Усовершенствование технологии гидролиза сырья маралов

Введение. Известно, что Алтай является традиционной зоной обитания маралов, эндемичным видом данной территории. В Алтайском крае и Республике Алтай сконцентрировано порядка 90 % пантовых оленей Российской Федерации [1]. Одним из интенсивно развивающихся и перспективных направлений пантового оленеводства является усовершенствование технологий глубокой переработки сырья, которые должны способствовать повышению эффективности использования пантовой продукции и созданию безотходного производства на марало- и оле-нефермах. Расширение спектра технологий переработки, а также создание возможности использования нового сырья в различных продуктах позволят повысить рентабельность мараловодческих предприятий Алтайского края.

На сегодняшний день наиболее перспективным способом переработки сельскохозяйственного сырья, в особенности вторичного, является гидролитическое расщепление с применением ферментных препаратов [2, 3].

Сотрудниками ФГБНУ ФАНЦА проведены научные исследования по переработке основной и побочной продукции пантового оленеводства с применением ферментов растительного, животного и микробного происхождения [4–6]. Согласно полученным данным, применение технологии ферментации позволило значительно увеличить процент перехода сухого вещества сырья в гидролизат (до 98 %) при переработке хвостов марала. Однако при ферментации репродуктивных органов самцов, сухожилий и маток с эмбрионами в растворимую форму концентрата переходило 65–71 % от массы сырья [7], при этом от 30 до 40 % компонентов сырья оставалось в виде жмыха. Известно, что средняя проба оставшегося жмыха из побочного сырья по содержанию белка превосходит: панты – в 1,3 раза, жир – в 4,3 раза, аминокислоты – на 16,9 % [8]. Следовательно, существует необхо- димость дальнейшего совершенствования технологии переработки для максимально полного извлечения биологически активных компонентов продукции оленеводства.

Согласно литературным данным, некоторые органические растворители обладают активационным влиянием на ферментные препараты [9], что обусловлено изменением связывания субстрата с ферментами за счет увеличения липофильности реакционной среды [10]. Данное действие обусловлено замещением воды в гидратной оболочке белковой глобулы на молекулы органического растворителя, что приводит к увеличению растворимости субстратов. Исходя из имеющихся литературных данных, было выдвинуто предположение, что проведение ферментации сырья маралов в присутствии органических растворителей позволит повысить глубину гидролиза и повысить выход сухих веществ в гидролизат.

Важным является выбор растворителя, а также определение его оптимальной концентрации для установления максимальной каталитической активности ферментных систем.

Цель исследования: усовершенствование способа ферментативного гидролиза сырья маралов путем добавления в раствор органических растворителей.

Материалы и методы исследования. Исследование проведено на базе ФГБНУ ФАНЦА отдела «ВНИИПО» в 2019 г.

Материалом исследования служило побочное сырье маралов, в частности сухожилия, репродуктивные органы самцов, матки с эмбрионами и околоплодной жидкостью, предварительно измельченные до состояния фарша на промышленном измельчителе МИМ-300.

Проведена серия опытов по интенсификации ферментативного гидролиза сырья путем добавления низких концентраций органических растворителей. В качестве органических растворителей апробировали этиловый спирт (98 °С), глицерин (ЧДА), гиппохлорит (физиологический раствор). Концентрация этилового спирта в реакционной смеси составляла 1; 3; 6 %, концентрация глицерина – 0,5; 1; 3 %, концентрация гиппохлорита составляла 39 и 180 мг/л. Первоначально исследовано влияние различных концентраций этанола, глицерина и гип-похлорита на активность ферментов при расщеплении сырья маралов.

Гидролиз осуществляли при температуре 50 °С на ультразвуковой установке Elmasonik. Протеолиз проводили при гидромодуле 1:5 и 1:10 в течение 4, 6 и 8 ч. В ранее проведенных исследованиях по гидролизу сырья пантовых оленей установлено, что наилучшие результаты получены при использовании комплекса ферментов Протозим В, Протозим С и Протозим ЛП, поэтому в дальнейших исследованиях применялись данные ферментные препараты. Концентрация ферментного комплекса составляла 0,5 % от объема субстрата. Проведено сравнение выхода сухих веществ после гидролиза в присутствии органических растворителей путем высушивания полученных образцов гидролизатов в инфракрасной сушке при температуре 50 °С и взвешивания полученных биосубстанций. В качестве контроля использовали образцы гидролизатов, полученные путем ферментации сырья без применения органических растворителей.

Результаты исследования . На первом этапе исследования нами было изучено влияние различных концентраций органических растворителей на выход сухих веществ (концентрата) сырья маралов (табл.).

