способ получения полифункционального коллагенового препарата

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОЛЛАГЕНОВОГО ПРЕПАРАТА, включающий механическую обработку и измельчение коллагенсодержащего сырья, его щелочную обработку, подкисление коллагеновой массы и сушку препарата, отличающийся тем, что перед щелочной обработкой сырье дополнительно промывают водой и щелочесолевым раствором с содержанием хлорида натрия не более 0,3% при рН не более 12, щелочную обработку осуществляют 1 7%-ным раствором щелочи при температуре -40 ^oC +25^oС и рН более 13 в течение от 10 ч до 7 сут, а перед сушкой дополнительно проводят гомогенизацию препарата.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве коллагенсодержащего сырья используют обрезь золеных или незоленых шкур сельскохозяйственных животных или соединительные ткани типа сухожилий, хрящей, артерий или вен, или кожу сельскохозяйственной птицы, или кожнокостный остаток промысловых рыб.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сырье подвергают грубой механической дезинтеграции.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что после промывок сырье подвергают морозильному хранению.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в щелочной раствор дополнительно вводят не более 1 мас. перекиси водорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой и фармацевтической отраслям промышленности, в частности к способам выделения коллагенового препарата из коллагенсодержащих биоматериалов. Получаемый по предлагаемому способу коллагеновый препарат благодаря полноценному комплексу физико-химических свойств может быть использован в качестве универсального функционального компонента при изготовлении пищевой, фармацевтической и медицинской продукции.

Из известных способов обработки коллагенсодержащего сырья наиболее распространены методы механического диспергирования с использованием полученных продуктов в качестве пищевых белковых разбавителей, наполнителей. Использование пищевых добавок такого рода не рационально, так как они не обладают функциональными свойствами, присущими коллагену, за исключением влагоудерживающей способности (ВУС), и кроме того, характеризуются низкой усвояемостью.

Широко известны способы выделения коллагеновых дисперсий, основанные на щелочной и последующей кислотной обработке, которые относятся к получению съедобных оболочек, либо являются подготовительной стадией к процессу получения желатина. В первом случае обработка сырья имеет конечной целью получение дисперсий, состоящих в основном из волокнистого коллагена, а в последнем полностью денатурированного, гидролизованного до низкомолекулярных фракций желатина. То и другое состояние коллагена не являются оптимальными с точки зрения проявления функциональных свойств: эмульгирующей активности, пено- и гелеобразующей способности и т.д. Желатин традиционно используемый гелеобразователь, однако, гели на его основе без дополнительных компонентов (например, полисахаридов) низкоплавки, что весьма ограничивает область их применения. Желатин обладает низкими эмульгирующими и пенообразующими свойствами, а его производство относится к высокоэнергоемким процессам. Функциональные свойства грубодисперсных коллагеновых паст используемых для производства белковых оболочек, не обсуждаются, способы их получения многостадийны и многокомпонентны по составу химических реагентов.

Известен способ получения коллагена для пищевой промышленности, используемого в качестве осветлителя напитков. В основу способа положен частичный гидролиз некоторых коллагенсодержащих тканей действием кислот или щелочей с последующей сушкой и измельчением. Функциональные свойства полученного препарата не обсуждаются. Гидролиз сырья, проводимый данным способом, очень длителен, и продукт, получаемый таким путем, по своим физико-химическим свойствам близок к желатину.

Наиболее близким к предлагаемому является известный способ получения порошкообразного коллагена из дермальной ткани, включающий стадию специальной механической обработки сырой шкуры крупного рогатого скота путем отделения эпидермиса и подкожной клетчатки, так называемого двоения, расщепления дермы на слои толщиной менее 1 мм (оптимально 0,8 мм) и стадию щелочной обработки подготовленного таким образом сырья. Щелочная обработка проводится при умеренных температурах (не выше 20^оС), либо при охлаждении до 0-5^оС в пределах рН 11,5-12,5 (оптимально при рН 12,0), сопровождается отмывкой сырья от избытка щелочи, подкислением полученной коллагеновой массы до пищевых значений рН 5,5-7,5. Подкисленную массу дегидратируют, высушивают при температуре не выше 35^оС, измельчают и получают так называемый порошок дермальных тканей, обладающий свойствами нативного коллагена, который рекомендуют для использования в медицинской, косметической и пищевой отраслях промышленности.

Из функциональных свойств данного продукта отмечены высокая связывающая, водопоглощающая и влагоудерживающая способности, благодаря которым он может применяться в качестве наполнителя и связующего в мясных и рыбных продуктах пастообразной консистенции.

