ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЙ ПРОДУКТ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2012 года по МПК A23L1/30 A23L1/305 A23J3/04 A23J3/30 

Группа изобретений относится к производству функциональных биологически активных продуктов из натурального шелка, а именно из шелковых белков, которые могут быть использованы, в первую очередь, в пищевой промышленности, а также могут найти свое применение в фармацевтической и косметической промышленности.

Белок является основным элементом, необходимым для роста, развития, поддержания и восстановления всех клеток и тканей в организме. Белки используются для создания гормонов, энзимов, антител и нейротрансмиттеров.

Важнейшая функция белков - ферментативный катализ химических превращений в клетке и вокруг нее. Кроме того, белки-регуляторы контролируют экспрессию генов, а рецепторные белки обеспечивают восприятие межклеточных сигналов, часто передаваемых гормонами (тоже белками). Иммунные белки и сходные с ними белки гистосовместимости опознают и связывают «чужие» молекулы, а также «свои» клетки, что и позволяет клеткам правильно размещаться в организме. Структурные белки образуют микрофиламенты, микротрубочки, а также фибриллы, волосы, шелк и другие защитные покровы; они армируют мембраны и поддерживают структуру клеток и тканей. Транспортные белки переносят (а запасные - запасают) другие молекулы. Белки, переносящие протоны и электроны через мембрану, обеспечивают всю биоэнергетику: поглощение света, дыхание, выработку АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Другие белки, «сжигая» АТФ, обеспечивают механохимическую деятельность - они работают в мышцах или перемещают элементы клетки.

Белок является органической смесью из 22 связанных аминокислот, которые являются основными элементами жизни. Две связанные аминокислоты называются пептидом; пептид, образованный менее чем 10 связанными аминокислотами, называется олигопептидом; а соединение из более чем 10 аминокислот называется полипептидом. Обычно, когда пептид включает более 50 аминокислот, образует вторичную, третичную и четвертичную структуры, то в результате он имеет особую функцию и считается белком.

Большой интерес представляют белки из натурального шелка. Шелковый белок в основном состоит из фиброина и серицина. Из сотен белков, существующих в природе, этот белок имеет максимальную чистоту (97%).

Молекулярный вес фиброина составляет примерно 200-300 кДа. Его первичная структура состоит из повторяющегося ряда аминокислот (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala)n. Фиброин содержит 18 аминокислот различных видов, среди которых глицин, аланин и серии занимают около 70% общего количества. Фиброин может образовывать три типа структур, называемых шелк I, II и III. Шелк I - натуральная форма фиброина, который выделяется из шелкоотделительных желез тутового шелкопряда и присутствует в шелке-сырце. Шелк II - структура фиброиновых молекул в крученой шелковой пряже, его прочность выше, и он часто используется коммерчески в различных областях. Шелк III - недавно открытая структура фиброина, впервые замеченная профессором Региной Валуцци (Regina Valluzzi) с помощниками в Тафтском Университете. Шелк III формируется преимущественно в растворах фиброинов на поверхности раздела (т.е. границе между водой и воздухом, поверхность раздела вода-нефть и т.д.). Фиброин отвечает формуле C₁₅H₂₃N₅O₆.

Молекулярный вес серицина составляет 65-400 кДа при содержании серина около 30%. По сравнению с фиброином, он больше содержит таких важных аминокислот, как треонин и лизин. Серицин отвечает формуле C₁₅H₂₅N₅O₈.

Из-за огромной молекулярной массы невозможно поглотить шелковое волокно, т.к. оно не усвоится. Таким образом, чтобы организму человека получить все нужные аминокислоты, необходимо разрушить обе молекулы шелка - фиброин и серицин до аминокислот и пептидов. Для такого разрушения проводят реакции гидролиза.

Из уровня техники известны различные способы гидролиза шелкового белка. При этом известные способы позволяют получить биологически активные продукты различного функционального назначения.

Известен способ получения гипотензивного пептида из коконов тутового шелкопряда, предусматривающий смешивание обезжиренного сухого порошка кокона тутового шелкопряда или смеси белков кокона тутового шелкопряда с водой в соотношении 1:6-7 при pH 6,0-6,5, добавление протеиназы в количестве 0,9-1,1% от исходного сырья и гидролиз при температуре 50-55°C в течение 120-200 минут (CN 1896267 A, 17.01.2007).

