СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРАКТА КОЛЛАГЕНА ИЗ НОГ ЦЫПЛЯТ-БРОЙЛЕРОВ
METHOD FOR OBTAINING COLLAGEN EXTRACT FROM BROILER CHICKEN LEGS

Область техники
Изобретение относится к пищевой, медицинской и косметической промышленности, а именно к способу получения экстракта коллагена, который может найти свое применение в пищевой промышленности для производства пищевых продуктов как структурообразователь при производстве консервированной продукции, как основа для производства пищевых и съедобных покрытий для продуктов, бульонов, студней, соусов, напитков, добавок в хлебопекарном и кондитерском производствах, для применения в качестве добавки, позволяющей текстурировать пищевые продукты, а также в медицине, как средство для лечения поврежденных тканей, и в косметической промышленности - при производстве косметических средств.
Уровень техники
Коллаген - широко распространенная группа белков, встречающихся только в животном мире. В коллагене различают несколько основных последовательных структурных уровней его строения. Структуру коллагена подразделяют на первичную, вторичную, третичную и четвертичную. Строение коллагена, выделенного из дермы, сухожилий, хрящей, костной ткани и других частей организма на первичном, вторичном и третичном структурных уровнях идентично. Главное отличие друг от друга этих разновидностей коллагена можно обнаружить преимущественно на четвертичном и субмикроскопическом уровнях. На четвертичную и микроструктуру оказывают влияние не только вид организма или характер его ткани, содержащей коллаген, но и ряд других факторов, например, возраст. В структуре коллагена содержатся атомы азота, углерода, кислорода, водорода и серы. От большинства других белков коллаген отличается повышенным содержанием азота, в среднем 17,8%. Поэтому коэффициент пересчета азота на белок для коллагена равен 5,62 (100:17,8=5,62).
По аминокислотному составу коллаген занимает особое место среди белков. Он является единственным протеином животного происхождения, содержащим большое количество глицина, оксипролина и пролина, малое количество тирозина и метионина. Серы в коллагене содержится очень мало, а метионин - единственная аминокислота, содержащая серу. Цистеин, цистин и триптофан отсутствуют. Эти особенности состава коллагена определяют его свойства. Сложность структуры коллагена обусловливает многообразие изменений, которые наблюдаются при тех или иных обработках. Одним из наиболее характерных свойств коллагена является его способность превращаться в растворимое гелеобразующее вещество, которое может быть получено при нагревании в горячей воде. Если коллаген подвергают экстрагированию в горячей воде в нейтральной среде без дополнительной обработки, то количество растворенного белка незначительно. Для получения максимального выхода коллагена с хорошими физико-химическими свойствами необходимо коллагенсодержащее сырье подготовить, т.е. подвергнуть предварительной обработке. Подготовка коллагена заключается в его расщеплении. Под расщеплением коллагена понимается совокупность процессов разделения его структуры на элементы низшего порядка с разрушением различных связей, которые могут быть вызваны воздействием кислот, щелочей, солей, ферментов и т.п. Характер получающихся продуктов зависит от метода подготовки сырья (щелочной, кислотный и т.д.). При подготовке коллагена необходимо добиться такой степени разрушения прочных межмолекулярных связей в его структуре, чтобы выплавление продукта шло при относительно невысокой температуре (50-60°С) и чтобы за короткое время теплового воздействия выход продукта был максимальным (не менее 70 масс %).
Чем старше животное, тем больше в коллагене прочных поперечных связей ковалентного типа и тем труднее он растворяется при различных обработках.
Вопросы применения препаратов и материалов из коллагена в медицине, особенно в восстановительной хирургии, нашли широкое освещение. Основным достоинством коллагена, как пластического материала, является отсутствие токсических и канцерогенных свойств, высокая механическая прочность и устойчивость к тканевым ферментам, а также стимуляция регенерации собственных тканей организма. В этом отношении препараты из коллагена имеют преимущества перед препаратами из других биополимеров, в частности, из фибрина или желатина, являющегося денатурированным коллагеном.
Обычно белковые препараты имеют ограниченное применение для заживления ран, ожогов, стимулирования обмена и регенерации кожи, так как часто вызывают аллергию. Гидролизаты из тканей молодых животных и птиц, взятые до их иммунологического созревания, не обладают аллергенностью, кроме того, эмбриональные ткани обладают свойством стимулировать и нормализовать обмен поврежденных и имеющих возрастные изменения ткани. Например, препарат «Солкосерил» швейцарской фирмы «Солк», который широко используется не только для лечения ран и ожогов, но и для лечения язв желудка и двенадцатиперстной кишки, трофических язв и т.д. Принцип создания тот же - эмбрионально-регуляторные свойства иммунологически незрелых тканей (препарат «Солкосерил» получен из крови телят).
С позиции использования экстракта коллагена в продуктах питания, наряду с необходимыми в этом случае показателями, было установлено, что он обладает высокой перевариваемостью (89,3%), способностью желировать при комнатной температуре, даже при трехкратном разведении и длительное время сохранять форму продукта. Подтвержденная исследованиями биологическая активность, довольно высокое содержание таких важных микроэлементов как хром, кальций, цинк, кремний, участвующие в регуляции углеводного обмена, хорошие эмульгирующая и гелеобразующая способность является основанием для использования экстракта коллагена как структурообразователя при разработке на его основе пищевых продуктов. На основании проведенных клинических, санитарно-химических и санитарно-микробиологических испытаний разработанные продукты (муссы, желе, суфле) рекомендованы для профилактического питания людей и пациентов с заболеваниями органов пищеварения и страдающими различными болезнями метаболизма (ожирение, сахарный диабет, гипертоническая болезнь).
Из уровня техники известны разные способы изготовления экстракта коллагена из ног свежезабитых цыплят-бройлеров в возрасте 7-8 недель при их иммунологической незрелости, путем экстракции раствором уксусной кислоты. Получаемый экстракт коллагена представляет собой водный раствор пептидов с различным молекулярным весом и аминокислотами, подвергшихся минимуму биологической деградации, и содержащий растворенные микроэлементы.
Известен способ получения коллагена путем измельчения биологического материала (дерма КРС), обработки насыщенным раствором сульфата натрия, содержащим 10% раствор едкого натра, с временем экспозиции от 3 до 5 суток, нейтрализации щелочи водным раствором борной кислоты, промывания проточной водой, растворения обработанного материала в одномолярной уксусной кислоте и очищения диализом против дистиллированной воды в течение 3 суток (Хилькин A.M., Шехтер А.Б., Истранов Л.П., Леменев В.Л. Коллаген и его применение в медицине, 1976. - М. Медицина. - с. 35).
Недостатками известного способа является длительный период времени, требующийся для выделения готового продукта, применение дорогостоящих реактивов, используемых для получения коллагена и загрязнение окружающей среды сточными водами, содержащими неорганические кислоты и щелочи.
Также известен способ получения коллагена из ног цыплят бройлеров, предусматривающий измельчение ног цыплят бройлеров, смешение измельченного сырья с 5% раствором уксусной кислоты, взятой из расчета на 1 часть сырья используют 8 частей раствора кислоты, выдерживание полученной массы при температуре 4-7°С в течение 12, 24, 36 и 48 ч и центрифугирование. (Optimum Condition of Extracting Collagen from Chiken Feet and its Characteristics / Asian Australisian Journal of Animal Sciences, November 2001, 14(11): 1638-1644). Выход коллагена по данному способу составляет 17-19% от исходного сырья.
Недостатком этого способа является низкий выход коллагена, длительность технологического процесса (от 3 до 5 суток), а также избыток уксусной кислоты.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения белкового гидролизата из ног цыплят бройлеров для медицинского применения, заключающийся в очистке сырья, измельчении очищенного сырья и выдерживании в разбавленной кислоте, полученную смесь декантируют, процеживают или фильтруют, а затем обезвоживают или концентрируют до состояния сухого порошка или высушенного геля (US 4455302, МПК А61К 35/12). Измельченное сырье смешивают с 1,0-1,5% раствором уксусной кислоты и выдерживают при комнатной температуре от 8 до 12 часов при периодическом перемешивании. Затем измельченную смесь отмывают водой и повторно заливают раствором уксусной кислоты с рН=3,6-6,5, предпочтительно 4,6, из расчета 1:1 по весу и полученную смесь нагревают до температуры 54-60°С и выдерживают при этой температуре в течение 30-40 минут при постоянном перемешивании. Полученную смесь центрифугируют для удаления жира и твердых частиц и при необходимости высушивают.
