Procédé de préparation de dispersions protéiniques d'origine animale
La présente invention concerne un procédé pour la préparation de dispersions de certaines protéines d'origine animale; ces dispersions collagéniques, pouvant être utilisées pour des applications dans lesquelles les protéines et, en particulier, le collagène peuvent être réobtenues sous forme fibreuses et mises, par exemple, sous forme de feuilles uniformes, de films, de filaments, de crins, et tous autres produits analogues.
Les protéines fibreuses, parmi lesquelles se trouve le collagène, sont présentes dans les tissus de soutien des êtres vivants, et notamment dans la peau, les os, les tendons. On sait que la peau naturelle est formée de fibres entrelacées dont l'enchevêtrement plus ou moins serré est fonction de la race, du sexe et de l'âge de l'animal. Les peaux utilisées pour être transformées en cuir présentent souvent des défauts importants qui sont dus, pour la plupart, au mode d'élevage, à la dépouille même de l'animal, ou encore à des défauts de conservation.
Certaines de ces peaux sont parfois inutilisables, alors que d'autres présentent de tels défauts de fleur qu'une fois transformées en cuir, elles ne possèdent plus qu'une faible valeur marchande. En outre, au cours des opérations de transformation des peaux en cuir, on obtient une certaine quantité de déchets dont la valeur est fortement diminuée par suite des difficultés rencontrées pour leur utilisation. On a donc cherché à revaloriser ces peaux défectueuses ou ces déchets.
De nombreuses solutions ont été proposées, tendant à transformer ces sous-produits hétérogènes en une matière homogène, susceptible de donner lieu à des applications variées.
Les peaux ou les déchets impropres à être transformés en cuir présentent une structure fibreuse, dont la constitution chimique est très variable selon leur origine.
Les substances protéiniques de la peau, en particulier le collagène, sont illustrées par. des. chaînes polypeptidiques très longues, disposées en triple hélice et liées entre elles par des liaisons inter- et intramoléculaires, qui stabilisent la structure de la molécule. Outre le collagène, les peaux ou les déchets frais renferment une certaine quantité de kératines, localisées dans les poils et l'épiderne, qui sont plus ou moins éliminées lors des premières phases de transformation de la peau en cuir.
Sensibles aux agents chimiques et à la chaleur, ces différentes protéines possèdent des propriétés physiques et physicochimiques directement reliées au nombre de liaisons latérales présentes dans leur molécule. La rupture de ces liaisons par dénaturation, ou leur augmentation par tannage peut être déterminée par des méthodes physiques telles que la diffraction aux rayons X, la spectroscopie infra-rouge, I'analyse thermique différentielle, ou même la mesure de la température de rétraction.
On sait que le collagène a la propriété de passer partiellement en solution aqueuse, sous l'action d'agents chimiques minéraux ou organiques. Néanmoins, sa solubilité reste faible et l'on ne peut mettre en solution qu'une fraction relativement faible de collagène, soit en milieu neutre, soit en milieu acide. La majeure partie des protéines collagéniques reste cependant insoluble et ceci est essentiellement dû à des différences structurales au niveau de la molécule des divers collagènes présents dans les tissus de soutien.
De nombreuses méthodes ont été proposées, ayant pour but, non seulement d'extraire les fractions solubles des protéines collagéniques, mais aussi d'augmenter la solubilité de la partie insoluble. Ces méthodes sont généralement basées sur le pré-traitement des matières premières à l'aide d'agents chimiques ou d'enzymes plus ou moins spécifiques. Néanmoins, il est souvent difficile et délicat de contrôler avec exactitude les conditions de ces traitements, et l'on aboutit alors à une dégradation très poussée des substances protéiniques.
D'autres solutions préconisées consistent à utiliser par exemple, la propriété du collagène de se transformer en gélatine, par chauffage en milieu aqueux, mais, dans ce cas, il se produit une certaine hydrolyse du collagène se traduisant par une rupture des liaisons transversales et une destruction de sa structure hélicoïdale.
La présente invention vise, lors de l'utilisation des peaux défectueuses ou des déchets de peaux, à conserver à leurs constituants protéiniques et, en particulier, au collagène leurs propriétés chimiques et physiques, avec le minimum de dégradation et de dénaturation de la structure moléculaire.
La très grande diversité des constituants présents dans les tissus de soutien tels que la peau, les os, le tendon, nécessite l'obtention de dispersions aussi homogène que possible. I1 est connu depuis longtemps que ces composés sont difficilement dispersables dans l'eau, si ce n'est que par un traitement thermique prolongé, avec ses effets bien connus de dénaturation. Par ailleurs, le broyage ou tout traitement mécanique similaire et approprié ne constitue pas en soi un moyen suffisant pour augmenter la dispersion dans l'eau des protéines animales du type collagénique. La quantité de protéines collagéniques dispersables dans les solutions aqueuses acides ou légèrement alcalines varie grandement avec le degré de division de la matière première employée.
Il est donc nécessaire de faire subir à la matière première une action mécanique de malaxage plus ou moins poussée, parallèlement au traitement chimique, et ceci doit être effectué de façon telle que la matière protéinique conserve des propriétés physiques et chimiques aussi voisines que possible de celle du matériau de départ.
