Белковые ресурсы рыбного происхождения - источник здоровья и красоты

Анализ современных отраслей экономики России свидетельствует о том, что на сегодняшний день практически отсутствует отечественное производство продуктов модификации соединительных тканей животных и их производных для использования в качестве эффективных материалов и средств для пищевой промышленности, косметологии, медицины, в том числе для регенерации и омоложения кожи, биосовместимых для человека. В то же время можно констатировать, что сырьевые источники для их получения сосредоточены в виде вторичных и малоценных продуктов перерабатывающих отраслей АПК, прежде всего мясной и рыбной.

Однако анализ научно-технической и патентной литературы показал актуальность разработки прогрессивных технологий на основе управляемого биокатализа с использованием в качестве специфических субстратов биополимеров в составе побочного сырья перерабатывающих отраслей АПК с получением коллагеновых субстанций различной степени чистоты и в разнообразных формах: дисперсии, пленки. Развитие и внедрение таких технологий в производство решает многие существующие проблемы, связанные с созданием здоровых продуктов питания, новых форм пищи, съедобных покрытий для пролонгирования сроков хранения и повышения качества продуктов в режиме экономии и целенаправленного использования ресурсов.

Стратегической целью продовольственной безопасности Российской Федерации до 2020 года является обеспечение населения страны безопасной сельскохозяйственной продукцией. Среди основных направлений государственной экономической политики в сфере обеспечения продовольственной безопасности значится создание новых технологий глубокой и комплексной переработки продовольственного сырья.

Формирование здорового типа питания потребует развития фундаментальных и прикладных научных исследований по медикобиологической оценке безопасности новых источников пищи и ингредиентов, внедрению инновационных технологий, включающих био- и нанотехнологии, технологии органического производства пищевых продуктов и продовольственного сырья, по наращиванию производства новых обогащенных диетических и функциональных пищевых продуктов.

Развитие теоретических и практических основ технологии биополимерных материалов на основе рационального использования основных и побочных ресурсов рыбного происхождения актуально в условиях действующей экологической напряженности и дефицита отечественных аналогов высокотехнологичных материалов при использовании белков соединительных тканей (в основном коллагенов) для обеспечения здоровья, молодости, красоты и увеличения продолжительности жизни путем использования коллагеновых продуктов, материалов в составе пищи, косметологии и медицины.

К таким ингредиентам относится коллаген. Данный белок получают из продуктов разделки свинины и крупного рогатого скота. Аналога рыбного коллагена на российском рынке нет.

Однако из-за болезни бешенства и угрозы передачи вируса человеку встал вопрос о поиске альтернативных источников. В 2000 г. в Европе стартовал большой проект, объединивший семь компаний и научных институтов по изучению коллагена из отходов переработки морских рыб[1].

В России в связи с санкциями существенно сократился импорт рыбного сырья и продуктов. Поэтому актуален поиск замены зарубежного сырья на отечественное. По мнению авторов [2], источниками коллагена могут служить побочные продукты и отходы при глубокой переработке прудовых рыб. Данные белки имеют важное значение в пищевой, косметической и медицинской промышленности.

Материалы и методы

В ходе эксперимента в качестве объектов исследования использовали шкуры рыб внутренних водоемов, наиболее распространенных видов Центрально-Черноземного региона: толстолобик, сазан, белый амур, щука [3].

Коллагеновые рыбные дисперсии получали в лабораторных условиях по разработанной авторами технологии и определяли аминокислотный состав (методом ионообменной хроматографии на автоматическом аминокислотном анализаторе ААА-881 (Чехия) в соответствии с инструкцией к прибору), физико-химические свойства субстанции, гистоморфологические особенности [4] (Таблицы 1, 2).

Результаты и обсуждение

Структура коллагена

Коллаген является самым распространенным белком не только межклеточного матрикса, но всего организма в целом, составляет около ¹/ 3 всех белков организма человека. Около 40% коллагена содержится в коже, примерно 50% – в тканях скелета и лишь 10% – в строме внутренних органов. Отличается от остальных белков организма высоким содержанием аминокислот глицина, пролина и гидроксипролина, присутствие которых обусловливает его жесткость [5].

