Способ комплексной переработки хитинсодержащего сырья отходов рачка гаммаруса (gammarus lacustris)

Способ комплексной переработки хитинсодержащего сырья отходов рачка гаммаруса (gammarus lacustris)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способам комплексной переработки хитинсодержащего сырья с целью получения каратиноидно-липидного комплекса, ферментативных белковых гидролизатов и хитина/хитозана.

Известен способ получения хитина из панцирьсодержащих отходов речных раков, предусматривающий деминерализацию подготовленного сырья, ферментативную депротеинизацию и щелочную очистку [1]. Перед деминерализацией влажные панцирьсодержащие отходы обесцвечивают спиртом, затем к обесцвеченному высушенному панцирю добавляют воду в соотношении 1:8-1:10 и при перемешивании порциями концентрированную соляную кислоту для деминерализации, доводя концентрацию до 2-4% в течение 30-40 мин. Деминерализацию осуществляют в течение 1-1,5 часа при температуре 20-25°С. Ферментативную депротеинизацию совмещают с окончательной деминерализацией, которую проводят кислым фермент-субстратом из желудков сома.

Недостатком данного способа является сложность получения фермент-субстрата из желудков сома в достаточных объемах для проведения технологического процесса.

Известен способ получения хитина из панциря криля, включающий стадию деминерализации обработкой 3,5%-ной НСl в течение 1,5 ч при комнатной температуре, стадию депротеинирования обработкой 3,5%-ным раствором NaOH в течение более двух часов при температуре 25°С, характеризующийся тем, что после стадии деминерализации сырье обрабатывают уксусно-этиловым эфиром для удаления липидов (обезжиривания) [2].

Недостатком данного способа является использование дорогих реактивов.

Известен способ получения хитина и хитозана из рачка Гаммаруса [3]. Сущность изобретения заключается в обработке рачка разбавленным водным раствором едкого натра в две стадии. На первой стадии используют 0.1 н водный раствор едкого натра, на второй - 3% водный раствор едкого натра. Затем проводят обработку разбавленным водным раствором соляной кислоты и промывку обработанного сырья. Полученный хитин подвергают деацетилированию 50% водным раствором едкого натра при 120-130°С в течение 1-2 часов.

Недостатком данного способа является использование кислотных и щелочных реагентов дорогостоящих и опасных в обращении.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип, является способ комплексной обработки хитинсодержащего сырья с целью получения хитина/хитозана и ферментативных белковых гидролизатов, предназначенных для использования в качестве основы микробиологических питательных сред [4]. Осуществляют ферментативный гидролиз белков хитинсодержащих отходов под действием протеолитического фермента, выделяемого гепатопанкреасом - сырцом краба или ферментного препарата, выделяемого из него. Полученный раствор гидролизата очищают соосаждением липидов и нерастворимых веществ хитозаном. Очищенный белковый гидролизат высушивают. При получении хитина первую депротеинизацию проводят при температуре не более 20°С. Дезацетилирование хитина проводят 20-60%-ным раствором гидроксида натрия при соотношении раствор гидроксида натрия: влажный хитин (20-60):1 и температуре 95-120°С при периодическом перемешивании, начало процесса дезацетилирования в течение 5 мин проводят в вакууме при давлении 0,5-1,0 кг/см².

Недостатком данного способа является использование дорогостоящих протеолитических ферментов и технологическая сложность проведения процесса.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является получение каратиноидно-липидного комплекса, ферментативных белковых гидролизатов и хитина/хитозана из местного исходного сырья, отходов переработки рачка Гаммарус, менее деструктированного и с большой степенью удельной поверхности предельного объема сорбционного пространства за счет удаления каратиноидно-липидного комплекса, белкового гидролизата и дополнительной депротенизации, а именно способ получения хитин-минерального комплекса из панцирьсодержащих отходов переработки рачка Гаммарус, предусматривающий выделение из сырья каратиноидно-липидного комплекса.

Отходы рачка Гаммаруса, полученные в результате переработки рачка па корм, очищенные от механических примесей, помещают в контейнер-фильтр из мелкопористой ткани и проводят его поэтапную обработку. Схема переработки рачка Гаммаруса представлена на рис.1.

На первом этапе сырье подвергают обработке 65-70% раствором этилового спирта при температуре 20-30°C в течение 4-6 ч, в соотношении сырье/экстрагент 1:10 с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц. По истечении времени экстракции контейнер-фильтр помещают в центрифугу для отделения каротиноидно-липидного комплекса (КЛК). Сырье промывают в проточной воде и отжимают. Выход КЛК составляет 5-10% по отношению к навеске сухого Гаммаруса.