Выход концентрата при ферментации сухожилий марала в присутствии органических растворителей

Экстрагент	Концентрация экстрагента	Выход концентрата, %
Этиловый спирт, %	1	97,5±1,25
	3	86,9±1,15
	6	80,0±0,93
Глицерин, %	0,5	80.0±0,56
	1	91,6±0,71
	3	95,8±1,34
Гиппохлорит, мг/л	39	62,5±0,97
	180	66,7±0,84
Контроль	–	45,7±0,76

Как видно из таблицы 1, применение этилового спирта в процессе ферментативного гидролиза сухожилий позволило увеличить выход концентрата в 2,1 раза по сравнению с контролем при концентрации этанола в растворе 1 %, разница достоверна с вероятностью р ≤ 0,001. Увеличение концентрации этанола в водноспиртовой смеси до 3–6 % являлось нецелесообразным ввиду менее эффективного воздействия на активность ферментов по сравнению с 1 % раствором.

При использовании в качестве органического растворителя глицерина, напротив, наблюдалась прямая зависимость, при увеличении его концентрации в растворе увеличивался выход концентрата. Применение глицерина в процессе гидролиза позволило увеличить выход сухого вещества в 2,0 раза по сравнению с контролем при количестве глицерина 3 %. Оценка органолептических свойств концентрата, полученного при использовании глицерина, показала, что полученный гидролизат при высушивании в течение 24 ч сохраняет высокие адгезивные свойства и высокую вязкость, не поддается измельчению, на основании чего считаем нецелесообразным применение глицерина для увеличения липофильности реакционной среды при проведении протеолиза.

Применение в качестве экстрагента активного раствора гипохлорита натрия в сочетании с ферментными препаратами оказало минимальное влияние на процесс гидролиза. Выход концентрата увеличился на 36,7–45,9 % по сравнению с контролем.

Для подтверждения эффективности применения этилового спирта при ферментации сырья маралов данные технологические параметры были применены при гидролизе репродуктивных органов самцов марала, маток с эмбрионами и околоплодной жидкостью. Полученные данные представлены на рисунке 1.

й 100,0

Й к 50,0

о

ч

0,0

Матки          Репродуктивные органы самцов

■ Опыт ■ Контроль

Рис. 1. Выход концентрата при гидролизе сырья маралов, %

Технология ферментативного гидролиза сырья маралов с добавлением этилового спирта в количестве 1 % позволила увеличить выход сухих веществ (концентратов) по сравнению с контрольными образцами на 23,8 % при переработке маток с эмбрионами и околоплодной жидкостью, на 12,9 % – при гидролизе репродуктивных органов самцов. Полученные данные согласуются с существующими исследованиями, согласно которым низкие концентрации этилового спирта способствуют повышению активности ферментов на казеиновом субстрате. Согласно литератур- ным данным, для фермента химотрипсин необходимо наличие определенной протяженности гидрофобных участков в субстрате, но в присутствии органических растворителей химотрипсин теряет выраженную специфичность к гидрофобности субстратов [11].

Во второй серии опытов было исследовано влияние этанола на скорость протеолиза. Продолжительность гидролиза образцов составляла от 4 до 8 ч. Полученные данные представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Динамика выхода концентрата в зависимости от продолжительности протеолиза, %

Исходя из полученных данных, использование этилового спирта при ферментации сухожилий марала позволило сократить время ферментации. Выход концентрата в контрольном образце, полученном при ферментативном гидролизе в отсутствии этанола в течение 10 ч, составил 45,7 %. При добавлении этилового спирта уже через 4 ч экстракции выход концентрата увеличился на 71,3 %, через 6, 8 ч – в 2,1 раза (р ≤ 0,001). В соответствии с выходом концентрата и затратами энергии и труда на производство гидролизата оптимальным является гидролиз в течение 6 ч.

Проведено влияние гидромодуля на выход концентрата при ферментативном гидролизе. Полученные данные представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Выход концентрата в зависимости от гидромодуля, %

Показано, что при увеличении гидромодуля в 2 раза выход концентрата снижается на 35,2 %, что обусловлено снижением насыщенности раствора ферментами.

Таким образом, процесс ферментативного гидролиза в процессе переработки сырья маралов можно усовершенствовать увеличением липофильности реакционной среды путем замены водного раствора реакционной смеси на водноспиртовой.

Выводы

• 1.    Добавление этанола в количестве 1 % от объема водной фазы в процессе ферментативного гидролиза сырья маралов приводит к увеличению выхода сухих веществ в 2,1 раза при переработке сухожилий, на 23,8 % – при гидролизе маток, на 12,9 % – при ферментации репродуктивных органов самцов по сравнению с контрольными образцами.

• 2.    Применение низких концентраций органических растворителей при протеолизе сырья маралов позволило сократить время экстракции в 1,3 раза по сравнению с технологией ферментации без добавления этилового спирта.

• 3.    Применение глицерина в процессе гидролиза позволило увеличить выход сухого вещества в 2,0 раза по сравнению с контролем при количестве глицерина 3 %.

• 4.    Оценка органолептических и количественных характеристик полученных концентратов показала, что оптимальным является проведение ферментативного гидролиза в присутствии

этилового спирта в концентрации 1 % при гидромодуле 1 : 5 и времени экстракции 6 ч.