Таблица 1.

Характеристика аминокислотного состава коллагеновой субстанции

Table 1.

Characteristics of amino acid composition of collagen substance

Показатель Indicator	Субстанция 2%-ный раствор (шкура толстолобика) Substance 2% solution (silver carp skin)	Отклонения в сравнении с животным коллагеном Deviations compared to animal collagen
Изолейцин | Isoleucine	3,83	+0,94
Лейцин | Leucine	1,98	-0,23
Тирозин | Tyrosine	0,99	+0,13
Финилаланин | Finilalanin	2,49	+0,14
Гистидин | Histidine	0,77	-0,4
Лизин | Lysine	4,16	-1,36
Аргинин | Arginine	8,33	+1,53
Аспаргиноваякислота | Aspartic acid	7,12	+0,86
Треонин | Threonine	2,46	+0,50
Серин | Serine	4,57	+1,6
Глутаминоваякислота | Glutamic acid	11,36	+1,57
Пролин | Proline	11,67	-1,43
Оксипролин | Hydroxyproline	12,93	+2,1
Глицин | Glycine	6,72	+0,69
Аланин | Alanine	10,51	+3,92
Валин | Valin	2,65	+1,33
Метионин | Methionine	1,03	-0,51
Глутаминоваякислота | Glutamic acid	11,36	+1,57
Пролин | Proline	11,67	-1,43
Оксипролин | Hydroxyproline	12,93	+2,1
Глицин | Glycine	6,72	+0,69
Аланин | Alanine	10,51	+3,92
Валин | Valin	2,65	+1,33
Метионин | Methionine	1,03	-0,51

Таблица 2.

Физико-химические свойства коллагеновой субстанции

Table2.

Physical and chemical properties of collagen substance

Показатель Indicator	Субстанция 2%-ый раствор (шкура толстолобика) Substance 2% solution (silver carp skin)
Подлинность | Authenticity	Окрашивание в фиолетовый цвет | Purplecolor
Прозрачность | Transparency	Прозрачный | Transparent
Цветность | Chromaticity	0,1%-ый раствор коллагена в воде бесцветен 0.1% collagen solution in water is colorless
рН	5,5–6,0
Массовая доля сухих веществ | Mass fraction of dry matter	1,76
Массовая доля коллагена | Mass fraction of collagen	0,92

При проведении гистоморфологических исследований готовили ультратонкие поперечные срезы шкур рыб с последующим окрашиванием и микроскопированием объектов. Как видно на рис. 1, рыбные шкуры в дермальном слое обнаруживали рыхлые структуры соединительнотканных волокон и меньшую толщину по сравнению со спилком шкур животных (КРС), что объективно связано с видовой принадлежностью объектов исследования.

a

b

c

Рисунок 1. Микроструктура дермальных слоев шкур в поперечном срезе. Увеличение ×200. Окраска по Гольджи. Спилок шкуры: a – КРС; b – щуки; c – сазана; d – толстолобика [5]

d

При микрокопировании нативных образцов шкур сазана, щуки и толстолобика без применения красителя выявили плотную архитектонику дермальной части кожи щуки.

В случае препаратов шкур рыб толстолобика значительную часть занимают межструктурные пространства, что характеризует рыхлость ткани.

В отличие от известных до этого времени гидролизатов, получаемых из коллагенов высокорядных, волоконных (обычно из рогатого скота), нативный, выделенный непосредственно из ткани донора, тропоколлаген (то есть коллаген молекулярный) сохраняет трехспиральную структуру, присущую лишь белкам в живом организме, и, следовательно, сохраняет биологическую активность [6].

Коллаген в пищевой промышленности

На сегодняшний день мало теоретических исследований, современных технических решений в области глубокой переработки значительных объемов накапливаемого побочного и малоценного сырья рыбного происхождения. Отсутствует отечественное производство. Не изучены возможности для комбинирования с пищевыми источниками растительного и животного происхождения [7].