Известен способ воздействия на белковую жидкость (раствор белков кокона тутового шелкопряда) нейтральной протеазы и папаина в течение 60-90 минут, при температуре 55-65°C и нормальном давлении. Полученный после дезодорации гидролизат белка (с высоким содержанием аминокислот) используют в качестве питательной оздоровительной композиции для людей (CN 1071199 A, 21.04.1993).

Известен способ гидролиза кокона тутового шелкопряда ферментами с получением пептидов фиброина с молекулярной массой менее 10000 (составляющих 92,4% от общей суммы белка), которые после отделения ультрафильтрацией и дезодорации смешивают с сахаром, различными фруктовыми наполнителями и используют для приготовления функционального напитка (CN 101194666 A, 11.06.2008).

Известен способ получения нативных белков коконов шелкопряда, включающий измельчение исходного сырья, экстракцию раствором соляной кислоты при соотношении реагентов 1:(95-105) путем кипячения на протяжении 2-4 часов с последующим охлаждением до комнатной температуры. При этом получают конечные продукты: фиброин - путем ультрафильтрации, серицин - нейтрализацией солянокислого раствора щелочью, промыванием водой до нейтральной реакции и высушиванием распылением (UA 65934 A, 15.04.2004).

Известен способ получения фиброина шелка, предусматривающий обработку отходов переработки коконов тутового шелкопряда 3-4%-ным щелочным раствором - смесью NaOH и KOH, взятых в соотношении 1:1, нагревание гидролизной массы паром до температуры 90-95°C в течение 4-4,5 ч, а затем нейтрализацию раствором уксусной кислоты до pH 6-7. Далее осуществляют отделение белка фильтрованием, промывание его водой и сушку. Полученный белок обладает кардиотропной активностью (UZ 3297 C, 31.03.2007).

Таким образом, известные способы получения гидролизата белков шелка предусматривают два типа гидролиза - ферментативный и кислотный (щелочной).

Недостатком известных из уровня техники способов гидролиза белков шелка является использование различных дополнительных веществ - ферментов, кислот, щелочей. Так, недостатком ферментативных способов гидролиза является как большая дороговизна самого реагента, так и условия хранения и использования его; нестабильность реакции гидролиза и сложность удаления побочных продуктов.

Недостатком кислотного гидролиза является высокая концентрация кислот (см., например, UA 65934 A, 15.04.2004), длительность обработки в них, и, как следствие, высокие требования к оборудованию и его дороговизна. Дальнейшая обработка щелочным раствором приводит к выделению большого количества тепла, что опять же требует специфического оборудования. После обработки щелочными растворами часто осуществляют обессоливание гидролизата, что еще больше удорожает процесс гидролиза, при этом возможно остаточное количество примесей в виде солей и потери основного продукта.

Задачей группы изобретений является создание нового, более простого и экономичного способа получения функционального биологически активного продукта из натурального шелка, а также получение продуктов из натурального шелка с высоким выходом биологически активных веществ.

Поставленная задача решается тем, что согласно одному из вариантов способ получения функционального биологически активного продукта из натурального шелка заключается в том, что коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori разрезают для удаления личинок, измельчают, помещают в воду и выдерживают в течение не менее 5 минут, после чего замоченное сырье помещают в сосуд и заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда, при этом соотношение сырья и воды по массе составляет (0,5-1,5):(4,5-5,5), затем сосуд плотно закрывают и осуществляют нагрев до температуры 200-300°C с выдерживанием при этой температуре в течение 10-90 мин, далее осуществляют быстрое охлаждение с получением конечного продукта в виде раствора.

Таким образом, получают конечный функциональный биологически активный продукт, являющийся еще одним самостоятельным объектом изобретения.

Согласно другому варианту способ получения функционального биологически активного продукта из натурального шелка заключается в том, что коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori разрезают для удаления личинок, измельчают, помещают в воду и выдерживают в течение не менее 5 минут, после чего замоченное сырье помещают в сосуд и заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда, при этом соотношение сырья и воды по массе составляет (0,5-1,5):(4,5-5,5), затем сосуд плотно закрывают и осуществляют нагрев до температуры 200-300°C с выдерживанием при этой температуре в течение 10-90 мин, далее сосуд быстро охлаждают, полученный раствор подвергают сушке с получением конечного продукта в виде порошка.

Таким образом, получают конечный функциональный биологически активный продукт, являющийся еще одним самостоятельным объектом изобретения.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является упрощение процесса получения готового продукта - аминокислотно-пептидной смеси из натурального шелка, сокращение времени приготовления конечного продукта и получение продукта высокой чистоты - с максимальным выходом и без дополнительных примесей.

