СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УКСУСНОЙ ДИСПЕРСИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО РЫБНОГО КОЛЛАГЕНА
METHOD FOR PRODUCTION OF ACETIC DISPERSION OF HIGH MOLECULAR FISH COLLAGEN

Изобретение относится к переработке отходов рыбного производства (рыбьих шкур), касается способа получения уксуснокислой дисперсии высокомолекулярного рыбного коллагена, который можно использовать для получения медицинских и косметических препаратов, а также некоторых продуктов питания.
Создание коллагенсодержащих продуктов в настоящее время востребовано во многих сферах. Такие свойства, как стимуляция регенерации собственных тканей человеческого организма, высокая механическая прочность и способность связывать воду и наряду с этим образовывать комплексы с биологически активными веществами, отсутствие токсичности и канцерогенности позволяют говорить о крайней перспективности применения коллагенсодержащих продуктов в качестве компонентов функциональных продуктов питания, биологически активных добавок, косметических и медицинских препаратов. Необходимо особенно подчеркнуть, что коллаген рыбный все увереннее вытесняет коллаген крупного рогатого скота. Он является гипоаллергенным, так как на 96% идентичен человеческому белку, обладает трансдермальными свойствами, то есть проникает через кожу. Кроме того, интерес к рыбному коллагену в последнее время возрос в связи с тем, что вся значительная часть крупного рогатого скота подвержена губчатой энцефелопатии. В научной и публицистической литературе в последнее время особое место уделяется рыбному коллагену (Землякова Е.С., Мезенова О.Б. Биологически активные композиции остеотропного и хондропротекторного действия на основе вторичного сырья гидробионтов. // Калининград: КГТУ, 2011, 169 с. Воробьев В.И. Использование рыбного коллагена и продуктов его гидролиза. // Известия КГТУ, 2008, №13, С. 55-58. Као Т.Х., Разумовская Р.Г. Разработка оптимальных режимов экстракции коллагена из отходов переработки рыб Волго-Каспийского бассейна. // М.: Известия ВУЗов. Пищевая технология, 2011, №1, С. 33-36. Борисов О.И., Хаустова Г.А., Антипова Л.В., Успенская М.Е. Исследование свойств продуктов растворения коллагена (ПРК), полученных из шкур прудовых рыб. // Успехи современного естествознания, 2012, №6, с. 130-131. Маслова Г.В., Егорова Е.С., Прокошенков А.А., Василевский П.Б. Способ получения белкового гидролизата из гидробионтов. А.с. №1687213 СССР, кл. A23J 1/4. №4755339/13; заявл. 07.08.89; опубл. 30.10.91, 5 с., 1991. Кучина Ю.А., Шошина Е.В., Дубровин С.Ю., Путинцев Н.М., Коновалова И.Н., Василевский П.Б. Электрохимический способ получения ферментативных белковых гидролизатов из гидробионтов, используемых для приготовления микробиологических питательных сред. // М.: Вестник МГТУ, 2007, Т. 10, №4, С. 628-632. Кириллов А.И., Линчевская А.А., Куприна Е.Э. Комплексная переработка коллаген- и минералсодержащих вторичных ресурсов рыбопереработки методом электрохимического экстрагирования. // СПб.: Химия и мимическая технология. Технология неорганических веществ, 2013, №18 (44), С. 24-26. Мухин В.А., Новиков В.Ю. Ферментативные белковые гидролизаты тканей морских гидробионтов: получение, свойства и практическое использование. Мурманск: Изд-во ПИНРО, 2001, 96 с. Цибизова М.Е., Костюрина К.В. Рыбные гидролизаты как один из компонентов полнорационных кормов для птицеводства. // Вестник АГТУ, 2006, №3 (32), С. 243-249. Землякова Е.С., Мезенова О.Я. Биопрепарат из отходов от разделки судака // Рыбпром, 2008, №2, С. 31-32. Иен Н.Х., Новиков М.В. Молекулярно-массовое распределение фракций ферментативных гидролизатов из дрейсены и мидий. // Рыбпром, 2009, №1, С. 43-44). Разработки ведутся для применения пептидов коллагена вовнутрь, при этом организм обеспечивается достаточным количеством глицина, пролина и гидроксипролина, поставляя необходимый материал для синтеза собственного коллагена, способствуя восстановлению и образованию соединительной ткани суставов, хрящей и связок. Уже существуют косметические препараты на основе рыбного коллагена с уникальными регенерирующими свойствами для глубокого увлажнения кожи, повышения упругости и эластичности кожи, восстановления водно-жирового баланса кожи и т.п., а также медицинские препараты при лечении пародонтоза, кожной аллергии, псориаза, для формирования кожных покровов при поражении кожи. Однако технологии выделения коллагена остаются несовершенными и требуют глубокого анализа и модернизации.