На втором этапе сырье подвергают автоферментативному депротеинированию в водной среде с добавлением папаина (30-60 тыс. ЕД на 1 кг сырья) в течение 6-12 ч при температуре 25-30°С. По истечении времени сырье в контейнер-фильтре отжимают на центрифуге, получая при этом белковый гидролизат, а твердый осадок многократно промывают.

На третьем этапе сырье в контейнер-фильтре подвергают ингибированию 2-3% раствором перекиси водорода в течение 4 ч. При этом сырье одновременно подвергается обеззараживанию, отбеливанию и дезодорированию. По истечении времени сырье многократно промывают в токе воды с температурой 40-50°C, отжимают на центрифуге.

На четвертом этапе сырье в контейнер-фильтре подвергают окончательному депротеинированию и обезжириванию 10% раствором карбоната натрия при температуре раствора 80-85°С в соотношении сырье/экстрагент 1:10 в течение 1 ч с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц. Продукт промывают в токе воды до обесцвечивания, отжимают на центрифуге.

На пятом этапе полученный хитин-минеральный комплекс подвергается деминерализации 5-10% раствором соляной кислоты при СВЧ-нагреве в течение 15 мин с мощностью тока 400-600 Вт. Соотношение сырье/экстрагент - 1:10.

На шестом этапе дезацетилирование хитина проводят 30% раствором карбоната натрия при СВЧ-нагреве в течение 25-60 мин с мощностью тока 400-600 Вт. Полученный таким образом хитозан промывают в токе воды до обесцвечивания, отжимают на центрифуге и контейнер-фильтр сушат в потоке воздуха с температурой 30-40°C. Соотношение сырье/экстрагент - 1:5.

Пример 1

500 г хитиносодержащего сырья помещали в тканевой мелкопористый контейнер-фильтр и укладывали в ультразвуковую ванну емкостью 5 л, заливали 5 л 70% раствора этилового спирта, включали ультразвуковой генератор с частотой излучения 40 кГц, после 4 часов экстрагирования отделяли контейнер-фильтр с Гаммарусом от раствора, процеживая и отжимая сырье. По истечении времени экстракции контейнер-фильтр помещают в центрифугу для отделения КЛК. Выход КЛК составлял до 10% по отношению к навеске сухого Гаммаруса. Сырье промывали в проточной воде и отжимали в центрифуге.

Затем сырье в контейнер-фильтре подвергали автоферментативному депротеинированию в водной среде с добавлением папаина (30 тыс. ЕД на 1 кг сырья) в течение 6 ч при температуре 25-30°С. По истечении времени сырье отжимали на центрифуге, многократно промывали. Полученный белковый гидролизат фильтровали и сушили на вакуумной установке при t=45-50°C, вакуумметрическое давление составляло 0,5-0,6 кг/см².

На следующем этапе сырье в контейнер-фильтре подвергали ингибированию 2% раствором перекиси водорода в течение 4 ч. При этом сырье одновременно подвергали обеззараживанию, отбеливанию и дезодорированию. По истечении времени сырье многократно промывали в токе воды с температурой 40-50°С, отжимали на центрифуге.

После этого контейнер-фильтр с отжатым сырьем заливали 5 л 4%-ного раствора карбоната натрия, нагревали раствор до 80-85°С и выдерживали в ультразвуковой ванне в течение 1 ч. После 1 часа экстрагирования отделяли контейнер-фильтр с Гаммарусом от раствора, отжимали сырье и помещали во вращающеюся промывочную ванну, промывку проводили в потоке воды до обесцвечивания промывочных вод, отжимали на центрифуге.

Полученный хитин-минеральный комплекс подвергали деминерализации 5% раствором соляной кислоты при СВЧ-нагреве в течение 15 мин мощностью тока 400-600 Вт.

Дезацетилирование хитина проводили 30% раствором карбоната натрия при СВЧ-нагреве в течение 25-60 мин с мощностью тока 400 Вт. Полученный таким образом хитозан промывали в токе воды до обесцвечивания, отжимали на центрифуге и контейнер-фильтр с хитином сушили в потоке воздуха с температурой 30-40°С.

Пример 2. Аналогичен примеру 1 за исключением того, что контейнер-фильтр с хитинсодержащим сырьем обезжиривали раствором карбоната натрия при температуре раствора 80-85°С, в течение 1 ч с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц.