La présente invention vise à pallier cette lacune. A cet effet, elle concerne un procédé de préparation de dispersions protéiniques d'origine animale, en particulier dispersions collagéniques.
Ce procédé consiste à exercer sur la matière première fibreuse, préalablement divisée, une action mécanique de malaxage,
- a traiter, simultanément à l'action mécanique, cette matière première, à l'aide d'acides organiques chlorés, la température ne dépassant pas 30 à 320 C pendant ces opérations,
- a diluer la pâte précédemment obtenue soit avec de l'eau, en ajustant la teneur en acide entre 0,01 et 0,1 M et le pH entre 2,5 et 4,5, soit avec une solution diluée d'acides dont la concentration et le pH ont été préalablement déterminés pour que la teneur en acide soit entre 0,01 et 0,1 M et le pH entre 2,0 et 4,5, la température ne dépassant toujours pas 30 à 320 C.
On peut ensuite, éventuellement, purifier les dispersions précédemment obtenues, par filtration, sous vide ou sous pression, centrifugation, ou toute autre technique de clarification.
Les produits ou pâtes obtenus par la première phase du procédé, c'est-à-dire l'action mécanique de malaxage en présence d'acides organiques chlorés sur la matière première préalablement divisée, présentent des propriétés d'homogénéité bien définies et leurs propriétés physiques et chimiques sont très voisines de celles de la matière première de départ, en particulier le diagramme au rayon X ou le spectre infrarouge.
La matière première utilisée peut provenir de diverses origines, en particulier de peaux et de déchets de peau: bovins, ovins, caprins, équidés, porcins se présentant sous des états très divers (telles que peaux fraîchement dépouillées des animaux, peaux salées, peaux séchées, peaux chaulées, dites en tripe, peaux pickelées, déchets de peaux fraîches, salées, séchées, chaulées (carnasse), pickelées).
La matière première à base de collagène est divisée à l'état humide en utilisant des appareils appropriés tels que les hachoirs à couteaux pour chair à saucisse, les turbines défibrilleuses, les broyeurs-hachoirs ou tout autre appareil à action identique. La matière première est ainsi divisée à des degrés de finesse plus ou moins grands, mais l'action mécanique de malaxage doit s'effectuer, dans tous les cas, à des températures aussi basses que possible et ne dépassant pas 30.320 C, pour éviter une dénaturation par la chaleur de la protéine.
Si l'on veut éviter un échauffement supérieur à 30320 C, il est possible d'effectuer toutes les opérations de division à une température inférieure, obtenue en ajoutant de l'eau préalablement refroidie, ou en faisant cir- culer un liquide réfrigérant autour du corps de broyage de l'appareil, la matière première ainsi divisée présentant des teneurs en matières solides pouvant varier de 5 à 30%.
La matière première peut, selon le produit désiré ultérieurement, avant d'être soumise à l'action mécanique de malaxage et traitée par l'acide organique chloré, être préalablement traitée par un agent lyotrope ou enzymatique permettant la rupture des liaisons inter et intramoléculaires présentes dans le produit initial.
L'obtention de pâtes protéiniques, et en particulier de pâtes collagéniques est réalisée directement en faisant agir sur la matière première divisée et subissant une action mécanique de malaxage un agent chimique acide et chloré, comme l'acide chloracétique, l'acide chloropropionique, l'acide dichloracétique, l'acide trichloracétique, ou tout autre composé chloré du même type appartenant aux séries aliphatiques, cyclaniques ou aromatiques. Les concentrations en acide se situant habituellement entre 0,05 et 2 M. Le gonflement et l'homogénéisation des pâtes peuvent être effectués dans des appareils exerçant une forte action mécanique de malaxage, à une température inférieure à 300 C, comme le mélangeur boudineur à vis sans fin, le mélangeur-malaxeur Werner, le mélangeur Banbury, ou tout autre appareil exerçant une action identique.
La teneur en matière solide des pâtes obtenues varie généralement entre 5 et 25 %, et l'acidité se situe de préférence entre 0,05 et 1 M, pour des valeurs de pH comprises entre 2,0 et 4,5. L'une des principales qualités de ces pâtes est leur gonflement qui est le résultat d'une bonne dispersion des protéines et de l'adsorption de l'acide sur les protéines par les groupements réactifs de celles-ci. Dans l'attente de leur traitement suivant les autres phases du procédé, c'est-à-dire la dilution, les pâtes préparées de cette manière peuvent être stockées en l'état à température ambiante ou dans des chambres réfrigérées.
L'obtention de dispersions protéiniques faisant l'objet de la seconde phase du procédé, en particulier, de dispersions collagéniques, est ensuite réalisée à partir des pâtes obtenues par la première phase du procédé et dont la teneur en matières solides peut varier entre 5 et 25 t0.
Pour cela, on opère par simple dilution avec de l'eau, et ajustement de la teneur en acide et du pH, ou par dilution avec une solution diluée d'acide dont la concentration et le pH ont été préalablement déterminés afin que la teneur en acide soit entre 0,01 M et 0,1 M et le pH entre 2,0 et 4,5. L'acide employé pour la dilution peut être le même que celui utilisé pour la préparation des pâtes précédemment décrites ou tout autre acide minéral ou organique.
