способ получения концентрата серусодержащих аминокислот из белкового гидролизата кератинсодержащего сырья

Формула изобретения

Способ получения концентрата серусодержащих аминокислот из белкового гидролизата кератинсодержащего сырья, характеризующийся тем, что перо-пуховое сырье измельчают, предварительно обрабатывают водным раствором сульфита натрия, проводят ферментативный гидролиз, выделяют белковый гидролизат сепарацией и/или фильтрованием, сушат, фасуют, упаковывают, при этом полученный после сепарации и/или фильтрования белковый гидролизат направляют на глубокое замораживание при температуре (-25)-(-30)°С в течение 20-30 мин, а затем, постепенно повышая температуру замороженного продукта до температуры (-7)°С, осуществляют сбор выделившейся фракции концентрата серусодержащих аминокислот, которую в жидком или высушенном виде направляют на фасовку и упаковку или сушку, фасовку и упаковку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой, в частности птицеперерабатывающей промышленности, и может быть использовано в птицеводстве (животноводстве) в качестве обогатителя кормовых рационов, в пищевой и косметической промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья ферментативным методом с предварительной обработкой исходного сырья водным раствором сульфита натрия под давлением 0,1-0,3 МПа [Патент РФ №2229821 С2. Способ получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья / Э.И.Мухтаров, В.И.Шевцов, С.Э.Мухтарова, Ч.Ю.Шамханов, Л.В.Антипова (РФ). - Пол. решение от 08.07.2002. Опубл. 10.06.2004] и предусматривающий использование в качестве сырья пух-перо птицы, которое обрабатывают 0,1-0,5%-ным раствором сульфита натрия при соотношении сырья и обрабатывающего раствора 1:10-1:20, а ферментативный гидролиз проводят в присутствии фермента с протеолитической активностью не менее 10000 ед./кг сырья при непрерывном перемешивании реагентов со скоростью 90-150 об/мин. Конечный продукт выделяют сепарацией и/или фильтрацией и сушкой (например, распылительной), а отработанный раствор сульфита натрия рециклизуют.

Полученный таким способом белковый продукт может быть использован в косметической, фармацевтической, пищевой промышленности, в животноводстве при изготовлении кормовых добавок.

Таким образом, в прототипе разработана технология биомодификации кератинсодержащего сырья с максимальным накоплением продуктов гидролиза, которые, в частности, могут быть использованы в кормовых рационах в качестве белковых обогатителей.

Недостатки известного способа заключаются в получении смеси продуктов гидролиза, а также не предусмотрен механизм их разделения и выделения отдельного компонента с целью дальнейшего использования.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения белкового гидролизата на кормовые, косметические и пищевые цели за счет разделения с применением физических методов и получения серусодержащих концентратов, обогащения ими кормовых и пищевых рационов, косметических основ.

Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в способе получения белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья, включающем его измельчение, предварительную обработку исходного сырья водным раствором сульфита натрия, ферментативный гидролиз, выделение белкового гидролизата сепарацией и/или фильтрованием, сушку, фасовку, упаковку, новым является то, что полученный после сепарации и/или фильтрования белковый гидролизат направляют на глубокое замораживание при температуре (-25)÷(-30)°С в течение 20-30 мин, а затем, постепенно повышая температуру замороженного продукта до температуры (-7)°С, осуществляют сбор выделившейся фракции концентрата серусодержащих аминокислот, которую в жидком или высушенном виде направляют на фасовку и упаковку или сушку, фасовку и упаковку.

Технический результат изобретения заключается в возможности разделения смеси продуктов гидролиза за счет применения физических методов разделения, а именно выделения фракции серусодержащих аминокислот, и расширении области применения конечных продуктов.

Анализ химического состава полученного белкового гидролизата из кератинсодержащего сырья подтверждает высокую массовую долю белка - 78,03% и выход препарата - до 72%. Белковый гидролизат характеризуется полным набором незаменимых аминокислот. Аминокислотный скор составляет: метеонин + цистеин - 190,3%, валин - 138,9%, лейцин - 105,6%, треонин - 99%, изолейцин - 97,9%, лизин - 78%, фенилаланин + тирозин - 67,8%, триптофан - 67,4%. Именно эти свойства дают основания для его широкого многоотраслевого применения.

Значительная доля серусодержащих аминокислот в гидролизате (0,157% к общей массе аминокислот) способствует изысканию условий и подходов его выделения из смеси аминокислот, т.е. из гидролизатов кератинсодержащего сырья.

Известные физико-химические методы разделения не дают желаемого эффекта, а хроматографические методы достаточно сложны, труднодоступны, имеют высокую стоимость, при их использовании невозможно получить значительное количество продукта. Выделение веществ проводили с использованием физических методов разделения.

Переход вещества из твердого, жидкого или газообразного состояния в растворенную форму сопровождается различной теплотой или энтальпией растворения, которое зависит от концентрации вещества и температуры.