Недостатки данного способа заключаются в том, что низкая концентрация уксусной кислоты на способствует увеличению технологического процесса, а температурный режим экстракции ведет к превращению коллагена в желатин.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка простого эффективного способа получения экстракта коллагена из ног цыплят-бройлеров по безотходной технологии.
Решение технической задачи достигается тем, что способ получения экстракта коллагена из ног цыплят-бройлеров, предусматривающий стадии очистки сырья, его промывку, измельчение, гидролиз и экстракцию раствором уксусной кислоты, и центрифугирование, при этом гидролиз осуществляют 2,0-2,5%-ным раствором уксусной кислоты с выдержкой в течение 6-10 часов при температуре 18-25°С, а экстрагирование сырья проводят 1,5-1,8%-ным раствором уксусной кислоты при температуре 50-55°С в течение 45-50 мин при постоянном перемешивании.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение выхода коллагена до не менее 70 масс. % и сокращение технологического цикла (от 10 до 15 часов).
Осуществление изобретения
В настоящее время цыплята-бройлеры поступают на переработку в возрасте 5-6 недель (35-42 дней) в силу того, что вновь выведенные кроссы достигают в этом возрасте массу тушки 1,5-1,8 кг. В связи с этим, получаемые продукты убоя, как, например, ноги являются иммунологически незрелым сырьем, т.е. лишены антигенности и полученный белок коллагена не вызывает аллергию.
Исходное сырье, отсортировывают от наминов и известковых наростов, освобождают от остатков ороговевшего чешуйчатого слоя эпидермиса, удаляют остатки чешуи, пера, загрязнений. Промывают водопроводной водой. Очищенные и промытые ноги измельчают, измельчение можно проводить на электромясорубке или волчке с диаметром отверстий решетки 5-6 мм. Полученную измельченную массу взвешивают. Затем в реакторе приготовили 2,0-2,5%-ный водный раствор ледяной уксусной кислоты и в него загружают измельченные ноги в соотношении 1:1,2 - 1,2:1 по массе, предпочтительнее 1:1. Смесь оставляют 6-10 часов при температуре 18-25° для гидролиза, периодически помешивая для обеспечения максимального соприкосновения сырья с раствором уксусной кислоты.
Для удаления продуктов гидролиза, крови, большей части жира и других примесей сырье промывают водопроводной водой. Можно и предпочтительнее промывать на сетке с величиной отверстий 2-3 мм.
Разделение сырья от промывной воды проводят на отстойной центрифуге периодического действия. Окончательно промытое и разделенное от воды сырье взвешивают. Для последующей экстракции белка коллагена из подготовленного сырья приготовили 1,5-1,8%-ный водный раствор ледяной уксусной кислоты в соотношении 1:1,2 - 1,2:1, предпочтительнее 1:1, к массе сырья при этом рН смеси должна находиться в интервале 4,0-4,5. Экстракцию сырья осуществляют в опрокидывающихся котлах с механическими мешалками, поддерживая температуру смеси 50-55°С в течение 45-50 мин. при постоянном перемешивании. Полученный экстракт подают в сборник, снабженный греющей рубашкой, а мясо-костный шрот выгружают в емкости и используют на кормовые цели в качестве минеральной добавки. Далее проводят очистку экстракта методом фильтрации на друк-фильтре. Предварительно на ткать фильтра наносят намывной слой перлита группы Б фильтрованного толщиной 25-30 мм. Фильтрацию проводят, создавая давление сжатым воздухом в сборнике, из которого поступает экстракт на друк-фильтр для обеспечения равномерной и постепенной скорости прохождения экстракта. Очищенный экстракт собирают в сборник, снабженным греющей рубашкой. При фильтрации поддерживают температуру экстракта в пределах 50-55°С. Выход экстракта в гелеобразном состоянии составляет 78-80% от массы подготовленного сырья (очищенных, промытых и измельченных ног цыплят-бройлеров). При температуре экстракта коллагена от 50°С до 37°С - это бесцветная, липкая, слегка опалесцирующая жидкость, а при комнатной температуре (18-25°С) экстракт представляет собой упругий, прозрачный гель, сохраняющийся долгое время без явлений синерезиса.