Cette dilution ou préparation est effectuée à des températures ne dépassant pas 300 C à 320 C, dans des cuves cylindriques de préférence munies d'un agitateur dont la forme peut varier selon le type d'agitation désiré.
La vitesse d'agitation ou d'introduction du diluant doit être réglée en fonction de la viscosité du milieu et de la vitesse d'homogénéisation.
Les dispersions protéiniques obtenues présentent une teneur en matières solides pouvant varier de 0,1 à 2% pour des valeurs de pH comprises entre 2,5 et 4,5 et une concentration en acide variant entre 0,01 et 0,1 M.
La viscosité de telles dispersions dépend principalement de la concentration en matières solides, de l'acidité et de la nature de la matière première utilisée.
Les constantes physico-chimiques des dispersions protéiniques, comme la viscosité ou la rigidité, peuvent être modifiées dans des conditions contrôlées en faisant subir à la matière première divisée avant l'opération de l'action mécanique de malaxage et du traitement acide, un traitement enzymatique, ou l'action d'agents lyotropes convenables.
Dans le cas de peaux et/ou déchets de peaux fraîchement dépouillées, salées ou séchées, l'élimination des substances protéiniques, appartenant à la classe des kératines ou de l'élastine et dont sont constitués les poils et l'épiderme, peut être effectuée par les traitements alcalins classiques utilisés dans l'industrie du cuir, ou à l'aide d'enzymes dont l'action sur les protéines du type collagénique reste faible. La spécificité de telles enzymes varie avec leur origine et leur degré de pureté. Cependant, leur emploi nécessiterait, pour des raisons d'économie et de contrôle rigoureux, des concentrations relativement faibles, à des températures variant de 15 à 350 C, pour un pH voisin de 7-7,5.
Il est ainsi possible de séparer, dans des intervalles de temps de 6 à 24 heures, les protéines kératiniques ou élastiques plus ou moins solubilisées des protéines collagéniques relativement intactes, avec des rendements voisins de 60 à 85 %.
Les produits dispersés acides obtenus après traitement enzymatique présentent une bonne homogénéité et une teneur en protéine du type collagénique plus élevé.
La viscosité de ces produits dispersés varie avec la force du traitement, et elle peut être voisine de celle des dispersions préparées par action directe de l'agent chimique acide, pour des teneurs en acidité et en matières solides sensiblement identiques. Par ailleurs, en vue de faciliter la dispersion acide ultérieure, on peut traiter la matière première par des agents lyotropes dont l'action sur les protéines animales se traduit par une double réaction chimique. Non seulement, les liaisons intermoléculaires entre les chaînes peptidiques sont rompues, mais également les liaisons intramoléculaires sont plus ou moins attaquées par les agents lyotropes et peuvent conduire à des chaînes polypeptidiques dont la masse moléculaire est fortement abaissée.
Les agents lyotropes, qui provoquent cette double action, sont le chlorure de calcium, le chlorure de baryum, le chlorure de magnésium, le chlorure de strontium, le bromure de lithium, le chlorure de lithium, le chlorure de zinc, et tout autre composé similaire donnant une action identique.
La concentration en agent lyotrope convenable se situe en général entre 1 et 10 % du poids de matière première traitée renfermant 60 à 90 % d'eau. La température à laquelle l'action s'effectuera doit rester comprise entre 5 et 250 C, pour une valeur de pH située entre 6,0 et 8,0. Le traitement peut être réalisé dans des intervalles de temps de 4 à 48 heures. dans des appareils à agitation, du type tonneau rotatif, mélangeur-malaxeur, mélangeur à turbine, ou tout autre appareil produisant une action identique.
Après le traitement par les agents lyotropes, la matière première peut être lavée à l'eau pour éliminer les réactifs mis en oeuvre, mais cette opération n'est pas rigoureusement obligatoire. Les dispersions acides de protéines animales obtenues par malaxage en présence d'acides organiques suivi d'une dilution à partir d'une matière première traitée par les agents lyotropes présentent des viscosités sensiblement différentes de celles des dispersions préparées par action directe de l'agent chimique acide, pour des teneurs en acide et en matières solides identiques. Cette propriété peut être utilisée favorablement pour l'obtention de matériaux homogènes présentant des propriétés chimiques, physiques et mécaniques intéressantes tels que les films, les feuilles, les fibres et tout autre produit similaire.
Les dispersions protéiniques, et en particulier les dispersions collagéniques, dont la concentration en matières solides se situe entre 0,1 et 2 % peuvent, soit être utilisées en l'état pour réobtenir les protéines sous formes fibreuses sous quelque forme que ce soit, soit être purifiées par un moyen mécanique, en vue de produire une dispersion protéinique exempte d'impuretés.
Une telle purification peut être effectuée par des méthodes classiques, comme la filtration, la centrifugation, ou tout autre moyen identique. La filtration des dispersions peut se réaliser, soit sous vide, soit sous pression ou avec les deux moyens combinés, sur des supports filtrants constitués par des toiles filtrantes métalliques ou textiles ou par des substances chimiques inertes et non adsorbantes. La finesse des supports doit être suffisante pour retenir les impuretés, mais elle peut varier en fonction du degré de pureté désiré, de la viscosité et de la concentration en matières solides de la dispersion protéinique.
