Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ферменты в технологиях кожи и меха. Учебное пособие
.pdf
21. Какие предшественники коллагена обычно присутствуют
в соединительной ткани? Какими свойствами они обладают?
22. Как происходят продольное расщепление и поперечное расщепление коллагена?
23. Какое действие оказывает трипсин на коллаген?
24. Опишите механизм действия пепсина на коллаген.
25. Какие связи коллагена гидролизуют субтилизины?
26. Приведите основные характеристики кератинов.
27. Приведите схематичное изображение структуры кератина.
28. Какие три основных слоя различают в структуре волоса?
29. Что оказывает большое влияние на механические свойства
кератина?
30. Что понимают под терминами «сверхсокращение» или «суперконцентрация»? Какие вещества вызывают это явление?
31. Что происходит при насыщении волокна волоса водой?
32. К какому нагреву кератин более устойчив?
33. На какие стадии термической деформации можно разделить
процесс нагрева кератина?
34. К действию кислот или щелочей кератин более устойчив?
35. При каких условиях при воздействии соляной кислотой на
волокна шерсти протекает наиболее полный гидролиз?
36. После восстановления каких связей ослабляется устойчивость к действию ферментов у кератина?
37. Какой фермент способен гидролизовать нативный кератин
в отсутствие восстанавливающих веществ?
38. Какой белок является основной составляющей сетки в верхнем и нижнем слоях дермы?
39. Схематически представьте структурную организацию эластина.
40. В чем характерная особенность эластина по сравнению с другими белками соединительной ткани? Какие ферменты на него действуют?
111
12. ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
В КОЖЕВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Ферментативная обработка сырья – одно из наиболее перспективных направлений совершенствования биотехнологических процессов
в производстве кожи и меха. Ферментные процессы издавна применяются в меховом производстве с целью придания кожевой ткани меха мягкости и пластичности без ослабления связи волосяного покрова с дермой
путем удаления межволоконного вещества: белков, углеводов и их комплексов, а также более тонкого разделения коллагеновых волокон.
Процессы переработки кожевенно-мехового сырья, основанные
на использовании ферментов, традиционно относят к «чистым технологиям», позволяющим значительно сократить степень загрязнения
сточных вод, что позволяет фермент-включающие технологии отнести
к экологически чистым. Известны работы по использованию ферментов в отмоке, золении, обезволашивании, позволяющие интенсифицировать жидкостные процессы и существенно снизить загрязненность
сточных вод. В среднем химическое потребление кислорода (ХПК) при
использовании ферментативного обезволашивания по сравнению с традиционным способом снижается на 84 %.
Применение ферментных препаратов снижает потери коллагена
по сравнению с традиционными методами на 20–30 %. При этом из
шкуры удаляется основная масса неколлагеновых белков, углеводов,
аминосахаров и происходит разделение структурных компонентов коллагена, что позволяет проводить последующие процессы в более мягких условиях, с уменьшением концентрации химических реагентов и
длительности процесса.
Долгое время в кожевенном производстве использовали ферментные препараты животного происхождения. В отечественной промышленности это были в основном препараты поджелудочной железы
животных. Одним из путей расширения ассортимента ферментных препаратов является использование в качестве продуцентов культур плесневых грибов, бактерий, актиномицетов. Ферментные препараты, полученные на основе микроорганизмов, имеют следующие преимущества: неограниченную сырьевую базу и возможность управлять биосинтезом
ферментов, изменяя в нужном направлении условия культивирования
микроорганизмов и получая таким образом, заданный комплекс ферментов. Микробная клетка, вырабатывающая необычайно широкий набор
112
ферментов, использует для питания разнообразные отходы пищевых
и химических производств, в том числе белковые, углеводные и др. Ферментные препараты микробиологического происхождения быстро и хорошо растворяются в воде, более устойчивы при хранении.
