Наукові основи технологічних процесів виробництва шкіри та похідних колагену з позиції термодинаміки

При зшиванні похідних колагену водорозчинними реагентами можуть утворюватися між- та внутрішньомолекулярні зв'язки. Залежно від розподілу зшиваючих зв'язків збільшується не тільки маса, а й жорсткість молекул білка, що повинно позначитися на зміні його в'язкості. З метою обмеження жорсткості в молекулах похідних колагену досліджували розподіл у них зшиваючих зв'язків.

Об'єктом дослідження був міздровий клей, оброблений ДЕС та уротропіном, з певним показником в'язкості залежно від витрат реагентів.

Для оцінки розподілу зшиваючих зв'язків порівнювали показники в'язкості з даними ДТА та ІЧ- спектроскопії, що характеризують ефект зшивання. З підвищенням витрат реагенту збільшується як показник Ед, так і . Більші значення Ед дослідних зразків клею свідчать про міцність ковалентних зшиваючих зв'язків.

На підставі термодинамічного опису процесів виплавлення похідних колагену розроблено п'ять способів їх одержання з різних колагенвмісних відходів.

Спосіб послідовного ферментативного впливу на неколагенові та колагенові компоненти колагенвмісних відходів (сировинних і голинних), що полягає у поділі ферментативної обробки з метою інтенсифікації виробництва клею та поліпшення його якості на дві стадії, зумовлені різним температурним режимом.

Ферментативний спосіб виробництва клею з парних та консервованих відходів, що передбачає теплову інактивацію ферменту за рахунок високотемпературного (90-950С) режиму виплавлення. Особливістю способу є послідовний ферментативний вплив на неколагенові та колагенові компоненти сировини з метою поліпшення якості клею й інтенсифікації виробничих процесів.

Спосіб комбінованої інактивації ферментів, що полягає у дії на протеолітичний фермент на волокнах колагену дерми інгібітору (трилон Б, або фталевий ангідрид, або дикарбонові кислоти С4-С6) в умовах першої стадії ферментативної обробки і при подальшому тепловому впливі на фермент в умовах виплавлення. Внаслідок інгібіювання при 300С зберігається висока залишкова активність ферменту, необхідна для інтенсифікації процесу виплавлення. При цьому температура виплавлення, яка забезпечує теплову денатурацію ферменту, знижується до 70-750С.

Лужно-ферментативний спосіб виробництва клею із золених відходів, що передбачає поділ обробки на дві стадії за аналогією з ферментативним способом. Особливістю способу є використання комбінованої інактивації ферменту.

Для одержання високоякісних похідних колагену розроблений спосіб підвищення в'язкості при сушінні з використанням радикалактивних реагентів, які перед сушінням дозують за виведеною залежністю:

де А - витрата реагенту, що підвищує в'язкість, % від маси білка;

Рп - відношення планової в'язкості до вихідної;

n - кількість вільних аміногруп, моль/100 г білка;

g - масова частка активної речовини;

m - маса моля активної речовини, г/ моль.

Екологічний аналіз розроблених способів одержання похідних колагену показав, що вміст шкідливих речовин у повітрі робочої зони не перевищує нормативні показники. Виконані дослідження дають можливість розробляти технології одержання похідних колагену із запланованими властивостями.

У розділі 6 описана методологія створення технологій, що забезпечують заплановані властивості шкір.

Як раніше встановлено у роботі, величина m (маса жирувального матеріалу, що припадає на один заряд, який виникає при обробці й зумовлює електрокінетичний потенціал шкіри) відображає явище солюбілізації і залежить від виду жирувального матеріалу, умов проведення хромового дублення, послідовності виконання жирування та додублювання. Довжина термостійкого містка в шкірі, що виник під час хромового дублення, залежить від об'єму неупорядкованої зони в структурі колагену. Цей об'єм, у свою чергу, залежить від ступеня солюбілізації застосованих при хромемульсійному дубленні вуглеводнів. Проте, якщо емульгатор у цьому способі дублення певним чином входить у хромовий комплекс, то солюбілізація вуглеводнів на граничній поверхні ускладнена, що призводить до жорсткості шкір.

Таким чином, існують вимоги до матеріалів, що сорбуються в неупорядкованій та упорядкованій зонах структури колагену. Однією з основних вимог, що пред'являють до матеріалів, є їхня повна сорбція з розчину, індиферентність один щодо одного в розчині і окрема взаємодія з функціональними групами колагену. При виконанні цих умов стає можливою багатоваріантність обробок і, отже, створення різноманітних властивостей готової шкіри. Такі умови можна створити, оскільки природа взаємодії вуглеводнів з колагеном дерми при солюбілізації пов'язана з взаємодією диполів, а природа взаємодії танідів - головним чином, з утворенням p-комплексів з пептидними групами поліпептидного ланцюга колагену. Конкуренція між відкладенням танідів та вуглеводнів у структурі колагену практично відсутня. Але якщо спочатку провзаємодіють таніди з пептидними групами білка, то виникнуть стеричні ускладнення у взаємодії вуглеводнів зі структурними елементами дерми. У цьому випадку для забезпечення пластифікації колагену дерми виникає необхідність збільшення витрат жирів і, як наслідок, додатковий розклинювальний ефект при сушінні.

