Производство клея и желатина

Поступающую в производство кость дробят до размеров 20—50 мм. Роговой стержень распиливают дисковой пилой на куски размером до 100 мм.

Мягкое сырье  перед измельчением иногда требует  некоторой подготовки: замороженное нужно разморозить, консервированное-отмочить и промыть, сухое -размочить. Во время отмачивания и размачивания из сырья удаляются консервирующие вещества, загрязнения и часть растворимых белков (альбуминов, глобулинов, муцинов). Одновременно сырье набухает. Консервированное сырье отмачивают несколько часов, сухое размачивают в течение двух-трех суток. Отмоченное или оттаявшее сырье измельчают на волчке или дисковой резательной машине (в последнем случае отмочка не нужна). При измельчении на волчке пользуются выходной решеткой с диаметром отверстий не менее 50 мм.

При необходимости мягкое сырье  после отмачивания и измельчения промывают в мездромойках, моечных барабанах или чанах. Промывку ведут до тех пор, пока в отходящей воде не  будет загрязнений.

Обезжиривание кости

Жир, содержащийся в кости, является ценным техническим продуктом. Кроме того, оставаясь в сырье, он затрудняет проведение ряда технологических операций и снижает качество готовой продукции. В частности, являясь гидрофобным веществом, жир замедляет диффузионные процессы в водной среде, уменьшает клеящую способность клея и способность желатина к застудневанию. Поэтому чем меньше жира остается в кости, тем лучше. Обезжирить кость водой можно тремя способами: в кипящей воде, импульсным, напорно-скоростным.

Обезжиривание в кипящей  воде. Способ довольно прост, кость в течение 5—6 ч обрабатывают водой при слабом кипении. Обезжирить кость горячей водой можно в открытых котлах любой конструкции, снабженных ложным днищем и обогреваемых острым паром.

Импульсный способ обезжиривания.   Гидромеханические импульсы в виде больших переменных давлений, достаточных для разрушения мягких и твердых животных тканей, могут быть возбуждены быстрым движением рабочего органа машины в жидкой среде. При очень высоких скоростях движения рабочего тела относительно среды могут возникать кавитационные явления. Этот принцип возбуждения и использования гидромеханических импульсов нашел применение в аппаратах для извлечения жира из кости.

Механизм возбуждения импульсов  представляется в следующем виде. При достаточно быстром движении твердого тела в жидкости позади него создается область пониженного давления, куда устремляются струи жидкости, отрывающиеся от краев тела. В результате возникают мощные мгновенные давления - импульсы типа гидравлических ударов, которые передаются на поверхность обрабатываемого материала и вызывают разрушение его наименее прочных структурных элементов. Эти импульсы разрывают связи, удерживающие жировые клетки в ткани, и разрушают сами клетки. Жир переходит в среду даже при температурах ниже температуры его плавления. При скорости движения рабочего тела относительно жидкости более 50 м1сек действие гидромеханических импульсов дополняется возникновением кавитации.

Эффект действия импульсов зависит  от прочности материала и величины и числа импульсов. Величина импульсов в свою очередь зависит от кинетической энергии движущегося тела, а число импульсов — от частоты повторности движения тела в единицу времени.

Достоинства импульсного метода —  простота конструкции, возможность непрерывнопоточной организации производства, а также извлечения жира при низких температурах, что сказывается на качестве самого жира и кости как сырья для клея. Степень обезжиривания кости- 83-87% (с учетом промывки ее от жира). Остаток жира составляет  3-6% на сухое вещество.

Недостаток способа -  сложность отделения жира от водно-жировой массы, сильно засоренной белками и остатками кости.

Метод динамического  напора. Метод основан на использовании отрывающего действия динамического напора воды, движущейся с некоторой скоростью относительно кости, и инерции, возникающей в результате изменения скорости движения кости. Интенсивность обезжиривания кости будет возрастать с увеличением скорости движения воды относительно кости и частоты приостановления движения кости. Этому же способствует повышение температуры воды до 65- 80 ° С, поскольку расплавленный жир связан с костью менее прочно.

                                             Полировка кости

Полировка—это удаление остатков мягких тканей (мяса, хрящей и пр.) с поверхности обезжиренной кости вследствие трения кусков кости один о другой и о стенки барабана.

Кость, обезжиренную вываркой в кипящей  воде, полируют в промывных барабанах с подачей сильной струи горячей воды. Кость, обезжиренную методом гидродинамического напора, можно очистить после высушивания в полировочных барабанах. Для освобождения от прирезей кости, обезжиренной импульсным методом, удовлетворительного способа полировки пока нет.

