XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение. Производство мяса из сельскохозяйственных животных не только производит мясо для потребления людьми, но также производит значительное количество отходов животноводства [1,2]. Количество отходов мясного производства очень велико, так как люди используют только небольшую часть животных для потребления в качестве мяса (например, 50-54% от крупного рогатого скота, 60-62% от свиней, 50% от коз или овец и 68-72% от курицы); Остальное – отходы. Тип отходов мертвых животных варьируется на каждом этапе операции; он включает в себя туши, несъедобные части тела, кровь, кости и шкуры животных [3,4].

Шкура животного представляет собой шкуру животного и составляет значительную часть (от 4 до 11%) веса живого животного у крупного рогатого скота, овец и свиней (крупный рогатый скот, 5,1-8,5%, свиньи, 3,0-8,0%, овцы, 11,0-11,7%). Шкуры являются одними из самых ценных твердых отходов мясоперерабатывающей промышленности и ранее широко использовались кожевенной промышленностью. Однако за последние несколько лет интерес потребителей сместился к синтетическим материалам, которые являются альтернативой коже [5].

Захоронение отходов не является экономически выгодным вариантом, особенно для мелких производителей мяса из-за проблем с хранением и транспортировкой. Кроме того, захоронение такого огромного количества шкур (ежегодно 100 000 шкур крупного рогатого скота и 300 000 овечьих шкур) может создать опасность для окружающей среды. Имеются сообщения о случаях неблагоприятного воздействия на портативное водоснабжение, качество воздуха, сельское хозяйство и водную флору и фауну [6]. Таким образом для того, чтобы справиться с этой сложной ситуацией, необходимы устойчивые, экономичные и экологически чистые подходы.

В этом обзорной статье обсуждаются некоторые экономически эффективные методы обращения с отходами сырых шкур животных, а также полезное использование отходов кожевенной промышленности, которые включают отходы дубленых / недубленых шкур животных, состоящие в основном из обрезков кожи, стружки, расщепления, мяса и волос. Многие исследователи изучали различные методы утилизации ресурсов отходов кожевенной промышленности. Эти методы также могут быть использованы для извлечения ресурсов из сыромятных шкур для производства полезных продуктов, с дополнительным преимуществом. В обзоре исследуются различные процессы превращения отходов шкуры животных в полезные продукты, пользующиеся большим спросом. Обсуждаемые процессы включают экстракцию коллагена, кератина и желатина, а их применение включает производство пряжи из коллагена, суперконденсаторов, 3D-намагниченной пористой губки, корма для птицы, полученного из отходов кожи хромового дубления, доставку лекарств, биокомпостирование.

Извлечение кератина, коллагена (желатина) из шкур животных. Шерсть и кожа животных в шкурах являются богатыми источниками белка кератина, который можно извлечь различными способами и который может в дальнейшем использоваться в многочисленных биомедицинских производствах [7]. Кроме того, кератин, извлеченный из отходов волос кожевенного завода, может быть использован в процессе производства кожи в качестве дубильного агента, наполнителя для дубления или в качестве осветлителя кожи [8].

В одном исследовании [9] сообщили об образовании шерстяной кератиновой губки, извлеченной из овечьей шерсти и используемой для изготовления биомедицинских каркасов, путем процесса лиофилизации из водного раствора шерстяного кератина с использованием контролируемого процесса замораживания. Кератиновый белок вырабатывается из волос, шерсти и ногтей. Недостатком шерстяного кератина является то, что он содержит высокий процент остатка цистеина, который является частью дисульфидной связи, которая, как известно, обеспечивает жесткость шерсти, но эти связи необходимо разорвать для извлечения кератинов. Шерстяной кератин содержит RGD (трипептид аргинин-глицин-аспарагиновая кислота) и LDV (трипептид лейцин-аспарагиновая кислота-валин) секвенирование клеточной адгезии, которое аналогично белкам внеклеточного матрикса, таким как фибронектин. Синтезированный каркас дополнительно обрабатывали сшивающими реагентами, такими как глутаровый альдегид или гибридный материал, такой как поли (DL-молочно-согликолевая кислота), для его повышенной устойчивости к термической обработке, встряхиванию для промывки и другим манипуляциям. В этом исследовании был сделан вывод о том, что стабильный белковый пористый каркас получается путем обработки шерстяных волос, извлеченных из овец, что является хорошим каркасом для клеточной адгезии, роста и распространения, который можно использовать для долгосрочного культивирования клеток с высокой плотностью [9].