З метою застосування встановлених у роботі закономірностей при створенні технологій виробництва шкір із запланованими властивостями наведено приклад розрахунку потреби хімічних матеріалів та коригування технологічних процесів. До показників, що впливають на витрату сировини, належать показники, які входять у рівняння (14), а до показників, що впливають на витрати матеріалів - показники, які входять у рівняння (16). При цьому встановлено, що запланувавши певні фізико-механічні властивості й об'ємний вихід шкір, можна розрахувати вихід по площі, а потім - необхідні та достатні витрати жирувальних матеріалів для одержання визначеного асортименту шкір. Далі, користуючись встановленими теоретичними та експериментально підтвердженими положеннями цієї роботи, визначили витрати інших матеріалів для фарбувально-жирувальних процесів.

Розрахунок показав, які матеріали й у якій кількості необхідні для створення технології. Метод їхньої доставки в певну ділянку структури дерми повинен гарантувати необхідну взаємодію матеріалів із структурними елементами колагену. Проблема доставки хімічних речовин до місця взаємодії вступає в суперечність з реакційною здатністю використаних матеріалів. Висока активність речовин перешкоджає їхній дифузії в товщу дерми. Низька активність матеріалів ставить під сумнів доцільність їх використання. Тому введення матеріалів у структуру дерми повинно провадитися таким чином, щоб не допустити взаємодію з білком доти, доки матеріали не досягнуть структурного рівня колагену дерми, де розміщені функціональні групи, взаємодія з якими забезпечує необхідний ефект. Наприклад, при додаванні в розчин альдегідів вони миттєво реагують з поверхнею дерми, не проникаючи в її товщу. Таким чином, при доборі хімічних матеріалів варто враховувати незмінність їх властивостей безпосередньо до взаємодії та здатність активно зв'язувати поліпептидні ланцюги колагену на граничній поверхні. Зазначеним вимогам відповідає гексаметилентетрамін.

З урахуванням впливу стадії введення досліджуваного матеріалу на ступінь фіксації граничної поверхні, був проведений експеримент відповідно до блок-схеми (рис. 8). Експеримент здійснили методом відхилення параметрів створеної технології від базової для вибору оптимальних показників планованого асортименту шкір.

Уявлення про взаємодію різних речовин, визначених у даній роботі на граничній поверхні, дають можливість не змінювати спрямованість тієї чи іншої технології, а корегувати витрати матеріалів в оптимальній кількості для надання необхідних властивостей шкірам певного асортименту. Наприклад, попередити появу пухлинуватості шкір значно легше, ніж усунути цей дефект. Закріплення спіралей колагену на граничній поверхні, наприклад, похідними гексаметилентетраміну, створює передумову протидії розклинювальному ефекту триспіральних спіралей у процесах жирування, наповнювання та додублювання. Це призводить до різкого скорочення витрат матеріалів у післядубильних процесах. Таким чином, починаючи з вибору шкіряної сировини і закінчуючи оздобленням, технологія повинна передбачити такі зміни структури колагену, які могли б визначити задані властивості шкіри відповідно до встановлених закономірностей даної роботи.

Автор визначив нові принципи створення технологій шкіряного виробництва: 1) триспіральні спіралі на границі упорядкованої та неупорядкованої зон структури колагену необхідно зв'язати таким чином, щоб отримані зв'язки перешкоджали розклинювальній дії застосованих матеріалів; 2) процес жирування повинен передувати процесам додублювання та наповнювання; 3) як жирувальні матеріали варто застосовувати такі хімічні сполуки, що здатні брати участь у гідрофобній взаємодії, а також утворювати донорно-акцепторні зв'язки; 4) з метою забезпечення м'якості шкір витрати матеріалів повинні забезпечувати утворення тонкого шару, рівномірно розподіленого по всій поверхні колагенових волокон.

На підставі проведених теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень розроблено технологію виробництва еластичних хромових шкір для верху взуття з сировини ВРХ. Технологія передбачає використання перед процесом пікелювання препарату "Леноксан" (0,04-0,05 % від маси голини) з метою запобігання дефекту пухлинуватості шкір.

У подальшому процесі хромового дублення для підвищення основності солей хрому застосовують 1 % гексаметилентетраміну від маси голини.

Використання гексаметилентетраміну забезпечує зменшення на 30 % витрат жирувальних, наповнювальних та додублювальних матеріалів при проведенні фарбувально-жирувальних процесів, високу якість та вихід шкір по площі.

Таким чином, розроблені наукові основи технологічних процесів виробництва шкіри та похідних колагену з позиції термодинаміки відкривають можливість створення нового асортименту шкір, удосконалення діючих технологій, прогнозування нових технічних рішень.

Це дозволить підприємствам України випускати конкурентоспроможну продукцію, знизити її собівартість за рахунок раціонального використання хімічних матеріалів та сировини, скоротити використання імпортних матеріалів, зменшити ступінь екологічного ризику.

дубильний термодинамічний дерма шкіра

ВИСНОВКИ

1. На основі термодинамічного опису перетворення колагену дерми на шкіру та його похідні в дисертації представлені теоретичне обґрунтування і вирішення проблеми створення наукових основ технологічних процесів виробництва шкіри та похідних колагену з запланованими властивостями готової продукції.

Проведені комплексні дослідження з використанням законів Гауса і Больцмана для опису термодинамічних ймовірностей стану колагену та поведінки адсорбованих хімічних матеріалів дали можливість сформулювати та математично виразити раніше невідомі закономірності і положення про перетворення колагену дерми.