Выделение и использование рыбного коллагена решает еще одну важную задачу современного человека - это снижения отходов производства. В настоящее время производство рыбопродукции сопровождается большим количеством белоксодержащих отходов (кости, плавники, кожа, чешуя, внутренности и т.д.), составляющие от 30 до 70% исходного сырья. В последнее время увеличилось количество рыбной продукции, изготавливаемой из обезшкуренного филе, которое в большинстве случаев подвергается утилизации. Частичное использование данных отходов приводит, с одной стороны, к потере крайне важного белкового продукта для использования в пищевых, кормовых, медицинских и косметических целях, а с другой - к загрязнению окружающей среды и нарушению «Международной конвенции по предотвращению загрязнения морей сбросами отходов и других материалов». Сегодня ресурсосбережение - одна из главных задач при разработке новых технологий и развитии любого производства. Человечество не стоит на месте: находятся новые места залегания полезных ископаемых, новые способы их добычи и использования - с одной стороны, с другой - создаются новые материалы и разрабатываются ресурсосберегающие технологии. Задача технологии - минимизировать затраты исходного сырья при производстве различных материалов, и решается она благодаря научным исследованиям, путем разработки новых процессов и материалов, путем использования их ранее неизвестных механических, физических, химических свойств.
Проблема выделения коллагена из рыбьей шкуры является актуальной в настоящее время, так как использование данного белка позволит решить множественные задачи медицины и косметологии, а также других областей.
Другим не менее актуальным аспектом выделения коллагена из рыбьей шкуры является сохранение окружающей среды, вследствие возможности создания безотходного производства переработки рыбы.
В настоящее время описано много способов выделения коллагена из природного сырья. Как правило, используют кислотный, щелочной, щелочно-солевой, электрохимческий, ферментатитвный и другие методы. Часто используют совокупность методов. Однако, чаще всего, способы выделения коллагена из рыбьих шкур приводят к получению дисперсии высокомолекулярного рыбного коллагена с широким спектром молекулярных масс (с высоким коэффициентом полидисперсности), высоким содержанием жира, золы, а также нестабильной концентрации коллагена в дисперсии. Об этом свидетельствуют литературные данные (Воробьев В. И. Использование рыбного коллагена и продуктов его гидролиза. // Известия КГТУ, 2008, №13, с. 55-58, Тихонова Ю.В., Кривоносова Л.Г., Ломакин С.П., Филатова Э.С., Хабибуллин P.P. Свойства продуктов гидролиза коллагена. Башкирский химический журнал, 2009, №1, с. 13-152). В патентах эти свойства чаще всего не упоминаются, в то время как для получения качественных медицинских и косметических препаратов из высокомолекулярного коллагена они имеют важное, практически первостепенное значение (http://perlealpha.ru, http://fjrmula-figuri-spa.prom.ua/).
2
4
4
Известен способ получения дисперсий коллагена, содержащий измельчение коллагенсодержащего сырья, обезжиривание щелочно-солевой обработкой 5-12%-ным раствором КОН и насыщенным KSO, промывку, нейтрализацию раствором KHSO или борной кислотой, повторную промывку, гомогенизацию полученного коллагенсодержащего раствора (SU 171502 А1, кл. С14С 1/08, опубл. 01.01.1965 г.).
Известен способ обработки коллагенсодержащего сырья, заключающийся в его измельчении, обезжиривании щелочью, нейтрализации минеральной кислотой, гомогенизации полученного коллагенсодержащего раствора (SU 282588 А1, кл. С09Н 7/00, С14С 1/06, опубл. 01.01.1970 г.).