Cette opération est rendue possible avec les appareils de filtration industriels dans lesquels, par exemple, la pression est assurée par voie mécanique ou par air comprimé. Les appareils doivent être conçus pour résister à la corrosion acide et à des pressions variant entre 0,5 et 5 kg/cm2 .
La décantation par centrifugation peut être réalisée dans des décanteuses centrifuges en continu, dont le débit dépend principalement de la capacité de l'appareil et de sa vitesse de rotation, de la viscosité du produit à purifier et du degré de pureté voulu. La vitesse de rotation ne doit pas être trop élevée afin d'éviter la sédimentation des protéines dispersées dont la masse moléculaire est élevée.
L'influence exercée par les agents dissolvants acides chlorés n'est pas définie de façon évidente, mais on constate que cette action ne se traduit que par une dénaturation minime des protéines et, en particulier, du collagène.
Alors que le traitement par les agents lyotropes apporte des modifications sensibles dans les liaisons inter- et intramoléculaires des chaînes peptidiques disposées en triple hélice, les agents chimiques acides chlorés semblent agir sur ces chaînes peptidiques par des réactions d'association stables dans les zones de pH utilisées. Cette action est vérifiée par les faibles modifications de la viscosité dans les dispersions et les gels protéiniques. En outre, les protéines et, en particulier, le collagène, sont insolubles dans l'eau et précipitent à leur point isoélectrique. Les produits coagulés par neutralisation ou défécation saline présentent des propriétés chimiques et physiques identiques à celles des protéines natives, comme le montrent les compositions en acides aminés, les spectres infrarouges ou les diagrammes de rayons X.
On peut ajouter aux dispersions protéiniques de nombreuses substances miscibles au liquide et avantageuses pour les utilisations ultérieures des mêmes dispersion. Ces dispositifs peuvent ou non se lier chimiquement aux protéines dispersées et dissoutes ou simplement être adsorbés, et ceci peut être un avantage pour l'obtention de matériaux homogènes tels que les films, les feuilles, les crins, ou tout autre produit similaire.
L'invention est illustrée par les exemples suivants:
Exemple 1
Des déchets de peaux de vaches (déchets en tripe) sont lavés à l'eau courante pour éliminer les produits alcalins: chaux, sulfure de sodium, soude ayant servi à l'épilage des peaux.
5 kg de déchets lavés sont broyés finement à l'aide d'un hachoir pour chair à saucisse, à une température ne dépassant pas 250 C, et donnant 4,320 kg de broyat renfermant 14,5 % de matières solides. On fait subir au produit broyé un essorage pour obtenir 2,100 kg de pulpe pâteuse contenant 27,4 % de matières solides.
A la pâte fibreuse ainsi obtenue, on ajoute dans un mélangeur-malaxeur de l'acide monochloracétique 1 M, et l'on mélange pendant environ 30 minutes. Après malaxage, on obtient 2,635 kg de pâte protéinique ayant une teneur en matières solides de 22,8 %.
A 1000grammes de la pâte à 22,8 O/o de matières solides, on ajoute une solution d'acide monochloracétique dilué, environ 0,05 M et, après malaxage, pendant environ 30 minutes, on obtient 2400 grammes de dispersion protéinique renfermant 9 % de matières solides. Les pâtes et les dispersions ainsi obtenues, présentant des teneurs en matières solides respectivement de 22,8 et 9 %, sont facilement conservées pendant plusieurs semaines à l'abri de l'air et à une température voisine de 7 à 100 C.
Exemple 2
Des peaux de veaux fraîches sont lavées à l'eau courante pour éliminer le sang, la graisse, la crotte et la crasse de la surface.
A 39 kg de peau fraîche, on ajoute 80 litres d'eau froide renfermant 5 % de sel marin, et l'on agite pendant environ une heure pour éliminer le sang et les protéines globulaires. Un second traitement identique peut être effectué, mais il n'est pas indispensable. Après lavage à l'eau courante, pour enlever le sel introduit dans les peaux, on obtient 49,800 kg de peaux lavées, auxquelles on fait subir d'abord une opération d'écharnage sur chair pour éliminer les amas graisseux, la viande ou le tissu sous-cutané adhérant au derme de la peau, puis une opération de rasage mécanique pour enlever les poils et une partie de l'épiderme.
Après lavage rapide à l'eau courante, les 36,300kg de peau restants sont broyés dans un hachoir à chair à saucisse. Au cours de cette opération, de l'eau est ajoutée afin d'éviter que la température ne dépasse 250 C et l'on obtient 50,400kg de broyat renfermant 17 % de matières solides.
A 40 kg de broyat, on ajoute de l'acide monochloracétique dont la concentration est voisine de 0,5 M. Après malaxage pendant environ 30minutes, 136kg de pâte protéinique sont obtenus, présentant une acidité d'environ 0,5 M et une teneur en matières solides voisine de 5,60 %.