В другом исследовании [10] сообщили о методе экстракции кератина из шерсти путем инкубации смеси додецилсульфата натрия (SDS) с мочевиной и 2-меркаптоэтанолом при 60 ° C в течение 5 часов. Диализ проводится на шерстяном кератине с водным раствором, и кератин был получен после удаления мочевины в процессе. В среднем 8 мг белка получают из 200-мкл раствора, который собирают и добавляют в пробирку с плоским дном, выдерживают в замороженном виде при -20 ° C в течение 72 ч и далее лиофилизируют для получения губки [10].

Коллаген считается самым популярным волокнистым белком на Земле. Кроме того, он изучается на предмет некоторых превосходных свойств, таких как пролиферация клеток, клеточная адгезия и биосовместимость. Коллаген состоит из 23 аминокислот с более высокой концентрацией аланина, пролина, глицина и других аминокислот в меньших количествах; его структура образована путем скручивания и скручивания трех цепочек аминокислот в структуру тройной спирали [11]. Эта структура тройной спирали проиллюстрирована на рисунке 1. Одно коллагеновое волокно называется «тропоколлаген», его длина составляет около 300 нм, а диаметр – около 1,6 нм. Извлечение коллагена может быть выполнено из различных источников, таких как кожа рыбы, крысиный хвост, свиная, буйволиная кожа и бычья. Надлежащая биосовместимость и низкая доступность являются ключевыми факторами при выборе тканей крупного рогатого скота и свиней для извлечения коллагена. Основная цель экстракции будет заключаться в разрыве внутри- и межмолекулярных связей коллагена и, как правило, приведет к получению гидролизованного коллагена [12].

Рисунок 1 – а. Структура тройной спирали коллагена представляет собой образование спирали путем молекулярных закрученных друг вокруг друга.
b. Принципиальная схема тройной спирали 

Богатые белком отходы, образующиеся при обрезке сыромятной кожи, могут содержать значительное количество коллагена и жира [8]. Даже из этих отходов коллаген или желатин можно извлечь с помощью различных методов, таких как кислотный, ферментный и щелочной гидролиз. По сравнению с большинством методов, щелочный гидролиз является широко распространенным методом для внедрения в промышленное производство; промышленное производство желатина описано на рисунке 2. Кроме того, остатки жировых отходов, образующиеся из обрезков шкур животных, могут быть дополнительно использованы для извлечения жиров и масел, которые могут применяться в качестве кожного жирного раствора и биотоплива [8].

Рисунок 2 – Промышленная схема переработки и производства желатина путем щелочного гидролиза

Процесс производства коллагена включает в себя несколько аспектов, таких как удаление волос, стрижка шкуры, известкование и делимирование [13]. Процесс обычно начинается с удаления волос и известкования с целью удаления волос на коже, слоя эпидермиса и межфибриллярных белков, которые препятствуют последующему процессу экстракции. Метод [14] проводился на обрезках шкур коз, а удаление волос завершалось замачиванием шкуры в воде и сохранением 60-65% влаги перед удалением волос 10% извести, 3% Na₂S и другие химические вещества в зависимости от его веса. Далее шкуру животных следует известковать в течение 24 ч с 3% известью, а шкуры деизвестковывать в течение 2 ч с 2% NH_4. Затем обрезанные кусочки шкуры очищали в воде, и выполняли несколько других процессов, таких как гомогенизация, центрифугирование и диализ для получения чистого коллагена.