Упрощение процесса приготовления конечного продукта заключается в том, что в предложенных способах используют первично необработанное сырье (без предварительного кипячения шелка для удаления серицина); исключаются дорогостоящие и потенциально опасные реагенты, что значительно экономит процесс производства; используют сосуд из обычной пищевой стали.

Для реализации предложенных способов может быть использован сосуд конструкции, изображенной на чертеже. Сосуд изготовлен из стали - Марка AISI 316, используется для изготовления сварных труб, теплообменного оборудования, сварных конструкций, деталей трубопроводов, трубопроводной арматуры, пищевого оборудования, нефтехимического оборудования, аппаратов и сосудов, работающих в растворах уксусной, азотной, лимонной, фосфорной, молочной, муравьиной, борной, щавелевой кислот при температуре от -196 до +450°C (поставщик ООО «Глобаль-Сталь», StellBerg® Stainless Steel Products).

Также в заявленных способах для осуществления нагревания и выдерживания можно использовать сухожар - шкаф сушильный стерилизационный ШСС-80П УХЛ4.2, 50 Гц, 220 B, 22 кВ·А, №356, ТУ 64-1-909-80, 1988 года.

Предложенный способ (варианты) характеризуется следующими параметрами процесса.

Коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori измельчают на мелкие кусочки для ускорения процесса гидролиза и помещают в воду. Время выдерживания измельченных коконов тутового шелкопряда в воде составляет не менее 5 минут. При выдерживании менее 5 минут сырье не успеет намочиться. Время выдерживания может превышать 5 минут в зависимости от условий производства.

Сырье заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда, с целью создания в сосуде определенных условий (в частности, давления - 0,62-0,79 мПА) для проведения реакции гидролиза.

Соотношение измельченного сырья и воды составляет (0,5-1,5):(4,5-5,5). При использовании соотношения сырье: вода больше заявленного, (т.е., например, 1:10) разрушение происходит не полностью, гидролиз идет с получением пептидов большего размера, следовательно, конечный продукт будет хуже усваиваться в организме. Если соотношение меньше (т.е. 1:3, например) сырье не разрушится. Наиболее оптимальным является соотношение 1:5.

Температура нагрева сухожара 200-300°C является наиболее оптимальной для проведения процесса гидролиза с максимальным выходом готового продукта. Ранее проведенные исследования показали, что данные условия не губительны для органических сред. При температуре менее 200°C разрушения белков шелка не происходит, а при температуре, превышающей 300°C, сырье сжигается.

Выдерживание сосуда в сухожаре осуществляют в течение 10-90 мин. При выдерживании меньше 10 минут процесса гидролиза не происходит, а при выдерживании более 90 мин сырье сжигается. Наиболее оптимальным временем является - 60 мин (1 час), поскольку в этом случае достигается максимальный выход конечного продукта.

Быстрое охлаждение сосуда необходимо для того, чтобы весь пар ушел в водное состояние и при этом продукт гидролиза не остался на стенках сосуда.

Полученный заявленными способами биологически активный продукт может быть как в жидком, так и в высушенном виде (варианты).

Проведенный масспектральный анализ показал наличие в конечном продукте пептидной смеси.

Таким образом, готовый продукт (варианты) представляет собой пептидно-аминокислотную смесь. Когда карбоксильная и аминогруппа аминокислот соединяются, образуя пептидную связь, соответствующие аминокислоты превращаются в аминокислотные остатки. Пептид состоит из двух и более аминокислотных остатков, связанных пептидными связями. Следовательно, в полученном продукте содержится 18 аминокислот, связанных в пептиды, либо в свободном состоянии (10 заменимых, 8 незаменимых).

Полученный биологически активный продукт (варианты) обладает функциональным действием. Так, готовая аминокислотно-пептидная смесь является источником незаменимых аминокислот, используемых для роста и поддержания здоровья человека. Аминокислоты являются строительным материалом для пептидов и белков. Некоторые из аминокислот участвуют в передаче нервных импульсов (глицин, глутаминовая кислота). Полученный продукт используется для профилактики заболеваний, связанных с нарушением транспорта аминокислот внутрь клеток.

