Актуальность

Увеличение численности населения в Казахстане приводит к росту потребления продуктов питания, в том числе и мяса. Согласно Бюро национальной статистики, в Казахстане объемы производства мяса увеличиваются ежегодно на 4-5% и в 2021 году составили 2162,2 тыс.тонн в живом весе. На мясоперерабатывающих предприятиях в качестве малоценного побочного сырья остается порядка 50% от общего веса туши животных, представленного костями, шкурой, кровью, малоценными субпродуктами. Утилизация побочного сырья сопряжена с экологическими рисками и требует дополнительных затрат, приводит к потерям ценного кормового и пищевого белка и к общему повышению себестоимости мяса.

Большая часть побочных продуктов мясной промышленности, состоит из тканей, 25-30% общей белковой массы которых представлена коллагеном. В тоже время, коллаген является одним из востребованных продуктов на рынке пищевой, косметической промышленности и в биомедицине. По данным маркетинговых исследований мировой рынок коллагена в 2021 году оценивался в 5,03-7,74 млрд. долларов США с прогнозируемым среднегодовым темпом роста в 8,3-8,59% и примерно 20% общего рынка коллагена представлена его гидролизованной формой. С экономической точки зрения, производство коллагеновых гидролизатов является перспективным способом валоризации отходов мясной промышленности.

Идея проекта состоит в поиске и изучении бактериальных коллагеназ с целью их применения в ферментативном гидролизе отходов мясоперерабатывающей промышленности в ценные пищевые продукты: пищевые и кормовые гидролизаты. Пищевой гидролизат коллагенсодержащего белка используют на колбасных предприятиях в качестве источника пептидов, аминокислот, растворимых форм коллагена и влагоудерживающего наполнителя, а кормовой гидролизат в качестве источника легкоусвояемого белковой добавки. В рамках проекта будут получены и изучены коллагеназы, будет проведена их направленная модификация. Основная проблема, на которую нацелен проект–переработка малоценных отходов мясоперерабатывающей промышленности.

Научная новизна проекта заключается в разработке направленного ферментативного гидролиза прочных коллагенсодержащих белковых субстратов с использованием новых ферментов коллагеназного действия. Практическая значимость проекта заключается в разработке технологии переработки малоценных и требующих утилизации отходов мясоперерабатывающей промышленности в белковые гидролизаты, обладающие ценностью и применяемые в пищевой и кормовой промышленности.

Цель

Цель проекта заключается в поиске, модификации и изучении бактериальных коллагеназ для их использования в ферментативном гидролизе отходов мясоперерабатывающей промышленности и получении белковых гидролизатов.

Ожидаемые результаты

• Будет проведен поиск, выделены, скринированы на селективных средах и идентифицированы молекулярно-генетическими и протеомными методами коллагенолитические микроорганизмы.
• Будут выделены, хроматографическим способом очищены и идентифицированы бактериальные коллагеназы.
• Будут проведена направленная модификация бактериальных коллагеназ.
• Будут изучены биохимические свойства нативных и модифицированных коллагеназ.
• Будут оптимизированы условия гидролиза отходов мясоперерабатывающей промышленности с помощью коллагеназ.

Руководитель проекта

Балтин Кайрат, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник. ResearcherID: AAQ-9372-2020, ORCID: 0000-0002-6187-7223, Scopus Author ID: 55437315200

Члены исследовательской группы

Хасенов Бекболат, кандидат химических наук, заведующий лабораторией. ResearcherID: AAM-8657-2020, ORCID: 0000-0003-4572-948X, Scopus Author ID: 36096620800

Актаева Сания, магистр, старший научный сотрудник. ResearcherID: AAR-5133-2020, ORCID: 0000-0001-6346-5866, Scopus Author ID: 57439359000

Акишев Жигер, магистр, старший научный сотрудник. ResearcherID: N-6206-2017, ORCID: 0000-0001-9943-1625, Scopus Author ID: 56674741700

