способ получения пористого коллагенового материала

Формула изобретения

1. Способ получения пористого коллагенового материала, включающий выделение коллагена в виде водной дисперсии волокон из коллагенсодержащего сырья, дубление, обработку пластифицирующим компонентом и криоструктурирование, отличающийся тем, что коллаген выделяют в виде дисперсии волокон с длиной 2 4 мм и диаметром 0,06 0,16 мм, криоструктурирование проводят при рН среды 1,0 2,0 или 8,5 13,0, дубление после криоструктурирования, а обработку пластифицирующим компонентом осуществляют перед криоструктурированием или после дубления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пластифицирующего агента используют глицерин или эмульсионный состав, включающий поверхностно-активный биополимер и пластификатор гидрофобной природы в соотношении соответственно 30 70 70 30 мас. по сухому веществу.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что водную дисперсию коллагена после дубления и обработки пластифицирующим компонентом подвергают повторному криоструктурированию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии полимеров, в частности к разработке способа получения пористого материала на основе белков животного происхождения (коллагена), и может найти применение в медицинской, пищевой и легкой отраслях промышленности.

Все описанные в литературе способы получения пористого коллагенового материала традиционно включают следующие операции: выделение коллагена из шкур крупного рогатого скота (КРС), диспергирование его тем или иным способом, криоструктурирование в присутствии сшивающего агента, при этом получают ковалентносшитый пористый коллагеновый материал.

Например, известен способ получения пористого коллагенового материала для медицинской промышленности, предусматривающий ферментативный метод выделения коллагена и измельчения его до образования тонкодисперсной системы (длина волокна 1-10 мм) с последующим криоструктурированием системы в кислой среде при рН 2-3,5 в присутствии сшивающих агентов [1]

Для реализации указанного способа необходимо использованием дорогостоящих ферментов на стадии выделения коллагена. Кроме того, эта стадия является весьма продолжительной по времени и требует больших энергозатрат на тонкое измельчение коллагена. При этом процесс криоструктурирования строго ограничен по параметру кислотности среды (рН 2-3,5) и невозможен без применения сшивающих агентов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения ковалентносшитого коллагенового материала в виде пористых мембран, включающий выделение коллагена из шкуp или сухожилий КРС путем известкования сырья в среде гидроокиси кальция, промывания водой, обработки раствором поваренной соли, повторного промывания, подкисления соляной кислотой до рН 3-5,5, последующего грубого и более тонкого измельчения на коллоидной мельнице при насыщении воздухом или инертным газом с последующим криоструктурированием пенистой водной дисперсии коллагена в присутствии сшивающих агентов, пластификаторов и наполнителей [2]

Этот способ требует энергозатратной стадии тонкого измельчения коллагенового сырья на коллоидной мельнице и ограничивает условия криоструктурирования слабокислой областью рН и присутствием сшивающих агентов в среде при замораживании. В результате снижается возможность регулирования морфологии криоструктуратов коллагена, стабилизирующих их типов связей, физико-механических свойств губчатых материалов.

Предлагаемый способ получения пористого коллагенового материала позволяет упростить стадию выделения коллагена в виде водной дисперсии и благодаря новым условиям стадии криоструктурирования расширить ассортимент материалов на основе белков животного происхождения. Разработанный способ позволяет регулировать физико-химические свойства пористого коллагенового материала и получать как мелкопористый кожеподобный, так и крупнопористый малоусадочный губчатый материалы, которые могут найти применение в медицине, легкой и пищевой отраслях промышленности, что является задачей изобретения.

Данная задача решается тем, что коллаген выделяют в виде дисперсии волокон с длиной 2-4 мм и диаметром 0,06-0,16 мм, которую криоструктурируют при рН среды 1,0-2,0 или 8,5-13,0, дубление реакционной массы проводят после криоструктурирования, а обработку пластифицирующим компонентом осуществляют перед криоструктурированием или после дубления. В качестве пластифицирующего агента используют глицерин или эмульсионный состав, включающий поверхностно-активный биополимер и пластификатор гидрофобной природы в соотношении соответственно (30-70): (70-30) мас. по сухому веществу. Водная дисперсия коллагена после дубления и обработки пластифицирующим компонентом может быть подвергнута повторному криоструктурированию.