Как было отмечено выше, действие ферментов на субстрат зависит от присутствия в реакционной среде химических веществ, которые
могут влиять на степень гидратации и стабильность молекул фермента,
их форму, реакционную способность, быть активаторами, ингибиторами
или стабилизаторами процесса. Установлено, что присутствие в реакционной среде хлорида натрия или сульфата аммония снижает на 10–15 %
протеолитическую активность протосубтилина Г10Х, гидроксида кальция – на 5 %, но при этом оптимум рН смещается до 10. Карбонат натрия
оказывает положительное влияние на проявление протеолитической активности щелочными протеиназами. Активность технического ферментного препарата актиномицета III, имеющего два максимума протеолитической активности, в присутствии хлорида натрия или хлорида аммония,
сульфата, сульфита или гидросульфита натрия снижается в среднем на
10–15 %. Карбонат натрия и гидроксид кальция несколько повышают активность этого фермента. Сульфид натрия практически полностью подавляет протеолитическую активность ферментных препаратов. На действие протеолитических ферментов микробиологического происхождения не оказывают влияние хлорид аммония и сульфат аммония при концентрации, применяемой при обеззоливании и мягчении. В то же время
эти вещества являются лучшими стабилизаторами и активируют действие ферментного полупродукта, полученного при производстве инсулина из поджелудочной железы.
Поскольку скорость ферментативной реакции зависит от
соотношения фермент:субстрат, в ферментативных процессах кожевенного
и мехового производства это соотношение можно регулировать
концентрацией ферментного препарата в обрабатывающем растворе, с
увеличением которой, как правило, усиливается его воздействие на
структурные элементы шкуры, но эта зависимость не является
прямолинейной. Применение протеолитических ферментных препаратов
высоких концентраций, характеризующихся широкой специфичностью,
приводит к ухудшению качества кожи (отдушистость, стяжка, дряблость
периферийных участков), несмотря на сокращение длительности процесса.
Большое влияние на действие ферментов в процессах кожевенного
производства оказывает механическое воздействие, так как многие
ферменты подвергаются денатурации при встряхивании.
113
В настоящее время ферменты широко применяют в кожевенно-меховой промышленности. На рис. 12.1 на схеме основных этапов технологического процесса обработки кожи отмечены стадии на которых применяются ферментные препараты. Их используют в процессах: щелочные протеазы – в отмоке (сокращение ее продолжительности); липазы – в обезжиривании (отказ от применения органических растворителей и уменьшение
расхода поверхностно активных веществ (ПАВ)); специальные ферменты –
в обезволашивании-золении (сокращение расхода сульфидов и повышение
качества голья); нейтральные и кислые протеазы – для мягчения; различные
протеазы – для гидролиза отходов производства и обработки сточных вод.
1 2 . 1 . О т м о к а к о ж е в е н н о г о с ы р ь я
Для ускорения отмоки в производстве часто используют обострители – химические вещества, способствующие обводнению. Ускорить обводнение могут гидролитические ферменты: протеазы, гликозидазы, а также липазы, расщепляющие жироподобные вещества, что
способствует смачиванию шкуры. Особенно эффективно действие ферментных препаратов при отмоке сырья, консервированного с применением сушки и содержащего большое количество жира.
В кожевенном производстве находят применение протеолитические ферменты – кислые, нейтральные и щелочные протеазы. В результате действия протеаз происходит частичное разделение структурных элементов дермы, что также способствует улучшению ее обводнения. Применение протеолитических ферментов при отмоке облегчает
последующее обезволашивание шкур.
Наилучший отмачивающий эффект наблюдается в случае
применения щелочных протеаз. При этом в процессе последующего
золения достигается равномерное набухание голья ввиду малой разницы рН
отмочной и зольной жидкостей. Однако длительная обработка щелочной
протеазой высокой концентрации может привести к ухудшению качества
кожи. С этой точки зрения для отмоки шкур предпочтительнее нейтральные
и кислые протеазы, обработка которыми характеризуется менее
интенсивным воздействием на структурные элементы коллагена,
способствует их более равномерному разделению по топографическим
участкам дермы.