Описанный метод получения коллагенового порошка достаточно эффективен при наличии дорогостоящего оборудования для осуществления двоения шкур и расщепления сетчатого слоя дермы. Необходимость специфической механической обработки накладывает ограничения на выбор коллагенсодержащего сырья. Приемлемым для такой обработки материалом остаются практически лишь шкуры крупного рогатого скота вследствие специфики строения дермы. Щелочная обработка в указанных условиях (рН и температура) не позволяет достигнуть разупорядочения надмолекулярных структур коллагена до уровня фибрилл, а именно эти структурные единицы обеспечивают оптимальную возможность проявления поверхностно-активных свойств коллагена. Серьезным недостатком данного метода является измельчение сухого белкового препарата до порошкообразного состояния, так как это неизбежно приводит к значительной потере функциональных свойств.

В основу предлагаемого изобретения положена задача разработать универсальный и упрощенный способ выделения коллагенового препарата из коллагенсодержащих биоматериалов мягких соединительных тканей различных типов и видового происхождения, обладающего полноценным комплексом функциональных свойств, наиболее существенных для пищевой и фармацевтической промышленности, таких как, например, эмульгирующая активность, пено- и гелеобразующая способность, влаго- и жароудерживающая способность и т.п.

Поставленная цель достигается тем, что щелочной обработкой предварительно подготовленного сырья обеспечивается ограниченный гидролиз, разволокнение дермы и разупорядочение надмолекулярных структур коллагена до уровня фибрилл.

Предлагаемый способ технологичен, он не требует специального дорогостоящего оборудования, так как не предусматривает двоения шкур и щепления дермы, согласно изобретению необходимо и достаточно грубое измельчение сырья на дезинтеграторе типа куттера и мясорубки. Предлагаемый способ универсален с той точки зрения, что практически не имеет ограничений в выборе коллагенсодержащего сырья и предусматривает его комплексную переработку. Исходным сырьем могут служить обезволошенные золеные и незоленые шкуры или обрезь шкур убойных сельскохозяйственных животных, кожа сельскохозяйственной птицы, очищенная от чешуи кожа, кости и плавники промысловых рыб, мягкие соединительные ткани типа сухожилий, хрящей, артерий и вен и т.п. Перечисленное сырье представляет собой многотоннажные отходы мясо- и рыбоперерабатывающей, а также кожевенной отраслей промышленности, поэтому при реализации предлагаемого способа в промышленном оформлении получаемый коллагеновый препарат, по-видимому, будет экономичнее известных в настоящее время белковых наполнителей и традиционных функциональных пищевых добавок, таких как желатин, яичный альбумин, казеин и пр.

Предлагаемый способ приводит к получению полифункциональных коллагеновых препаратов независимо от вида сырья в рамках вышеперечисленногоо, которые могут служить гелеобразующими добавками, стабилизаторами эмульсий, дисперсий и пен и т.п.

Предлагаемый способ получения коллагенового препарата предусматривает следующие стадии обработки сырья:

1) механическую очистку сырья от сопутствующих компонентов (остатков шерсти, пера, чешуи, подкожного жира до остаточного слоя не более 1 мм);

2) грубое измельчение сырья до размеров фрагментов 1х1 2х2 см резанием;

3) отмывку измельченного сырья от сопутствующих примесей (водорастворимых белков, а также липидов, снижающих сроки хранения целевого продукта и влияющих на дальнейший процесс щелочного воздействия). Сначала сырье промывают водой при интенсивном перемешивании, гидромодуль 1:5-1:10, чем достигают удаления большей части белков альбуминовой и глобулиновой фракций и частичной отмывки свободных липидов за счет эмульгирующего действия глобулярных белков. Липиды пищевого назначения удаляются механически. Затем сырье отмывают щелочно-солевым раствором, содержащим около 0,3% гидроокиси натрия и 0,3% поваренной соли, имеющим рН в пределах 11-12 (оптимальный режим рН 11,5), гидромодуль 1:5-1:10. Температурный режим не является определяющим, температура может лежать в пределах 4-23^оС (оптимальная температура 10-15^оС). Число циклов отмывки (1-4) зависит от природы коллагенсодержащего сырья, количества примесей и их характера. В процессе щелочно-солевой отмывки удаляются миофибриллярные мышечные белки и липиды. На этой стадии наряду с удалением примесей осуществляется необходимая подготовка сырья к стадии щелочной обработки: происходит набухание и разрыхление дермы за счет диффузии электролитов (NaOH и NaCl) вглубь дермы и разрушения наиболее лабильных связей, в том числе ковалентных групп типа эфирных.

4) В том случае, если подготовленный как указано выше материал собираются подвергнуть морозильному хранению, промытое сырье отжимают от избытка жидкой фазы, заливают 5-6-кратным объемом воды и нейтрализуют растворами пищевых кислот до рН 5-8 при встряхивании или перемешивании при температуре не выше 35^оС (оптимально 15-18^оС), отжимают от лишней жидкости и хранят в морозильнике при температуре (-10)-(-18)^оС в течение 1 мес. Стадия морозильного хранения сырья, подготовленного к щелочной обработке, не является обязательной. Она не приводит к потере функциональных свойств целевого продукта и создает преимущества при промышленном оформлении способа, когда исходное сырье, как правило, поступает периодически большими партиями.