Мусахметов Арман, магистр, старший научный сотрудник. ResearcherID: AAQ-9945-2020, ORCID: 0000-0002-6182-3487, Scopus Author ID: 57203751227

Сәрсен Арайлым, магистр, младший научный сотрудник. ResearcherID: AED-8089-2022, ORCID: 0000-0002-6071-430X

Шамсиева Юлия, магистр, младший научный сотрудник. ResearcherID: AFX-3509-2022, ORCID: 0000-0002-3136-6000

Публикации и охранные документы по теме проекта

1. Aktayeva S., Baltin K., Kiribayeva A., Akishev Zh., Silayev D., Ramankulov Ye., Khassenov B. Isolation of Bacillus A5.3 Strain with Keratinolytic Activity // Biology (MDPI). 2022, Vol 11, Issue 2, e244. doi:10.3390/biology11020244 (Q1, IF=5.079, CiteScore=3.3, Процентиль=79).
2. Kiribayeva A., Mukanov B., Silayev D., Akishev Zh., Ramankulov Ye., Khassenov B. Cloning, expression, and characterization of a recombinant xylanase from Bacillus T6 // PLoS One. 2022. Vol.17(3). e0202232. doi:10.1371/journal.pone.0202232 (Q2, IF=3.24, CiteScore=5.3, Процентиль=92).
3. Aktayeva S., Baltin K., Ramankulov Ye., Khassenov B. Isolation and identification of the keratin degrading bacteria // Journal of Biotechnology. 2019. Vol.305S. P.S30. doi:10.1016/j.jbiotec.2019.05.112 (Q2, IF=3.142, CiteScore=3.09, Процентиль=74).
4. KiribayevaK., Mukanov B.A., Baduanova S.D., Silayev D.V., Ramankulov Ye.M., Khassenov B.B. Isolation and study of a recombinant carbohydrase xylanase from Bacillus licheniformis // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. 2019. Iss.1. pp.68-72. doi:10.11134/btp.1.2019.8. (РИНЦ 0,117)
5. Kiribayeva, Ramanculov E., Khassenov B. Constitutive expression of thermostable α-amylase from Bacillus licheniformisin Pichia pastoris // Journal of Biotechnology. 2017. Vol.256S, P.S64. doi:10.1016/j.jbiotec.2017.06.1017 (Q2, IF=3.142, CiteScore=3.09 Процентиль=74).
6. Aktayeva, Akishev Zh., Khassenov B. Proteolytic enzymes in cheese making // Eurasian Journal of Applied Biotechnology. Iss.1. 2018. pp. 10-14. doi:10.11134/btp.1.2018.2 (РИНЦ 0,117)
7. Актаева С.А., Балтин К.К., Кирибаева А.К., Раманкулов Е.М., Хасенов Б.Б. Штамм бактерий Bacillus licheniformis T7 – продуцент протеаз и кератиназы Патент Республики Казахстан №35357 от11.2021.

Достигнутые результаты

В лаборатории генетики и биохимии микроорганизмов создана коллекция штаммов, обладающих желатиназной активностью. Путем культивирования одного из них на обедненной питательной среде был наработан энзиматический экстракт, который показал хорошую коллагеназную активность в зимографическом анализе на желатине. Был проведен модельный эксперимент по гидролизу обваренных путовых суставов с помощью полученного энзиматического экстракта в течение 48 часов. Установлено, что при выбранных условиях (1% экстракта, гидромодуль 1:1, 45°C, pH 6.5-7.0) уже через 24 часа степень гидролиза достигает 38-40% (расчет проводился по сухим веществам). Эти данные не уступают результату контрольного испытания, в котором использовался фермент коммерческого производства и имеют преимущество перед известной технологией гидролиза белков протеазой пепсином. Полученные предварительные результаты показывают перспективность выбранного направления и требуют проведения дальнейших исследований.