2
4
Известен способ обработки коллагенсодержащего сырья путем его замораживания, измельчения, обезжиривания 5%-ным раствором NaOH, обработки в щелочно-солевой ванне 11-13%-ным NaOH, насыщенным сульфатом натрия при ЖК=12, промывки раствором NaSO при ЖК=8-10, нейтрализации кислыми солями в три этапа с понижением концентрации кислоты от 15 до 0,25%, измельчения полученного коллагена, растворения его в органической кислоте, гомогенизации полученного коллагенсодержащего сырья (SU 562574 А1, кл. С14С 1/08, опубл. 25.06.1977 г.).
Известен способ обработки кожи плоских рыб путем промывки в фосфатном буфере и деионизованной воде, выделение коллагена обработкой 0.25 M раствором уксусной кислоты (1 кг на 10 л раствора) в течение 15 минут, центрифугирования, высаживания коллагена путем добавления в раствор хлорида натрия до достижения концентрации 7%, очистку диализом (WO 1993001241, кл. С07К 14/78, С08Н 1/06, C08L 89/06, опубл. 21.01.1993 г.).
Известен способ обработки коллагенсодержащего сырья - шкур рыб, путем замораживания, измельчения, дефростирования, обезжириваний щелочно-солевым раствором, содержащим гидроокись натрия и сульфат натрия при ж.к.=3 в течение 18-20 ч, последующую промывку водой в течение 30 мин, нейтрализацию раствором сульфата аммония с его концентрацией 4,5-5,0% от массы исходного сырья в течение 90-120 мин, растворения в органической кислоте и гомогенизации (RU 2139937 С1, кл. С14С 13/00, С14С 1/08, С08Н 1/06, опубл. 20.10.1999 г.).
Недостатками известных способов являются: длительность и многостадийность выделения коллагена, значительный расход реагентов, загрязняющих сточные воды, частичный гидролиз белкового продукта, особенно при использовании щелочных растворов и ферментов. Гидролиз коллагена приводит к распаду молекул высокомолекулярного коллагена и значительному разбросу значений молекулярных масс и, соответственно, к увеличению коэффициента полидисперсности.
Известен способ получения коллагена из рыбьей кожи, который подразумевает снятие кожи со свежей или замороженной рыбы, очистку кожи, замораживание, измельчение, набухание в течение 30 мин в разбавленном растворе органической кислоты (уксусной, лимонной, винной и т.п.) в соотношении 10-200 г очищенной кожи на 1 литр раствора, гомогенизацию, выдерживание в течение некоторого времени для лучшего растворения коллагена (в таком виде возможно хранение с добавлением противомикробных агентов при температурах ниже 12°C) и лиофильную сушку (US 20030004315, кл. A23J 1/04, A23L 1/00, A23L 1/305, А61К 38/17, А61К 8/65, А61К 8/96, А61Р 43/00, С07К 1/14, С07К 14/78, С08Н 1/06, С12Н 1/04, С12Н 1/052, G01N 31/00, G01N 33/68, опубл. 02.01.2003 г.).
Известен способ получения биологически активного коллагена из шкур лососевых рыб, включающий очистку и промывку кожи, обработку 0.1-1.5% раствором молочной кислоты при температуре 15-20°C в течение 24-48 ч с целью получения набухшей массы и последующую многократную фильтрацию через фильтр из натурального шелка (WO 2004035625, кл. С07К 14/78, С08Н 1/06, опубл. 29.04.2004 г.).
Недостатками данных методов являются отсутствие контроля качества исходного сырья - шкуры рыб, что не позволит на начальном этапе исключить использование некачественного сырья, дороговизна или недоступность некоторых реагентов, таких как молочная кислота, длительность процесса, отсутствие контроля качества дисперсии высокомолекулярного рыбного коллагена.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ обработки коллагенсодержащего сырья, защищенный патентом RU 2314352 С1, кл. С14С 13/00, С14С 1/00, С08Н 1/06, опубл. 10.01.2008 г., принятый за ближайший аналог (прототип).