Продукты, полученные из источников рыбного происхождения, имеют ряд преимуществ:

─ прозрачность, эластичность, при снятии с подложки не рвется;

─ безопасность (отсутствие губчатой энцефалопатии (болезнь бешенства крупного рогатого скота), значительно снизившей объемы производства коллагенов животного происхождения);

─ лучшая восприимчивость органами и тканями человека в сравнении с животными коллагенами (коллаген рыбного происхождения максимально подобен человеческому);

─ гиппоаллергенность;

─ возможность получения функциональных белков (коллагенов) в виде гидратов, позволяющих сохранять биологическую активность вне живого организма.

Биополимерные пленочные покрытия в качестве упаковочных материалов придают функциональность (пищевая добавка), увеличивают сроки хранения и повышают качество пищевых продуктов [8].

Коллагеновые материалы в косметологии

Коллаген и его гидролизаты часто входят в рецептуры разнообразных кремов и эликсиров, пленочных покрытий как влагоудерживающие и питательные компоненты.

Для подтверждения эффективности данных средств была проведена апробация. Испытания были проведены в форме открытого исследования в группе здоровых добровольцев с нормальной здоровой кожей. Под наблюдением находилось 30 добровольцев (женщины) европеоидной расы в возрасте от 20 до 48 лет [9].

По результатам исследования, увлажненность кожи головы после использования данного средства уменьшилась на 9%.

Анализируя данные, полученные в результате исследования шампуня с коллагеновым гелем, следует отметить, что данное средство положительно влияет на увлажненность кожи головы, остальные показатели остаются практически неизменными [9].

В результате использования крема с глицерином уровень увлажненности кожи увеличился на 20%. В то же время, несколько увеличился уровень покраснения кожных покровов, тогда как степень шелушения осталась неизменной. Согласно субъективным оценкам респондентов упругость и увлажненность кожи несколько увеличилась, а степень выраженности морщин – снизилась.

Согласно данным аппаратных исследований показатели увлажненности кожи увеличились на 41%, тогда как степень покраснения кожных покровов и степень шелушения несколько снизилась. Что касается субъективных оценок, то состояние кожи после использования крема с коллагеновым гелем несколько улучшилось – упругость и увлажненность кожи увеличилась, а степень выраженности морщин значительно снизилась.

Также в качестве косметических средств предлагается пленочное покрытие. Эффективность таких материалов объясняется тем, что гигроскопическая коллагеновая пленка действует наподобие влажного компресса [10], а значит снижается трансэпидермальная потеря воды кожей. Благодаря гигроскопическим свойствам коллагена повышается влажность рогового слоя кожи, что дает основания считать косметический крем или эликсир с коллагеном надежным защитным средством, а следовательно, геронтопротектором [10].

Коллагеновые материалы в медицине

Коллаген рыбного происхождения особое значение имеет в хирургии, дерматологии, а также в качестве ранозаживляющего средства для местного лечения.

Одной из перспективных форм таких продуктов являются полимерные материалы природного происхождения – пленки, которые хорошо приспособлены для вышеобозначен-ных целей.

Коллаген выполняет формообразующую основу покрытия, он не вызывает аллергических реакций, не оказывает раздражающего действия и абсолютно безвреден для организма, что доказано в опытах in vitro на животных и биотестах [11].

На базе Воронежского государственного аграрного университета и Воронежского государственного медицинского института проведены токсикологические и гистологические опыты на теплокровных животных (рисунок 2).

a                      b

Рисунок 2. Эффект ранозаживления от использования пористых материалов на основе коллагена: a – результат до применения пористых материалов; b – результат после применения пористых материалов

Figure 2.Wound healing effect from the use of porous materials based on collagen: a – result before the use of porous materials; b – result after application of porous materials лечения были получены при апробации в Республике Адыгея, г. Майкоп на базе Адыгейской республиканской клинической больницы. В ходе исследований наблюдались 10 пациентов с разными диагнозами, такие, как: острый парапроктит, острый остеомиелит, послеоперационные рубцы, ожоги и трофические язвы др.

