CC BY
57
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК [542.06:547.96]:[66.094.941+598.2]
ПОЛУЧЕНИЕ БЕЛКОВЫХ КЕРАТИНОВЫХ ДИСПЕРСИЙ ПРИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОМ ГИДРОЛИЗЕ ПЕРА ПТИЦЫ
Голубков Виктор Александрович,
магистрант направления подготовки «Биология»
Бортников Сергей Валериевич,
кандидат химических наук, доцент кафедры химии и геоэкологии Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова (г. Абакан)
В настоящей работе представлены результаты изучения процесса получения белковых кератиновых дисперсий при гидролизе пера птицы. Проблема перевода кератина в водорастворимое состояние ограничивает использование этих отходов птицеводства в качестве вторичного сырья в различных отраслях хозяйства для получения ряда ценных продуктов и материалов. Наиболее прочная связь, формирующая третичную структуру кератина (дисульфидная), может быть разорвана в ходе окислительно-восстановительного процесса в относительно мягких условиях. Предлагаемый метод получения растворимой модификации кератина основан на взаимодействии пера птицы с агентами, обладающими окислительно-восстановительными свойствами: сульфидом натрия, сульфитом натрия и перекисью водорода. Переход кератина в раствор в разной степени происходит во всех модельных системах, при этом концентрация белка в растворе при использовании сульфида натрия возрастает быстрее и достигает большего значения, чем в случае с сульфитом натрия и перекисью водорода. Можно предположить, что в случае с сульфидом процесс ограничивается реакцией восстановления с образованием производных тиолов, а в случае с сульфитом и перекисью водорода процесс осложняется конкурирующей реакцией окисления с образованием конечных продуктов более сложного состава. Предлагаемая технология позволяет в мягких условиях, без деструкции белка и побочных процессов получить его водорастворимую форму.
Ключевые слова: кератин, белок, водорастворимая форма, перо птицы, дисперсия, гидролиз, восстановление, белковые кормовые добавки.
PREPARATION OF PROTEIN KERATIN DISPERSIONS AT REDUCTIVE HYDROLYSIS OF THE BIRD FEATHER
Golubkov Viktor Alexandrovich,
graduate student
Bortnikov Sergey Valeriyevich,
Sc. D. in Chemistry, Associate Professor, the Department of Chemistry and Geoecology, Katanov Khakass State University (Abakan)
This paper presents results of studying the process of obtaining protein keratin dispersions at the hydrolysis of the bird feather. The problem of keratin conversion to water-soluble state limits the use of these poultry wastes as secondary raw materials in various fields of economy to obtain a number of valuable products and materials. The strongest bond forming the tertiary structure of keratin (disulfide) can be broken during the redox process under relatively mild conditions. The proposed method for obtaining soluble keratin modification is based on the interaction of the bird feather with agents having redox properties, such as sodium sulfide, sodium sulfite and hydrogen peroxide. The transitions of keratin to the solution occurs in all model systems at varying degrees, while the protein concentration in the solution increases faster and reaches a greater value when using sodium sulfide than it does in the case of sodium sulfite and hydrogen peroxide. It can be assumed that in the case of sulfide the process is limited to a reduction reaction to form thiol derivatives, and in the case of sulfite and hydrogen peroxide the process is complicated by a competing oxi-
dation reaction to form end products of a more complex composition. The proposed technology allows obtaining the water-soluble form under mild conditions, without protein degradation and side reactions.
Key words: keratin, protein, water-soluble form, bird feather, dispersion, hydrolysis, reduction, protein feed additives.
Введение. Побочные продукты целого ряда производств, являясь, несомненно, отходами, требуют затрат на их утилизацию, усложняют производственные цепочки, загрязняют окружающую среду продуктами медленной деструкции, и в то же время представляют весьма ценное сырьё для вторичного использования. К таким веществам относятся, например, перо-пуховое сырьё в птицеводстве, шерсть, щетина в кожевенном производстве и других сферах сельского хозяйства. Данные продукты относятся к IV классу опасности, считаются малоопасными отходами, но при этом они способны создавать благоприятные условия для развития бактерий, микробов, грибов и другой опасной микрофлоры, становиться причиной осмофорного и химического загрязнения окружающей среды.