2. З урахуванням зміненого рівняння Щукіна-Ребіндера такі найважливіші показники готових шкір як межа міцності при розтягуванні , подовження при розриві та формування об'єму дерми приведені до одного комплексного показника , що характеризує масу сегмента, який припадає на один зв'язок у структурі сухого колагену дерми. Комплексний показник зумовлений особливостями будови колагену й об'ємом М, що займає маса мінерального дубителя за місцем утворення термостійких зв'язків при дубленні . Об'єм, який займає маса дубителя (531-992 г/моль) в результаті взаємодії з колагеном за формою наближається до куба.

На основі термодинамічної залежності опису рухливості структурних елементів колагену як природної полімерної сполуки встановлена функціональна залежність виходу шкір по площі S з комплексним показником : .

Статистичний кореляційний аналіз нормативно-технічної та звітної документації шкіряної галузі, експериментальні дані та теоретичні розрахунки автора підтвердили достовірність існування цієї закономірності.

3. З урахуванням особливостей будови колагену вперше з'ясовано взаємозв'язок між розміром дубильних частинок і співвідношенням упорядкованої та неупорядкованої зон структури білка. Встановлено, що розмір термостійких зв'язків, утворених в процесі дублення, зумовлений об'ємом неупорядкованої зони структури колагену. Дано кількісну оцінку ролі функціональних груп колагену у формуванні структури дерми при дубленні. Взаємодія карбоксильних груп колагену з мінеральними дубителями позитивно впливає на збільшення формування об'єму та термостійкості шкір, а пептидних - негативно. Роль інших активних груп колагену зумовлена специфічністю мінеральних дубителів. В утвореному термостійкому зв'язку кожен атом металу має здатність взаємодіяти з функціональними групами колагену. Ця взаємодія виявляється при сушінні як завершальній стадії формування об'єму дерми. Методом ІЧ-спектроскопічного аналізу доведено, що така взаємодія комплексоутворювальних металів відбувається як із бічними аміно- та карбоксильними, так і з пептидними групами основного ланцюга. Кількість зв'язаних функціональних груп колагену зростає зі збільшенням розміру дубильних частинок. Спрямованість формування об'єму структури дерми в напрямку збільшення площі або товщини шкіри залежить від характеру взаємодії функціональних груп колагену, що беруть участь в утворенні термостійких зв'язків. Різними способами модифікації колагену встановлено, що блокування аміногруп, а також збільшення в структурі колагену дерми кількості карбоксильних та гуанідінових груп при дубленні основними солями хрому або сумішшю солей хрому, цирконію, алюмінію сприяє формуванню об'єму дерми в напрямку збільшення площі.

4. Математичний опис утворення термостійких зв'язків у структурі колагену дерми за аналогією з реакцією поліконденсації при утворенні високомолекулярних сполук дало можливість знайти ряд експериментально-теоретичних залежностей, що визначають подальші граничні значення характеристик мінеральних дубильних сполук та процесу дублення: основність мінерального дубителя, при якій ще можливе дублення, 63,1 %; максимальна довжина термостійкого зв'язку 2 нм; максимально можлива кількість атомів металу в одному термостійкому зв'язку 6 моль; максимально можлива температура зварювання обводненої дерми 129,60С.

5. Уперше розглянуто явище солюбілізації вуглеводнів у шкірі, як фактор, що визначає об'єм неупорядкованої зони структури колагену дерми та щільність упакування триспіральних спіралей в упорядкованій зоні. ІЧ-спектроскопічним методом дослідження доведено, що ущільнення структури колагену при солюбілізації є результатом взаємодії вуглеводнів з NH та CO групами пептидних зв'язків і бічних ланцюгів. Установлено, що в процесі солюбілізації бічні ланцюги колагену беруть участь більшою мірою, ніж групи основного поліпептидного ланцюга. Рівень взаємодії іонізованих карбоксильних груп з вуглеводнями достатній для забезпечення проникаючої здатності основних солей хрому в товщу дерми при хромемульсійному способі дублення.

6. Уперше розроблені уявлення про граничну поверхню між упорядкованою та неупорядкованою зонами структури колагену і процеси, що відбуваються на ній.

Математичний опис термодинамічного стану граничної поверхні та властивостей шкіри привів до виведення функціональної залежності виходу шкір по площі з дзета-потенціалом обводненого колагену у вигляді експонентної функції

S=

Заряд граничної поверхні в структурі колагену дерми залежить від виду та послідовності введення хімічних матеріалів, що використовуються у технологічних процесах. Дзета-потенціал нативного колагену зумовлений рН його ізоелектричної точки. Доведено, що причиною утворення дзета-потенціалу є наявність у структурі колагену дерми солей мінеральних дубителів, p-комплексів органічних дубителів з пептидними групами колагену, солюбілізація біполярних вуглеводнів. При цьому дзета-потенціал на поверхні шкіри є результуючим показником.

7. Уперше доведено, що у разі виникнення дзета-потенціалу внаслідок солюбілізації, на вихід шкір по площі впливає маса солюбілізованої речовини m, що припадає на одиницю утвореного заряду. У разі виникнення дзета-потенціалу внаслідок утворення ?-комплексів вихід шкір по площі не є функцією утворених зарядів через характер розміщення зазначених комплексів (відстань між ними не перевищує довжини 10 амінокислотних залишків, тобто 2,86 нм, а товщина подвійного електричного шару = 0,6 нм). Це підтверджено наслідком залежності по п. 6

При цьому встановлено, що величина поверхневого натягу на граничній поверхні між структурними зонами колагену дерми залежить від виду сировини та віку тварини. Зі збільшенням віку поверхневий натяг зменшується, що призводить до збільшення рухливості триспіральних спіралей одна щодо одної на граничній поверхні та визначає розклинювання колагенових волокон внаслідок солюбілізації жирувальних матеріалів і органічних дубителів, впливаючи при цьому на вихід шкіри по площі. Апроксимація залежності та її висновку підтверджують їх достовірність.

