Разработка технологии обезволашивания кожевенного сырья с использованием иммобилизованных ферментных препаратов

Актуальность темы

В кожевенном производстве ферменты используются в подготовительных процессах обработки кож: для отмоки, обезволаши-вания сырья, мягчения [1−4]. Ферменты являются биокатализаторами, интенсифицирующими различные процессы. Для кожевенного производства пригодны ферменты, которые катализируют разрушение белков, т. е. обладают протеоли-тической способностью. При этом возможности применения ферментов осложнены малой устойчивостью к различным воздействиям, в том числе и к хранению, трудностью многократного использования, потенциальной опасностью повреждения дермы, высокой стоимостью. Решением этих проблем может стать использование иммобилизованных фермепшых препаратов в кожевенном производстве, в частности, для обезволашивания шкур животных. Поскольку, сточные воды процессов обезволашивания и золения относятся к сильно загрязненным, концентрированным, токсичным, то применение ферментативного обезволашивания позволяет улучшить экологическую обстановку за счет снижения концентрации сульфида натрия и извести в процессах обезволашивания-золения, а также за счет снижения количеспза продуктов распада волоса в сточных водах.

Известно, что иммобилизованные ферменты с успехом применяются во многих областях деятельности человека: в фармакологии, в микробиологии, в генной инженерии, в аналитической химии, в сельском хозяйстве, в пищевой, легкой промышленности, для очистки сточных вод и т. д. [5−12]. Благодаря устойчивости во времени и стабильности свойств они вытесняют своих нативных аналогов.

Иммобилизованные ферменты обладаю! следующими преимуществами по сравнению с их нативными предшественниками:

— повышенной устойчивостью к различным воздействиям;

— возможностью целенаправленного изменения свойств катализатора, в том числе расширение диапазона активности ферментов, повышению его стабильности к денатурирующим воздействиям [6];

— возможностью повторного использования катализатора.

Поэтому разработка технологии обезволашивания кожевенного сырья с использованием иммобилизованных ферментных препаратов является актуальной задачей.

Цель работы — совершенствование ферментативного способа обезволашивания кожевенного сырья с использованием иммобилизованных ферментных препаратов, чго позволит повысить эффективность производства, снизить возможность появления технологических дефектов готовых кож, сократить производственный цикл, сохранить волос и улучшить экологическую обстановку кожевенного производства.

Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи:

— подобрать фермент и носитель для иммобилизации;

— изучить свойства иммобилизованных ферментных препаратов (активность, изменение активности от рН, температуры, обезволашивающую способность);

— исследовать изменения структуры шкуры животного под воздействием иммобилизованных ферментных препаратов;

— исследовать рабочие жидкости отмочно-зольных процессов и возможность их повторного использования, а также качество сточных вод;

— изучить свойства готовых кож, выработанных с использованием иммоб-лизованных ферментных препаратов;

— провести расчет экономической эффективности разработанной технологии.

Объектами исследования являлись нагивные и иммобилизованные ферментные препараты, кожевенное сырье (шкуры различных видов животных), полуфабрикат и готовые кожи, рабочие жидкости до и после обезволашивания ферментными препаратами, после золения, сточные воды.

Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования послужили: химическая технология и технология кожи. В работе для решения поставленных задач использовали стандартные и современные методы исследования химических и физико-механических свойств дермы. Многообразие явлений, происходящих при ферментативной обработке кожевенного сырья, предполагает привлечение широкого спектра физико-химических методов исследования. Поэтому в работе использовались: гистологический анализ, рентгенофазовый анализ, термический анализ (термогравиметрия, дифференциальный термический анализ), инфракрасная спектроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния, физико-механический, химический анализ. Полученные результаты сравнивали с теоретическими представлениями и сведениями, имеющимися в литературе. Результаты экспериментов обрабатывали с помощью методов математической статистики с использованием стандартных программ.

Научная новизна.