Значительную долю перечисленных отходов составляет белок кератин, относящийся к склеропротеинам. Данный белок содержится главным образом в пере, коже, шерсти, рогах и копытах. Кератин нерастворим в воде и в натуральном виде является практически не-перевариваемым продуктом для большинства животных. Между тем химический состав данных ресурсов, представленный веществами белковой природы (85 % белка с богатым набором аминокислот), позволяет рассматривать их весьма перспективным сырьём в технологиях получения кормовых белковых добавок.
Как показывает анализ статистических данных производства продукции птицеводства, проблема утилизации и переработки кератино-вых отходов весьма значительна и на территории Республики Хакасия (табл.) [1].
На территории Хакасии действует ряд сельскохозяйственных организаций, крестьянско-фермерских хозяйств и частных хозяйств населения, занимающихся разведением птицы. В результате этой деятельности образуются отходы, в том числе кератинсодержащее сырьё, которое могло бы быть использовано для получения белковых кормовых добавок. Учитывая, что масса перьев и пуха птицы составляет примерно 5,5 % от её живого веса [2], можно утверждать, что на территории республики ежегодно образуются десятки тонн таких отходов.
Кератины отличаются высоким содержанием остатков цистеина - аминокислоты, содержащей тиольную группу ^Н), которые в структуре белка формируют множество ди-сульфидных ковалентных связей. Именно они во многом определяют устойчивость кератина к растворению и реакциям в водной среде. Проблема перевода кератина в водорастворимое состояние ограничивает использование этих белоксодержащих отходов в качестве вторичного сырья для получения ряда ценных продуктов и материалов, в том числе в качестве белковых добавок в корм сельскохозяйственных животных.
Производство продуктов птицеводства по Республике Хакасия
Год
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
Птицы на убой, тыс. тонн (в живом весе) 15,5 15,1 15,4 13,7 13,7 13,6 12,4 6,9 1,9 1,1 1,2 1,1
Кератинсодержащих отходов, тонн 850,7 828,2 848,8 751,9 752,9 749,6 682,4 377,7 103,3 59,6 65,1 60,9
Процесс денатурации способствует разворачиванию укладки цепей полипептида. В ходе этого процесса утрачиваются свойства, характерные для нативного белка. При денатурации становятся доступны функциональные группы, ранее находившиеся в положении скрытых молекул. Следовательно, для того чтобы получить водорастворимый кератин, следует оказывать воздействия, вызывающие процесс денатурации. Это может быть изменение суммарного заряда полипептида за счёт варьирования рН и частичный разрыв кова-лентных дисульфидных связей, в том числе путём их восстановления. В результате изменения рН молекула белка кератина как поли-амфолит меняет свою структуру и свойства, увеличивается её способность к гидратации, набуханию и растворению в воде. Разрушение дисульфидных связей, формирующих третичную структуру белка, приводит к её нарушению, что выражается в разрыхлении структуры пера, снижению его прочности, что облегчает проникновение молекул воды внутрь структуры и сопровождается его более эффективным набуханием.
Материалы и методы исследования. Щелочной гидролиз. 10 г пера промывали тёплым мыльным раствором, несколько раз ополаскивали дистиллированной водой, помещали в колбу и добавляли 100 мл 10 % раствора №ОН. Отбирали пробы через 24, 48, 72, 144, 168 часов. Определяли концентрацию белка.
Гидролиз в присутствии восстановителя. 10 г пера промывали тёплым мыльным раствором, несколько раз ополаскивали дистиллированной водой, помещали в колбу и добавляли 200 мл 0,1н раствора №ОН, и 200 мл 10 % раствора Н2О2, Na2S, Na2SO3. Отбирали пробы через 24, 48, 72, 144, 168 часов. Определяли концентрацию белка.
Количественную оценку содержания белка проводили фотоколориметрическим методом по биуретовой реакции.
Результаты исследования. Нами осуществлён гидролиз кератина в щелочной среде. При этом перо выдерживалось в 10 % растворе №ОН при комнатной температуре. Эксперимент показал, что в течение суток произошло полное растворение пера, при этом максимальная концентрация белка в гидролизате составила 47 г/л. Таким образом, при действии щёлочи в мягких условиях кератин подвергается гидролитическому распаду. Действие щёлочи, прежде всего, сводится к гидролизу ди-сульфидной связи -8-8- (формула 1).