Процесс экстракции коллагена делится на две части: (1) химическая гидролизная экстракция и (2) ферментативная гидролизная экстракция. Стандартный этап включает удаление соли, примесей, жира и других неколлагеновых веществ из сырья [12]. Следующим шагом является замачивание его в щелочной среде на несколько дней. В процессе химического гидролиза выходной продукт смешивают с органической кислотой, такой как лимонная кислота, чтобы разрушить сшивающие связи коллагена, чтобы изолировать его для экстракции. Далее полученный продукт пропускают через процесс фильтрации и диализа. Для ферментативного гидролиза раствор пепсина используют для замачивания в течение нескольких дней с последующей фильтрацией и осаждением в хлориде натрия. Затем экстракты промывают и сушат, чтобы получить коллагеновый порошок в качестве полученного продукта [12, 14] использовали пропионовую кислоту и уксусную кислоту для извлечения коллагена из обрезков козьей кожи. Ранее для экстракции использовалась только уксусная кислота, но в ходе исследования стало очевидно, что восстановление коллагена повышается до 93% при использовании пропионовой кислоты.

Использование экстрагированного коллагена (желатина) из шкур животных. Коллаген является одним из биоразлагаемых полимеров, которые могут быть синтезированы из отходов шкур животных и могут использоваться для различных применений, таких как косметика, биомедицина и упаковка [12, 13], сообщили о производстве биоразлагаемого упаковочного материала, в котором в качестве основного материала используется экстрагированный желатиновый гель из сырой обрезки бычьей кожи, а также используется уксусная кислота для компенсации недостатка высокой растворимости желатина в воде. Следовательно, он может найти применение в упаковке. Кроме того, автор предположил, что поливиниловый спирт (ПВС), смешанный с желатиновым гелем, может быть использован для производства композитных пленок. Пленка с высокой прочностью и сопоставимыми герметизирующими свойствами, как у контрольной пленки полиэтилена низкой плотности (LDPE), была разработана путем пластификации и сшивания глутарового альдегида (GA) с глицерином (Gly) [13].

Исключительные качества коллагена, такие как биоразлагаемость, хорошее сродство, низкая антигенность и отличная биосовместимость, делают его идеальным материалом для применения в биомедицинской сфере. Коллаген, извлеченный путем ферментативного гидролиза из свиной кожи вместе со шлемником байкальским (широко известным как китайский шлемник), был использован для производства мембраны для заживления ожогов на основе коллагена. В целом, эта мембрана была признана идеальной для заживления ожогов из-за ее таких характеристик, как антибактериальные, противовоспалительные, противоаллергические, хорошая биосовместимость и отличные целебные свойства. В другом исследовании был изображен модифицированный коллаген-хитозан (COL-CS) пористый каркас с наноматериалом диоксида титана (нано-TiO₂) для повышения антибактериальных свойств вещества. Исследования in vitro в области заживления ран показали, что TiO_2. Композитные леса / COL-CS показали высокую проницаемость во влажном климате [13].

Косметика и средства гигиены могут быть разработаны с использованием коллагена, полученного из обрезанной кожи животных. Использовали телячью кожу для производства эмульсий, содержащих гидролизат коллагена различной концентрации, и их экстрагировали путем ферментативного и щелочного гидролиза. Гидратационные, сенсорные, внешние и моющиеся свойства предлагаемых эмульсий были протестированы, и это подтверждает, что коллаген, полученный из шкур, может быть использован для антивозрастной косметической эмульсии [13].

Многофункциональный углеродный наноматериал был разработан [14, 15] путем термической обработки при высоких температурах с использованием коллагена, который был извлечен из обрезков сырой кожи, собранных на кожевенном заводе козьей шкуры. Разработанные наноуглероды, имеющие гексагональную графитовую структуру, легированы кислородом и азотом. Разработанное вещество нашло применение в качестве электродов литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторов [15].

