Дипом Светличной1. Оценка качества раствора кератина, полученного из различного кератинсодержащего сырья
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
Министерство СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА россиЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВЕТЕРИНАРНОЙ МЕДИЦИНЫ И БИОТЕХНОЛОГИИ им. К.И. СКРЯБИНА» Факультет товароведения и экспертизы сырья животного происхождения Кафедра товароведения, технологии сырья и продуктов животного и растительного происхождения имени С.А. Каспарьянца ДИПЛОМНАЯ РАБОТА направление подготовки 100800.62 Товароведение профиль Товароведение и экспертиза продукции животноводства ТЕМА: «Оценка качества раствора кератина, полученного из различного кератинсодержащего сырья» Выполнила студентка 4 курс 2 группа - Светличная Виктория Николаевна
Москва 2015 УТВЕРЖДАЮ: «___» ________ 20__ г. Зав. кафедрой товароведения, технологии сырья и продуктов животного и растительного происхождения им. С.А. Каспарьянца (наименование кафедры) Доктор технических наук, профессор А.И. Сапожникова З А Д А Н И Е по выполнению дипломной работы направление 100800.62 Товароведение профиль студенткой 4 курса очного отделения факультета Товароведения и экспертизы сырья животного происхождения Светличной В.Н. 1. Тема дипломной работы «Оценка качества раствора кератина, полученного из различного кератинсодержащего сырья» Утверждена на заседании кафедры_____________________ № _____ от «___»____ 2015 г. 2. Срок сдачи студентом законченной дипломной работы: «01» июня 2015 г. 3. Цель и общее направление работы: получения раствора кератина из различных кератинсодержащих материалов и оценка его качества. 4. Содержание дипломной работы: Введение 1. Обзор литературы 2. Собственные исследования 2.1. Объекты и методы исследований 2.2. Методы исследований 2.3. Результаты исследований и их обсуждение Выводы и предложения Список использованной литературы Приложения Объем работы: страниц машинописного текста 5. Перечень материала, прилагаемого к дипломной работе: цифровой и графический материал по экспериментальной части работы. Таблицы - ; графики - ; и т.п. 6. Рекомендуемые места преддипломной практики: кафедра товароведения, технологии сырья и продуктов животного и растительного происхождения 7. Научные руководители ст.преподаватель Бобылева О.В. (ученая степень, звание) (подпись) (расшифровка подписи) ассистент Шагаева Н.Н. (ученая степень, звание) (подпись) (расшифровка подписи) 8. Консультант по экономическому разделу: к.т.н., доцент И.А. Данилова (ученая степень, звание) (подпись) (расшифровка подписи) 9. Дата выдачи задания17» октября 2015 г. Задание принял к исполнению: студентка Светличная В.Н. (подпись) (расшифровка подписи) «17» октября 2015 г. РЕФЕРАТ дипломной работы студентки 4 курса очного отделения факультета ТЭС Светличной В.Н. на тему: «Оценка качества раствора кератина, полученного из различного кератинсодержащего сырья» Работа посвящена получению раствора кератина и оценке качества кератинсодержащего сырья. Объектами исследования служили волос кролика и северного оленя, а также раствор кератина, полученный из данных кератинсодержащих материалов. В ходе выполнения работы получали раствор кератина по методике, разработанной сотрудниками кафедры товароведения, технологии сырья и продуктов животного и растительного происхождения имени С.А. Каспарьянца и провели оценку его качества. Оценка качества готовой продукции была проведена по некоторым показателям: содержание влаги, жировые и минеральные вещества , водородный показатель (pH), а также показатели микробиологической чистоты. В результате проведенной работы были получены данные, благодаря которым были сделаны соответствующие выводы. СОДЕРЖАНИЕ Введение 5 1. Обзор литературы………………………………………………………….. 