Образующиеся продукты реакции (тиолы, сульфоновые кислоты), как правило, неустойчивы в щелочных растворах, и в них могут протекать дальнейшие изменения, осложняющие процесс и загрязняющие конечный целевой продукт. Подобных нежелательных последствий при осуществлении процесса гидролиза можно попытаться избежать, используя особенности химического поведения рассматриваемых веществ.
со со со со
I II I
НС—СН,-8-8—сы2-сы + Н2О-»► НС—СН2-80Н + Н8—СЫ2-СЫ (1)
I 2 2 I С с
МН МН МН МН
Предлагаемый метод получения растворимой модификации кератина основан на взаимодействии пера птицы с химическими агентами, обладающими окислительно-восстановительными свойствами: натриевыми солями сероводородной с сернистой кислот [3].
Как показал эксперимент, предлагаемые методы оказались достаточно эффективными. Переход кератина в раствор в разной степени происходит во всех модельных системах. После 96-часовой экспозиции обработки пера наблюдалось полное его растворение, несмотря на значительно меньшую концентрацию (0,4 % раствор по сравнению с 10 % раствором в предыдущем опыте) щёлочи в рабочем растворе (см. рис.). Можно предположить, что в этом случае растворение белка связано не с щелочным гидролизом, а с окислительно-восстановительным процессом преобразования дисульфидной связи. Полученная система представляла собой прозрачный практически бесцветный раствор.
Концентрация белка во всех случаях возрастала на протяжении 48 часов. Затем наблюдалась определённая стабилизация системы. В течение двух - трёх суток концентрация белка оставалась практически постоянной. После этого в эксперименте отмечалось резкое снижение содержания белка в растворе, что может быть связано с самопроизвольным разрушением белковой молекулы (см. рис.).
Обращает на себя внимание, что концентрация белка в растворе при использовании
сульфида натрия возрастает быстрее и достигает большего значения (до 57 г/л), чем в случае с сульфитом натрия и перекисью водорода. С химической точки зрения это выглядит вполне обоснованно, учитывая, что сульфид -типичный восстановитель в окислительно-восстановительных реакциях, а сульфит и перекись водорода - реагенты с двоякими свойствами (окислителя и восстановителя).
Можно предположить, что в случае с сульфидом процесс ограничивается реакцией восстановления с образованием производных тио-лов, а в случае с сульфитом и перекисью водорода процесс осложняется конкурирующей реакцией окисления с образованием конечных продуктов более сложного состава.
Разрабатываемая технология предполагает проведение процесса в мягких, не требующих сложного оборудования условиях. Существенное снижение необходимой температуры гидролиза и отсутствие агрессивных реагентов достигается изменением механизма процесса, сочетающего в себе гидролитическое расщепление сульфидных связей с одновременным их восстановлением. Следует отметить, что подобный механизм реакции реализуется и в живой природе при участии ферментов, следовательно, предлагаемая технология имеет приро-доподобный характер. Технологические условия выполнения методики позволят достаточно легко осуществить процесс в условиях животноводческого хозяйства.
Изменение концентрации белка в гидролизатах пера в модельных системах
Таким образом, проведённое исследование показывает, что для получения водорастворимой формы кератина из пера наиболее целесообразным является способ обработки кератин-содержащего сырья раствором, содержащим типичный восстановитель в щелочной среде. Предлагаемая технология позволяет в мягких
условиях без деструкции белка и побочных процессов получить его водорастворимую форму - дисперсию, пригодную к дальнейшему использованию, в том числе в рационе сельскохозяйственных животных в качестве кормовой добавки.
Библиографический список
1. Хакасский республиканский статистический ежегодник, 2018: стат. сб. / Красноярскстат. Абакан, 2018. 440 с.
2. Клотыков Н. И., Буянова Н. М., Колтыкова Т. К. Отходы птицеводства - важный источник белка // Сб. научн. тр. / Одесский с.-х. институт [Редкол.: Харкавенко А. М. (отв. ред.) и др.]. Одесса: ОСХИ, 1980. С. 21-26.
3. Бортников С. В., Горенкова Г. А. Получение растворимой модификации кератина из белоксодержащих отходов животноводства // Успехи современного естествознания. 2018. № 8. С. 12-17.
© Голубков В. А., Бортников С. В., 2020