Показана принципиальная возможность применения иммобилизованных ферментных препаратов (ИФП) на водорастворимом носителе для обезволаши-вания кожевенного сырья. Результатом иммобилизации является повышение стабильности ИФП к инактивирующим факторам (рН среды, присутствию различных химикатов, повышению температуры) при сохранении реакционной способности.

С помощью химических и физических методов исследования найдены общие закономерности обезволашивания иммобилизованными ферментами.

Изучено воздействие иммобилизованных ферментов на компоненты шкуры животного, заключающееся в ускорении проникновения иммобилизованного фермента к месту реакции за счет эгализирующей способности носителя (полиэтиленоксида). Показано, что в результате ферментативной обработки иммобилизованными ферментами сохраняется основная волокнистая структура дермы, разрушаются и выводятся глобулярные белки.

Волос остается неповрежденным, а механизм обезволашивания шкур сводится к разрушению соединительных тканей, выстилающих волосяную сумку.

Определены основные параметры обезволашивания разных видов шкур животных иммобилизованными ферментами. Установлены оптимальные параметры исследуемого процесса: концентрации ферментов, температура, рН, время воздействия. Показана возможность многократного использования ИФП.

Защищаемые положения.

• Иммобилизованный фермент проявляет устойчивость к изменению рН, температуре, химическим веществам по сравнению с нативным предшественником благодаря образованной новой структурной форме фермента при стабилизации его полиэтилеиоксидом.

В результате фермент сохраняет все свойства нативного препарата, но приобретает дополнительную устойчивость, конформационную стабильность.

•Воздействие иммобилизованных ферментов на дерму шкуры направлено на извлечение глобулярных белков, межволоконных веществ, при этом незначительно изменяется волокнистая структура коллагена, а кератин волоса остается неизменным.

• Разработанная технология обезволашивания шкур животных иммобилизованными ферментами позволяет получить кожи для верха обуви стандартного качества, интенсифицировать процесс обезволашивания шкур за счет сокращения длительности процесса, сохранить неповрежденный волос, пригодный для дальнейшей промышленной переработки, значительно сократить объем сточных вод и снизить в них содержание загрязняющих веществ, улучшая тем самым экологическую обстановку кожевенного производства. Практическая значимость полученных результатов состоит:

— в разработке и апробации технологии обезволашивания кожевенного сырья (шкур крупного рогатого скота) иммобилизованными ферментами в цикле кожевенного производства Новосибирского ЗАО «КОРС»;

— в установлении возможности использования иммобилизованных ферментных препаратов в отмочно-зольных процессах других видов кожевенного сырья с соответствующей корректировкой параметров их обезволашивания и золения;

— в улучшении экологической обстановки при использовании предлагаемой технологии обезволашивания, выражающемся в сокращении сброса сточных вод и снижении содержания в них сульфида натрия и других загрязнителей.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной работе, обсуждались и получили положительную оценку на конференциях:

• региональной научной конференции «Наука. Техника. Инновации», Новосибирск, 2002 (II место);

• Всероссийской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2003 (III место), 2004, 2009;

• ХЫ1 международной научной конференции «Молекулярный дизайн и экологические безопасные технологии», Новосибирск, 2004 (II место);

• Межвузовской научной конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири», Новосибирск, 2006, 2011 (II место).

Публикации. Основные результат диссертационной работы изложены в 4 статьях, коюрые соответствуют требованиям ВАК, и в 20 работах, опубликованных в сборниках тезисов и материалов конференций.

Личный вклад соискателя заключается в общей постановке задачи, в выборе методов проведения экспериментальных исследований и интерпретации полученных результатов, проведении лабораюрпых, полупроизводственных и производственных испытаний, оформлении статей, выступлении на конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключений, выводов, списка используемой литературы, включающего 142 наименования, и приложений. Работа изложена на 139 страницах основного текста, иллюстрирована 53 рисунками и 11 таблицами.

Заключение

.

