CC BY
17
УДК 577.11
Якубович М.И., Красноштанова А.А.
ПОДБОР УСЛОВИЙ ВЫДЕЛЕНИЯ КЕРАТИНА ИЗ ПЕРЬЕВ ПТИЦ ПРИ ЩЕЛОЧНОМ ГИДРОЛИЗЕ
Якубович Марина Ильинична - студентка 3 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии; Красноштанова Алла Альбертовна - доктор химических наук, доцент, профессор кафедры биотехнологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125480, ул. Героев Панфиловцев, дом 20; aak28@yandex.ru.
В статье изучен процесс выделения керамика из перьев птиц, практическое применение и значение данного процесса. Рассмотрен ряд экспериментов определяющих оптимальное соотношение условий выделения кератина при гидролизе пера в растворе щёлочи. Ключевые слова: перья, кератин, выделение.
SELECTION OF THE OPTIMAL CONDITIONS OF KERATIN EXTRACTION FROM BIRDS FEATHERS UNDER ALKALINE HYDROLYSIS. Yakubovich M.I., Krasnoshtanova A.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article studies the process of isolating ceramics from bird feathers, the practical application and significance of this process. A number of experiments are considered that determine the optimal ratio of conditions for the release of keratin during the hydrolysis of a feather in an alkali solution. Key words: feathers, keratin, extraction.
Введение
На сегодняшний день достаточно остро стоит проблема утилизации отходов птицеводства и переработки птицы. Перо составляет около 5 процентов веса птицы, и количество сжигаемых перьев возрастает с увеличением спроса на мясо птицы каждый год, так как птицеводство является одной из наиболее быстроразвивающихся отраслей агропромышленности [1]. В природе продолжительность биодеградации пера составляет от двух до трех лет, что может приводить к серьезным экологическим последствиям, с учетом объема образования данного отхода.
Помимо этого перо представляет особый интерес еще и за счет того, что оно очень богато по белковому составу и является кератинсодержащим сырьем, в пере может быть до 91% кератина [2].
Кератины - это группа фибриллярных белков, содержащихся в большинстве покровных тканей животных, например перьях, волосах, ногтях, копытах, коже и так далее. Их цепи могут быть в форме альфа-спиралей, такая группа называется альфа-кератины и бата-листов - бета-кератины. Сам белок в своем составе имеет большое количество серосодержащих аминокислот и дисульфидных связей, за счет чего обеспечивается его очень высокая прочность и устойчивость к воздействию физико-химических факторов. Также данный белок обладает высокой протеолитической устойчивостью к действию пепсина, трипсина и папаина. В связи с чем, почти ни у одного животного данный белок не усваивается в пищеварительной системе. Тем не менее, данная группа белков очень разнообразна по аминокислотному составу и имеет ценность для производства кормовых добавок. Также использование перьев для кормовых нужд помогло
бы сделать шаг в сторону комплексной переработки отходов птицеводства [3,4].
Процесс получения водорастворимого кератина сводится к разрушению его третичной структуры и разрушению дисульфидных связей. Существует множество методов гидролиза перьев с целью получения кератина, например: гидротермический, щелочной, кислотный, ферментативный [5]. Эти методы разрушают кератин до различных структур, в том числе и до набора свободных аминокислот. С целью разрушения четвертичной и третичной структуры данного белка для выделения его в раствор на него воздействуют при помощи температуры, повышения давления, изменения значения рН и так далее. Одним из методов выделения кератина из кератинсодержащего сырья в промышленности является его щелочной гидролиз, при этом используются 25% растворы щелочи, а также температуры до 95оС и повышенное давление. Как и другие описанные методы данный метод осуществляется в достаточно жестких условиях, что в значительной степени приводит к повреждению некоторых аминокислот, например цистеина или метионина, а так же к рацемизации аминокислот и образованию трудноперевариваемых соединений, а также требует высоких материальных и энергетических затрат.
Целью данной работы являлось подбор условий выделения кератина из пера птиц, обеспечивающих минимальную деструкцию ценных компонентов пера.
Экспериментальная часть.
В качестве объекта исследования в работе использовали перо с содержанием сырого протеина, измеренного методом Къельдаля, 36%. Первым
этапом получения кератина из перьев птиц является растворение пера с целью получения белкового экстракта. Для проведения экстракции согласно литературным данным был выбран щелочной экстрагент. Одним из факторов, влияющих на эффективность процесса выделения белка из исходного материала, является концентрация раствора щелочи. Соотношение для приготовления проб было взято 0,5 г пера к 100 мл раствора щелочи с целью обеспечения эффективного перемешивания. Были приготовлены растворы с различной концентрацией №ОИ: 1% 2% 5% и 10%. Пробы были оставлены на 7 суток, после чего в них было измерено содержание белка биуретовым методом. Так же измеряли концентрацию белка в оставленных растворах через 1 сутки трое суток после их приготовления.
В результате было установлено, что наибольшая концентрация белка в экстракте, равная 1.82 г/л, наблюдается при использовании 2%-го раствора щелочи после 7-ми суток инкубации.