Растворение - сложный физико-химический процесс, связанный с разрушением структуры растворяемого вещества и распределением его частиц между молекулами растворителя и их единовременным взаимодействием между собой.

Измерение тепловых эффектов, сопровождающих процесс ионного обмена, представляет интерес для выяснения энергетики и установления механизма рассматриваемого явления. В практике научных исследований широко применяется калориметрический метод, позволяющий определить величину и знак теплового эффекта, изучить кинетику процесса [Ивашкин Ю.А. Информационные технологии проектирования пищевых продуктов [Текст] / Ю.А.Ивашкин, С.Б.Юдина, М.А.Никитина, Н.Г.Азарова // Мясная индустрия. - 200. - №2. - С.23-24]. Ионообменные процессы сопровождаются незначительными величинами энергетических эффектов, для измерения которых применяют микрокалориметры.

Исследуемый объект, тепловой процесс которого требуется измерить при постоянной температуре, размещают в одной из рабочих ячеек. Рабочие ячейки окружены термоэлектрическими тепломерами. Тепломеры двух ячеек включены навстречу друг другу.

При выделении в ячейке с исследуемым объектом тепла в ядро микрокалориметра устремляется тепловой поток через тепломеры, на которых при этом возникает перепад температуры, преобразующийся в свою очередь, в соответствии с эффектом Зеебака в термоэлектродвижущую силу. Величина последней пропорциональна проходящему тепловому потоку, она регистрируется измерительными приборами - компаратором или вольтамперметром. Из градуировочного графика (калибровки) предварительно определяют чувствительность ячеек.

Высокая термостабильность микрокалориметра позволяет проводить исследование очень малых тепловых эффектов. Регистрация и запись калориметрического сигнала отражает кинетику изучаемых реакций.

Интегрирование калориметрического сигнала позволяет определить выделившееся количество теплоты за определенное время; мгновенное значение калориметрического сигнала выражает мощность и интенсивность обмена. Значение калориметрического сигнала в установившемся режиме в случае постоянно действующего теплового потока позволяет определить величину этого теплового потока.

Интегрирование калориметрического сигнала производится с помощью цифрового интегратора или графическим способом по ленте записи калориметрического сигнала на потенциометре.

Рабочая и сравнительная ячейки калориметра помещены в термостатируемый блок, состоящий из медного ядра, по наружной поверхности которого в керамических бусах уложен нагреватель ядра. Ядро расположено в герметичной медной оболочке. Воздушное пространство между оболочкой и кожухом заполнено стекловатой, выполняющей роль теплоизоляции. Кожух подвешен в цилиндрическом корпусе. Корпус с крышками выполняет роль рубашки. Термостатирование ядра обеспечивается автоматическим поддержанием заданной температуры на рубашке, охватывающей со всех сторон ядро.

В калориметре предусмотрена система качания ядра вместе с ячейками на 40°, 60°, 90°, 120°. Это позволяет производить перемешивание реакционной системы без дополнительного ввода в нее мешалки.

Таким образом, с помощью микрокалориметра определили теплоту растворения кристаллического метионина массовой концентрацией 0,157%. Используя зависимость температуры фазового перехода метионина от теплоты растворения, подставляя полученное значение в формулу, расчетным путем получили температуру (-7)°С.

На основании полученных данных построена кривая зависимости растворимости аминокислоты от температуры (фиг.1). На фигуре видно, что наибольшее выделение метионина отмечено в области (-8)-(-6)°С.

Теоретические расчеты подтверждены практическими исследованиями. Полученную после проведенного гидролиза смесь аминокислот замораживали при температуре (-25)°С и далее отепляли, определяя теплоту растворения и оценивая количественно переход метионина в растворенную жидкую форму.

Выделившуюся жидкую аминокислотную фракцию собирали по мере образования в приемник и далее определяли ее качество.

Качество и чистоту фракции замороженного гидролизата после отепления при t=(-7)°С определяли путем оценки аминокислотного состава. Результаты исследования представлены в табл.1 и на фиг.2.

Таблица 1
Аминокислотный состав отепленной фракции
Аминокислота	Массовая доля, %
Метионин	0,238
Изолейцин	0,018
Глицин	0,031
Валин	0,013
Лейцин	0,047
Аланин	0,028

Из данных табл.1 видно, что превалирующая фракция в препарате - аминокислота метионин, т.е. поставленная цель достигнута в результате реализации предложенного нового способа. В качестве сопутствующих фракций обнаруживаются лейцин, глицин, аланин, изолейцин, валин. Однако их примеси незначительны, содержание метионина составляет более 60%, что вполне отвечает требованиям к концентрированным формам веществ, а препарат может быть использован как обогатитель кормовых рационов птицы.

Степень чистоты и концентрирования аминокислоты метионин доказаны методами хроматографии на аминокислотном анализаторе. Соответствующая хроматограмма представлена на фиг.2, где видно, что метионин фиксирован прибором в виде выраженного пика.

Способ получения концентрата серусодержащих аминокислот из белкового гидролизата кератинсодержащего сырья осуществляется следующим образом.

