Переработка кератинсодержащего сырья

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. Актуальность решения указанной проблемы также диктуется ухудшением экологической обстановки. 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.

       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. Наибольшая ценность данного сырья связана с наличием в них серосодержащих аминокислот цистина и метионина [Карпова В.П., 1977; Сапожникова А.И., 1997; Соболева А.В., 2004; Шамханов Ч.Ю., 2004; Шестаков С.С., 1979].

       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.

       Целью данной работы является исследование получения и использование кератинсодержащего сырья.

       В соответствии с целью были сформулированы и решены следующие задачи:

• изучить химический состав кератинсодержащего сырья;
• рассмотреть обработку и получения кератинсодержащего сырья;
• исследовать особенности обработки и переработки рогов и копыт;
• изучить обработку волос и щетины;
• проследить направления использования кератинсодержащего сырья на современном этапе.

       Объектом  исследования является кератинсодержащее сырье.

       Предмет исследования – процесс переработки  и использования кератинсодержащего сырья.

       Методы  исследования: диалектический; системного анализа.

       При выполнении работы использовалась литература по исследуемой проблеме, пакет нормативных актов, материалы периодических изданий, интернет-ресурсы официальных сайтов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ  КЕРАТИНОСОДЕРЖАЩЕГО 

          СЫРЬЯ 

       Существенным  ресурсом расширения кормовой базы сельскохозяйственных предприятий является кератинсодержащее сырье: рога, копыта, щетина, шерсть, малоценное перо, волос и другое. Ресурсы кератинсодержащего сырья мясной промышленности составили в 2010 г. 42,96 тыс. т, в том числе рого-копытного – 30,16 тыс.т, а в 2011 г. соответственно 45,07 и 30,97  тыс. т.

       В настоящее время указанное сырье  используется не полностью, что обусловлено особенностью строения белка керотина, являющегося главным компонентом этого сырья, а также несовершенством применяемых технологических методов его переработки.

       В этой связи изыскание путей рациональной переработки и использовании  кератинсодержащего сырья имеет важное народнохозяйственное значение.

       Структура и физические свойства кератинов  во многом зависят от их химического состава, который может изменяться под действием различных факторов внешней среды, например, термической обработки, ионизирующего излучения и др.

       Химический  состав рогов и копыт крупного рогатого скота и мелкого рогатого скота, волоса, пера представлена в таблице 1.

       Таблица 1 – Химический состав рогов и  копыт крупного рогатого скота и  мелкого рогатого скота, волоса и  пера

     

Сырье	Содержание, %
	влаги	золы	азота	жира
Копыта:
- крупного  рогатого скота	8,7	1,96	14,18	0,65
- мелкого  рогатого скота	8,4	1,78	14,30	0,58
Рога:
- крупного  рогатого скота	8,55	2,02	14,0	1,88
- мелкого  рогатого скота	6,85	1,60	14,4	1,7
Волос	6,7	6,9	13,9	2,5
Перо	7,0	4,0	13,7	3,0

     Кератинсодержащее сырье содержит от 13,7 до 14,4% азота или 85,6 – 90,0% сырого протеина. Фосфорного ангидрида и оксида кальция больше всего содержится в копытах свиней и рогах крупного рогатого скота, а оксида калия – в копытах крупного рогатого скота.

     Также приведем, полный элементный состав кератина рогов и копыт крупного рогатого скота (таблица 2).