Использование в способе в качестве сырья ног 5-6-ти недельных цыплят бройлеров и проведение экстракции при температуре 50-55°С в течение 45-50 мин с использованием низкой концентрации уксусной кислоты позволяет получить коллаген с выходом не менее 70 масс. %.
Изобретение поясняется примерами.
Пример 1. Исходное сырье, а именно ноги цыплят бройлеров, отделенные от тушек цыплят-бройлеров 5-6-ти недельного возраста, отсортировали от наминов и известковых наростов, освободили от остатков ороговевшего чешуйчатого слоя эпидермиса, удалили остатки чешуи, пера, загрязнений. Промыли водопроводной водой в перфорированных барабанах. Очищенные и промытые ноги измельчали на электромясорубке. Полученную измельченную массу взвесили. Затем в реакторе приготовили 2%-ный водный раствор ледяной уксусной кислоты и в него загружают измельченные ноги в соотношении 1,2:1 по массе. Смесь оставили на 6 ч при температуре 18°С для гидролиза, периодически помешивая для обеспечения максимального соприкосновения сырья с раствором уксусной кислоты.
Для удаления продуктов гидролиза, крови, большей части жира и других примесей сырье дважды промыли водопроводной водой на сетке с величиной отверстий 2 мм. Разделение сырья от промывной воды провели на отстойной центрифуге периодического действия.
Окончательно промытое и разделенное от воды сырье взвесили. Для последующей экстракции белка коллагена из подготовленного сырья приготовили 1,5%-ный водный раствор ледяной уксусной кислоты в соотношении 1,2:1 к массе сырья при этом рН смеси составляла 4,1. Экстракцию сырья осуществляют в опрокидывающихся котлах с механическими мешалками, поддерживая температуру смеси 55°С в течение 45 минут. Полученный экстракт подавали в сборник, снабженный греющей рубашкой, а мясо-костный шрот выгружали в емкости и использовали на кормовые цели в качестве минеральной добавки. Далее проводили очистку экстракта методом фильтрации на друк-фильтре. Предварительно на ткать фильтра наносили намывной слой перлита группы Б фильтрованного толщиной 25 мм. Фильтрацию проводили, создавая давление сжатым воздухом в сборнике, из которого поступает экстракт на друк-фильтр. Очищенный экстракт собирали в сборник, снабженным греющей рубашкой. При фильтрации поддерживали температуру экстракта в пределах 55°С. Выход экстракта в гелеобразном состоянии составлял 78% от массы подготовленного сырья (очищенных, промытых и измельченных ног цыплят-бройлеров). При температуре экстракта коллагена от 50°С до 37°С - это бесцветная, липкая, слегка опалесцирующая жидкость, а при комнатной температуре (18-25°С) экстракт представляет собой упругий, прозрачный гель, сохраняющийся долгое время (более 1 года) без явлений синерезиса. Время, затраченное на получение экстракта, составило 10 часов.
При добавлении в жидкий раствор коллагена щелочи отмечалось его помутнение и выпадение осадка в виде волокнистых структур с характерным для нативного (естественного) коллагена свойствами («Коллаген и его применение в медицине» Хилькин A.M., Шехтер А.Б. и др., 1976, с. 33-35).
Остающийся мясокостный шрот по заключению специалистов-кинологов, может быть использован в качестве минеральной добавки в кормах для животных, т.к. содержит достаточно большое количество кальция, магния и калия (в мг/100 г. - 2146; 26,2; 10,8 - соответственно). Таким образом, технология получения экстракта коллагена является безотходной и экологически чистой, т.к. для ее выработки используется пищевая уксусная кислота невысокой (1,5-1.8%) концентрации.
Пример 2.
Исходное сырье, а именно ноги цыплят бройлеров, отделенные от тушек цыплят-бройлеров 5-6-ти недельного возраста, отсортировали от наминов и известковых наростов, освободили от остатков ороговевшего чешуйчатого слоя эпидермиса, удалили остатки чешуи, пера, загрязнений. Промыли водопроводной водой в перфорированных барабанах. Очищенные и промытые ноги измельчали на волчке с диаметром отверстий решетки 5 мм. Полученную измельченную массу взвесили. Затем в реакторе объемом приготовили 2,5%-ный водный раствор ледяной уксусной кислоты и в него загружают измельченные ноги в соотношении 1:1,2 по массе. Смесь оставили на 10 ч при температуре 25°С для гидролиза, периодически помешивая для обеспечения максимального соприкосновения сырья с раствором уксусной кислоты.