                           Калибровка и повторное дробление  кости

Размеры кости, направляемой на выварку клея и желатина, не должны превышать оптимальных пределов. При размерах, не превышающих 25 мм, получается более концентрированные бульоны, более высокие выхода и достигается экономия пара, расходуемого на обесклеивание кости и упаривание бульонов. Поэтому полированный шрот целесообразно калибровать, т.е. разделять на партии по размерам, а кость, размеры которой превышают 25 мм, повторно дробить.

                                           Обводнение кости

В процессе выварки желатина и клея происходит гидротермический распад коллагена и выход продуктов его распада в бульон. Скорость распада зависит от прочности связей, удерживающих полипептидные цепи в структуре коллагена. В обезвоженном коллагене они удерживаются наиболее прочно, а в полностью обводненном до равновесного состояния - наименее прочно.

При увлажнении обезвоженного коллагена  до 15—20% к сухому веществу происходит гидратация полярных групп, и если рН отличается от изоэлектрической точки, то и ионизированных групп коллагена. Дальнейшее увлажнение до 65—75% приводит к насыщению его способности удерживать адсорбционную влагу. Но коллаген остается способным поглощать дополнительное количество влаги вследствие осмотических явлений и тенденции молекул воды связываться друг с другом. Таким образом, полностью обводненный коллаген удерживает до 200— 250% влаги к собственной массе (в зависимости от рН среды. По мере обводнения меняется рентгенограмма коллагена. В частности, наблюдается увеличение расстояния между главными полипептидными цепями в плоскости боковых цепей. Расстояния в перпендикулярной ей плоскости молекулярного зигзага изменяются мало. Это свидетельствует о том, что преобладающая часть воды связывается с ионизированными и полярными группами боковых цепей.

Внедрение диполей воды сопровождается расклинивающим действием на структуру  коллагена, следствием чего является ослабление связей между главными полипептидными цепями в плоскости боковых цепей. Это способствует развитию гидротермического распада коллагена в желательном направлении, т. е. пептизации. Поэтому сухое или недостаточно влажное сырье перед вываркой клея необходимо обводнять до равновесного состояния.

Сдвиг рН среды в кислую или щелочную сторону от изоэлектрической точки  коллагена, сопровождающийся увеличением числа свободных ионизированных групп, приводит к повышению гидратации коллагена и, как следствие, к еще большему  ослаблению его структуры.

 Как в кислой, так и в  щелочной среде происходит неравномерное  распределение катионов и анионов между коллагеновой структурой и окружающей средой вследствие преимущественной фиксации одного из них белковой молекулой. В результате между коллагеном и сообщающейся с ним жидкой фазой возникает разность осмотических давлений, которая обусловливает явление дополнительного набухания коллагенового волокна. Это также способствует расшатыванию связей, удерживающих полипептидные цепи в структуре коллагена.

Обводнение в воде. Обводнение в воде имеет то преимущество, что после него не требуется удаление химического агента. Величина рН водопроводной воды несколько выше изоэлектрической точки коллагена. Поэтому наряду с неионизированными полярными группами в обводнении участвует и небольшое количество заряженных групп коллагена. Все же степень обводненности сырья не является максимальной.

Продолжительность обводнения кости  после повторного дробления около 24 ч (хотя вполне удовлетворительный результат достигается и к 12 ч). При повышенной температуре в этот период возможно развитие гнилостной микрофлоры. Во избежание этого обводнение лучше вести при возможно более низкой температуре и в проточной воде. 0днако снижение температуры несколько уменьшает скорость обводнения.

Обводнение в кислой среде. Желательный сдвиг рН среды в кислую сторону от изоэлектрической точки коллагена может быть достигнут применением слабой кислоты либо соли сильной кислоты и слабого основания. В обоих случаях целесообразно, чтобы химический реагент обладал антисептическим и отбеливающим действием. Этими свойствами обладают сернистая кислота и соли цинка и сильных кислот.  По окончании обводнения сернистый ангидрид, адсорбированный костью, удаляют промывкой в холодной воде до тех пор, пока в промывной воде перестанет обнаруживаться сернистая кислота (конец определяют добавлением в пробу 2—3 капель раствора марганцовокислого калия, который не должен обесцвечиваться).