114
Рис. 12.1. Примерная схема технологического процесса
обработки кожи
Применение в процессе отмоки липаз особенно актуально при
обработке шкур с повышенным содержанием жировых веществ (свиней, овец). Как правило, липазы применяют вместе с протеазами.
Это способствует хорошему обезжириванию шкур, в результате чего
содержание жировых веществ в отмоченном сырье в два раза меньше,
чем в сырье, отмоченном с применением ПАВ.
115
Отмока ускоряется также в присутствии гликозидаз. Однако отрицательный результат был получен при использовании в отмоке глюкоамилазы. Глюкоамилаза оказывает лишь незначительное воздействие на
углеводы и их комплексы с белками межволоконного вещества, причем
это воздействие связано, по всей вероятности, с присутствием в ферментном препарате незначительного количества -амилазы.
Применение ферментных препаратов в процессе отмоки также
способствует улучшению состава сточных вод, увеличению выхода
кож по площади, лучшему поглощению дубящих соединений хрома в
процессе дубления, позволяет получить кожу более равномерную по
структуре, мягкую и хорошего качества. Ферментативная отмока благоприятно влияет на последующие обезволашивание и золение.
При этом режим золения должен быть более мягким, химические материалы необходимо применять в меньших количествах.
В процессах отмоки и золения кожевенного сырья рекомендуется использовать препарат Суперлайм – протеолитический ферментный препарат, предназначенный для использования в процессе золения
и характеризующийся хорошей стабильностью при высоких значениях
pH. При отмоке он может использоваться в качестве традиционного отмочного фермента с концентрацией, которая на 20–30 % меньше концентрации обычных отмочных реагентов. При его использовании
можно значительно сократить время отмоки и процесса золения до
24 ч, при этом характеристики кожи сохраняются такими же как при
обработке в течение 48 ч.
В целом в настоящее время, отмечается тенденция расширения
ассортимента ферментных препаратов, которые могут быть использованы в кожевенно-меховом производстве. Наряду с наиболее распространенными (протосубтилин, препараты из поджелудочной железы,
щелочная протеаза и др.) активно внедряются в технологию новые материалы: скиназа, кератиназа, коллагеназа, мультэнзимные композиции.
Например, предлагается проводить отмоку сырья в присутствии
нейтральной протеазы в количестве 0,05–0,08 % от массы сырья, дополнительную ферментативную обработку препаратом Скиназа в количестве 0,1–0,3 % от массы сырья, пикелевание в присутствии соли
хрома при ее расходе 0,3–0,5 % от массы полуфабриката и пероксида
водорода в количестве 3,0–5,0 % от массы.
С целью интенсификации процесса отмоки предлагается в отмочную ванну вносить композиции протеолитических ферментных
препаратов – ПТН и неионогенного ПАВ (нПАВ) – Скинол К.
116
Их совместное применение способствует очищению структуры дермы.
Этот эффект достигается в результате более глубокого проникания
ферментов в структуру дермы в присутствии нПАВ, расщепления неколлагеновых белков под действием ферментов на отдельные фрагменты, и вымывания их нПАВ. ПТН представляет собой мультиэнзимную композицию, выделенную из культуры Bacillus subtilis. Оптимальная активность препарата проявляется при значениях рН 7,5–8,5. В его
состав входят протеолитические и амилолитические ферменты в определенном соотношении и неорганические микродобавки. Добавление
Скинола К приводит к увеличению протеолитической активности препарата ПТН в 1,3 раза, причем достигнутое значение более высокой
ферментативной активности сохраняется в течение 4 ч, что составляет
более половины продолжительности процесса отмоки.
Установлено, что при ферментативном воздействии комплекса
липолитических и протеолитических ферментных препаратов на шкуру
происходят ее обезжиривание, уменьшение содержания в ней углеводных компонентов и как следствие этого, хорошее разделение структуры
дермы, удаление значительной части неколлагеновых белков. Все это
способствует получению кож высокого качества из свиного сырья.