7 1.1 Характеристика кератинсодержащих отходов и способы его переработки……………………………………………………..………... 7 1.2 Современные представления о структуре и свойствах кератина…………………………………………………………………...…... 9 1.3 Характеристика способов получения кератина……………..…… 16 1.4 Рациональное использование белковых препаратов …………… 22 2. Экспериментальная часть…………………………………………………. 29 2.1 Объекты исследования………………………………………….. 29 2.2 Методы исследования………………………………………...…… 30 2.2.1 Определение содержания влаги……………………...…………. 30 2.2.2. Определение содержания жировых веществ растворов кера-тина……………………………………………………………………………….30 2.2.3 Определение содержания минеральных веществ (золы)….. 31 2.2.4. Определение рН потенциометрическим методом…………….32 2.2.5 Количественный учёт микроорганизмов микробиологическим методом…………………………………………………………………………33 2.3 Результаты собственных исследований и их обсуждение……...…34 2.4 Экономическая эффективность……………………………………… Выводы Список используемой литературы Введение Проблема переработки и рационального использования отходов кожевенного и мехового производства в последние годы становится особенно актуальной. Это обусловлено тем, что в процессе производства натуральных кож и пушно-меховых полуфабрикатов образуется значительное количество (30 - 50% от массы сырья) отходов, содержащих до 50% белковых веществ, а также многих других побочных продуктов. Значительная часть органических отходов кожевенного и мехового производства еще не нашла применения и вывозится на свалки, что, помимо материальных потерь, ведет к загрязнению окружающей среды [10]. Такая форма хозяйственной деятельности человека - воздействие промышленности на окружающую среду, несет серьезные угрозы: деградацию поверхности земли (изменение рельефа, структуры и качества почвы), загрязнение воздуха, вод, климатические изменения, обеднение флоры и фауны, ухудшение условий жизни и состояния здоровья населения. Итак, в процессе получения основной товарной продукции на кожевенных, меховых, шерстеперерабатывающих предприятиях на отдельных этапах производства образуется большое количество побочных продуктов в виде скотоволоса, щетины, очеса шерстяных волокон. Преобладающим структурным и химическим компонентом перечисленных выше побочных продуктов является фибриллярный белок – кератин [10]. Важным направлением в современной биологии являются исследования, направленные на расширение возможностей переработки белоксодержащего сырья животного происхождения с целью обеспечения экологичности производств за счет создания безотходных и малоотходных технологий при максимальном вовлечении побочных продуктов переработки в основное производство [3]. В настоящее время предприятия, занимающиеся изготовлением продукции биотехнологического, фармацевтического и косметического назначения заинтересованы в кератинсодержащих продуктах, как к новому перспективному источнику белоксодержащего сырья. Белковые препараты, состоящие из кератина производят в основном из таких видов сырья, как волос, щетина, перо и т.д., и чтобы убедиться в эффективности продукции, мы проводили оценку качества. Цель работы - получения раствора кератина из различных кератинсодержащих материалов и оценка его качества. Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - провести растворение кератинсодержащих материалов: волоса кролика и северного оленя и получить растворы кератина; - исследовать химический состав растворов кератина по показателям: содержания влаги, жировых и минеральных веществ; -определить значение рН растворах кератина; -обследовать растворы кератина по показателю микробиологической чистоты по методу КМАФАнМ. 