     Таблица 2 – Полный элементный состав кератина рогов и копыт крупного рогатого скота

     

Наименование  элемента	Содержание, %
Углерод	45,53-48,26
Кислород	28,57-27,41
Азот	14,18-14,88
Водород	7,33-6,98
Сера	1,84-1,99
Фосфор	0,49-0,54
Магний	0,36
Кальций	0,25
Калий	0,15
Железо	0,14
Барий	0,037
Кремний	0,035
Цинк	0,032
Алюминий	0,029
Мышьяк	0,013
Марганец	0,0055
Молибден	0,0033
Хром	0,0016
Свинец	0,0016
Кобальт	0,0014
Медь	0,00033
Фтор	0,00003

 

       Кератины  шерсти животных содержат от 3 до 6% серы. Содержание азота в различных  кератинах варьируется от 14 до 16,5 %. Кератиносодержащее сырье характеризуется наличием незначительного количества липидов (1,5-1,8 %) и влаги (до 3 %). В его состав входят кальций и калий, причем из всех кератиновых образований наибольшее количество кальция находится в шерсти крупного рогатого скота.

       При исследовании аминокислотного состава  кератина установлено, что в нем  содержится все незаменимые аминокислоты, причем в незначительных количествах.

       Аминокислотный  состав кератина состоит из 19 аминокислот. Среди них нет оксипролина и оксилизина, которые являются основными аминокислотами коллагена, а вместо них присутствуют серосодержащие аминокислоты цистин и цистеин.

       Аминокислотный  состав кератина различных видов  сырья представлен в таблице  3 .

       Таблица 3 – Количественный состав аминокислот различного вида кератиносодержащего сырья.

     

Составные элементы Человеческий  волос Волос лошади Овечья шерсть Алании 6,88 1,5 4,4 В алии - 0,9 2,8 Лейцин 12,12 7,1 11,5 Аспарагиновая кислота - 0,3 2,3 Глютаминовая  кислота 8 3,7 12,9 Пролин - 3,4 4,4 Фенилаланин 0,62 - - Тирозин 3,3 3,2 2,9 Серии - 0,6 0,9 Цистин 11,55 - 7,3

 

       Различия  в аминокислотном составе кератина волос различных животных обуславливаются  особенностями процесса ороговения эпителиальных тканей. В ряде случаев  это связано с образованием различных  по своему морфологическому характеру  типов волоса. Так, например, волос  кролика отличается от тонкорунной  овечьей шерсти пониженным количеством  серосодержащих аминокислот и повышенным содержанием аминокислот основного характера.

       Это все указывает на то, что кератины представляют собой не индивидуальное химическое вещество, а целую группу белковых веществ.

       Существенным  отличием кератинов пигментированных волос пушных животных от непигментированной тонкорунной овечьей шерсти является повышенное содержание в первых тирозина. Так в волосе ондатры находится приблизительно 10-14% тирозина, а в волосе белки 6-12%.

       Интересно отметить, что аминокислотный состав кератинов волоса пушных животных изменяется в соответствии с сезонной изменчивостью (линькой) волосяного покрова.

       Известно, что остатки аминокислот в  белках соединяются друг с другом посредством пептидной связи, образуя  так называемые полипептидные цепочки, агрегация которых приводит к  формированию макромолекулы белка. Таким образом, следующим шагом в понимании структуры белка после расшифровки его аминокислотного состава являются вопросы о порядке чередования аминокислотных остатков в полипептидных цепочках (последовательность остатков), размеров полипептидных цепочек и природе остатков, находящихся в концевых участках цепочек.

       Сведения, позволяющие судить о молекулярном весе макромолекул белка, минимальном  числе образующих их полипептидов и  об их характере, могут быть получены посредством определения аминокислот, образующих конечные участки полипептидных  цепочек.

       Уровень содержания серы в кератинах, богатых  серой, зависит от питания животных. Содержание серы в кератиносодержащих отходах изменяется в связи с тем, что разные виды кератинов имеют различное соотношение богатых и бедных серой фракций.

       Таблица 3 – Содержание серы в кератинах, г/100 г протеина.

     

Кератиносодержащие сырье Кератины, богатые серой Кератины, бедные серой Свиная  щетина 7,2 2,1 Волос кролика 7,2 2,3 Волос КРС 5,9 1,7 Рога  КРС 5,8 2,4 Шерсть  овец 5,0 2,1