Пример 3. Аналогичен примеру 1 за исключением того, что фильтр-контейнер - фильтры с хитинсодержащим сырьем обезжиривали раствором карбоната натрия в СВЧ-установке с мощностью излучения 400 Вт и выдерживали в растворе 15 мин.

Исследование качества продуктов переработки структуры хитин/хитозана

После удаления экстрагента выделенный из Гаммаруса КЛК представляет собой вязкую массу темно-коричневого цвета со слабым рыбным запахом. Результаты анализа жирно-кислотного состава КЛК показали, что в нем содержится достаточно высокое количество полиненасыщенных жирных кислот (до 25-30%). Количество эссенциальных жирных кислот составляет 15-20%. В КЛК содержатся также эйкозапентаеновая (до 9%) и докозагексаеновая (2,5%) жирные кислоты.

Оранжево-красный цвет раствору липидов Гаммаруса придает присутствие в них каротиноида астаксантина, содержание которого определено спектрофотометрическим методом, основанным на том, что каротиноиды имеют максимумы поглощения в ультрафиолетовом спектре [4]. Длина волны, соответствующая максимуму поглощения, определяется природой каротиноида и свойствами растворителя. Раствор астаксантина в хлороформе имеет максимум поглощения при длине волны 490 нм. Астаксантин применяется как антиоксидант в БАД.

Проведенные исследования показали, что для ферментативного гидролиза Гаммаруса рационально использовать папаин 30-60 тыс. ЕД на 1 кг сырья в течение 6 ч, поскольку дальнейшее увеличение его продолжительности не приводит к значительному накоплению аминного азота. Полученный гидролизат фильтровали, центрифугировали, а затем отправляли на вакуумную сушку при температуре 40-45°C и давлении 0,45 атм.

Выход сухого гидролизата из Гаммаруса составил до 15% по отношению к навеске сухого Гаммаруса. Сухой гидролизат, представляющий собой порошок светло-кремового цвета, полностью растворимый вводе, со слабым специфическим запахом Гаммаруса, содержит до 90% сухих веществ, белка - 70-75, липидов - 2-2,5%, углеводов - 4,0-4,5%, минеральных веществ до 10% при рН 7,2 и плотности 1,002 г/см³. Также в ферментативном гидролизате из Гаммаруса присутствует полный набор незаменимых и заменимых аминокислот.

Остаток, содержащий хитин, подвергали депротеинированию. ИК-спектр хитин-минерального комплекса, полученного из Гаммаруса по разработанной технологии, характеризуется наличием в нем полос поглощения, характерных для хитина ракообразных, но отличается по ярко выраженным полосам поглощения частот 712,876 и 1440 см^-1, характеризующим колебания аниона СО₃ ^2- карбоната кальция, которые отсутствуют в спектре хитина.

Результаты исследования пористой структуры образцов хитин-минерального комплекса показали, что они имеют развитую внутреннюю поверхность S_уд м²/г - 4,3 с предельным объемом сорбционного пространства по бензолу, см³/г - 0,0074. Полученные данные свидетельствуют о том, что увеличение удельной поверхности и предельного объема сорбционного пространства хитин-минерального комплекса достигнуто благодаря введению в технологический процесс стадии дополнительного удаления липидов и дополнительной депротенизация перекисью водорода.

Основные качества хитин-минерального комплекса, полученного из отходов переработки Гаммаруса по разработанной технологии, представлены в таблице 1.

В процессе экстракции и обработки сырья при воздействии ультразвука с заданной частотой на экстрагируемую массу в ней возникают явления кавитации, импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках, обусловливают воздействие на хитиносодержащий материал и каротинодно-липидный комплекс, что обуславливает лучший эффект экстракции и воздействие химических растворов на сырье в контейнер-фильтрах.

В результате проведенных технических операций в примере 1 получили 13,2% каротинодно-липидного комплекса и 33,7% хитин-минерального комплекса к исходному сырью.

Результаты исследования пористой структуры образцов хитин-минерального материала, хитина и хитозана, полученных различными способами из Гаммаруса, приведенные в таблице 2, показали, что наиболее развитую внутреннюю поверхность из исследованных образцов имел хитин-минеральный материал, полученный в примере 1.

Исследования по определению сорбционных свойств хитин-минерального комплекса в сравнении с хитином и хитозаном в отношении ионов меди из водных растворов в широком диапазоне концентраций и полученные при этом результаты свидетельствуют о том, что хитин-минеральный комплекс, полученный в примере 1, обладает на порядок более высокими сорбционными свойствами, чем в других примерах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мукатова М.Д. Пат. 2269913 Российской Федерации, МПК⁶ А23L 1/33. Способ получения хитина. / М.Д. Мукатова, Р.Р. Утеушев; заявитель и патентообладатель Астраханский государственный технический университет, Мукатова М.Д. 2004138042/13, заявл. 24.12.2004; опубл. 20.02.2006.