В данной главе обоснован выбор ферментов для иммобилизации, приведена характеристика комплекса фермента с носителем. Изучены свойства иммобилизованных ферментных препаратов — иммобилизованного протосубтили-на и иммобилизованной алкалазы РО. Показано, что протеолитическая активность ферментных препаратов в результате иммобилизации снижается примерно на 20%. Однако, результатом иммобилизации является увеличение стабильности ферментных препаратов по отношению к повышенным температурам и расширение области рР1 оптимума действия ферментов в щелочную сторону.

Кроме того, изучено влияние хлорида натрия и ПАВ (анионоактивных и неионогенных) на активность ферментных препаратов. Показано, что концентрация хлорида натрия до 50 г/л практически не влияет на активность ферментных препаратов. ПАВ несколько снижают активность ферментов, однако, способствуют извлечению глобулярных белков и потому, должны быть использованы для обезволашивания кожевенного сырья. Установлено, отсутствие отрицательного инактивирующего влияния компонентов зольника на активность иммобилизованных ферментов. Это позволит в производстве реализовать си-нергетическое действие иммобилизованного фермента с сульфидом натрия и известью с целью уменьшения длительности цикла отмочно-зольных процессов. Показано, что иммобилизованные ферменты сохраняют все специфические свойства нативного предшественника, но выгодно отличаются от него стабильностью, проникающей способностью, направленностью действия, меньшей подверженностью действию веществ, инактивирующих их.

Предположено, что механизм действия иммобилизованного ферментного препарата заключается в диффузии защищенной формы фермента в дерму, т. е. к месту реакции с гидролизуемыми связями и исчерпывании фермента при его реакции с субстратом. На основании обширного экспериментального материала, полученного с помощью современных методов исследования структуры дермы, предположили механизм обезволашивания сырья иммобилизованными ферментами. Показано с помощью гистологических исследований сырья и голья, что в результате обезволашивания и последующего золения происходит разволокнение коллагеновых волокон и очистка дермы от неколлагеновых белков, что подтверждают данные определения температуры сваривания. Установлено разрушение поперечных связей, скрепляющих структуру коллагена и по термоанализу образцов дермы. Кроме этого, установлено образование гидро-ксильных групп, что возможно связано с разрушением белково-углеводных комплексов. Установлено, что шерсть, снятая после воздействия иммобилизованных ферментных препаратов, сохраняет свою нативную природу. С помощью метода гель-хроматографии определено, что иммобилизованный фермент извлекает в основном вещества с молекулярной массой менее 10 КДа, т. е. глобулярные белки, полипептиды. Исследование продуктов гидролиза показало, что они содержат оксипролин, но его концентрация небольшая [105]. Таким образом, иммобилизованный фермент не разрушает волокнистую структуру коллагена. В результате рентгенофазового анализа установлено межплоскостное расстояние коллагеновых волокон при перпендикулярном направлении луча. Оно составило 4,53 А, что хорошо согласуется с литературными данными и еще раз подтверждает сохранность структуры коллагена. Экспериментальные данные, представленные в этой главе, были опубликованы [107−116].

Для проверки достоверности данных, их обрабатывали с помощью методов математической статистики на основе корреляционного и регрессионного анализов [89- 117−119] приложение В.

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗВОЛАШИВАНИЯ КОЖЕВЕННОГО СЫРЬЯ ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ ФЕРМЕНТАМИ.

4.1 Методика процесса обезволашивания иммобилизованными ферментами.

Для разработки технологии обезволашивания кожевенного сырья [120 124] сначала нами были определены оптимальные концентрации ферментных препаратов с учетом эффекта обезволашивания и сохранности структуры лицевой поверхности. Степень разрушения структуры устанавливали по выплавлению желатина, этот показатель позволяет судить о разрушении коллагена, являющегося основным белком шкуры. Лабораторные исследования проводили на полукожнике, КРС, овчине, козлине, свином сырье. Обработку ферментами осуществляли в растворе в динамических условиях и в статических, т. е. при нанесении обезволашивающего раствора на бахтармяную сторону образцов и выдерживании образцов при температуре 36−38 °С. Методика эксперимента представлена в таблице 4.1.