация простейших за 24 часа ОБЦ, %
Контроль (эталонный белок) 45,0 100,0
Копыта марала - автоклавирование 10 часов - ферментация 11,0 25,0
Копыта марала - автоклавирование 5 часов - ферментация 15,0 33,3
Нативный порошок из копыт марала 5,0 11,0
Согласно проведенному исследованию, ОБЦ концентрата из копыт марала составляла от 25 до 33,3 % в зависимости от технологии получения. Лучший результат показан у концентрата, полученного при автоклавировании копыт в течение 5 часов с последующей ферментацией. Биосубстанция из шерсти марала отличалась низкой величиной ОБЦ, что обусловлено малым содержанием белка в данном продукте.
2. При щелочном гидролизе шерсти маралов происходит разрушение значительной части аминокислот, а также образование нежелательных побочных продуктов, что требует дополнительной очистки гидролизатов.
3. Автоклавирование шерсти маралов в течение 10 часов с последующей ферментацией обеспечил выход растворимой белковой фракции от 15,5 до 16 %.
Выводы
1. При переработке копыт марала оптимальным является 5-часовой гидролиз в автоклаве с последующей ферментацией в течение 8 часов, который обеспечивает выход сухого растворимого белкового концентрата, равного 16,0 %.
Литература
1. Гришаева И.Н., Белозерских И.С. Способ коррекции органолептических свойств пантового концентрата // Научное обеспечение животноводства Сибири: мат-лы II Между-нар. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2018. - С. 304-308.
2. Белозерских И.С., Луницын В.Г. Сравнение биохимического состава биосубстанций из пантов и второстепенной продукции пантового оленеводства, полученных различными технологиями // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. -2015. - № 8. - С. 125-128.
3. Мотовилов О.К., Мотовилов К.Я., Наумен-ко И.В. Разработка и внедрение инновационных технологий переработки сельскохозяйственной продукции // Пища. Экология. Качество: тр. XIII Междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск, 2016. - С. 13-18.
4. Соболева А.В. Разработка основ технологии получения таурина из кератинсодержащего сырья: автореф. дис. ... канд. хим. наук. - М., 2004. - 17 с.
5. 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.
6. ГОСТ 31674-2012. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения общей токсичности. - М., 2012. - 16 с.
Literatura
1. Grishaeva I.N., Belozerskih I.S. Sposob korrekcii organolepticheskih svojstv pantovogo
koncentrata // Nauchnoe obespechenie zhivotnovodstva Sibiri: mat-ly II Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. - Krasnojarsk, 2018. -S. 304-308.
2. Belozerskih I.S., Lunicyn V.G. Sravnenie biohimicheskogo sostava biosubstancij iz pantov i vtorostepennoj produkcii pantovogo olenevodstva, poluchennyh razlichnymi tehnologijami // Vestnik Altajskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. -2015. - № 8. - S. 125-128.
3. Motovilov O.K., Motovilov K.Ja., Naumenko I.V. Razrabotka i vnedrenie innovacionnyh tehnologij pererabotki sel'skohozjajstvennoj produkcii // Pishha. Jekologija. Kachestvo: tr. XIII Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. - Novosibirsk, 2016. - S. 13-18.
4. Soboleva A.V. Razrabotka osnov tehnologii poluchenija taurina iz keratinsoderzhashhego. syr'ja: avtoref. dis. ... kand. him. nauk. - M., 2004. - 17 s.
5. Shamhanov Ch.Ju. Poluchenie i primenenie keratinovyh produktov na osnove biomodifikacii syr'ja mjasnoj promyshlennosti: teorija i praktika: avtoref. dis. ... d-ra tehn. nauk. - Voronezh, 2004. - 44 s.
6. GOST 31674-2012. Korma, kombikorma, kombikormovoe syr'e. Metody opredelenija obshhej toksichnosti. - M., 2012. - 16 s.