1 Обзор литературы 1.1 Кератинсодержащие отходы и их краткая характеристика Основное сырье (ОС) – составная часть сырья, существенно влияющая на формирование товароведных характеристик готовой продукции на стадии производства. ОС кератина могут служить рога, копыта, шерсть крупного рогатого скота,волос,перо. Отходы кератина - белоксодержащие отходы (БСО) – массовый вид токсичных биологически опасных возобновляемых отходов, возникающих в производствах переработки животного сырья и производства продуктов питания. К ним относятся отходы первичной обработки шерсти, выделки кожи и меха, которые содержат волос, пух, перо, рыбью чешую, мездру, кости и мышечную ткань. Белоксодержащие отходы содержат от 40 до 95 % кератина и кератиноподобных белков, коллагена и коллагеноподобных белков; миозина, альбуминов, глобулинов и т.д. Продуктами гидролиза белков являются аминокислоты , низкомолекулярные пептиды и липопротеины. В этом плане БСО перспективны как возобновляемое сырье для переработки в нетоксичную экологически безопасную продукцию на основе композиций АК, ПК и ЛПК и их производных [5]. Кератинсодержащими твердыми отходами являются шерсть, щетина, возникающие при переработки кожевенного и мехового полуфабриката (на подготовительных стадиях производства), основным структурным и химическим компонентом которых является уникальный по своим свойствам фибриллярный белок кератин. Шерсть и щетина представляют собой ценный побочный продукт кожевенного и овчинно-шубного производства и являются исходным сырьем для валяльно-войлочной, щетино - щеточной и некоторых отраслей текстильной промышленности. Основную массу заводской шерсти, получаемой на кожевенных заводах, составляет коровья шерсть. Она отличается хорошей валкоспособностью и используется в валяльно-войлочной промышленности. Однако наиболее ценной является овечья шерсть. Она прядома и валкоспособна. Шерсть , снятая намазным методом, имеет недостаточно хорошую валкоспособность. Часть ее повреждена действием сульфида натрия. В отдельности ость и пух представляют очень ценное вторичное сырье (ость - для щеточной промышленности, пух-для фетровой); неразделенная заводская козья шерсть имеет значительно меньшую ценность и используется в основном в валяльно-войлочной промышленности. Крупный очес состоит из сравнительно коротких волокон, содержащих значительное значение мушек, узелков, растительных примесей и используются в аппаратах прядения, где перерабатывается в смеси с другими волокнами и шерстью для получения камвольных и грубосуконных тканей.Мелкий очес состоит из очень коротких волокон, его обычно используют в фетровом производстве [2]. Перопуховое сырье — получают с сельскохозяйственных птиц (гусей, уток, кур и др.) и с пернатой дичи. Его подразделяют на перо цельное, мелкое и среднее, перо недозрелое, перо ломанное, слипшиеся комочки, ворс перопуховой. Перопуховое сырье применяют для изготовления кормовой муки, фильтров, щеточных изделий, зубочисток, одеял, подушек, пуховиков. К рогокопытному сырью относят рога (полые и плотные) и копыта (от КРС, лошадей, коз и овец). Они используются для получения расчесок, гребней, пуговиц, роговых пластин. Роговые опилки и обрезки идут на изготовление прессованных изделий, кормовой муки. Кератинсодержащие отходы применяют в качестве вторичного сырья в различных отраслях народного хозяйства [6]. Кератинсодержащие отходы являются ценным источником самой дефицитной части рационов сельскохозяйственных животных — протеина. Кератин содержит все незаменимые аминокислоты, однако в натуральном состоянии он не усваивается организмом животных, так как ферменты пищеварительного тракта его не переваривают [2]. Щетина шкур свиней также является ценным видом побочной продукции. Основное отличие щетины от волоса - это расщепление наружного конца стержня на несколько отростков. Расщепленная часть носит название флажка. Такую щетину применяют для изготовления кистей малярных и художественных. Благодаря мягкости и гибкости отростков исключаются царапины на окрашиваемой поверхности.