Выводы. В обзоре было предложено несколько альтернатив сырым шкурам животных, которые могут быть использованы скотобойнями, кожевенной промышленностью и кожевенными заводами для расширения своего бизнеса. Образование различных продуктов из отходов играет ключевую роль в сокращении общих отходов, образующихся на скотобойнях. Поскольку шкуры животных попадают в категорию скоропортящихся продуктов, если их не обрабатывать, большая часть шкур со скотобоен попадает на свалки и приводит к затратам животноводов. В обзоре литературы предлагается несколько применений. Некоторые из них включают извлечение коллагена или желатина из шкур животных, а затем использование их для преобразования в пригодные для использования продукты, такие как магнитно-активная губка, упаковка, биомедицинские приложения и косметика.

СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ

1. Bandaw T., Herago T. Review on abattoir waste management //Global Veterinaria. – 2017. – Т. 19. – №. 2. – С. 517-524.

2. Nwanta J. A. et al. Abattoir operations and waste management in Nigeria: A review of challenges and prospects //Sokoto Journal of Veterinary Sciences. – 2008. – Т. 7. – №. 2.

3. Tolera S. T., Alemu F. K. Potential of abattoir waste for bioenergy as sustainable management, eastern Ethiopia, 2019 //Journal of Energy. – 2020. – Т. 2020. – С. 1-9.

4. Bello Y. O., Oyedemi D. T. A. The impact of abattoir activities and management in residential neighbourhoods: A case study of Ogbomoso, Nigeria //Journal of Social Sciences. – 2009. – Т. 19. – №. 2. – С. 121-127.

5. Benjakul S. et al. Characteristics of gelatin from the skins of bigeye snapper, Priacanthus tayenus and Priacanthus macracanthus //Food Chemistry. – 2009. – Т. 116. – №. 2. – С. 445-451.

6. Maranan R. F. R. et al. Operations and waste management of slaughterhouses in the Province of Laguna //Journal of Environmental Science and Management. – 2009. – Т. 11. – №. 2.

7. Ramya K. R., Thangam R., Madhan B. Comparative analysis of the chemical treatments used in keratin extraction from red sheep’s hair and the cell viability evaluations of this keratin for tissue engineering applications //Process Biochemistry. – 2020. – Т. 90. – С. 223-232.

8. Li Y. et al. Research progress on resource utilization of leather solid waste //Journal of Leather Science and Engineering. – 2019. – Т. 1. – №. 1. – С. 1-17.

9. Tachibana A. et al. Fabrication of wool keratin sponge scaffolds for long-term cell cultivation //Journal of biotechnology. – 2002. – Т. 93. – №. 2. – С. 165-170.

10. Yamauchi K. et al. Preparation of stable aqueous solution of keratins, and physiochemical and biodegradational properties of films //Journal of Biomedical Materials Research: An Official Journal of The Society for Biomaterials and The Japanese Society for Biomaterials. – 1996. – Т. 31. – №. 4. – С. 439-444.

11. Rich A., Crick F. H. C. The molecular structure of collagen //Journal of molecular biology. – 1961. – Т. 3. – №. 5. – С. 483-IN4.

12. Ashokkumar M., Ajayan P. M. Materials science perspective of multifunctional materials derived from collagen //International Materials Reviews. – 2021. – Т. 66. – №. 3. – С. 160-187.

13. Cabeza LF, Taylor MM, Dimaio GL, Brown EM, Marmer WN, Carrió R, Celma PJ, Cot J (1998) Processing of leather waste: pilot scale studies on chrome shavings. Isolation of potentially valuable protein products and chromium. Waste Management 18(3):211–218. https://doi.org/10.1016/S0956-053X(98)00032-4

14. Masilamani D. et al. Extraction of collagen from raw trimming wastes of tannery: a waste to wealth approach //Journal of Cleaner Production. – 2016. – Т. 113. – С. 338-344.

15. Masilamani D. et al. Sustainable packaging materials from tannery trimming solid waste: A new paradigm in wealth from waste approaches //Journal of cleaner production. – 2017. – Т. 164. – С. 885-891.

Код для цитирования: Скопировать