8. Теоретичні положення стали основою розробки способу дублення, що передбачає фіксацію гексаметилентетраміном граничної поверхні між упорядкованою та неупорядкованою зонами структури колагену дерми. У способі використали здатність зазначеної речовини виділяти формальдегід у кислому середовищі при пікелюванні або хромовому дубленні.

За експериментальними даними встановлено, що гексаметилентетрамін доцільно використовувати для підвищення основності комплексних солей хрому на волокні дерми при хромовому дубленні. Цей спосіб відповідає взаємозв'язку виходу шкір по площі з вмістом жирових речовин у шкірі:

,

Отримане розрахунковим шляхом значення показника (0,78 Дж/м2) істотно не відрізняється від показника для шкір із сировини ВРХ масою понад 20 кг, а величина m менша від значення показника, отриманого за діючою технологією ЗАТ "Возко". Це стало результатом фіксації граничної поверхні між упорядкованою та неупорядкованою зонами структури колагену дерми гексаметилентетраміном при підвищенні основності основних солей хрому під час дублення.

9. Встановлено, що солі хрому, які перебувають в термостійкому зв'язку в структурі колагену дерми, також здатні брати участь у солюбілізації. Це чітко спостерігається при використанні перед дубленням поверхнево-активних речовин: катіонної (барвамід) та амфотерної (циклімід). Барвамід солюбілізує на граничній поверхні між упорядкованою та неупорядкованою зонами структури колагену. При дубленні, а потім при подальшому жируванні аніонними жирами відбувається нейтралізація позитивно заряджених груп барваміду. Надлишок аніонних жирів створює передумову для локалізації негативно заряджених груп на граничній поверхні, солюбілізації вуглеводнів і, як наслідок, приводить до розширення граничної поверхні та збільшення виходу шкір по площі.

У разі використання цикліміду виключена можливість солюбілізації ПАР на граничній поверхні в силу того, що в її молекулі міститься карбоксильна група, яка входить в комплексну сферу солі хрому. У результаті при подальшому жируванні відбувається нейтралізація позитивно заряджених груп цикліміду безпосередньо в області розташування термостійких зв'язків. Область відкладення основних солей хрому при дубленні обмежена, тому масова частка сорбованого жиру в цьому випадку також обмежена і менша, ніж при використанні барваміду. Роль позитивно заряджених груп при хромовому дубленні однакова при використанні як однієї, так і іншої ПАР, що виражено в тенденції збільшення виходу шкір по площі залежно від мольного добутку витрат емульгатора та гідроксильних груп, внесених сіллю хрому.

10. Встановлено, що в післядубильних процесах взаємодія ферментів з колагеном можлива тільки в упорядкованій зоні в результаті проникнення ферментів через граничну поверхню. Молекули барвників представляють систему послідовних одинарних та подвійних зв'язків (включаючи бензольні кільця), електрони яких перебувають в спряженому стані й здатні утворювати p-комплекси з функціональними групами колагену. Через утворення великої кількості таких комплексів можливе виникнення позитивного дзета-потенціалу, у якому протиіоном є безпосередньо барвник. Підтвердженням цього служать дані по зміні дзета-потенціалу в післядубильних процесах в умовах ЗАТ "Возко". З'ясовано, що збільшення кількості ароматичних кілець у молекулі барвника сприяє підвищенню жорсткості шкір.

11. На підставі уявлень про вільноз'єднаний ланцюг в колагені при виплавленні його похідних знайдено залежності, які дали можливість виявити особливості впливу на колаген дерми ферментів та їхню інактивацію. Уперше встановлено, що вплив ферментів на білок у розчині можна віднести до фізичних процесів, а на волокні дерми - до хімічних, тому що енергія активації процесу в першому випадку не перевищує 10, а в другому становить 70 ккал/моль. На підставі термодинамічного опису процесів виплавлення похідних колагену розглянуто явище впливу ферментів до і після досягнення температури зварювання колагену дерми, розроблено способи одержання клею та желатину з різних колагенвмісних відходів.

12. Оцінка полідисперсності клею після короткочасного сушіння бульйонів при 95-1500С показала, що водночас з переважаючою деструкцією, спостерігається деяке зшивання молекул білка. У результаті розроблено спосіб підвищення якості клею з використанням водорозчинних реагентів (диепоксидної смоли, пероксиду водню, уротропіну), які в умовах температурного сушіння або УФ опромінення сприяють зшиванню молекул білка. За даними ІЧ-спектроскопії та диференційно-термічного аналізу розподіл зшиваючих ковалентних зв'язків як між молекулами, так і всередині їх, рівноймовірний, оскільки зшивання відбувається по пептидних групах головних ланцюгів білка. При підвищених витратах реагентів, які зумовлюють утворення значної кількості зшиваючих зв'язків, зменшується рухливість молекул білка. З метою запобігання цьому явищу витрати зшиваючих реагентів визначають за виведеною автором залежністю

що забезпечує підвищення в'язкості до 70Е, тобто одержання високосортних похідних колагену.