3
2
4
В способе по прототипу сырье отходов шкур рыб кожевенной и рыбной промышленности замораживают, измельчают на кусочки 20×20 мм, дефростируют при мойке водопроводной водой при 2-3-кратной ее смене в течение 2 ч при температуре 18-20°C. Затем кусочки сырья обрабатывают раствором, содержащим 2-4% СНСОО, при жидкостном коэффициенте, равном 5, и выдерживают в растворе при периодическом перемешивании в течение 12 ч при температуре 18-20°C. Обработанный раствор сливают. Полученный коллаген промывают проточной водой в течение 30 минут при температуре 18-20°C. Промытый коллаген растворяют в щелочно-солевой ванне в течение 4 ч 2-3% NaOH и 6-7% NaSO при жидкостном коэффициенте, равном 5, при температуре 18-20°C. После чего осуществляют гомогенизацию через капроновую ткань. В процессе гомогенизации нерастворившийся чешуйчатый покров удаляют с капроновой ткани.
Преимуществом и общим признаком с предлагаемым изобретнием является использование дешевого реагента - пищевого уксуса, что значительно снижает расходы на приобретение реагентов и позволяет получать дисперсию коллагена непосредственно на пищевом производстве, снизив таким образом транспортные расходы.
Недостатком способа по прототипу является отсутствие тщательной очистки сырья, в результате чего наличие остатков чешуи, мышечной ткани и жира приводит к образованию неоднородного коллагена и примесей кислото- и водорастворимых биополимеров, снижающих качество продукта - повышается содержание жира и золы. Отсутствие контроля качества исходного сырья - шкур рыб не позволяет на начальном этапе исключить использование некачественного сырья. Исключение предварительного контроля сырья приводит к получению продукта, не отвечающего ожидаемым характеристикам.
В задачу изобретения положено создание нового способа получения уксусной дисперсии высокомолекулярного рыбного коллагена.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является получение высокомолекулярного рыбного коллагена с заданным комплексом свойств: молекулярной массой 210-220 кДа, полидисперсностью -1,2-1,5, с содержанием жира 0.03-0.0 5%, золы 0.03-0.04%, повышение выхода коллагена, а также сокращение длительности технологического цикла и расхода электроэнергии.
Это достигается тем, что в способе получения уксусной дисперсии рыбного коллагена, включающем очистку рыбьих шкур, измельчение, троекратную промывку водопроводной водой, обработку коллагенсодержащего сырья 3%-ным раствором уксусной кислоты при жидкостном коэффициенте 5, выдерживание в кислотном растворе при периодическом помешивании, гомогенизацию путем фильтрации через капроновую ткань, очищенное и измельченное коллагенсодержащее сырье предварительно анализируют на содержание влаги, золы и жира, выдерживание в кислотном растворе осуществляют в течение 15-18 часов, при этом используют рыбьи шкуры с содержанием влаги 58-69%, золы 0.6-0.9%, жира 1-10%; измельчение очищенной шкуры осуществляют мясорубкой (электрическим диспергатором) с диаметром пор 3,5 мм; каждую промывку осуществляют в течение 30-50 минут.
На фиг. 1 представлен график зависимости площади хроматографического пика от массовой доли коллагена в растворе.
Предложенный способ осуществляют следующим образом.
Для осуществления способа используют отходы рыбного производства - шкуры промысловых рыб. Очищают шкуры рыбы от чешуи, прирезей мышечной ткани и жира, измельчают, например, мясорубкой (электрическим диспергатором) с диаметром пор 3,5 мм.
Приготовленную шкуру (очищенную и измельченную) анализируют на содержание влаги, золы и жира.
Определяют влажность сырья.
Навеску сырья массой ~1 г прокаливают в сушильном шкафу при 100°C до постоянной массы (18-20 часов). Расчет влажности проводят по формуле:
ω(воды)=(а-b)×100/с,
где а - масса гильзы с навеской до высушивания, г;
b - масса гильзы с навеской после высушивания, г;
с - масса навески, г.
Определяют зольность сырья.
Навеску высушенного сырья массой ~0.5 г сжигают в муфельной печи при температуре 650°C. Расчет проводят по формуле:
ω(золы)=(а-b)×100/с,
где а - масса гильзы с навеской до сжигания, г;
b - масса гильзы с навеской после сжигания, г;
с - масса навески, г.
Определяют жирность сырья.
Навеску сырья массой ~1 г промывают 4-6 раз диэтиловым эфиром. Эфирные вытяжки собирают, эфир выпаривают, жир взвешивают. Расчет проводят по формуле:
ω(жира)=100а/с,
где а - масса жира, г;
с - масса навески, г.