Биологически активный продукт (варианты) по изобретению может быть использован в качестве функционального компонента для приготовления пищевых продуктов, биологически активных добавок, диетических продуктов питания и т.п., а также в составе фармацевтических лекарственных средств и косметических продуктов.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1:

Коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori разрезают для удаления личинок и измельчают на мелкие кусочки. Затем измельченные коконы помещают в дистиллированную воду и выдерживают в течение 5 минут. Далее замоченное сырье помещают в сосуд (см. чертеж) и заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда. При этом соотношение сырья и воды составляет 1:5. Затем сосуд плотно закрывают и помещают в сухожар, (шкаф сушильный стерилизационный). Осуществляют нагрев сухожара до температуры 200°C и выдерживание при этой температуре в течение 60 мин (1 час). Далее вынимают сосуд из сухожара, быстро охлаждают его водой и переливают полученный раствор в тару.

Полученный биологически активный продукт представляет собой аминокислотно-пептидную смесь в жидком виде.

Пример 2:

Коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori разрезают для удаления личинок и измельчают на мелкие кусочки. Затем измельченные коконы помещают в дистиллированную воду и выдерживают в течение 15 минут. Далее замоченное сырье помещают в сосуд (см. чертеж) и заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда. При этом соотношение сырья и воды составляет 1:5. Затем сосуд плотно закрывают и помещают в сухожар, (шкаф сушильный стерилизационный). Осуществляют нагрев сухожара до температуры 250°C и выдерживание при этой температуре в течение 40 мин. Далее вынимают сосуд из сухожара, быстро охлаждают его водой, полученный раствор переливают в сосуд и подвергают, например, лиофильному высушиванию до полного высыхания.

Полученный биологически активный продукт представляет собой аминокислотно-пептидную смесь в сухом виде.

Таким образом, предложенные способы позволяют упростить процесс приготовления биологически активных продуктов на основе натурального шелка за счет малостадийности процесса, исключения дорогостоящих реагентов, сокращения времени приготовления гидролизатов, использования более простого оборудования, а также получить готовые продукты без примесей и с максимальным выходом активных веществ.

Группа изобретений относится к производству функциональных биологически активных продуктов из натурального шелка, а именно из шелковых белков, которые могут быть использованы в пищевой, а также фармацевтической и косметической промышленности. Способ характеризуется тем, что коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori разрезают для удаления личинок, измельчают, помещают в воду и выдерживают в течение не менее 5 минут. После чего замоченное сырье помещают в сосуд и заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда, при этом соотношение сырья и воды по массе составляет (0,5-1,5):(4,5-5,5). Затем сосуд плотно закрывают, осуществляют нагрев до температуры 200-300°С и выдерживание при этой температуре в течение 10-90 мин. Далее осуществляют быстрое охлаждение с получением конечного функционального биологически активного продукта в виде раствора. Как вариант, способ предусматривает сушку полученного раствора до полного высыхания с получением функционального биологически активного продукта в виде порошка. Группа изобретений позволяет упростить процесс приготовления биологически активных продуктов на основе натурального шелка за счет малостадийности процесса, исключения дорогостоящих реагентов, сокращения времени приготовления гидролизатов и использования более простого оборудования. Готовые продукты не содержат примесей и имеют максимальное количество активных веществ. 4 н.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

1. Способ получения функционального биологически активного продукта из натурального шелка, характеризующийся тем, что коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori разрезают для удаления личинок, измельчают, помещают в воду и выдерживают в течение не менее 5 мин, после чего замоченное сырье помещают в сосуд и заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда, при этом соотношение сырья и воды по массе составляет (0,5-1,5):(4,5-5,5), затем сосуд плотно закрывают, осуществляют нагрев до температуры 200-300°С и выдерживание при этой температуре в течение 10-90 мин, далее осуществляют быстрое охлаждение с получением конечного продукта в виде раствора.

2. Функциональный биологически активный продукт из натурального шелка, характеризующийся тем, что он получен способом по п.1.

3. Способ получения функционального биологически активного продукта из натурального шелка, характеризующийся тем, что коконы тутового шелкопряда Bombyx Mori разрезают для удаления личинок, измельчают, помещают в воду и выдерживают в течение не менее 5 мин, после чего замоченное сырье помещают в сосуд и заливают водой, не полностью заполняя емкость сосуда, при этом соотношение сырья и воды по массе составляет (0,5-1,5):(4,5-5,5), затем сосуд плотно закрывают, осуществляют нагрев до температуры 200-300°С и выдерживание при этой температуре в течение 10-90 мин, далее быстро охлаждают, полученный раствор подвергают сушке с получением конечного продукта в виде порошка.

4. Функциональный биологически активный продукт из натурального шелка, характеризующийся тем, что он получен способом по п.3.