13. Теоретичні закономірності та положення, виведені автором, стали основою розробки методології створення як окремих процесів, так і технології в цілому. Результати досліджень на основі термодинаміки дозволяють створювати ресурсозберігаючі технології шкір та похідних колагену із запланованими властивостями. Так, нова технологія виробництва еластичних хромових шкір для верху взуття, що передбачає фіксацію при дубленні граничної поверхні між упорядкованою та неупорядкованою зонами структури колагену дерми гексаметилентетраміном, забезпечує не тільки високу якість готової продукції, а й зниження витрат хімічних матеріалів на 30 % порівняно з діючою технологією ЗАТ "Возко".

14. Досвід промисловості щодо використання розроблених способів одержання клею та желатину вищих сортів показав, що економічний ефект становить 713 грн. на 1 т похідних колагену, а результати впровадження нових технологій виробництва хромових шкір для верху взуття , у тому числі еластичних - 28310 грн. на 1 млн. дм2 готової продукції. При цьому величина відвернутого екологічного збитку внаслідок впровадження технологій складає відповідно 30,7 грн. на 1 т похідних колагену та 3440 грн. на 1 млн. дм2 шкір.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ

1. Доминская Л.М., Горбачёв А.А., Шкаранда И.Т. Изыскание эффективных методов дубления. Сообщение 1. Характеристика методов дубления, применяемых в кожевенной промышленности // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1978. - № 5. - С. 54-59.

2. Доминская Л.М., Горбачёв А.А., Шкаранда И.Т. Изыскание эффективных методов дубления. Сообщение 2. Влияние размера дубящих частиц на эффект хромового дубления // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1979. - № 1. - С. 61-64

3. Повышение эффективности использования солей хрома в процессе дубления кож / О.А. Андреева, Л.В. Даниш, А.А. Горбачёв, И.Т. Шкаранда // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1978. - № 4. - С.37-40.

4. Влияние величины комплексов хрома на их фиксацию коллагеном / Л.М. Доминская, С.Г. Гулиев, А.А. Горбачёв, И.Т. Шкаранда // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1979. - № 2. - С. 42-46.

5. Гарист Т.И., Горбачёв А.А., Миханоша Е.С. Совершенствование хромэмульсионного метода дубления овчины // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1981. - № 6. - С. 53-54.

6. Взаимодействие активных групп коллагена дермы с дубящими комплексами хрома / А.А. Горбачёв, Л.В. Конопелькина, А.С. Романь, Л.А. Коваль // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1981. - № 2. - С. 60-62.

7. Доминская Л.М., Горбачёв А.А., Шкаранда И.Т. Определение среднечастичной моле- кулярной массы основных солей хрома по вязкости их растворов // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1983. - № 1. - С. 26-28.

8. Горбачёв А.А., Доминская Л.М. Эффект дубления дермы - функция отложения основных солей хрома в структуре коллагена // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1983. - № 11. - С. 35-36.

9. Использование ферментов для получения глютина из коллагенсодержащего сырья / Л.Г. Горбачёва, С.Я. Шнитников, А.А. Горбачёв, Л.И. Карпухина, И.Т. Шкаранда // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1984. - № 1. - С. 38-40.

10. Горбачёва Л.Г., Горбачёв А.А. Термодинамика выплавления глютина из коллагена дермы // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1984. - № 4. - С. 55-57.

11. Доминская Л.М., Горбачёв А.А. Выход кожи по площади - функция образовавшихся связей в дерме в процессе производства кожи // Исследования в области производства кожи. - М.: ЦНИИТЭИлегпром. - 1985. - С.62-73.

12. Прогнозирование выхода кож по площади в зависимости от ассортимента А.А. Горбачёв, Л.М. Доминская, Л.А. Ягода, И.Л. Яременко // Трудо- и ресурсосберегающие технологии производства обуви и кожи, повышающие надёжность изделий. - М.: ЦНИИТЭИлегпром. - 1987. - С. 61-63.

13. Горбачёв А.А. Математическое описание формирования структуры коллагена дермы при дублении // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1990. - № 10. - С. 46-49.

14. Влияние химических реагентов на активность ферментов / А.А. Горбачёв, Т.И. Гарист, Л.Г. Горбачёва, В.И. Бехарский, А.С. Романь // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1992. - № 4. - С. 28-31.

15. Взаимодействие активных групп коллагена дермы с дубящими комплексами титана / А.А. Горбачёв, А.А. Цимбаленко, А.С. Романь, Л.В. Даниш, И.Т. Шкаранда // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1978. - № 4. С.50-52.

16. Взаимодействие таннидов с коллагеном обводнённой дермы / А.А. Горбачёв, А.А. Цимбаленко, Л.В. Даниш, А.С. Романь, И.Т. Шкаранда // Изв. вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1978. - № 5. - С. 67-71.

17. Характеристика эффекта дубления дермы облагороженными экстрактами А.А. Горбачёв, В.П. Демченко, А.А. Цимбаленко, И.Т. Шкаранда // Известия вузов. Технол. лёгкой пром-сти. - 1978. - № 6. - С. 70-73.

18. Горбачов А.А., Дербаремдикер М.Л., Ноженко Л.А. Розробка хімічних матеріалів // Легка промисловість. - 1990. - № 3. - С. 26-29.

19. Дербаремдикер М.Л., Кожанова Л.Н., Горбачёв А.А. Новые химические материалы для кожевенно-обувной промышленности // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1990. - № 8. - С. 21-23.

20. Доминская Л.М., Горбачёв А.А. Расчётное нормирование выхода бахтармяного спилка при производстве кож хромового дубления // Кожевенно-обувная пром-сть. - 1990. - № 8. - С. 74-76.