Для ускорения процесса экстракции белка из пера был рассмотрен вариант проведения процесса при температуре 54°С. Была проведена серия экспериментов для подбора наилучших условий при термической обработке данных растворов.
Первым фактором, влияющим на эффективность протекания процесса экстракции, является ее продолжительность. Так как, исходя из результатов предыдущих экспериментов, наибольшая
концентрация белка была в растворе, содержащем 2% КаОИ, для определения времени экстракции был использован раствор такой же концентрации. Экстракцию проводили в течение 2 ч с отбором проб 15, 30, 60, 90 и 120 минут. После декантации нерастворенного остатка в экстрактах определяли содержание высоко- и низкомолекулярной фракций белка путем предварительного осаждения высокомолекулярной фракции 50% трихлоруксусной кислотой. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1. Содержание белка в пробе в зависимости от времени термостатирования
Время термической обработки Выход низкомолекулярной фракции белка, % от содержания сырого протеина Выход высокомолекулярной фракции белка, % от содержания сырого протеина Суммарный выход белка, %
15 13 4 17
30 32 37 69
60 26 18 44
90 37 28 65
120 35 25 60
Таким образом, из полученных данных следует, что оптимальным временем нахождения в термостате при 54°С является 30 минут. Так как по полученным результатом только при такой продолжительности термостатирования
концентрация высокомолекулярных белков выше концентрации низкомолекулярных белков.
Несмотря на то, что при выдерживании перьев в растворе КаОИ в течении 7 суток наибольшая концентрация белка в полученном экстракте была при концентрации 2%, возможно при термической
обработке экстракты с меньшей концентрацией щелочи дадут более высокий белка. Для проверки данной гипотезы был проведен эксперимент по определению оптимальной концентрации раствора щелочи при термостатировании. Навески пера были добавлены в растворы щелочи с разной концентрацией, после чего все пробы были помещены в термостат на 30 минут при 54°С, а затем проводили анализ аналогично вышеописанному. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2. Содержание белка в экстракте в зависимости от концентрации щелочи
Концентрация раствора №ОН, % Выход низкомолекулярной фракции белка, % от содержания сырого протеина Выход высокомолекулярной фракции белка, % от содержания сырого протеина
2 72 86
5 99 97
10 52 99
Проанализировав полученные данные можно сделать вывод, что наиболее эффективной для выделения кератина из пера птиц концентрацией раствора щелочи является 5%.Так как при таких условиях концентрация высокомолекулярных белков превышает концентрацию низкомолекулярных, это значит что выделение группы белков, в которую входит кератин идет наиболее эффективно.
На следующем этапе для выделения белка было проведено его осаждение при различных значениях рН среды. После осаждения белка надосадочную жидкость декантировали и в ней измеряли остаточную концентрацию белка. Полученные результаты представлены в таблице 3.
Таблица 1. Зависимость степени осаждения кератинов от рН среды
рН содержание белка в осадке, %
1,00 70
1,50 44
2,00 71
2,50 71
3,00 70
Проанализировав полученные данные можно сделать вывод о том, что наилучшими условиями для осаждения белка является рН от 2 до 2.5.
Заключение
В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что наиболее подходящими условиями выделения белка из пера птиц является экстракция раствором КаОН с концентрацией 5% при температуре 54°С в течении 30 минут, так как при данных условиях количество выделяющихся высокомолекулярных белков превосходит количество низкомолекулярных, это важно, так как кератин относится к высоко молекулярным белкам, и выделение кератина является целью работы.
Так же в ходе работы было определенно, что при доведении экстракта пера до значения рН от 2 до 2,5 осаждается наибольшее белков, содержащихся в нем, до 71%.
Список литературы
1. Полетаев Андрей Юрьевич, Курбанова Марина Геннадьевна Особенности переработки белкового сырья в полноценные корма для сельскохозяйственных животных // Техника и технология пищевых производств. 2010. №3 (18).
2. Пискаева Анастасия Игоревна Биотехнологические аспекты утилизации отходов птицеперерабатывающих предприятий // Уникальные исследования XXI века. 2016. №10 (22).
3. Голубков Виктор Александрович, Бортников Сергей Валериевич Получение белковых кератиновых дисперсий при восстановительном гидролизе пера птицы // Вестник ХГУ им. Н.Ф. Катанова. 2020. №1.
4. Смирнова И. Р., Сатюкова Л. П., Шопинская М. И. Функциональный кератин пера как источник белка и незаменимых аминокислот в кормлении сельскохозяйственной птицы //Российский журнал Проблемы ветеринарной санитарии, гигиены и экологии. - 2016. - №. 3. - С. 78-83.
5. Бортников С. В., Горенкова Г. А. Получение растворимой модификации кератина из белоксодержащих отходов животноводства //Успехи современного естествознания. - 2018. - №. 4. - С. 1722.
6. Антипова Л. В., Шамханов Ч. Ю. Биоконверсия кератина пера под действием различных ферментных препаратов // Известия вузов. Пищевая технология. 2004. №2-3.