A 100 kg de cette pâte fortement gonflée, on ajoute de l'acide chloracétique dilué et, après agitation énergique, on obtient 500 kilos environ de dispersion protéinique ayant une teneur en matières solides de 1,15 %, une concentration en acide voisine de 0,05M et une valeur pH de 2,40.
Cette dispersion est soumise à une purification poussée par décantation, à l'aide d'une décanteuse centrifuge travaillant en continu à la vitesse de 1500tours/minute, et avec un débit voisin de 100 litres/heure. Près de 400 kg de gel protéinique sont ainsi obtenus, avec un rendement voisin de 80 t0 et une teneur en matières solides de 0,95 %. La teneur en protéines collagéniques de ce gel est proche de 90 %. Un tel gel présente une grande homogénéité, une bonne viscosité, voisine de 130 centipoises, et un écoulement à 200 C très satisfaisant. Par purification plus poussée, des teneurs en protéines collagéniques supérieures à 96 % peuvent être obtenues dans les dispersions ou les gels préparés par cette méthode.
Exemple 3
Des peaux de vaches salées sont reverdies et épilées pour éliminer les poils, la crasse, et le tissu souscutané.
75 kg de peaux de vaches salées, ayant subi un écharnage quelques heures après la dépouille, et une conservation sous sel de plusieurs semaines, sont reverdies pendant 24 heures selon les méthodes classiques de la tannerie. Les peaux sont ensuite soumises à l'action épilante d'une solution d'enzyme commerciale à 250 C pendant 18 heures.
Après élimination des poils et lavage à l'eau courante, 102 kg de peaux sont broyés finement dans un broyeurhachoir, sous addition faible d'eau pour éviter l'échauffement et donnent 153 kg de broyat renfermant environ 16 % de matières sèches.
A 70 kg de pulpe fibreuse ayant une teneur en matières solides de 16 %, on ajoute de l'acide monochloracétique 1 M. Après malaxage pendant 30 minutes environ, 112kg de pâte acide gonflée sont obtenus, ayant une teneur en matières sèches voisines de 10 %. Cette pâte est conservée à l'abri de l'air pendant plusieurs semaines, à une température voisine de 200 C.
A 100kg de cette pâte, on ajoute une solution diluée d'acide, de concentration voisine de 0,05 M, et l'on agite énergiquement pendant environ 30minutes pour obtenir une bonne dispersion des protéines dans le milieu.
835 litres de gel sont ainsi préparés, ayant une concentration en acide d'environ 0,1 M, une valeur de pH de 2,40 et une teneur en matières sèches voisine de 1,20 %.
Une purification plus ou moins poussée est réalisée en vue d'obtenir des dispersions plus ou moins pures de protéines, par la méthode de décantation continue. Des gels protéiniques, dont la teneur en matières sèches est proche de 0,75-0,80 %, sont ainsi préparés. Pour une acidité voisine de 0,1 M et une valeur pH proche de 2,30, leur viscosité se situe entre 120 et 140 centipoises, et la teneur en matière collagénique varie entre 80 et 95 %.
Process for preparing protein dispersions of animal origin
The present invention relates to a process for the preparation of dispersions of certain proteins of animal origin; these collagen dispersions, which can be used for applications in which proteins and, in particular, collagen can be obtained again in fibrous form and made, for example, in the form of uniform sheets, films, filaments, horsehair, and all other similar products.
Fibrous proteins, among which is collagen, are present in the supporting tissues of living beings, and in particular in the skin, bones and tendons. It is known that the natural skin is formed of intertwined fibers whose more or less tight entanglement depends on the breed, sex and age of the animal. The skins used to be transformed into leather often have significant defects which are due, for the most part, to the method of breeding, to the body of the animal itself, or even to defects in preservation.
Some of these skins are sometimes unusable, while others have such flower defects that once processed into leather, they have little market value. In addition, during the processing of hides into leather, a certain quantity of waste is obtained, the value of which is greatly reduced as a result of the difficulties encountered in their use. We have therefore sought to revalue these defective skins or this waste.
Many solutions have been proposed, tending to transform these heterogeneous by-products into a homogeneous material, capable of giving rise to various applications.
Hides or waste that are unsuitable for processing into leather have a fibrous structure, the chemical constitution of which varies greatly depending on their origin.
Protein substances in the skin, in particular collagen, are illustrated by. of. Very long polypeptide chains, arranged in a triple helix and linked together by inter- and intramolecular bonds, which stabilize the structure of the molecule. In addition to collagen, the skin or fresh waste contains a certain amount of keratins, located in the hair and the epidermis, which are more or less eliminated during the first phases of transformation of the skin into leather.
Sensitive to chemical agents and to heat, these different proteins have physical and physicochemical properties directly related to the number of side bonds present in their molecule. The breaking of these bonds by denaturation, or their increase by tanning can be determined by physical methods such as X-ray diffraction, infrared spectroscopy, differential thermal analysis, or even measurement of the shrinkage temperature.
It is known that collagen has the property of partially passing into aqueous solution, under the action of inorganic or organic chemical agents. However, its solubility remains low and only a relatively small fraction of collagen can be dissolved, either in a neutral medium or in an acidic medium. The major part of the collagen proteins, however, remains insoluble and this is mainly due to structural differences in the molecular level of the various collagens present in the supporting tissues.