21. Взаимодействие анионных красителей с коллагеном в присутствии соединений титана / А.Г. Данилкович, А.Г. Жигоцкий, А.А. Горбачев, В.И. Аверкова // УХЖ. - 1998.- Т.64. - № 11. - С. 14-19.

22. Адсорбция кислотных азокрасителей на гольевом порошке / В.И. Аверкова, А.Г. Данилкович, А.А. Горбачёв, А.Г. Жигоцкий // 2-я Междунар. наук.-технич. конф. "Развитие тех. химии в Украине": Сб. тр. по тех. химии. - К.: МП Украины. - 1997. - С. 3-6.

23. Горбачёв А.А. Термодинамика образования дзета-потенциала на граничной поверхности между упорядоченной и неупорядоченной зонами структуры коллагена дермы // Проблемы лёгкой и текстильной промышленности Украины. - 2001. - № 5. - С. 168-174.

24. Горбачов А.А. Вплив солюбілізації вуглеводнів на формування граничної поверхні між упорядкованою та невпорядкованою зонами структури колагену дерми // Вісник ХДТУ. - 2001. - № 4 (13). - С. 287-290.

25. Горбачов А.А. Теоретичні передумови розрахунків у проектуванні технологій виробництва шкір // Вісник Поділля. - 2002. - № 1. - С. 145-149.

26. Горбачов А.А. Вплив переддубильних процесів на якість фарбування шкір // Вісник КНУТД. - 2001. - № 3. - С. 133-136.

27. Способ дубления кож: А.с. 693706 СССР, МКИ С 14 С 3/04 / О.А. Андреева, Л.В. Даниш, И.Т. Шкаранда, А.А. Горбачёв и др. (СССР). - № 2565624/28-12; Заявл. 06.01.78; Зарег. 28.06.79.

28. Способ дубления кож: А.с. 1517362 СССР, МКИ С 14 С 3/06, 3/08 / В.А. Журавский, А.А. Горбачёв, Т.И. Гарист и др. (СССР). - № 4307924/30-12; Заявл. 21.09.87; Зарег. 22.06.89.

29. Пат. 25577 А Україна, МПК С 14 С 3/06. Спосіб обробки голини / Сатйанарайан Паниграхй, В.А. Журавський, О.С. Романь, О.А. Андреєва, А.А. Горбачов (Україна). - № 97105175; Заявл. 23.10.97; Опубл. 30.10.98, Бюл. № 2.

30. Способ выработки кож: А.с. 1675334 СССР, МКИ С 14 С 3/04, 3/06, 3/24 / В.Ф. Сидорин, М.Л.-И. Дербаремдикер, А.В. Голубев, А.А. Горбачёв и др. (СССР). - № 4679871/12; Заявл. 18.04.89; Опубл. 07.09.91, Бюл. № 33.

31. Способ обработки голья: А.с. 1575580 СССР, МКИ С 14 С 1/08 / А.А. Горбачёв, В.А. Журавский, С.Л. Ивашкевич, Т.И. Гарист и др. (СССР). - № 4464179/30-12; Заявл. 20.07.88; Зарег. 01.03.90.

32. Способ обработки хромированного кожевенного полуфабриката: А.с. 1714931 СССР, МКИ С 14 С 9/00, Д 06 П 3/32 / А.А. Горбачёв, Т.И. Гарист, Л.Г. Горбачёва, Г.С. Репик и др.(СССР). - № 4797291/12; Заявл. 28.02.90; Зарег. 22.10.91.

33. Способ выработки кож: А.с. 1440041 СССР, МКИ С 14 С 9/00, 11/00 / С.Г. Пономарёв, А.А. Горбачёв, Т.И. Гарист, Л.И. Карпухина и др. (СССР). - № 4113043/28-12; Заявл. 20.06.86; Зарег. 22.07.86.

34. Способ получения гомогенизированного коллагена: А.с. 1503280 СССР, МКИ С 09 Н 3/00 / А.А. Горбачёв, Т.И. Гарист, Г.С. Репик (СССР). - № 4312260/28-13; Заявл. 27.08.87; Зарег. 22.04.89.

35. Способ крашения кожи: А.с. 1812254 СССР, МКИ Д 06 Р 3/32 / В.Н. Худова, Е.Г. Эдигарова, А.А. Горбачёв, А.Д. Аркуша и др. (СССР). - № 4893323/05; Заявл. 25.12.90; Опубл. 30.04.93, Бюл. № 16.

36. Способ дубления кожи для верха обуви: А.с. 1744116 СССР, МКИ С 14 С 3/04, 3/06 / Л.Г. Горбачёва, Н.И. Денисенко, А.А. Горбачёв, В.А. Журавський и др. (СССР). - № 4818581/12; Заявл. 28.02.90; Опубл. 30.06.92, Бюл. 24.

37. Способ получения клея из кожевенных отходов хромового дубления: А.с. 1490931 СССР, МКИ С 09 Н 1/04 / Л.Г. Горбачёва, Л.И. Карпухина, А.А. Горбачёв, М.П. Волкобой и др. (СССР). - № 4292753/28-13; Заявл. 03.08.87; Зарег. 01.03.89.

38. Способ производства глютина из коллагенсодержащего сырья: А.с. 1181302 СССР, МКИ С 09 Н 3/00 / С.Г. Пономарёв, Л.Г. Горбачёва, А.А. Горбачёв, Л.И. Карпухина (СССР). - № 3664516/28-13; Заявл. 23.11.83; Зарег. 22.05.85.