Известна способность многих микроорганизмов синтезировать
липазы. По специфичности действия эти ферменты классифицированы
на три группы. Самая большая группа (куда относится и панкреатическая липаза) проявляет специфичность к первичным эфирным связям.
Вторая группа – так называемые неспецифичные липазы, способные
гидролизовать все три сложноэфирные связи с одинаковой скоростью.
И, наконец, третья группа липаз – ферменты, обладающие специфичностью от их позиции в молекулах триглицеридов.
Применение в процессе отмоки липаз особенно актуально при
обработке шкур, характеризующихся большим содержанием жировых
веществ (шкуры свиней, овец). Проведенные исследования показали,
что применение в процессе отмоки свиного сырья липазы и протеазы,
выделенных из культур Aspergillus оryzaе при рН обрабатывающей
жидкости 6,5–7, способствуют хорошему обезжириванию шкур, в результате чего содержание жировых веществ в отмочном сырье в два
раза меньше, чем в сырье, отмоченном с применением ПАВ.
Применение ферментного препарата, выделенного из культуры
Aspergillus оryzaе и обладающего протеолитической, гликозидазной,
липолитической активностью (оптимальный рН 5–8), в процессе отмоки показало, что данный ферментный препарат воздействует на
117
структурные элементы межволоконного вещества и ограниченно – на
коллаген. Использование указанного ферментного препарата в процессе отмоки свиного сырья в 10 раз ускоряет последующее обезволашивание с помощью щелочной протеазы, обеспечивает получение мягкой кожи, характеризующейся шелковистой лицевой поверхностью
и слабовыраженной мереей.
Существует способ обработки кожевенного сырья, заключающийся в том, что вторую фазу отмоки ведут в растворе, содержащем
4–5 г/дм3 лиофильно высушенной культуральной жидкости щелочной
липазы, а за 1,5–2,0 ч до окончания отмоки добавляют щелочную протеазу Г20Х в количестве 1,0–1,5 г/дм3, при этом обезволашивание, мягчение и обезжиривание осуществляют одновременно в присутствии
лиофильно высушенной культуральной жидкости щелочной липазы в
количестве 3–6 г/дм3. Данный способ обработки кожевенного сырья
позволяет повысить качество готовых кож за счет улучшения прочностных показателей лицевого слоя и интенсифицировать процесс при одновременном улучшении санитарно-гигиенических условий труда.
1 2 . 2 . О б е з в о л а ш и в а н и е
Обезволашивание является наиболее трудоемким подготовительным процессом кожевенного производства. Существующие неферментные методики обезволашивания не полностью удовлетворяют промышленность.
Швицевание позволяет полностью снимать волосяной покров,
но при этом часто повреждается лицевой слой дермы. Обработка
в суспензии гидроксида кальция позволяет получить лицевую
поверхность голья хорошего качества, но вызывает порчу снимаемого
волоса. К тому же оба эти процесса очень длительны. Сократить время
их проведения можно применением обострителей, однако они часто
вызывают нежелательные изменения структуры волоса. Широко
используются методики, предусматривающие полное сжигание волоса,
но для кожевенного сырья с ценным волосяным покровом они
непригодны. Поэтому наиболее перспективно обезволашивание
с помощью ферментов, поскольку при этом удается сохранить
118
снимаемый волос, ускорить в 2–3 раза процесс и упростить очистку
сточных вод благодаря отсутствию в них серосодержащих веществ.
Обезволашивающего эффекта можно достигнуть, разрушая корень волоса путем разрыва дисульфидных связей, а также деструкцией
веществ, выстилающих волосяную сумку, что способствует свободному выходу из нее волоса. Длительность процесса определяется скоростью проникания фермента к компонентам волосяной сумки – сложным белкам и белково-углеводистым комплексам. Поэтому ферментативному обезволашиванию, как правило, предшествует щелочная или
ферментативная отмока, способствующая повышению проницаемости
дермы для больших молекул ферментов. Применение ферментных препаратов с оптимумом действия в щелочной среде позволяет объединить
отмоку, обезжиривание, обезволашивание и золение. Кроме того, щелочная среда практически исключает развитие бактерий, разрушающих
сырье. Различные виды объектов, содержащих ряд субстратов (белки,
углеводы, жиры), вызывают необходимость использования композиций ферментных препаратов. Композиции могут содержать смеси ферментных препаратов, обладающих протеолитической, липолитической
и гликозидазной активностью, а также различные специальные компоненты (ПАВ, антисептики, активаторы, регуляторы рН и т. д.).