Высокая стабильность и нерастворимость кератина обусловлена большим числом поперечных дисульфидных связей между его пептидными цепями. Разрыв поперечных дисульфидных связей кератина в результате окисления, восстановления или гидролиза приводит к образованию растворимого продукта, расщепляющегося протеолитичеекими ферментами. Восстановленный кератин, содержащий вместо остатков цистина остатки цистеина, был назван кератеином. Его можно окислить и вновь получить кератин. Временное восстановление кератина волос тиогликолем или тиогликолятом и последующее окисление кислородом воздуха используется для завивки волос (перманент). Устойчивость кератина к растворителям и ферментам понижается не только под действием химических реагентов, разрывающих дисульфидные мостики, но также и в результате механических воздействий. Тонко перемолотая шерсть частично растворима в воде и расщепляется под действием протеолитических ферментов. При кипячении шерсти в 2%-ном углекислом натрии происходит гидролиз дисульфидных связей с образованием сульфида. Длина волокон кератина зависит от содержания в них воды; увеличение длины влажного волоса позволяет использовать его в гигрометре для измерения влажности воздуха. Кератиновые волокна поддаются растяжению и обладают эластическими свойствами. Растяжение волокон шерсти сопровождается понижением изоэлектрической точки кератина с рН 5,5 до 5,3. Кератин, имеющий вытянутые волокна, был назван β-кератином. При нагревании шерсти с водой ее волокна необратимо сокращаются (при температуре около 90°). Поскольку такое нагревание не затрагивает поперечных S-S-связей, эта реакция должна быть отнесена за счет разрыва каких-то иных межцепочных связей. Это могут быть либо водородные связи, либо связи между гидрофобными группами, либо солевые мостики между положительно и отрицательно заряженными группами. Кератин очень богат кислыми и основными аминокислотами. Вполне возможно, что эти аминокислоты тоже вносят свой вклад в поперечное связывание пептидных цепей; их разрыв при нагревании ведет к сверхсокращению [1]. Кератин входит в состав рогового вещества, содержится в волосе, рогах, ногтях, перьях, копытах, роговом слое эпидермиса. Он в значительной степени изменяется в зависимости от условий образования и процессов, протекающих при жизни организма. Кератин отличается от других белков содержанием большого количества цистина, а, следовательно, и серы. Однако белковое вещество сердцевины волоса отличается низким содержанием цистина и серы. Кератин подразделяют на мягкий, содержащийся в небольшом количестве в наружных слоях эпидермиса, сердцевине волоса, и твердый , содержащийся в волосе, рогах, ногтях и т. д. Мягкий кератин отличается меньшим серосодержанием (2-3% серосодержащих аминокислот), менее структурирован и менее устойчив к химическим воздействиям, чем твердый – высоко сульфидный (18%серосодержащих аминокислот), имеющий высокодифференцированную морфологическую структуру. Таблица 1 - Элементарный состав кератина
Аминокислотный состав изменяется в зависимости от типа кератина. Особенностями аминокислотного состава кератина являются: 1) значительное содержание серосодержащих аминокислот цистина и Цистеина (для твердых кератинов): NH2 NH 2 NH2 | | | HC –CH2 – S – S – CH2 – CH HC – CH2 - SH | | | COOH COO H COOH Цистин Цистеин 2) большое содержание моноаминодикарбоновых и диаминомонокарбоновых кислот; 3) значительное количество оксикислот (серинаитреонина); 4) отсутствие оксипролина; 5) очень малое количество оксилизина (некоторые исследователи его в кератине не обнаружили). В структуре кератина присутствуют три вида связей: 1. Водородные связи – представляют собой взаимодействие между NH2 и СООН группами. Энергия водородных связей мала (6-8 ккал/моль) и разрушается под действием гидро - термических нагрузок и щелочей. Эта связь является обратимой, их количество в структуре очень велико и они выполняют стабилизирующую функцию. 2. Электровалентные (ионные) связи. Энергия этих связей в десять раз больше (80-100 ккал/моль) и они разрушаются при температуре более 60-70 °С и действии кислот. Эта связь также является обратимой. 