39. Способ производства клея и желатина: А.с. 1112038 СССР, МКИ С 09 Н 5/00 / С.Г. Пономарёв, А.А. Горбачёв, Л.И. Карпухина, Т.И. Гарист и др. (СССР). - № 3458020/28-13; Заявл. 24.06.82; Опубл. 07.09.84, Бюл. № 33.

40. Способ производства глютина из коллагенсодержащего сырья: А.с. 948127 СССР, МКИ С 09 Н 3/00 / Л.Г. Горбачёва, С.Г. Пономарёв, А.А. Горбачёв, Л.И. Гришила (СССР). - № 2982245/28-13; Заявл. 08.09.80; Зарег. 01.04.82.

41. Пат. 29918 А Україна, МПК С 14 С 9/00. Спосіб одержання жируючих засобів для шкіри / А.А. Горбачов, С.М. Кернер, Н.П. Мальована, О.А. Андреєва и др. (Україна). - № 97105131; Заявл. 21.10.97; Опубл. 29.12.99, Бюл. № 8.

42. Пат. 30777 А Україна, МПК С 14 С 9/00. Спосіб одержання жируючих засобів для шкіри / А.А. Горбачов, С.М. Кернер, В.І. Аверкова , О.Д. Орлова (Україна). - № 98062833; Заявл. 01.06.98; Опубл. 29.03.2000, Бюл. № 2.

43. Пат. 2160783 Российская Федерация, МКИ С 14 С 9/2, С 07 С 309/62. Способ получения жирующих средств для кожи / А.А. Горбачёв, С.М. Керненр, В.И. Аверкова, Е.Д. Орлова (Украина). - № 2000102614/12; Заявл. 07.02.2000; Опубл. 20.12.2000, Бюл. 35.

44. Пат. 24752 Україна, МПК С 14 С 1/08. Спосіб вироблення фарбованих шкір / С.М. Кернер, А.А. Горбачов, В.І. Аверкова , О.Д. Орлова (Україна). - № 97125891; Заявл. 09.12.97; Опубл. 16.10.2000, Бюл. № 5.

45. Пат. 2151191 Российская Федерация, МКИ С 14 С 1/08. Способ изготовления окрашенных кож / С.М. Кернер, А.А. Горбачёв, В.И. Аверкова, Е.Д. Орлова (Украина). - № 99116217/12; Заявл. 02.08.99; Опубл. 20.06.2000, Бюл. № 17.

46. Пат. 17476 А Україна, МПК D 06 Р3/32. Спосіб фарбування шкір / А.Г. Данилкович, В.І. Аверкова, А.А. Горбачов, В.А. Журавський, С.М. Кернер (Україна). - № 96114229; Заявл. 15.11.96; Опубл. 31.10.97, Бюл. № 5.

47. Пат. 41147 А Україна, МПК Спосіб визначення знаку заряду (дзета-потенціалу) поверхні шкіри / О.Д. Орлова, А.А. Горбачов, О.С. Романь, С.М. Кернер (Україна). - № 20010315-08; Заявл. 05.03.2001.

Анотація

Горбачов А.А. Наукові основи технологічних процесів виробництва шкіри та похідних колагену з позиції термодинаміки. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.19.05 - технологія шкіри та хутра. - Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2002.

В результаті комплексних досліджень фізико-хімічного впливу різних речовин на колаген з позиції термодинаміки розроблено наукові основи технологічних процесів виробництва шкіри та похідних колагену, що дало можливість знайти нові технічні рішення перетворення дерми на шкіру. Теоретично виведені й експериментально доведені функціональні залежності виходу шкір по площі від їхніх фізико-механічних показників та дзета-потенціалу. Доведено, що причиною утворення дзета-потенціалу є наявність у структурі колагену дерми мінеральних дубителів, p-комплексів органічних дубителів з пептидними групами колагену, солюбілізація біполярних вуглеводнів. Встановлено, що об'єм, який займає дубитель внаслідок вказаної взаємодії, за формою наближається до куба, грані якого співмірні з відстанню між триплетами колагену. В утвореному під час дублення термостійкому зв'язку кожен атом металу має здатність взаємодіяти як з бічними аміно- та карбоксильними, так і з пептидними групами основного ланцюга. Розглянуто явище солюбілізації вуглеводнів у шкірі, як фактор, що визначає об'єм неупорядкованої зони структури колагену дерми та щільність упакування триспіральних спіралей в упорядкованій зоні. Розроблено уявлення та знайдено характеристики граничної поверхні між упорядкованою та неупорядкованою зонами структури колагену. На підставі термодинамічного опису виплавлення похідних колагену, як процесу перетворення вільноз'єднаного високомолекулярного ланцюга колагену на його низькомолекулярні похідні, знайдено залежності показників, що характеризують якість готового продукту. Розроблено методологію створення технологій шкір та похідних колагену. Термодинамічні основи дозволяють створювати ресурсозберігаючі технології із запланованими властивостями готової продукції.

Ключові слова: колаген, термодинаміка, упорядковані та неупорядковані зони, гранична поверхня, формування структури, дублення, додублювання, жирування, фарбування, дзета-потенціал, солюбілізація, поверхневий натяг, комплексний показник, шкіра, ферменти, похідні колагену.

THE SUMMARY

Gorbachov A.A. Scientific fundamentals of technological processes of leather manufacture and derivatives of collagen as concerning thermodynamics. -Manuscript.

The dissertation for the degree of the Doctor of Technical on speciality 05.19.05 - technologies of leather and fur - Kiev National University of Technologies and Design, Kiev, 2002.

