ВЛИЯНИЕ СУЛЬФИДА НАТРИЯ НА НАТИВНУЮ СТРУКТУРУ КОЛЛАГЕНА В УСЛОВИЯХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ
Розанова Е.Н.1, Кометиани И.Б.2, Лопухина О.Н.3, Искендерова С.Р.4
1Кандидат химических наук, 2Кандидат биологических наук, 3Студент направления Химическая технология, 4Студент специальности Химия, Курский государственный университет
ВЛИЯНИЕ СУЛЬФИДА НАТРИЯ НА НАТИВНУЮ СТРУКТУРУ КОЛЛАГЕНА В УСЛОВИЯХ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ
Аннотация
В статье рассмотрено – использование сульфида натрия для дезагрегации нативных надмолекулярных структур коллагена в условиях ультразвуковой обработки, получение растворимых форм коллагена с сохранением полимерной структуры.
Ключевые слова: сульфид натрия, коллаген, ультразвук.
Rozanova E.N.1, Kometiani I.B.2, Lopuchina O.N.3, Iskenderova S.R.4
1PhD in Chemistry, 2 PhD in Biology, 3Student of direction Chemical Engineering, 4Student of specialty Chemicals, Kursk State University
INFLUENCE SODIUM SULFIDE TO THE NATIVE COLLAGEN STRUCTURE IN THE CONDITIONS OF ULTRASONIC TREATMENT
Abstract
In the article - the use of sodium sulfide for the disaggregation of supramolecular structures of native collagen in a ultrasonic treatment, obtaining soluble forms of collagen while preserving the polymer structure.
Keywords: sodium sulfide, collagen, ultrasound.
В области применения коллагенсодержащего сырья существуют два пути. Первый состоит в использовании отходов выдубленного измельченного коллагена для производства коротковолокнистых картонов. В качестве второго пути можно назвать использование длинных коллагеновых волокон, выделенных из дермы разными способами, для изготовления нетканых материалов нового типа, искусственных колбасных оболочек и пленок, протезов, кровеносных сосудов, губок, пленок и других препаратов, применяемых в хирургии, а также при лечении ожогов. Эффективно применение коллагена в виде желатина в области медицины для инъекций при кровотечениях и для изготовления препаратов, заменяющих кровяную плазму. Растворимые продукты деструкции коллагена рекомендованы для изготовления различных поверхностно-активных веществ: моющих препаратов, эмульгаторов, вспенивателей и др. [1]
Одним из источников сырья для получения коллагена являются отходы мясоперерабатывающей и кожевенной промышленности: шкуры и кости животных. В настоящее время ведется поиск наиболее эффективных с экономической точки зрения и экологически безопасных способов получения коллагена, в числе которых находятся и технологии ультразвуковой обработки [2].
Коллаген самый распространенный белок млекопитающих, главными компонентами аминокислотного состава коллагена кожного покрова млекопитающих являются глицин, аланин, пролин, оксипролин. Основную роль в образовании нативной структуры коллагена играют водородные связи, которые необходимо разрушить при извлечении коллагена.
Для выявления основных факторов, влияющих на процесс извлечения коллагена, был проведен анализ различных воздействий на структуру коллагена.
Известны методы извлечения коллагена из кожного покрова: кислотные, щелочно-солевые, щелочно-перекисные, ферментативные, физические (нагрев, ультразвук).
Из всех воздействий были выбраны вода, щелочно-солевой состав (водный раствор сульфида натрия), ультразвук.
При диспергировании коллагена происходят следующие процессы:
- 1) распад полипептидов, образующих трехцепочечные молекулы коллагена;
- 2) дезагрегация надмолекулярных структур.
Процесс дезагрегации надмолекулярных структур коллагена приводит к образованию:
- 1)продуктов денатурации, растворы которых состоят из частиц, утративших трехцепочечную спиральную структуру исходного коллагена;
- 2)надмолекулярных агрегатов, состоящих из молекул коллагена, сохранивших структуру трехцепочечных спиралей.
На первом этапе исследований определили оптимальную концентрацию сульфида натрия, при которой наблюдали наибольший выход продукта – растворимого коллагена. Изучение процесса ультразвукового диспергирования образцов сырой свиной шкуры позволило сделать выводы о том, что, в условиях проведения эксперимента, образцы в присутствии только воды практически полностью диспергируются в течение 1,5 часов и более. Для ускорения процесса необходимо использовать вещества, способствующие набуханию сырой свиной шкуры в воде. В качестве такого вещества был использован сульфид натрия в концентрациях (0,8-8,0)∙10-4 г/мл, что соответствовало рН=(11,26-12,68) и соотношению mсыр.шк./mсульфида натрия = (50 - 500).