При осуществлении изобретения в качестве коллагенсодержащего сырья могут быть использованы золеные шкуры крупного рогатого скота. После получения водной дисперсии коллагеновых волокон систему подкисляют 0,4 М раствором соляной кислоты или 0,2 М раствором серной кислоты в присутствии 0,2 М раствора хлористого натрия, а подщелачивают с помощью 0,1 М раствора гидроокиси натрия или калия до требуемых значений рН среды.

Процесс структурообразования предусматривает замораживание дисперсионной среды при температуре (-5)-(-60)^оС в течение 0,5-4 ч выдерживание образца при температуре -25^оС в течение 3-16 ч с последующим размораживанием на воздухе при температуре 4^оС и комнатной температуре или сразу при комнатной температуре.

В качестве пластифицирующего компонента может быть использована эмульсия на основе поверхностно-активного биополимера типа белков и полисахаридов и гидрофобных пластификаторов типа масел в соотношении (30-70):(70-30) мас. по сухому веществу соответственно. Например, при осуществлении изобретения использовали эмульсию пектин:вазелиновое масло (60:40), эмульсию карбоксиметилцеллюлоза:силиконовая жидкость (30:70), эмульсию гидролизованного коллагена: касторовое масла (70:30). В качестве дубящих веществ могут быть использованы водные растворы таннина, формальдегида или глутарового диальдегида.

Предлагаемый способ может включать стадию повторного криоструктурирования влажного пластифицированного материала для упрочения губчатой структуры и снижения ее удельного веса, а также снижения объемной усадки после высушивания пористого материала на воздухе.

Технологические особенности предлагаемого способа получения пористого коллагенового материала даны в табл. 1.

П р и м е р 1.

Выделение коллагена из спилка золеных шкур крупного рогатого скота проводят следующим образом. Спилковую обрезь разрезают на куски размером 2х2 см и промывают от загрязнений и водорастворимых компонентов водой (ЖК 10) при перемешивании в течение 60 мин, затем промывают водным раствором 0,3%-ной концентрации NaOH (рН смеси около 12), содержащим 0,3% NaCl (ЖК 10), при перемешивании в течение 60 мин для отделения неколлагеновых примесей. После этого спилок отжимают, промывают водой (ЖК 5) в течение 30 мин и измельчают на кутере до получения 10-20/водной дисперсии грубоволокнистого коллагена с длиной волокон 2-4 мм и диаметром 0,06-0,16 мм (пучки волокон). Величина рН дисперсии при этом составляет около 10.

Далее водную дисперсию коллагена подкисляют 0,4 М раствором соляной кислоты в присутствии 0,2 М раствора хлористого натрия до рН 2,0, при этом концентрация сухих веществ не должна быть ниже 4% Полученную реакционную массу обрабатывают пластифицирующим компонентом глицерином до концентрации 10% от общей массы, помещают в форму и замораживают при температуре -60^оС в течение 2 ч с последующим выдерживанием при температуре -20^оС в течение 12 ч. Размораживание полученного продукта проводят на воздухе при комнатной температуре, после чего промывают водой (ЖК 5) и дубят 5%-ным водным раствором таннина в течение 60 мин и сушат на воздухе.

Полученный материал был матовым, низкопористым, кожеподобным, достаточно пластичным. Свойства материала представлены в табл. 2.

П р и м е р 2. Выделение коллагена из коллагенсодержащего сырья проводят аналогично примеру 1. Далее водную дисперсию коллагена подщелачивают с помощью 0,05 М раствора гидроокиси натрия до рН 13, после чего помещают в форму и замораживают при температуре -25^оС в течение 16 ч. Размораживание проводят при комнатной температуре на воздухе, после чего промывают водой (ЖК 5) и дубят 1%-ным водным раствором формальдегида в течение 60 мин и пластифицируют 30%-ным водным раствором глицерина (ЖК 1) и сушат на воздухе при комнатной температуре.

Полученный материал является губчатым и сравнительно низкопористым, обладающим определенной эластичностью.