Many methods have been proposed, the aim of which is not only to extract the soluble fractions of the collagen proteins, but also to increase the solubility of the insoluble part. These methods are generally based on the pre-treatment of raw materials using more or less specific chemical agents or enzymes. Nevertheless, it is often difficult and delicate to control with exactitude the conditions of these treatments, and this results in a very extensive degradation of the protein substances.
Other recommended solutions consist in using, for example, the property of collagen to transform into gelatin, by heating in an aqueous medium, but, in this case, a certain hydrolysis of the collagen occurs resulting in a breaking of the transverse bonds and destruction of its helical structure.
The present invention aims, when using defective skin or skin waste, to preserve their protein constituents and, in particular, their chemical and physical properties in collagen, with the minimum of degradation and denaturation of the molecular structure. .
The very great diversity of the constituents present in the supporting tissues such as the skin, the bones, the tendon, requires obtaining dispersions as homogeneous as possible. It has long been known that these compounds are difficult to disperse in water, except by prolonged heat treatment, with its well-known denaturing effects. Furthermore, grinding or any similar and appropriate mechanical treatment does not in itself constitute a sufficient means of increasing the dispersion in water of animal proteins of the collagen type. The amount of collagenous proteins dispersible in acidic or slightly alkaline aqueous solutions varies greatly with the degree of division of the raw material employed.
It is therefore necessary to subject the raw material to a more or less extensive mechanical mixing action, in parallel with the chemical treatment, and this must be done in such a way that the proteinaceous material retains physical and chemical properties as close as possible to that. of the starting material.
The present invention aims to remedy this shortcoming. To this end, it relates to a process for preparing protein dispersions of animal origin, in particular collagen dispersions.
This process consists in exerting on the fibrous raw material, previously divided, a mechanical mixing action,
- to treat, simultaneously with the mechanical action, this raw material, using chlorinated organic acids, the temperature not exceeding 30 to 320 C during these operations,
- dilute the paste obtained previously either with water, adjusting the acid content between 0.01 and 0.1 M and the pH between 2.5 and 4.5, or with a dilute solution of acids including the concentration and pH were previously determined so that the acid content was between 0.01 and 0.1 M, and the pH between 2.0 and 4.5, the temperature still not exceeding 30 to 320 C.
It is then possible, optionally, to purify the dispersions obtained previously, by filtration, under vacuum or under pressure, centrifugation, or any other clarification technique.
The products or pastes obtained by the first phase of the process, that is to say the mechanical action of mixing in the presence of chlorinated organic acids on the previously divided raw material, have well-defined homogeneity properties and their properties. physical and chemical are very similar to those of the starting raw material, in particular the X-ray diagram or the infrared spectrum.
The raw material used can come from various origins, in particular from skins and skin waste: cattle, sheep, goats, equines, pigs in very different states (such as freshly skinned animal skins, salted skins, dried skins , limed skins, called tripe, pickled skins, waste of fresh, salted, dried, limed (carnasse), pickled skins).
The collagen-based raw material is divided in the wet state using suitable devices such as sausage cutter choppers, defibrillator turbines, chopper grinders or any other device with the same action. The raw material is thus divided to varying degrees of fineness, but the mechanical mixing action must be carried out, in all cases, at temperatures as low as possible and not exceeding 30.320 C, to avoid heat denaturation of the protein.
If you want to avoid heating above 30320 C, it is possible to carry out all the division operations at a lower temperature, obtained by adding pre-cooled water, or by circulating a refrigerant liquid around the grinding body of the apparatus, the raw material thus divided having solids contents which can vary from 5 to 30%.
The raw material may, depending on the desired product subsequently, before being subjected to the mechanical action of mixing and treated with chlorinated organic acid, be previously treated with a lyotropic or enzymatic agent allowing the breaking of the inter and intramolecular bonds present. in the initial product.
Obtaining protein pastes, and in particular collagen pastes, is carried out directly by making the divided raw material act and undergoing a mechanical kneading action an acidic and chlorinated chemical agent, such as chloroacetic acid, chloropropionic acid, l dichloroacetic acid, trichloroacetic acid, or any other chlorinated compound of the same type belonging to the aliphatic, cyclanic or aromatic series. The acid concentrations are usually between 0.05 and 2 M. The swelling and homogenization of the doughs can be carried out in devices exerting a strong mechanical kneading action, at a temperature below 300 C, such as the extruder mixer at auger, the Werner mixer-kneader, the Banbury mixer, or any other device exerting a similar action.
The solid matter content of the pastes obtained generally varies between 5 and 25%, and the acidity is preferably between 0.05 and 1 M, for pH values between 2.0 and 4.5. One of the main qualities of these pastes is their swelling which is the result of a good dispersion of the proteins and of the adsorption of the acid on the proteins by the reactive groups thereof. Pending their treatment according to the other phases of the process, that is to say the dilution, the pasta prepared in this way can be stored as is at room temperature or in refrigerated rooms.
The obtaining of protein dispersions forming the subject of the second phase of the process, in particular, of collagen dispersions, is then carried out from the pastes obtained by the first phase of the process and whose solids content can vary between 5 and 25 t0.