3. Ковалентные связи- -- CO – NH – К ним относят: пептидную, амидную и ди сульфидную связи. На строение и свойства кератина, а также на изменения его при различных обработках влияет взаимодействие между главными цепями. Главными молекулярными цепями кератина являются цепи, образованные аминокислотными остатками, соединенные пептидными связями. Дисульфидные связи существенно влияют на физико-механические свойства волокон. Кроме того, цистин может также участвовать в образовании связей в одной и той же пептидной цепи. Такой цистиновый остаток называют инсулиноподобным. Дисульфидная группа в этом случае не образует поперечную связь, а является дополнительной связью в одной полипептидной цепи, размещаясь параллельно оси.На основании рентгеноструктурного анализа ряд зарубежных и отечественных ученых сделали вывод, что кератин может существовать в трех формах: -, - и сверх сокращенной, которые прежде всего различаются длиной цепи. Кератин шерсти в нативном состоянии имеет -форму. -кератин превращается в -кератин при растягивании волокна в горячей воде и атмосфере пара. Если растянуть волос в атмосфере пара до определенной длины, а затем снять растягивающую нагрузку или подвергнуть волос воздействию некоторых реагентов в определенных условиях, он сокращается примерно до 2/3 от первоначальной длины. Это явление называют сверх сокращением. В нативном кератине шерсти белки полипептидные цепи в форме -спиральной спирали. Эти цепи упакованы вместе по три цепи путем взаимного их закручивания по спирали. Такая система из трех-спиральных цепей, закрученных в спираль, для кератина называется протофибриллой. Микрофибриллы расположены пучками, параллельно оси (длине) волокна шерсти, а цепи с большим содержанием цистина заполняют пространство между микрофибриллами и связывают всю систему, образуя макрофибриллу. Кератины фибрилл, помимо резко пониженного содержания цистина, отличаются также пониженным содержанием пролина и треонина и повышенным содержанием аланина, лейцина, а также дикарбоновых аминокислот(аспарагиновой и глутаминовой ), характеризуются повышенной химической устойчивостью, значительной термоустойчивостью и тенденцией к образованию ориентированных упорядоченных структур. Кератины межфибриллярного вещества характеризуются резко повышенным содержанием цистина и пролина, более высоким содержанием гидроксилсодержащих аминокислот (за исключением тирозина) и пониженным содержанием лейцина, аспарагиновой кислоты и лизина и слабой тенденцией к образованию ориентированных упорядоченных структур. Существенное влияние на структурное формирование белков фибрилл межфибриллярного вещества оказывает различное содержание в них цистиновых и пролиновых остатков. Пониженное содержание этих остатков в кератинах фибрилл способствует образованию в них упорядоченных α-спиральных укладок полипептидных цепочек, кристаллических зон, в то время как повышенное содержание цистиновых и пролиновых остатков в кератинах межфибриллярного вещество обуславливает их аморфный характер. Последовательность расположения аминокислотных остатков в -спиралях такова, что в некоторых участках спиралей находятся боковые цепи, содержащие свободные карбоксильные и аминогруппы и гидроксилы, по месту которых образуются солевые и водородные связи. Поэтому в продольном направлении фибрилла неоднородна. В ней чередуются участки с незначительным развитием поперечных связей и участки с интенсивным развитием поперечных связей. Полипептидные спиральные цепи цементирующего вещества имеют неупорядоченное расположение, преимущественно глобулярную форму и образуют небольшое количество межмолекулярных связей. Цистиновые остатки в матриксе распределяются не локализовано, как в кератинах фибрилл, а равномерно и образуют преимущественно внутри цепочечные дисульфидные связи. Солевые и водородные связи образуются также в пределах одной цепи, что способствует его глобулярной конформации. В кератине матрикса преобладают основные аминокислотные остатки, в кератине фибрилл — кислотные. Поэтому между кератином фибрилл и цементирующего вещества возможно ионное взаимодействие и даже образование более прочных связей. Кератин микрофибрилл менее химически активен, чем кератин матрикса. А также более инертен по отношению к влаге, в то время как кератин межфибриллярного вещества способен энергично сорбировать влагу. Волокна шерсти имеют значительное сродство к воде. Водоотталкивающие свойства зависят преимущественно от природы поверхности волокон, гидратация и набухание кератина