As a result of complex researches of physical-chemical influences of various substances on collagen as concerning thermodynamics the scientific fundamentals of technological processes leather manufacture and derivatives of collagen have been worked out that allowed to find the new technical decisions of converting derma into leather. The functional dependence in leather area yield on physical-chemical indices and dzeta-potential has been theoretically deduced and proved. It has been proved that the reason of dzeta-potential formation is the presence of mineral tannins, p-complexes of organic tannins with peptide groups of collagen in derma collagen structure and solubilization of bipolar carbohydrates. It has been established that the volume, occupied by tannin as a result of above mentioned interaction, has a form of cube, which sides are commensurable with the distance between triplets of collagen. It has been stated that in thermostable linkage, which was formed during tannage, each metal atom has the ability to react both with the side amino and carboxylic groups and with peptide groups of the main claim. The phenomenon of solubilization of hydrocarbon in leather as a factor defining the volume of disordered zone structure of collagen derma and the package density of triple spirals in ordered zone has been examined. The concepts and the characteristics of boundary surfaces between ordered and disordered zones of collagen structure. On the basis of thermodynamic description of melting out of collagen derivatives as a process of converting free jointing high molecular collagen chain into its low molecular derivatives, the dependence of indices characterising the quality of finished product has been revealed. The methodology of creating leather technology and derivatives of collagen has been worked out. The thermodynamic fundamentals allow to develop resources saving technologies properties of the finished products.

Key words: collagen, thermodynamics, ordered and disordered zones, boundary interface formation of structure, tannage, retanning, fat-liquoring, dyeing, dzeta-potential, solubilization, tensile strength, elongation at rupture, leather, enzyme, collagen derivatives.

АННОТАЦИЯ

Горбачев А.А. Научные основы технологических процессов производства кожи и производных коллагена с позиции термодинамики. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.19.05 - технология кожи и меха. - Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2002.

В результате комплексных исследований физико-химического воздействия различных веществ на коллаген с позиции термодинамики разработаны научные основы технологических процессов производства кожи и производных коллагена, что позволило найти новые технические решения превращения дермы в кожу.

Теоретически выведена и экспериментально доказана функциональная зависимость выхода кож по площади от их физико-механических показателей. Удлинение при разрыве, предел прочности при растяжении и формирование объёма дермы являются аргументами этой функции, приведенными к одному комплексному показателю. Теоретически выведена и экспериментально подтверждена функциональная зависимость выхода кож по площади от дзета-потенциала кож. Доказано, что причиной образования дзета-потенциала являются наличие в структуре коллагена дермы минеральных дубителей, ?-комплексов органических дубителей с пептидными группами коллагена, солюбилизация биполярных углеводородов. Математически описан процесс образования поперечных термостойких связей в структуре коллагена по аналогии с процессом поликонденсации высокомолекулярных соединений.

На основании теоретических и экспериментальных исследований определено, что объём, занимаемый дубителем в коллагене, по форме приближается к кубу, грани которого соизмеримы с расстоянием между триплетами коллагена. С учётом особенностей строения коллагена выяснена взаимосвязь между размером дубящих частиц и соотношением упорядоченной и неупорядоченной зон структуры. Установлено, что размер термостойких связей, образующихся в процессе дубления, обусловлен объёмом неупорядоченной зоны структуры коллагена. Дана количественная оценка роли функциональных групп коллагена в формировании объёма структуры дермы при дублении. Установлено, что в образовавшейся при дублении термостойкой связи каждый атом металла обладает способностью взаимодействовать как с боковыми амино- и карбоксильными, так и с пептидными группами основной цепи.

Рассмотрено явление солюбилизации углеводородов в коже, как фактор, определяющий объём неупорядоченной зоны структуры коллагена дермы и плотность упаковки трёхспиральных спиралей в упорядоченной зоне. Установлено, что в процессе солюбилизации боковые цепи коллагена участвуют в большей степени, чем группы основной полипептидной цепи. Разработаны представления и найдены характеристики граничной поверхности между упорядоченной и неупорядоченной зонами структуры коллагена, а именно: масса химических веществ, приходящаяся на один моль заряженных частиц в структуре белка и поверхностного натяжения на граничной поверхности, которое зависит от вида сырья и возраста животного.

На основании термодинамического описания выплавления производных коллагена, как процесса превращения свободносочлененной высокомолекулярной цепи коллагена в его низкомолекулярные производные, найдены зависимости показателей, характеризующих качество готового продукта. Доказана тождественность характера взаимодействия диэпоксидных соединений, пероксида водорода и гексаметилентетрамина с производными коллагена при высокотемпературной сушке и УФ облучении. Разработано пять способов получения клея и желатина. Установлено, что распределение ковалентных сшивающих связей как между молекулами, так и внутри их равновероятно, поскольку сшивание происходит с пептидными группами основных цепей белка. При повышенных расходах реагентов, обуславливающих образование значительного количества сшивающих связей, уменьшается подвижность молекул белка. С целью предотвращения этого явления предложен метод расчёта расхода сшивающих реагентов, обеспечивающий увеличение вязкости до 70Э.

Разработана методология создания технологий кож и производных коллагена. Термодинамические основы позволяют создавать ресурсосберегающие технологии с планируемыми свойствами готовой продукции.

Ключевые слова: коллаген, термодинамика, упорядоченные и неупорядоченные зоны, граничная поверхность, формирование структуры, дубление, додубливание, жирование, крашение, дзета-потенциал, солюбилизация, поверхностное натяжение, комплексный показатель, кожа, ферменты, производные коллагена.

Размещено на Allbest.ru