5) В зависимости от специфики коллагенсодержащего сырья щелочная обработка может быть одно- или двухстадийной. Дермальные ткани повышенной плотности (например, кожа птицы или незоленая шкура крупного рогатого скота) требуют более сильного щелочного воздействия для разволокнения и разупорядочения волокон коллагена. В этих случаях как замороженное, так и не подвергавшееся замораживанию подготовленное промытое сырье заливают 5-7%-ным раствором щелочи и выдерживают 1 сут при температуре 20-23^оС при гидромодуле 3-5, или 2 сут при температуре 4-6^оС. Полученную массу подвергают подкислению раствором НСl до рН 4-6, промывают водой 1-2 раза от избытка солей, а затем повторно обрабатывают разбавлением (0,1-0,5% раствором щелочи при гидромодуле 2-2,5 в течение 10-20 ч при температуре 20-23^оС, либо в течение 1,5 сут при температуре 4-8^оС.

Более рыхлое сырье, легко набухающее в растворах щелочей, подвергают однократной щелочной обработке. Подготовленное промытое сырье заливают 1-5% -ным раствором щелочи при гидромодуле 1-4 на период от одних до нескольких суток в зависимости от температурного режима и вида сырья. Критерием окончания щелочной обработки является достижение равновесного набухания, размягчение набухших тканей, не сопровождающееся заметным растворением (растворение фиксируется по отслоению жидкой фазы над набухшими частицами).

Некоторые виды коллагенсодержащих биоматериалов, например, сухожилия, артерии, вены и т.п. вследствие особенностей строения дермы требуют введения в щелочной раствор специфических добавок для полного разволокнения материала. Таким реагентом служит перекись водорода. Окислительное воздействие одновременно со щелочным позволяет достигнуть оптимального уровня разволокнения пучков волокон коллагена сухожилий и им подобных коллагенсодержащих тканей.

6) Размягченное в щелочном растворе сырье подвергают гомогенизации, не допуская разогрева массы выше 35^оС (оптимально 30^оС). Затем осторожно при перемешивании гомогената подкисляют до пищевых пределов по рН растворами НСl или уксусной кислоты. Подкисленный гомогенат продавливают через сито с диаметром отверстий 1 мм для удаления неразволокненных остатков и прочих примесей и получают коллагеновый препарат в виде дисперсий с максимальным размером частиц в поперечнике 6-6,5 мкм, что соответствует диаметру фибрилл коллагена.

Стадии гомогенизации и нейтрализации дисперсии можно менять местами в зависимости от плотности обрабатываемого коллагенсодержащего сырья.

Комбинация перечисленных операций при подготовке сырья к щелочной обработке и проведение самой щелочной обработки, в том числе со специфическими добавками, в один или два этапа позволяет максимально расширить ассортимент коллагенсодержащего сырья для получения полифункционального коллагенового препарата.

Полученная влажная коллагеновая дисперсия с содержанием 8-16% сухих веществ обладает полноценным комплексом функциональных свойств: влаго- и жироудерживающими способностями, эмульгирующей активностью, пенообразующей способностью, гелеобразующей способностью, является активным стабилизатором пен, эмульсий и дисперсий, благодаря чему может быть использована в качестве функциональной добавки в пищевой и фармацевтической продукции.

Для получения более стабильного при хранении, менее подверженного бактериальному заражению и удобного для транспортировки материала коллагеновую дисперсию высушивают до содержания остаточной влаги 5-10% Сушку производят при активной циркуляции воздуха при температуре 25-35^оС (оптимально при 30^оС), либо в вакууме в присутствии осушителя.

Сухой коллагеновый препарат легко регидратируется (не применять воду при температуре выше 35^оС) и обладает тем же комплексом функциональных свойств, что и влажная дисперсия.

Для лучшего понимания сути изобретения приводятся следующие примеры.

П р и м е р 1. 1 кг свиной обезволошенной шкуры с механически отделенным подкожным жиром до остаточной толщины 1-2 мм измельчают резанием до кусков размеров приблизительно 2х2 см, промывают однократно 5-ю объемами воды при 10^оС и интенсивном перемешивании, снимая с поверхности собирающийся слой жира. Затем отжимают и промывают дважды 5-кратным объемом раствора, содержащего 0,3% NaCl и около 0,3% NaOH (рН 12), при 10^оС и перемешивании в течение 20-30 мин, с последующим механическим отделением жира. Отмытое сырье отжимают и измельчают на мясорубке с диаметром отверстий решетки 2 мм, заливают 2%-ным раствором щелочи (NaOH), жидкостной коэффициент 1, на 20 ч при комнатной температуре. Набухшее сырье гомогенизуют и получают коллагеновую дисперсию с максимальным размером частиц 6-6,5 мкм в поперечнике (что соответствует диаметру фибрилл свиного коллагена). Дисперсию продавливают через металлическую сетку с диаметром отверстий порядка 1 мм для удаления неразволокненных остатков дермы и включений щетины.