Обводнение в щелочной среде. Применяют либо слабые основания, либо соли слабой кислоты и сильного основания. ВНИИМПом рекомендуется применение 1%-ной суспензии окиси магния. Продолжительность обводнения 24 ч при 2—3 сменах жидкости, степень обводнения выше, чем в водопроводной воде. Качество клея хорошее.

Из числа солей, повышающих степень  обводнения коллагена, рекомендуют бисульфит натрия, обладающий некоторым антисептическим и отбеливающим действием. Концентрация раствора 1%, условия обводнения те же.

Мацерация кости

Мацерацией называется обработка  кости сильными кислотами с целью ее деминерализации. Кость, предназначенную для производства желатина, мацерируют обычно слабым раствором соляной кислоты. Под действием соляной кислоты происходит полная деминерализация кости, так как соляная кислота растворяет углекислые и фосфорнокислые соли кальция, составляющие ее минеральную основу. Одновременно происходит кислотное набухание коллагена, органические ткани существенно не разрушаются.

Повышение температуры и увеличение концентрации кислоты ускоряет мацерацию. В определенных границах эти факторы сами по себе мало влияют на выход и качество желатина (например, повышение температуры до 25° С при концентрации кислоты до 5% не увеличивает потерь коллагена во время мацерации). Однако меняющиеся в связи с этим условия последующей золки сказываются на выходе и качестве желатина. Оптимальными условиями являются: начальная концентрация кислоты около 5% и температура около 15° С. Слишком низкая концентрация кислоты, замедляя процесс мацерации, приводит к уменьшению выхода желатина. Продолжительность мацерации зависит от сорта и калибра кости, от температуры и от концентрации кислоты. Она колеблется от 5 до 15 суток. Кость молодых животных и пористая кость мацерируется быстрее. Плохое обезжиривание замедляет мацерацию. Особенно большое значение имеет степень дробления кости: кость размером 1 мм мацерируется в 5 раз быстрее кости размером 8 мм. Значительного сокращения продолжительности мацерации можно достигнуть барботированием жидкости сжатым воздухом. Мацерацию считают законченной, если кость просвечивает, легко режется ножом, упруга при сгибании.

Выход мацерированной кости или, как принято называть в практике,-оссеина, в среднем составляет около 70% к массе загружаемой кости. Средний состав оссеина (в %): влаги - 65,0; коллагена - 26,5; минеральных веществ – 3-3,5; жира -1-2,5; посторонних примесей – 2-3.

Жидкость, образующаяся после мацерации (мацерационный щелок), содержит до 4% фосфорного ангидрида и используется для производства удобрения — преципитата.

Щелочная и  кислотная обработка сырья

Даже в деминерализованной кости (оссеине), не говоря уже о мягких необработанных тканях, коллагеновые волокна более или менее прочно связаны с другими составными частями кости, образуя сложные морфологические структурные элементы тканей. Следовательно, выделение коллагена из тканей сопряжено с необходимостью разрушения этих морфологических структур и удалением из сырья тех составных частей, которые являются балластными или вредными.

Большинство неклейдающих веществ, содержащихся в сырье (белки, жиры, пигменты и т.д.), не только затрудняют извлечение желатина и клея, но, попадая в бульон, обусловливают ухудшение качества готовой продукции: темный цвет, мутность, пенистость, неприятный запах, снижение вязкости и желатинизации. Поэтому перед вываркой желатина эти вещества необходимо удалить.

Сами коллагеновые волокна являются сложными морфологическими образованиями, в которых коллагеновые фибриллы связаны в пучки тончайшими оболочками и тяжами иного происхождения. Коллагеновые фибриллы представляют собою систему двух белков (проколлагена и колластромина) и углевода. Выделению из этой системы продуктов белкового распада должно предшествовать разрушение связей в системе. Естественно, чем меньше разрушены эти многочисленные и разнообразные структурные связи перед извлечением желатина, тем более жесткий режим требуется для извлечения.

Степень набухания коллагена, а отсюда и степень ослабления его элементарной структуры, которые достигаются простым обводнением сырья, не приводят к существенному снижению температуры сваривания коллагена и достаточному ослаблению связей между полипептидньши цепочками в структуре.

Разрушения морфологических  структурных элементов, разложения вредных и балластных примесей и дополнительного расшатывания связей в структуре коллагеновых фибрилл и самого коллагена можно добиться длительной обработкой сырья сильными основаниями и кислотами. Продолжительность обработки должна быть достаточной для полного насыщения щелочной (0,25—0,34 мэкв/г) и кислотной (0,82—0,92 маке/г) емкости коллагена. При этом условии достигается максимум набухания коллагена.