Дальнейшую обработку продолжают при содержании в коллагенсодержащем сырье влаги 58.00-69.00%, золы 0.60-0.90%, жира 1.00-10.00%. Коллагенсодержащее сырье промывают водопроводной водой трижды по 30-50 минут, что оптимально обеспечивает растворение минеральных солей из сырья, заливают 3%-ным раствором уксусной кислоты (минимальная концентрация кислоты для максимального выделения коллагена) при жидкостном коэффициенте 5, оставляют на 15-18 часов (время, в течение которого растворяется большая часть коллагена из сырья), периодически помешивая, отфильтровывают через два слоя капроновой ткани. Получают коллагеновую дисперсию с содержанием 3-5% коллагена молекулярной массой 210-220 кДа и коэффициентом полисперсности 1,2-1,5, жира 0.03-0.05%, золы 0.03-0.04%, которую могут хранить несколько месяцев в холодильнике при температуре 2-8°C. Выход коллагена составляет 40-70% относительно обезвоженного сырья.
Определяют молекулярно-массовые характеристики коллагеновой субстанции и массовую долю коллагена методом ГПХ.
x1
Молекулярно-массовые характеристики коллагена определяют методом ГПХ на высокоэффективном жидкостном хроматографе фирмы SHIMADZU СТО-20А/20АС (Япония) с применением колонки TosohBioscienceTSKgelG3000SW с диаметром пор 5 мкм. В качестве детектора используют низкотемпературный светорассеивающий детектор ELSD-LTII. В качестве элюента используют 0.5 M раствор уксусной кислоты. Для калибровки применяют стандарты декстрана с диапазоном молекулярных масс 1000-410000 Да. Фильтрование образцов коллагеновой субстанции осуществляют через насадочные мембраны MilliporeMillex-LCR (PTFE 0.45 µm). Для определения массовой доли коллагена проводят калибровку. Предварительно готовят растворы коллагена различных концентраций в диапазоне 1.00-6.00%, фильтруют через насадочные мембраны MilliporeMillex-LCR (PTFE 0.45 µm), определяют содержание коллагена гравиметрическим методом. Одновременно эти растворы анализируют методом ГПХ. Строят зависимость площади пика, соответствующего высокомолекулярному коллагену, от концентрации коллагена (ФИГ. 1).
Определяют массовую долю коллагена в коллагеновой субстанции гравиметрическим методом.
Навеску субстанции массой ~0.5 г высушивают в сушильном шкафу при 105°C до постоянной массы. Расчет проводят по формуле:
ω(коллагена)=(а-b)×100/с,
где а - масса гильзы с навеской до высушивания, г;
b - масса гильзы с навеской после высушивания, г;
с - масса навески, г.
Определяют массовую долю жира в коллагеновой субстанции гравиметрическим методом.
Навеску субстанции массой ~20 г 4-6 раз экстрагируют эфиром, эфирные вытяжки собирают в стакан, затем выпаривают эфир. Расчет проводят по формуле:
ω(жира)=100а/с,
где а - масса жира, г;
с - масса навески, г.
Определяют зольность в коллагеновой субстанции.
Навеску коллагеновой субстанции массой ~0.5 г высушивают, сжигают в муфельной печи при температуре 650°C. Расчет проводят по формуле:
ω(золы)=(а-b)×100/с,
где а - масса гильзы с навеской до сжигания, г;
b - масса гильзы с навеской после сжигания, г;
с - масса навески, г.
Полученная предложенным способом коллагеновая дисперсия после лиофилизации может быть использована для получения медицинских и косметических препаратов, продуктов питания, например, для получения коллагеновых губок и пленок, содержащий высокомолекулярный коллаген без следов гидролизата, с минимальным содержанием жира.
Использование коллагенсодержащего сырья с содержанием в влаги 58.00-69.00%, золы 0.60-0.90%, жира 1.00-10.00% обеспечивает хорошее отделение коллагена в растворе уксусной кислоты.