На основе полученных экспериментальных данных были проанализированы графические зависимости времени полного растворения сырой шкуры, скоростей растворения сырой шкуры и образования первой и второй фракций коллагена, диаграммы выхода первой, второй фракций и общего выхода коллагена от показателей, характеризующих условия проведения эксперимента (соотношения mсыр.шк./mсульфида натрия, концентрации сульфида натрия, рН коллагенсодержащего состава). Показано, что для достижения наибольшего выхода белка не рекомендуется использовать соотношения mсыр.шк./mсульфида натрия меньше 62,5 (что соответствует в условиях эксперимента концентрации сульфида натрия больше 6,4∙10-4 г/мл или рН>12,26). Наибольшие скорости растворения сырой шкуры, образования первой и второй фракций, соответствовали условиям процесса приведенным выше.
Следующим этапом исследований являлась оценка эффективности процесса извлечения коллагена по выходу, скорости растворения сырья при обработке сырой и консервированной тузлукованием шкуры. Для исследования были выбраны оптимальные составы, в которых фиксировался наибольший выход коллагена, с использованием соотношения mсыр.шк./mсульфида натрия 100; 83,3; 62,5.
Для составов с соотношением mсырья./mсульфида натрия=100 г/г в условиях проведения эксперимента выход коллагена из сырой шкуры превышал выход белка из консервированной шкуры в 1,62 – 3,96 раз. Экспериментальные данные подтвердили предположения о значительном влиянии величины жидкостного коэффициента (отношение объема раствора к массе обрабатываемого коллагенсодержащего сырья) на эффективность процесса, определены оптимальные значения жидкостного коэффициента: 20 и 25.
Анализ влияния времени озвучивания на выход коллагена для составов с соотношением mсырья./mсульфида натрия=62,5 г/г (жидкостной коэффициент 20) показал, что этот фактор является определяющим при данном содержании сульфида натрия. Даже без промежуточного набухания озвучивание в течение 30 мин для этих составов привело к выходу продукта в 15-17 %.
Таким образом, главными факторами, влияющими на процесс извлечения коллагена из свиной шкуры в условиях ультразвуковой обработки составами, содержащими сульфид натрия, являются соотношение mсырья./mсульфида натрия, жидкостной коэффициент и длительность озвучивания.
Были проведены ИК-спектроскопические исследования полученных образцов, рассчитаны спектральные коэффициенты, подтверждена структура коллагена в продуктах дезагрегации коллагенсодержащего сырья – свиной шкуры [3].
Экспериментальные данные показали, что исследуемый способ извлечения коллагена из свиной шкуры с применением ультразвуковой обработки приводит к получению продукта, состав которого аналогичен желатину, предположительно, с более короткими молекулами белка. Такой продукт может быть использован в различных областях применения коллагена (желатина) после дополнительных исследований.
Литература
- Михайлов, А.Н. Коллаген кожного покрова и основы его переработки / А.Н. Михайлов.- М.: Легкая индустрия, 1971. - 525 с.
- Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: Учеб. пособие / Под ред. С.И. Щукина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.-224 с.
- 3. Купцов А.Х., Жижин Г.Н. Фурье-КР и Фурье-ИК спектры полимеров / А.Х. Купцов, Г.Н.Жижин - М.: Техносфера, 2013 - 696 с.
References
- Mihajlov, A.N. Kollagen kozhnogo pokrova i osnovy ego pererabotki / A.N. Mihajlov.- M.: Legkaja industrija, 1971. - 525 s.
- Akopjan B.V., Ershov Ju.A. Osnovy vzaimodejstvija ul'trazvuka s biologicheskimi ob#ektami: Ucheb. posobie / Pod red. S.I. Shhukina. - M.: Izd-vo MGTU im. N.Je. Baumana, 2005.-224 s.
- Kupcov A.H., Zhizhin G.N. Fur'e-KR i Fur'e-IK spektry polimerov / A.H. Kupcov, G.N.Zhizhin - M.: Tehnosfera, 2013 - 696 s.