2. Бржески М.М. Получение хитина/хитозана из панцирей антарктического криля (Euphausia superba Dana) в промышленном масштабе. // Материалы Второй Международной конференции по хитину и хитозану, Саппоро, Япония, 1982. Перевод КЕ-57232 Киев, 1983.

3. Голицин В.П. Пат. 2065477 Российской Федерации, МПК⁶ С08В 37/08. Способ получения хитозана. / Голицин В.П., Цветков В.Г., Иванов А.В., Гартман О.Р.; заявитель и патетообладатель Голицин В.П., Цветков В.Г., Иванов А.В., Гартман О.Р. 92009141/04, заявл. 30.11.1992; опубл. 20.08.1996.

4. Новиков В.Ю. Пат. 2207033, 2269913 Российской Федерации, МПК⁶ A23L 1/33. Способ безотходной комплексной переработки хитиносодержащего сырья. / Новиков В.Ю., Мухин В.А., Чилингарян Г.Г.; заявитель и патетообладатель Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича, ООО НТЦ "Экобиотек-Мурманск". 2000117616/13, заявл. 04.07.2000; опубл. 27.06.2003.

1. Способ получения хитин-минерального комплекса из панцирьсодержащих отходов переработки рачка Гаммарус, предусматривающий выделение из сырья каратиноидно-липидного комплекса 65-70% раствором этилового спирта при температуре 20-30°С в течение 4-6 ч в соотношении сырье/экстрагент 1:10 с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц, по истечении времени экстракции контейнер-фильтр помещают в центрифугу для отделения каротиноидно-липидного комплекса (КЛК), сырье промывают в проточной воде и отжимают, выход КЛК 5-10% по отношению к навеске сухого Гаммаруса, производят автоферментативное депротеинирование в водной среде с добавлением папаина 30-60 тыс. ЕД на 1 кг сырья в течение 6-12 ч при температуре 25-30°C, по истечении времени сырье в контейнер-фильтре отжимают на центрифуге, получают белковый гидролизат, твердый осадок промывают, производят ингибирование 2-3% раствором перекиси водорода в течение 4 ч, сырье подвергают обеззараживанию, отбеливанию и дезодорированию, по истечении времени сырье многократно промывают в токе воды с температурой 40-50°С, отжимают на центрифуге, производят депротеинирование и обезжиривание 10% раствором карбоната натрия при температуре раствора 80-85°С в соотношении сырье/экстрагент 1:10 в течение 1 ч с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц, продукт промывают в токе воды до обесцвечивания, отжимают на центрифуге, производят деминерализацию 5-10% раствором соляной кислоты в соотношении сырье/экстрагент 1:10, при СВЧ-нагреве в течение 15 мин мощностью 400-600 Вт, производят дезацетилирование 30% раствором карбоната натрия в соотношении сырье/экстрагент 1:5, при СВЧ-нагреве в течение 25-60 мин с мощностью 400-600 Вт, производят промывку в токе воды до обесцвечивания, отжим на центрифуге, сушку в потоке воздуха с температурой 30-40°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что все технологические процессы проводятся в контейнер-фильтрах, выполненных из мелкопористой ткани.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сырье подвергают автоферментативному депротеинированию в водной среде с добавлением папаина 30-60 тыс. ЕД на 1 кг сырья с последующим ингибированием, отбеливанием и дезодорированием 2-3% раствором перекиси водорода.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что депротеинирование и обезжиривание проводят 10% раствором карбоната натрия при температуре 80-85°С в соотношении сырье/экстрагент 1:10 в течение 1 ч под действием ультразвука с частотой 27-40 кГц.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что деминерализацию проводят 5-10% раствором соляной кислоты в соотношении сырье/экстрагент 1:10 при СВЧ-нагреве в течение 15 мин мощностью 400-600 Вт.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что дезацетилирование проводят 30% раствором карбоната натрия в соотношении сырье/экстрагент 1:5 при СВЧ-нагреве в течение 25-60 мин мощностью тока 400-600 Вт.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что фильтр-контейнер - фильтры с хитинсодержащим сырьем обезжиривали раствором карбоната натрия в СВЧ-установке с мощностью излучения 400 Вт и выдерживали в растворе 15 мин.