Было установлено, что очищенные ферменты, обладающие преимущественно одной активностью (-амилаза, гиалуронидаза, глюкомилаза, целлюлаза, пектиназа, протеиназа) оказывают гидролизующее
действие на неколлагеновые компоненты кожевой ткани (углеводы,
белки и их комплексы), способствуют удалению межволоконного вещества и разделению структурных элементов дермы. Однако в ряде работ было доказано, что увеличение протеолитической активности ферментного препарата за счет более высокой степени его очистки не приводит к улучшению эффекта обезволашивания.
Наибольшие трудности возникают при удалении щетины со
свиных шкур из-за высокого содержания в них жировых веществ и глубокого залегания волосяных сумок. Благодаря обработке смесями ферментных препаратов, обладающих липолитической, протеолитической,
глюкозидазной и эластолитической активностью, шкуры легче обезжириваются, в них более полно разрушаются сложные белки, белково-углеводные комплексы волосяных сумок (легче удаляется щетина) и эластин (улучшается качество кожи).
Внедрение ферментативного обезволашивания шкур крупного
рогатого скота (КРС) затруднено по некоторым причинам. Одна из них
119
заключается в том, что ослабление связи волоса с дермой на разных топографических участках достигается за разное время, в результате чего
часть волоса свойлачивается в барабане и трудно удаляется. Для устранения этого недостатка разрабатываются способы непрерывной
очистки рабочего раствора путем его циркуляции через систему решетчатых фильтров.
Другой причиной медленного внедрения ферментативного
обезволашивания для шкур КРС является высокая стоимость ферментных препаратов. Эта проблема может быть решена путем многократного использования ферментного раствора. В частности, существует
следующий способ регенерации. Отработанный рабочий раствор фильтруют для отделения волоса, фильтрат подкисляют соляной кислотой
до рН 3,5 и снижают температуру до 15 °С. Охлажденный раствор отстаивают около 16 ч, удаляют выпавшие в осадок продукты гидролиза
и повышают рН фильтрата до нужного значения карбонатом натрия.
Активность регенерированного раствора составляет около 70 % от первоначальной. Цикл можно повторять многократно. Осадок, содержащий продукты распада белков и жиров, может быть использован в качестве корма для скота; шерсть и щетина – в валяльно-войлочной и щетино-щеточной отраслях текстильной промышленности. Волосяной покров, оставшийся в шкуре (5–10 %), удаляется в процессе последующего золения при уменьшенном расходе сульфида натрия (1–1,5 % от
массы голья).
Разработан ферментный препарат Прок, представляющий собой смесь нейтральной и щелочной протеаз, эластазы, липазы, коллагеназы и амилазы, полученную из культуры актиномицета. Техническими результатами применения препарата являются сокращение сульфида натрия в стоках, улучшение экологии и условий труда, исключение из технологического процесса панкреатина (мягчителя) и получение ценного сырья (шерсти) для дальнейшей переработки.
В. И. Чурсин запатентовал способ выработки кожевенного
сырья, заключающийся в его обработке водным раствором
ферментного препарата в присутствии в качестве диспергирующего
органического соединения мочевины в количестве 3–8 % от массы
сырья с последующим замораживанием сырья при температуре от
−18 до −45 °С и размораживанием при 55–65 °С и пролежкой в течение
48–72 ч. Замораживание кожевенного сырья после обработки
раствором, содержащим мочевину и ферментный препарат, при
указанных режимах позволяет создать необходимые условия для
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]