Однородную пасту подкисляют раствором соляной кислоты до рН 7,0, полученная дисперсия содержит примерно 15% сухих веществ и может применяться по целевому назначению, либо подвергается сушке на воздухе при комнатной температуре и интенсивной вентиляции. Сухой коллагеновый препарат содержит 10% остаточной влаги.

П р и м е р 2. 150 г разрезанных на куски размером 2х3-2х2 см ахиллесовых сухожилий промывали водой при жидкостном коэффициенте (ЖК) 5, при комнатной температуре, при интенсивном перемешивании, отжимали, промывали щелочесолевым раствором при ЖК 4, при комнатной температуре в течение 30 мин. После декантации сырье измельчали на мясорубке с диаметром отверстий решетки 5 мм и заливали его раствором 4% NaOH, содержащим 1 мас. перекиси водорода, рН 12,7, ЖК 2, выдерживали в течение 1 сут при комнатной температуре. Далее обрабатывали, как в примере 1.

П р и м е р 3. 0,5 кг обрези незоленых шкур крупного рогатого скота дважды промывают щелочесолевым раствором ЖК 5 при комнатной температуре, заливают 5%-ным раствором NaOH ЖК 3 на сутки при комнатной температуре, затем смесь нейтрализуют раствором соляной кислоты до рН 5,0, волокнистую массу промывают двукратным объемом холодной воды, отжимают и заливают 0,1%-ным раствором NаOH (рН 8,0) ЖК 2,5 на 10 ч при комнатной температуре с последующей обработкой по примеру 1.

Условия получения полифункционального препарата коллагена из различных видов сырья сведены в таблицу.

П р и м е р 4. 0,5 кг обрези незоленых шкур крупного рогатого скота, промытой, как описано в примере 3, заливают 3%-ным раствором NаOH ЖК 2 и помещают в морозильную камеру с температурой (-15)-(-18)^оС на сутки, после размораживания материал обрабатывают по примеру 1.

П р и м е р 5. 0,5 кг кожи с/х птицы, измельченной на мясорубке, промывают один раз 8-кратным объемом холодной воды при интенсивном перемешивании, механически убирают с поверхности жидкости жировой слой, затем 4 раза промывают щелочесолевым раствором при ЖК 10 при перемешивании и охлаждении системы до 8-10^оС. Отмытое сырье отжимают, заливают 3%-ным раствором NаОH и помещают в морозильную камеру глубокого охлаждения с температурой (-30)-(-40)^оС. После выдерживания в режиме глубокого охлаждения в течение двух суток сырье медленно оттаивают и далее обрабатывают по примеру 1.

Условия получения полифункционального препарата коллагена из различных видов коллагенсодержащего сырья сведены в таблицу.

П р и м е р 6. 0,5 кг обрези незоленых шкур крупного рогатого скота промывают однократно 5-ю объемами воды при 10^оС при интенсивном перемешивании. Отжимают и дважды промывают 5-кратным объемом раствора, содержащего 0,3% NaCl и 0,25% КОН (рН 12), при 10^оС и перемешивании в течение 30 мин. Сырье отжимают и измельчают на мясорубке, затем заливают 5-кратным объемом 5%-ного раствора КОН на сутки при комнатной температуре. Полученную массу нейтрализуют водным раствором соляной кислоты до рН 5,0, промывают двухкратным объемом воды, отжимают и заливают щелочным раствором 0,1% NaOH ЖК 2,5. Сырье выдерживают 10 ч при комнатной температуре. Полученную массу обрабатывают далее по примеру 1.

Полученный предлагаемым методом коллагеновый препарат белок микроволокнистой структуры без вкуса и запаха. Он обладает широким спектром функциональных свойств; имеет высокую эмульгирующую активность, пенообразующую способность, гелеобразующую способность, является активным стабилизатором эмульсий, дисперсий и пен, обладает высокой влаго- и жироудерживающей способностью. Благодаря перечисленным качествам, может быть использован в мясных, рыбных, колбасных изделиях, пищевых эмульсиях типа майонезов, маргарина, кондитерских кремов, в пищевых суспензиях типа соусов, овощных и фруктовых пюре, сбивных массах, изделиях типа желе и т.п.

Как связующий и влаго- или жироудерживающий компонент может использоваться в косметике и медицине.