При наложении салфетки на основе коллагена в качестве повязки пациентам с острым парапроктитом наблюдалось удовлетворительное состояние пациента, без побочных терапевтических эффектов, отсутствие некроза, образование грануляционной ткани, с положительными результатами ранозаживления (рисунок 3).

Грануляционная ткань

Грануляционная ткань

a

b

Рисунок 3. Динамика лечения с применением салфеток на основе коллагена (3 дня): a – результат до применения коллагена; b – результат после применения коллагена

Figure3.Dynamics of treatment with collagen-based wipes (3 days): a – to the result before the collagen; b – the result after the application of collagen

Салфетки на основе коллагена были нанесены на раны острого остеомиелита, возникшего после ампутации ступни нижней конечности (рисунок 4). Результаты имеют положительный характер. У пациента наблюдалась удовлетворительная динамика, без побочных терапевтических эффектов, с образованием грануляционной ткани.

Основной механизм влияния коллагена – в осуществлении репаративной функции соединительной ткани.

Введение в состав препаратов коллагена способствует продлению действия лекарственных средств, поскольку данная основа обладает высокой осмотической активностью, обеспечивающей дегидратирующее действие на ткани в очаге воспаления. Такие препараты могут использоваться в качестве эффективного раневого покрытия [7].

Салфетки на основе коллагена, пропитанные антибиотиками, обладают хорошей совместимостью с кожными тканями благодаря низкой аллергенности и биодеструкции коллагена. Например, лучшие результаты хирургического

a                      b

Рисунок 4. Динамика лечения с применением салфеток на основе коллагена (25-й день): a – результат до применения коллагена; b – результат после применения коллагена

Figure4.Dynamics of treatment with collagen-based wipes (25 days): a – to the result before the collagen; b – the result after the application of collagen

Для лечения послеоперационных рубцов применяли пленочное покрытие на основе коллагена. У пациента наблюдалась положительная динамика, без побочных эффектов, удовлетворительный результат ранозаживления наблюдался на 5-е сутки. Наложение пленки представлено на рисунке 5.

Рисунок5. Применение коллагеновой пленки

Предлагаемое покрытие позволяет хорошо и быстро лечить раны, ожоги, язвы, может использоваться при лечении кровоточащих травматических повреждений, плоских гранулирующих вялотекущих ран в стадии регенерации, трофических язв, пролежней, при заживлении донорских участков. Пленка ранозаживляющего средства обладает стабилизирующими свойствами и надежно сохраняется в течение достаточно долгого времени.

Представлены результаты заживления на 6-е сутки с применением материалов на основе коллагена рыбного происхождения (таблица 3).

Figure5.Application of collagen film

Таблица 3.

Результаты заживления на 6-е сутки

Table 3.

The results of wound healing on day 6

Пациент	Площадь раны (см)	Заживление на 1 сутки	Заживление на 2 сутки	Заживление на 3 сутки	Заживление на 4 сутки	Заживление на 5 сутки	Заживление на 6 сутки
№1 (хронический остеомиелит)	5×3×3	5×3×3	4,5×2,5×3	4,5×2,5×2,5	4×2×2,5	4×2×2	2,5×1×1
№2 (острый парапрактит)	9×5×5	9×5×5	8,5×4,5×4,5	8,5×4×4	8×4×4	7,5×3×3	6,5×2,5×2,5
№3 (острый парапрактит)	7×4×4	7×3,5×4	7×3×3,5	6,5×3×3,5	6,5×3×3	6×3×3	6×2,5×2,5
№4 (ЭКХ без абсцедирования)	13	Заживление швов с покраснением	Заживление швов с покраснением	Заживление без покраснением			Полное заживление

Выводы

Новые экологически чистые источники для производства коллагена – актуальная научно-техническая задача современности, поскольку он популярен и зарекомендовал себя в биомедицинских технологиях, составе специализированного питания для реабилитации и в постоперационные и посттравматические периоды. Чрезвычайную востребованность он имеет в косметологии при производстве косметических средств различной функциональности: в составе шампуней, кремов и т.п. для восстановления и улучшения структуры волос, увеличения их объема, омоложения кожи.

Исследование свойств и характеристика уникальных биополимеров коллагеновой природы