Для удаления продуктов гидролиза, крови, большей части жира и других примесей сырье дважды промыли водопроводной водой на сетке с величиной отверстий 3 мм. Разделение сырья от промывной воды провели на отстойной центрифуге периодического действия.
Окончательно промытое и разделенное от воды сырье взвесили. Для последующей экстракции белка коллагена из подготовленного сырья приготовили 1,8%-ный водный раствор ледяной уксусной кислоты в соотношении 1:1,2 к массе сырья при этом рН смеси составляла 4,5. Экстракцию сырья осуществляют в опрокидывающихся котлах с механическими мешалками, поддерживая температуру смеси 50°С в течение 50 минут. Полученный экстракт подавали в сборник, снабженный греющей рубашкой, а мясо-костный шрот выгружали в емкости и использовали на кормовые цели в качестве минеральной добавки. Далее проводили очистку экстракта методом фильтрации на друк-фильтре. Предварительно на ткать фильтра наносили намывной слой перлита группы Б фильтрованного толщиной 30 мм. Фильтрацию проводили, создавая давление сжатым воздухом в сборнике, из которого поступает экстракт на друк-фильтр. Очищенный экстракт собирали в сборник, снабженным греющей рубашкой. При фильтрации поддерживали температуру экстракта в пределах 50°С. Выход экстракта в гелеобразном состоянии составлял 80% от массы подготовленного сырья (очищенных, промытых и измельченных ног цыплят-бройлеров). При температуре экстракта коллагена от 50°С до 37°С - это бесцветная, липкая, слегка опалесцирующая жидкость, а при комнатной температуре (18-25°С) экстракт представляет собой упругий, прозрачный гель, сохраняющийся долгое время без явлений синерезиса. Время, затраченное на получение экстракта, составило 15 часов.
Пример 3 (сравнительный). Осуществляют аналогично примеру 1. Но на стадии гидролиза раствор уксусной кислоты берут в 1,5%-ной концентрации и выдерживают в течение 6 часов при комнатной температуре. Это приводит к недостаточной очистке сырья и недостаточной подготовке сырья (размягчению) к последующему экстрагированию, а при концентрации уксусной кислоты свыше 2,5% и продолжительности процесса свыше 10 часов происходит преждевременное разрушение костной ткани и вымывание солей кальция, калия и др., что приводит к снижению выхода белка коллагена из исходного сырья (выход менее 50 масс. %).
Пример 4 (сравнительный). Осуществляют аналогично примера 1. Но на стадии экстракции белка коллагена раствор уксусной кислоты берут 1,4%-ной концентрации и выдерживают смесь при температуре 40°С в течение 45 мин. В данном случае происходит недостаточный выход белка коллагена из исходного сырья, а при концентрации уксусной кислоты свыше 1,8%, температуре выше 55°С и продолжительности свыше 50 мин, происходит денатурация белка коллагена и превращения его в желатин.
Также были проведены исследования по возможности применения экстракта коллагена для местного лечения ожоговых ран на опытных животных. В результате проведенных работ было сделано заключение: «лечение экстрактами коллагена оказывает благоприятное воздействие на течение и заживление ожоговых ран. Это проявляется в уменьшении эксудативных явлений (гиперемии, отека, миграции лейкоцитов), в уменьшении выраженности или даже купировании гнойного воспаления. По данным гистологических исследований экстракты коллагена указанного обладают сорбционными и гидрационными свойствами».
Кроме того, полученный нами экстракт коллагена из ног цыплят-бройлеров до их иммунологического созревания, прошел апробацию в косметологической лечебнице «Институт красоты». В результате исследования было отмечено, что препарат безвреден, констатировано отсутствие раздражающего и аллергизирующего действия. Он оказывает положительное влияние на липидный обмен, проявляет влагоудерживающее действие, стимулирует увеличение волосяных фолликул и размеры сальных желез, биологически активен. Экстракт коллагена в 5-20%-ной концентрации рекомендован для использования в косметических изделиях.