Кератинсодержащее сырье (перо-пуховое) измельчают на кусочки размером 15-20 мм, обрабатывают водным раствором сульфита натрия с массовой долей 0,1-0,5% под давлением 0,1-0,3 МПа при соотношении сырья и обрабатывающего раствора 1:10-1:20 и проводят ферментативный гидролиз с применением фермента протеолитической активностью не менее 10000 ед./кг сырья при непрерывном перемешивании реагентов со скоростью 90-150 об/мин при температуре 45-50°С в течение 5-6 ч. Белковый гидролизат выделяют сепарацией и/или фильтрацией. Затем кератинсодержащий гидролизат подвергают замораживанию при низких температурах (-25)÷(-30)°С в течение 20-30 мин, проводят отепление, постепенно повышая температуру до температуры (-7)°С, выдерживают при этой температуре в течение 30-60 мин, осуществляя сбор выделившейся фракции серусодержащих аминокислот, которую направляют в жидком или высушенном виде на фасовку и упаковку.

Способ поясняется следующими примерами.

Пример 1. Берут 1 кг перо-пухового сырья, промывают водой, измельчают на кусочки размером 20 мм и заливают 15 дм ³ раствора сульфита натрия с массовой долей 0,3% и обрабатывают под давлением 0,3 МПа в течение 2,5 ч. Раствор сульфита натрия сливают для повторного использования. Размягченное и набухшее перо промывают водой для удаления остатков сульфита натрия, добавляют раствор ферментного препарата протеолитического действия (например, «Савиназа») в количестве 10000 ед. протеолитической активности и ведут гидролиз при непрерывном перемешивании со скоростью 110 об/мин при температуре 50°С в течение 6 ч. После гидролиза полученную смесь сепарируют, фильтруют, полученный белковый гидролизат направляют на замораживание при температуре (-25)°С в течение 30 мин, затем отепляют, постепенно повышая температуру до температуры (-7)°С, выдерживают в течение 60 мин, осуществляя сбор фракции серусодержащих аминокислот, сушат, фасуют и упаковывают.

В результате получают твердый порошкообразный продукт с содержанием метионина 1,5 мг/см³.

Результаты оценки качества полученного концентрата серусодержащих аминокислот представлены в табл.2.

Как видно из табл.1, предложенный способ получения концентрата серусодержащих аминокислот из белкового гидролизата кератинсодержащего сырья характеризуется высокой степенью переработки и рациональным использованием малоценного кератинсодержащего сырья убоя птицы, экологичностью и высокой экономической эффективностью.

Замораживание при более высоких температурах увеличивает продолжительность процесса, отрицательно влияет на качественные показатели и снижает выход концентрата. Более низкие температуры не рекомендуются ввиду высокой стоимости технического оснащения процесса замораживания.

Таблица 2
Качественные показатели препарата
Наименование показателя	Характеристика и норма
Внешний вид	Порошкообразные частицы
Цвет	От матового до серого
Запах	Слабовыраженный белковый
pH	6,5-7,5
Массовая доля, %, не более:
влаги	10,0
хлористого натрия	2,5
сульфита натрия	10,0
золы	10,0
жира	0,5
Содержание белка и полипептидов, мг/см 3	6,6
Содержание аминокислоты метионина, мг/см3	1,5
Массовая доля, % не менее:
общего азота	10,0
аминного азота	2,5
Остаточная активность (ПС, ед/г) ферментного препарата	0,0

Основываясь на известном эффекте перехода из твердого состояния в жидкое с образованием теплоты, предварительно замороженный белковый гидролизат отепляли и проводили измерение теплового эффекта.

Исследования проводили с использованием теплопроводящего дифференциального микрокалориметра МИД-200. Регистрация и запись калориметрического сигнала отражает кинетику изучаемых реакций, интегрирование которого позволяет определить выделившееся количество теплоты за определенное время при растворении кристаллического метионина массовой концентрацией 0,157%.

По полученным данным построена кривая зависимости растворимости концентрата серусодержащих аминокислот от температуры (фиг.1), на которой видно, что при температуре (-7)°С серусодержащие аминокислоты переходят в раствор в то время как другие аминокислоты остаются в замороженном состоянии.

При температурах ниже (-7)°С выход серусодержащих аминокислот незначительный или вообще отсутствует - белковый гидролизат находится в замороженном состоянии. При температуре выше (-7)°С до 0°С выход серусодержащих аминокислот незначительно снижается, в растворе появляются и другие аминокислоты (лизин, аргинин). При температуре выше 0°С весь гидролизат переходит в жидкое состояние (смесь свободных аминокислот).

Предложенный способ получения концентрата серусодержащих аминокислот из белкового гидролизата кератинсодержащего сырья позволяет провести разделение смеси продуктов гидролиза за счет применения физических методов разделения, а именно выделить фракцию серусодержащих аминокислот, и расширить область применения за счет обогащения ею кормовых и пищевых рационов, косметических основ.