П р и м е р 3. Выделение коллагена из спилка золеных шкур крупного рогатого скота проводят аналогично примеру 1. Водная дисперсия коллагена при этом имеет рН 10,5, ее обрабатывают пластифицирующим компонентом эмульсией, которую получают на основе 4%-ного водного раствора пектина и вазелинового масла, взятых в соотношении 60:40% (по сухим веществам). Пластифицирующий компонент вводят в количестве 30 мас.

Реакционную массу помещают в форму и замораживают при температуре -15^оС в течение 16 ч. Оттаивание осуществляют в два этапа: сначала при температуре -4^оС в течение 2-3 ч, а затем на воздухе при комнатной температуре, после полученный материал дубят 1%-ным водным раствором формальдегида в течение 60 мин, промывают водой (ЖК 5) и сушат на воздухе при комнатной температуре.

В результате получают губчатый высокопористый материал, свойства которого приведены в табл. 2.

П р и м е р 4. Выделение коллагена из спилка золеных шкур крупного рогатого скота проводят аналогично примеру 1. В реакционную систему вводят в количестве 30% от веса смеси измельченной хромированной стружки коллагена в качестве наполнителя и подкисляют до рН 1,0 с помощью 0,4 М раствора соляной кислоты, содержащего 0,2 М хлористого натрия, после чего помещают в форму и замораживают при температуре -15^оС в течение 16 ч. Оттаивание продукта проводят на воздухе при комнатной температуре, после чего промывают водой (ЖК 5) и дубят 0,1%-ным водным раствором глутарового диальдегида в течение 60 мин, а затем обрабатывают пластифицирующим компонентом эмульсией на основе 5%-ного водного раствора карбоксиметилцеллюлозы и силиконовой жидкости, взятых в соотношении 30:70% (по сухим веществам). Полученный продукт сушат на воздухе.

В результате получают достаточно плотный, низкопористый материал, свойства которого приведены в табл. 2.

П р и м е р 5. Выделение коллагена из спилка золеных шкур крупного рогатого скота проводят аналогично примеру 1. Водную дисперсию с концентрацией коллагена 6% подщелачивают 0,1 М NaOH до pН 11,5, затем помещают в форму и замораживают при температуре -18^оС в течение 12 ч. Оттаивание продукта проводят на воздухе при комнатной температуре, а затем дубят, используя 1%-ный водный раствор формальдегида, в течение 60 мин, после чего промывают водой (ЖК 5) и обрабатывают пластифицирующим компонентом эмульсией на основе 1%-ной водной дисперсии частично гидролизованного при щелочной обработке коллагена и касторового масла, взятых в соотношении 70:30% (по сухим веществам).

Полученный материал подвергают повторному замораживанию и оттаиванию при вышеописанных условиях данного примера. Оттаявший продукт сушат в токе воздуха при температуре 35^оС.

В результате получают высокопористый материал с низкой объемной усадкой при высушивании, свойства которого приведены в табл. 2.

Таким образом, разработанный способ получения пористых коллагеновых материалов отличается от ранее известных сравнительной простотой выделения коллагеновых волокон из золеного коллагенсодержащего сырья. Регулирование величины рН водной дисперсии коллагена перед замораживанием позволяет получать коллагеновые материалы без использования сшивающих агентов на стадии криоструктирования, что особенно интересно, поскольку при этом материалы обладают широким диапазоном физико-механических свойств: от типично губчатых до мелкопористых кожеподобных, различающихся размерами пор, величиной влагопоглощения и объемной усадки при высушивании на воздухе.

Использование в качестве пластифицирующего компонента эмульсии на основе поверхностно-активных биополимеров (например, как полисахариды или белки) и пластификатора гидрофобной природы типа масел позволяет пластифицировать коллагеновые системы как на стадии смешения компонентов перед замораживанием, так и после оттаивания и дубления пористых коллагеновых структуратов. Предлагаемое повторное замораживание влажных пластифицированных материалов приводит к упрочению губчатой структуры, снижению ее удельного веса и объемной усадки после высушивания на воздухе.

Изобретение удовлетворяет критерию промышленная применимость, поскольку при осуществлении заявленного способа используется доступное отечественное оборудование и простейшие неорганические реагенты.