For this, one operates by simple dilution with water, and adjustment of the acid content and the pH, or by dilution with a dilute acid solution, the concentration and pH of which have been determined beforehand so that the content of acid is between 0.01 M and 0.1 M and the pH between 2.0 and 4.5. The acid used for the dilution can be the same as that used for the preparation of the pastes described above or any other mineral or organic acid.
This dilution or preparation is carried out at temperatures not exceeding 300 ° C. to 320 ° C., in cylindrical tanks preferably fitted with a stirrer, the shape of which may vary according to the type of stirring desired.
The speed of stirring or introduction of the diluent must be adjusted according to the viscosity of the medium and the speed of homogenization.
The protein dispersions obtained have a solids content which can vary from 0.1 to 2% for pH values of between 2.5 and 4.5 and an acid concentration varying between 0.01 and 0.1 M.
The viscosity of such dispersions depends mainly on the solids concentration, the acidity and the nature of the raw material used.
The physicochemical constants of protein dispersions, such as viscosity or stiffness, can be changed under controlled conditions by subjecting the divided raw material before the operation to the mechanical action of kneading and acid treatment, an enzymatic treatment , or the action of suitable lyotropic agents.
In the case of skin and / or waste from freshly skinned, salted or dried skin, the elimination of protein substances, belonging to the class of keratins or elastin and of which the hairs and epidermis are made up, can be carried out. by conventional alkaline treatments used in the leather industry, or with the aid of enzymes whose action on collagen-type proteins remains weak. The specificity of such enzymes varies with their origin and degree of purity. However, their use would require, for reasons of economy and rigorous control, relatively low concentrations, at temperatures varying from 15 to 350 ° C., for a pH close to 7-7.5.
It is thus possible to separate, in time intervals of 6 to 24 hours, the more or less solubilized keratin or elastic proteins from the relatively intact collagen proteins, with yields of around 60 to 85%.
The acidic dispersed products obtained after enzymatic treatment exhibit good homogeneity and a higher collagen-type protein content.
The viscosity of these dispersed products varies with the strength of the treatment, and it can be close to that of the dispersions prepared by direct action of the acidic chemical agent, for substantially identical acidity and solid matter contents. Moreover, in order to facilitate the subsequent acid dispersion, the raw material can be treated with lyotropic agents whose action on animal proteins results in a double chemical reaction. Not only are the intermolecular bonds between the peptide chains broken, but also the intramolecular bonds are more or less attacked by lyotropic agents and can lead to polypeptide chains whose molecular mass is greatly lowered.
The lyotropic agents, which cause this double action, are calcium chloride, barium chloride, magnesium chloride, strontium chloride, lithium bromide, lithium chloride, zinc chloride, and any other compound similar giving identical action.
The concentration of suitable lyotropic agent is generally between 1 and 10% of the weight of treated raw material containing 60 to 90% water. The temperature at which the action will take place must remain between 5 and 250 C, for a pH value between 6.0 and 8.0. Treatment can be carried out in time intervals of 4 to 48 hours. in agitation devices, of the rotary barrel type, mixer-kneader, turbine mixer, or any other device producing an identical action.
After the treatment with lyotropic agents, the raw material can be washed with water to remove the reagents used, but this operation is not strictly compulsory. The acidic dispersions of animal proteins obtained by mixing in the presence of organic acids followed by dilution from a raw material treated with lyotropic agents exhibit viscosities which are appreciably different from those of the dispersions prepared by direct action of the chemical agent. acid, for identical acid and solid contents. This property can be used favorably for obtaining homogeneous materials exhibiting interesting chemical, physical and mechanical properties such as films, sheets, fibers and any other similar product.
Protein dispersions, and in particular collagen dispersions, the solids concentration of which is between 0.1 and 2% can either be used as such to obtain the proteins in fibrous forms in any form whatsoever, or be purified by mechanical means, in order to produce a protein dispersion free from impurities.
Such purification can be carried out by conventional methods, such as filtration, centrifugation, or any other identical means. The filtration of the dispersions can be carried out, either under vacuum or under pressure or with the two combined means, on filtering media consisting of metal or textile filter cloths or of inert and non-adsorbent chemical substances. The fineness of the supports should be sufficient to retain impurities, but it can vary depending on the degree of purity desired, the viscosity and the solids concentration of the protein dispersion.
This operation is made possible with industrial filtration devices in which, for example, the pressure is provided by mechanical means or by compressed air. The devices must be designed to withstand acid corrosion and pressures varying between 0.5 and 5 kg / cm2.
The decantation by centrifugation can be carried out in continuous decanter centrifuges, the flow rate of which depends mainly on the capacity of the apparatus and its speed of rotation, on the viscosity of the product to be purified and on the desired degree of purity. The speed of rotation should not be too high in order to avoid sedimentation of dispersed proteins with a high molecular mass.
The influence exerted by the chlorinated acid dissolving agents is not clearly defined, but it is observed that this action is reflected only in minimal denaturation of proteins and, in particular, of collagen.
