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 %.