происходят внутри волокна. Гидрофобность кератина отчасти связана с высоким содержанием гидрофобных аминокислот: фенилаланина, изолейцина. При этом гидрофобные радикалы направлены наружу по отношению к -спиралями -слоям. При насыщении волокна шерсти водой его диаметр увеличивается примерно на 17,5 – 18 %, длина— на1,2 – 1,8%. Скорость реакции воды с кератином при температуре 100°С невелика; при кипячении в течение 24 ч кератин теряет 20 % цистина и после обработки в кипящей воде в течение 21 дня– 75 %. После нагревания при температуре 130°С в течение 10 мин или при температуре 100°С в течение 8 дней кератин дает рентгенограмму дезориентированного -кератина. При сухом нагреве кератин подвергается значительно меньшим изменениям, чем в присутствии воды. Волос в основном сохраняет химические и физические свойства после нагревания при температуре 120 °С в течение 24 ч. В процессе нагрева при температуре выше 100 °С в кератине образуются новые поперечные связи между карбоксильными и аминогруппами. Свойства кератина изменяются в результате сухого нагрева при температуре выше 160 °С . Кератин под влиянием кислот и щелочей может претерпевать изменения, связанные с гидролизом дисульфидных связей. Кератин более устойчив к действию кислот, чем к действию щелочей. Химические методы используют как для полного (тотального) гидролиза белков, так и для частичного, а в некоторых случаях, и для точечного (избирательного) разрыва пептидных связей. При обработке шерсти соляной кислотой при температуре 80 ° С в течение 8 часов гидролизуется около35 % пептидных связей. Волокна шерсти могут быть полностью гидролизованы в соляной кислоте при кипячении в течение 4 часов. Серная кислота при значительных ее концентрациях, кроме действия на различные функциональные группы и связи в кератине, влияет на остатки серина и треонина, содержащие гидроксильные группы. Растворимость кератина в щелочи зависит от ее концентрации, длительности обработки и температуры. В процессе обработки 0,1 н. едким натром при температуре 65 °С втечение 1 часа растворяется около 10 % волокон шерсти. Растворимость кератина в щелочи увеличивается, если предварительно разрушить в не пептидные и дисульфидные связи. Кератин обладает большой устойчивостью к действию ферментов. Однако после восстановления дисульфидных связей он подвергается ферментативному воздействию. Чувствительность к действию ферментов повышается при переходе -кератина в -кератин [1]. Кератин является специфическим веществом в эпителиальных тканях и еще содержится в волосах, роговице, ногтях, исключение - хрусталик. Кератин можно встретить еще где - то. Нервные ткани содержат кератин в виде нейрокератина, исключение - сетчатка и обонятельный нерв. Кератин выходит из белковых составляющих, замещая части кислорода белка компонентами серы. Кератин отличим своим составом от белка максимальным содержанием серы (Дрексель). Кератин способен разбухать в воде, удельный вес меньше уксусной кислоты и растворяется в щелочах и растворах калия и натрия. В числе продуктов разложения. Разлагаясь, дает, как все белки - аммиак, жирные кислоты, лейцины и тирозины, сероводород. Кератина, в основе своей представляет омертвевшие клетки. Формируясь из отмерших клеток, все выталкивается вновь образовавшимися клетками наружу. Отмершие клетки служат прекрасным защитным слоем для вновь образуемого нежного слоя кератина, который образуется под ним. Это вещество весьма стойкое к разрушениям и содержит дисульфид цистеина, что дает возможность формировать двусульфидные мосты. Эти цепочки представляют спиралеобразную конструкцию, которая весьма устойчива, на основании тесного расположению атомов серы в самой спирали - составляя волокнистую матрицу, где присутствует высокая степень растворимости. На основании от того, сколько дисульфид цистеина содержит кератина, само соединение очень сильное, чтобы образовывать твердые клетки такие же, как и те, что находятся в копытах. Они бывают мягче, придав кератину гибкость (волоса и кожа). При высоком уровне содержания серы в кератине, когда он сгорает - выделяется сильный запах серы, что является неприятным явлением. Кератин производится кератиноцитами - живыми клетками, которые синтезируют кератин. Это является основой ногтей, кожи, волос. Клетки движутся вверх - умирают и формируют защитный барьер. |