While treatment with lyotropic agents brings about substantial changes in the inter- and intramolecular bonds of the peptide chains arranged in a triple helix, the chlorinated acid chemicals seem to act on these peptide chains by stable association reactions in pH zones. used. This action is verified by the slight changes in viscosity in the protein dispersions and gels. In addition, proteins and, in particular, collagen, are insoluble in water and precipitate at their isoelectric point. Products coagulated by neutralization or saline defecation exhibit chemical and physical properties identical to those of native proteins, as shown by amino acid compositions, infrared spectra or X-ray diagrams.
Numerous substances miscible with liquid and advantageous for subsequent uses of the same dispersions can be added to the protein dispersions. These devices may or may not chemically bind to dispersed and dissolved proteins or simply be adsorbed, and this may be an advantage in obtaining homogeneous materials such as films, sheets, horsehair, or any other similar product.
The invention is illustrated by the following examples:
Example 1
Cow skin waste (tripe waste) is washed in running water to eliminate alkaline products: lime, sodium sulphide, soda used for depilating the hides.
5 kg of washed waste are finely ground using a sausage meat grinder, at a temperature not exceeding 250 ° C., and giving 4.320 kg of ground material containing 14.5% solids. The ground product is subjected to dewatering to obtain 2.100 kg of pasty pulp containing 27.4% solids.
To the fibrous pulp thus obtained, 1 M monochloroacetic acid is added in a mixer-kneader, and the mixture is mixed for about 30 minutes. After mixing, 2.635 kg of protein paste having a solids content of 22.8% are obtained.
To 1000 grams of the paste at 22.8 O / o of solids, a dilute monochloroacetic acid solution, about 0.05 M is added and, after mixing, for about 30 minutes, 2400 grams of protein dispersion containing 9 are obtained. % solids. The pastes and dispersions thus obtained, having solids contents respectively of 22.8 and 9%, are easily stored for several weeks in the absence of air and at a temperature in the region of 7 to 100 C.
Example 2
Fresh calf skins are washed under running water to remove blood, fat, droppings and grime from the surface.
To 39 kg of fresh skin, add 80 liters of cold water containing 5% sea salt, and stir for about an hour to remove blood and globular proteins. A second identical treatment can be carried out, but it is not essential. After washing with running water, to remove the salt introduced into the skins, 49.800 kg of washed skins are obtained, which are first subjected to a fleshing operation on the flesh to remove fatty deposits, meat or tissue. subcutaneous adhering to the dermis of the skin, then a mechanical shaving operation to remove hair and part of the epidermis.
After rapid washing with running water, the remaining 36,300 kg of skin is ground in a sausage meat grinder. During this operation, water is added in order to prevent the temperature from exceeding 250 ° C. and 50.400 kg of ground material is obtained, containing 17% solids.
To 40 kg of ground material, monochloroacetic acid is added, the concentration of which is close to 0.5 M. After mixing for approximately 30 minutes, 136 kg of protein paste are obtained, exhibiting an acidity of approximately 0.5 M and a content in solids close to 5.60%.
To 100 kg of this strongly swollen paste, dilute chloroacetic acid is added and, after vigorous stirring, approximately 500 kg of protein dispersion are obtained having a solids content of 1.15%, an acid concentration close to 0 0.05M and a pH value of 2.40.
This dispersion is subjected to a thorough purification by settling, using a centrifugal decanter working continuously at a speed of 1500 revolutions / minute, and with a flow rate close to 100 liters / hour. Nearly 400 kg of protein gel are thus obtained, with a yield of around 80 t0 and a solids content of 0.95%. The collagen protein content of this gel is close to 90%. Such a gel exhibits great homogeneity, good viscosity, close to 130 centipoise, and a very satisfactory flow at 200 ° C.. By further purification, collagen protein contents greater than 96% can be obtained in the dispersions or gels prepared by this method.
Example 3
Salted cow hides are greened and shaved to remove hair, grime, and subcutaneous tissue.
75 kg of salted cow hides, having undergone fleshing a few hours after the skin, and storage under salt for several weeks, are greened again for 24 hours according to conventional tannery methods. The skins are then subjected to the depilatory action of a commercial enzyme solution at 250 ° C. for 18 hours.
After removing the hair and washing with running water, 102 kg of skins are finely ground in a grinder mincer, under the addition of low water to avoid heating, and give 153 kg of ground material containing about 16% dry matter.
To 70 kg of fibrous pulp having a solids content of 16%, 1 M monochloroacetic acid is added. After mixing for approximately 30 minutes, 112 kg of swollen acid pulp are obtained, having a dry matter content close to 10 %. This paste is stored away from air for several weeks at a temperature of around 200 C.
To 100 kg of this paste, a dilute acid solution is added, with a concentration close to 0.05 M, and vigorous stirring is carried out for about 30 minutes to obtain good dispersion of the proteins in the medium.
835 liters of gel are thus prepared, having an acid concentration of approximately 0.1 M, a pH value of 2.40 and a dry matter content of around 1.20%.
A more or less thorough purification is carried out in order to obtain more or less pure dispersions of proteins, by the method of continuous settling. Protein gels, the dry matter content of which is close to 0.75-0.80%, are thus prepared. For an acidity close to 0.1 M and a pH value close to 2.30, their viscosity is between 120 and 140 centipoise, and the collagen content varies between 80 and 95%.