Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХИТИН-МИНЕРАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ИЗ ПАНЦИРЬСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ РАЧКА ГАММАРУС

Изобретение относится к способам комплексной переработки хитинсодержащего сырья с целью получения каратиноидно-липидного, минерально-протеидного, хитин-минерального комплексов, ферментативных белковых гидролизатов и хитина/хитозана. Каратиноидно-липидный комплекс получают экстракцией сырья раствором этилового спирта с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц с дальнейшей концентрацией и сушкой в вакууме при давлении 0,5-1,0 кг/см². Для получения белкового гидролизата сырье подвергают автоферментативному депротеинированию в водной среде с добавлением папаина. Очищенный белковый гидролизат концентрируют и высушивают. Оставшееся сырье в контейнер-фильтре подвергают ингибированию 2-3% раствором перекиси водорода, многократно промывают, отжимают на центрифуге. Окончательное депротеинирование и обезжиривание осуществляют 10% раствором карбоната натрия (Na₂СО₃) при температуре раствора 80-85°C, в соотношении сырье/экстрагент 1:10 в течение 1 ч с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц. Полученный хитин-минеральный комплекс подвергается деминерализации 5% раствором соляной кислоты при СВЧ нагреве в течение 15 мин. Дезацетилирование хитина проводят 30% раствором карбоната натрия (Na₂СО₃) при СВЧ нагреве мощностью 400-600 Вт в течение 25-60 мин. 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.

Предлагаемое изобретение позволяет утилизировать отходы добычи и переработки рачка гаммарус, получая при этом биологически активные продукты: сухие порошки кератиноидно-липидного комплекса ферментативные белковые гидролизаты, хитин, хитозан, которые могут быть использован в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, косметики, экологии, в качестве сорбента ионов тяжелых и редкоземельных металлов, биологических веществ.

Известен способ получения хитина (пат. РФ №2269913 от 20.02.2006) из панцирьсодержащих отходов речных раков, предусматривающий деминерализацию подготовленного сырья, ферментативную депротеинизацию и щелочную очистку. Перед деминерализацией влажные панцирь-содержащие 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 ее концентрацию до 2-4% в течение 30-40 мин. Деминерализацию осуществляют в течение 1-1,5 часа при температуре 20-25°C. Ферментативную депротеинизацию совмещают с окончательной деминерализацией и 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 HCl в течение 1,5 ч при комнатной температуре; стадию депротеинирования обработкой 3,5%-ным раствором NaOH в течение более двух часов при температуре 25°C, характеризующийся тем, что после стадии деминерализации сырье обрабатывают уксусно-этиловым эфиром для удаления липидов (Получение хитина/хитозана из панцирей антарктического криля в промышленном масштабе. Материалы международной конференции по хитину и хитозану, Япония, 1982).

Недостатком данного способа является использование чрезвычайно дорогих реактивов.

Известен способ получения хитина и хитозана из рачка Гаммаруса (пат. РФ №2065447 от 20.08.1996), сущность изобретения заключается в обработке рачка разбавленным водным раствором едкого натра в две стадии. На первой стадии используют 0,1н. водный раствор едкого натра, а на второй стадии используют 3% мас. водный раствор едкого натра. Затем проводят обработку разбавленным водным раствором соляной кислоты и промывку обработанного сырья. Полученный при этом хитин подвергают деацетилированию 50% мас. водным раствором едкого натра при 120-130°C 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 (пат. РФ №2207033 от 27.06.2003) комплексной обработки хитинсодержащего сырья с целью получения хитина/хитозана и ферментативных белковых гидролизатов, предназначенных для использования в качестве основы микробиологических питательных сред. 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°C. Дезацетилирование хитина проводят 20-60%-ным раствором гидроксида натрия при соотношении раствор гидроксида натрия:влажный хитин (20-60):1 и температуре 95-120°C при периодическом перемешивании, причем 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.

В основу изобретения положена задача получения хитин-минерального комплекса, 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.

Отходы рачка Гаммаруса (Cammarus lfcustris), полученные в результате переработки рачка на корм, очищенные от механических примесей, помещают в контейнер-фильтр из мелкопористой ткани и проводят его поэтапную обработку.

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°C. По истечении времени сырье в контейнер-фильтре отжимают на центрифуге, получая при этом белковый гидролизат, а твердые осадок многократно промывают.

На третьем этапе сырье в контейнер-фильтре подвергают ингибированию 2-3% раствором перекиси водорода (H₂O₂) 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 (Na₂СО₃) при температуре раствора 80-85°C, 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 деминирализации 5-10% раствором соляной кислоты в соотношении сырье/экстрагент 1:10 при СВЧ нагреве в течение 15 мин с мощностью тока 400-600 Вт.

На шестом этапе дезацетилирование хитина проводят 30%-ным раствором карбоната натрия (Na₂СО₃) в соотношении сырье/экстрагент 1:5 при СВЧ нагреве в течение 25-60 мин с мощностью излучения 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.

Пример 1.

500 г хитин-содержащего сырья помещали в тканевой мелкопористый контейнер-фильтр и укладывали в ультразвуковую ванну емкостью 5 литров, заливали 5 литрами 70% раствора этилового спирта, включали ультразвуковой генератор с частотой излучения 27-40 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 каротиноидно-липидного комплекса (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 (30-60 тыс ЕД на 1 кг сырья), в течение 6 ч при температуре 25-30°C. 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 (Н₂О₂) 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°C, отжимали на центрифуге.

После этого контейнер-фильтр с отжатым сырьем обезжиривали 10% раствором карбоната натрия (Na₂CO₃) при температуре раствора 80-85°C, в соотношении сырье/экстрагент 1:10 в течение 1 ч с одновременным воздействием ультразвука с частотой 27-40 кГц. После 1 часа экстрагирования отделяли контейнер-фильтр с гаммарусом от раствора, отжимали сырье и помещали во вращающуюся промывочную ванну, промывку проводили в потоке воды до обесцвечивания промывочных вод, отжимали на центрифуге.

Полученный хитин-минеральный комплекс подвергали деминерализации 5-10% раствором соляной кислоты в соотношении сырье/экстрагент 1:10 при СВЧ нагреве в течение 15 мин мощностью тока 400-600 Вт.

Дезацетилирование хитина проводили 30% раствором карбоната натрия (Na₂ СО₃) при СВЧ нагреве в течение 25-60 мин с мощностью излучения 400-600 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°C.

Пример 2. Аналогичен примеру 1 за исключением того, что контейнер-фильтр с хитин-содержащим сырьем обезжиривали раствором карбоната натрия (Na₂CO₃) при комнатной температуре 18-22°C, контейнер-фильтр выдерживали в растворе 6 часов.

Пример 3. Аналогичен примеру 1 за исключением того, что фильтр-контейнер-фильтры с хитин-содержащим сырьем обезжиривали раствором карбоната натрия (Na₂CO₃) 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 них 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%) полиненасыщенные 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 в воде, 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 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 депротенизации 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 табл.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.

Источники информации

1. Мукатова М.Д. Пат. 2269913, Российской Федерации, МПК⁶ A23L 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; опуб. 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 C08B 37/08 Способ получения хитозана. / Голицин В.П., Цветков В.Г., Иванов А.В., Гартман О.Р., заявитель и патентообладатель 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 патентообладатель 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.

5. Ржаеская Ф.М., Меняева Т.М. Сб. науч. тр. «Экология моря». - Вып.64. - Севастополь: ИНБЮМ, 2003. - С.62-64.