Предлагаемый способ позволяет получить непосредственно на пищевом производстве высокомолекулярный коллаген в одну стадию с использованием недорогого реагента - пищевого уксуса. Таким образом достигается экономия на транспортировке отходов до места переработки, снижение затрат на реагенты и электроэнергию. Кроме этого количество стадий и время выделения коллагеновой субстанции оптимизировано в сравнении с известными способами. При этом выделение коллагена из рыбьих шкур происходит количественно. На основании этого можно говорить, как о невысокой цене дисперсии высокомолекулярного рыбного коллагена с заданным комплексом свойств (молекулярно-массовыми характеристиками, содержанием коллагена, золы и жира) в силу доступности способа ее выделения.
Проведение предварительного анализа сырья на содержание влаги, золы и жира, позволяет сопоставить эти показатели с диапазоном показателей, дающих удовлетворительный результат выхода коллагена. При таком подходе исключается возможность использования сырья, не дающего коллагеновую дисперсию необходимого состава и качества, а следовательно, подразумевает экономию реагентов.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет:
- получить дисперсию, содержащую однородный высокомолекулярный рыбный коллаген с молекулярной массой 200-220 кДа и коэффициентом полидисперсности 1.2-1,5, жира 0.03-0.05%, золы 0.03-0.04%;
- повысить выход коллагена;
- сократить длительность технологического цикла с 18,5 ч до 17 ч за счет изменения последовательности технологических процессов;
- снизить расход электроэнергии за счет уменьшения длительности цикла обработки, снижения температуры процессов.
Ниже приведены примеры, подтверждающие реализацию способа получения уксуснокислой дисперсии высокомолекулярного рыбного коллагена.
Пример 1.
Коллагенсодержащее сырье (отходы шкур рыбной промышленности) очищают от чешуи, прирезей мышечной ткани и жира, измельчают мясорубкой или электрическим диспергатором с диаметром пор 3,5 мм. Приготовленную шкуру анализируют на содержание влаги (61.3%), золы (0.82%) и жира (1.0%). Сырье промывают водопроводной водой трижды по 30 минут, заливают 3%-ным раствором уксусной кислоты при жидкостном коэффициенте 5. Оставляют на 15 часов, периодически помешивая. Отфильтровывают через два слоя капроновой ткани. Полученная коллагеновая дисперсия содержит 3,24% коллагена с молекулярной массой 220 кДа и коэффициентом полидисперсности 1.08, жира 0.03%, золы 0.04%, которая может хранится несколько месяцев в холодильнике при температуре 2-8°C. Выход коллагена составляет 43% относительно обезвоженного сырья.
Пример 2.
Коллагенсодержащее сырье (отходы шкур рыбной промышленности) очищают от чешуи, прирезей мышечной ткани и жира, измельчают мясорубкой или электрическим диспергатором с диаметром пор 3,5 мм. Приготовленную шкуру анализируют на содержание влаги (58,2%), золы (0.88%) и жира (9,6%). Сырье промывают водопроводной водой трижды по 40 минут, заливают 3%-ным раствором уксусной кислоты при жидкостном коэффициенте 5. Оставляют на 15-18 часов, периодически помешивая. Отфильтровывают через два слоя капроновой ткани. Полученная коллагеновая дисперсия содержит 2,97% коллагена с молекулярной массой 220 кДа и коэффициентом полисперсности 1,21, жира 0.04%, золы 0.03%, которая может хранится несколько месяцев в холодильнике при температуре 2-8°C. Выход коллагена составляет 39% относительно обезвоженного сырья.
Пример 3.
Коллагенсодержащее сырье (отходы шкур рыбной промышленности) очищают от чешуи, прирезей мышечной ткани и жира, измельчают мясорубкой или электрическим диспергатором с диаметром пор 3,5 мм. Приготовленную шкуру анализируют на содержание влаги (65.6%), золы (0.72%) и жира (1.5%). Сырье промывают водопроводной водой трижды по 50 минут, заливают 3%-ным раствором уксусной кислоты при жидкостном коэффициенте 5. Оставляют на 15-18 часов, периодически помешивая. Отфильтровывают через два слоя капроновой ткани. Полученная коллагеновая дисперсия содержит 5.13% коллагена с молекулярной массой 220 кДа и коэффициентом полисперсности 1,27, жира 0.03%, золы 0.03%, которая может хранится несколько месяцев в холодильнике при температуре 2-8°C. Выход коллагена составляет 74% относительно обезвоженного сырья.