Příprava želatin a hydrolyzátů z kuřecího kolagenu a možnosti jejich aplikací

Ing. Aneta Prokopová

Doctoral thesis

Preparation of gelatins and hydrolysates from chicken collagen and possibilities of their applications

Abstract:

S rostoucí spotřebou drůbežího masa ve světě se nabízí možnosti využití kuřecích žaludků na kolagenní produkty. Tyto odpady vznikají na jatkách ve velkém množství a vzhledem k jejich biologické povaze je nutné s nimi zacházet tak, aby nedocházelo ke znečišťování životního prostředí. Kolagen z drůbežích žaludků je perspektivním surovinovým zdrojem pro výrobu želatin a hydrolyzátů. Biotechnologickou metodou za použití proteolytických enzymů vyrobených submerzní fermentací geneticky modifikovaných mikroorganismů lze připravit vysoce kvalitní kolagenní produkty. Drůbeží želatiny mají podobné aminokyselinové složení jako komerční kolageny, avšak odlišné reologické a gelové vlastnosti. Volbou vhodných procesních podmínek lze dosáhnout takových změn na molekulární úrovni kolagenu, které umožní následně připravit produkty s cílenými vlastnostmi pro pokročilé kosmetické, farmaceutické, medicínské či potravinářské aplikace. Disertační práce se zabývá inovativní přípravou kolagenních produktů z netradiční suroviny (kuřecí žaludky) enzymatickou hydrolýzou. V literární rešerši je zhodnocen současný stav řešené problematiky a možnosti aplikací kolagenních produktů. Na základě rešerše byly vytyčeny cíle výzkumu i) za zvolených procesních podmínek vícestupňové extrakce vyextrahovat želatiny; ii) připravit želatiny s pevností gelu kolem 150 Bloom; iii) kolagenní produkty budou vhodné pro aplikaci v potravinářském a kosmetickém průmyslu. Nejprve bylo nutné vyextrahovat modelové vzorky kolagenních produktů a charakterizovat jejich vlastnosti a dále navrhnout optimální podmínky zpracování. Experimenty byly modelovány pomocí Taguchiho designu, 2 faktory na 3 úrovních. Za faktor A bylo zvoleno množství přidaného enzymu (0,10; 0,15 a 0,20 %) a jako faktor B teplota extrakce (55,0; 62,5 a 70,0 °C). Data byla statisticky zpracována a analyzována na hladině významnosti 95 %. Na modelových vzorcích kuřecích kolagenních produktů byla stanovena i) antioxidační aktivita (pomocí DPPH a ABTS); ii) distribuce molekulových hmotností metodou GPC-RID analýzy; iii) funkční skupiny a konfiguraci polypeptidových řetězců související s vlastnostmi na molekulární úrovni s využitím FTIR metody; iv) metodu MALDI vyhodnotit mikrobiologické vlastnosti na mikrobiálních populacích SDA, PCA, TSA a VRBL. Biofyzikální účinnost získaných kolagenních produktů byla ověřována u připravených kosmetických modelových formulací in vivo u souboru dobrovolnic v periorbitální oblasti obličeje. Pomocí neinvazivních diagnostických metod byl monitorován vliv na hydrataci pokožky, fungování kožní bariéry, elasticity a reliéfu pokožky. Výzkum ukázal, že enzymová předúprava výchozí suroviny je environmentálně vhodnou alternativou ke kyselému nebo zásaditému způsobu výroby, který je tradičně používán při výrobě želatin. Kolagenní produkty připravené z drůbežích vedlejších produktů mohou být vhodnou alternativou kolagenních tkání suchozemských zvířat. Výsledky provedených dílčích studií naznačují potenciál pro pokročilé aplikace. Kolagenní hydrolyzát ověřovaný in vivo studií lze hodnotit jako biokompatibilní s pokožkou. Během provedeného experimentu nebyla evidována žádná iritační nebo alergická reakce.

Abstract:

With the growing consumption of poultry meat in the world, there are opportunities to use chicken stomachs for collagen products. These wastes are generated in slaughterhouses in large quantities and, due to their biological nature, it is necessary to handle them in such a way that they do not pollute the environment. Collagen from poultry stomachs is a promising raw material source for the production of gelatins and hydrolysates. High-quality collagen products can be prepared by a biotechnological method using proteolytic enzymes produced by submerged fermentation of genetically modified microorganisms. Poultry gelatins have a similar amino acid composition to commercial collagens, but different rheological and gel properties. By choosing the appropriate process conditions, such changes can be achieved at the molecular level of collagen, which will make it possible to prepare products with targeted properties for advanced cosmetic, pharmaceutical, medical or food applications. The dissertation deals with the innovative preparation of collagen products from non-traditional raw deals material (chicken stomach) by enzymatic hydrolysis. The literature review evaluates the current state of the problem and the application possibilities of collagen products. Based on the research, the research objectives were set i) to extract gelatins under the chosen process conditions of multi-stage extraction; ii) prepare gelatins with a gel strength of around 150 Bloom; iii) collagen products will be suitable for application in the food and cosmetic industry. First, it was necessary to extract model samples of collagen products and characterize their properties, as well as to propose optimal processing conditions. Experiments were modeled using a Taguchi design, 2 factors at 3 levels. Factor A the amount of enzyme added (0.10; 0.15 and 0.20%) and factor B the extraction temperature (55.0; 62.5 and 70.0 °C). The data were statistically processed and analyzed at a significance level of 95%. On model samples of chicken collagen products, i) antioxidant activity was determined (using DPPH and ABTS); ii) distribution of molecular weights by the GPC-RID analysis method; iii) functional groups and configuration of polypeptide chains related to properties at the molecular level using the FTIR method; iv) the MALDI method to evaluate the microbiological properties of SDA, PCA, TSA and VRBL microbial populations. The biophysical effectiveness of the obtained collagen products was verified in the prepared cosmetic model formulations in vivo in a group of female volunteers in the periorbital area of the face. Using non-invasive diagnostic methods, the effect on skin hydration, the functioning of the skin barrier, elasticity and relief of the skin was monitored. Research has shown that enzyme pretreatment of the starting raw material is an environmentally suitable alternative to the acidic or alkaline production method that is traditionally used in the production of gelatin. Collagen products prepared from poultry by-products may be a suitable alternative to land animal collagen tissues. The results of the sub-studies carried out indicate the potential for advanced applications. Collagen hydrolyzate verified by an in vivo study can be evaluated as biocompatible with the skin. No irritation or allergic reaction was recorded during the experiment.

Keywords

biotechnologické opracování, makromolekulární látka, želatina, pevnost gelu, enzymatická hydrolýza, kuřecí žaludky, kolagen, kolagenní hydrolyzát, viskozita, inovace, smart biomaterials, food waste, antioxidační aktivita, funkční skupiny, mikrobiální populace, molekulová hmotnost, kosmetická gelová formulace, stárnutí, hydratace, transepidermální ztráta vody, elasticita, drsnost

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 10. 6. 2024
• Supervisor: prof. Ing. Pavel Mokrejš, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds