Исследование процесса получения продуктов белковой и углеводной природы из белого лепестка сои

Хоанг Тхи Минь Нгует

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование процесса получения продуктов белковой и углеводной природы из белого лепестка сои
ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Исследование процесса получения продуктов белковой и углеводной природы из белого лепестка сои"

На правах рукописи

003485860

ХОАНГ ТХИ МИНЬ НГУЕТ

Исследование процесса получения продуктов белковой и углеводной природы из белого лепестка сои

Специальность 03.00.23 - биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

- 3 ДЕК 2009

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009 г

003485860

Работа выполнена на кафедре биотехнологии Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент

Красноштанова Алла Альбертовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Винаров Александр Юрьевич

кандидат технических наук, Соболева Наталья Павловна

Ведущая организация: Институт биохимической физики

им. Н.М. Эмануэля РАН

Защита состоится «22» декабря 2009 г. в 14я часов на заседании объединенного Диссертационного совета ДМ 212.204.13 в Российском химико-технологическом университете им. Д.И. Менделеева по адресу: 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9 в аудитории 443 (конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан «Л?» /¿¿1£^г/£"2009г. Учёный секретарь

Диссертационного совета ££ Шакир И.В.

ДМ 212.204.13

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем является продовольственная. Важнейшим из компонентов питания, составляющих основу процессов жизнедеятельности человека, является белок. Увеличение спроса на белки для питания человека происходит в соответствии с общей концепцией повышения уровня жизни. По данным ВОЗ более 60% человечества питается неудовлетворительно, не получая, в частности, достаточного количества белка.

Недостаток белков в питании нарушает динамическое равновесие метаболических процессов с участием белков, сдвигая его в сторону преобладания распада собственных белков клетки, что приводит к истощению организма. В связи с этим особую значимость приобретают вопросы обеспечения населения белковыми компонентами питания, а также приоритет исследований в этом направлении, подтверждаемый разработкой и осуществлением специальных программ в промышленно-развитых странах мира [Чичева - Филатова, 2004].

Одним из путей решения проблемы дефицита белка является разработка новых технологий получения пищевого белка из возобновляемого сырья, мало используемого в процессе получения продуктов питания: жмыхи и шроты масличных и бобовых культур, зеленая масса растений, перья птиц, шерсть, внутренности рыб [Киреева, 1994].

Одним из перспективных источников белка является растительное сырьё, прежде всего злаковые, масличные, бобовые культуры, биомасса зеленых растений, а также соевые бобы, аминокислотный состав белка которых наиболее близок к животному белку. Благодаря уникальному составу (около 40% протеинов и 20% жира), оптимальному соотношению аминокислот, содержанию витаминов, микро- и макроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот и отсутствию холестерина продукты на основе сои являются лечебно- профилактическими [Бегеулов, 2006].

Для их получения чаще всего используется белый лепесток - полупродукт, получаемый после отжима соевого масла. Известные из литературы технологии переработки сои предполагают получение главным образом белковых концентратов и изолятов.

Однако в первом случае получаемый продукт содержит низкомолекулярные пептиды, что ухудшает его качество, а во - втором образуется значительное количество отходов, которые не могут быть непосредственно утилизированы на

Список сокращений

БЛ - белый лепесток, ИЭТ - изоэлектрическая точка, СВ - сухое вещество, ВМФ -высокомолекулярная фракция, НМФ - низкомолекулярная фракция, УВ - углеводы, ФП -ферментный препарат, ТСХ - тонкослойная хроматография

традиционных очистных сооружениях.

Анализ мировой практики использования соевых бобов показывает, чтс имеется несколько крупных секторов их потребления: производство растительного масла, кормов, белковых продуктов питания. Кроме того, соевые белковьк концентраты и изоляты могут использоваться в качестве ингредиентов i производстве традиционных белковых продуктов питания [Бутова с соавт., 2003].

Помимо белковых веществ, соевые бобы содержат углеводы, такие как глюкоз; - 0,01%, фруктоза (моно-) - 0,55%, сахароза (ди-) - 5,1%, раффиноза (три-) - 1,58% стахиоза (тетра-) - 3,0%, а также полисахариды (крахмал и др.) и нерастворимы! структурные полисахариды (гемицеллюлозы, пектиновые вещества) - 14,1°/ [Скурихин с соавт., 1987]. Среди перечисленных углеводов раффиноза и стахиоз; представляют наибольший практический интерес, поскольку используются i спортивном питании, а также в качестве заменителей сахара в диабетическом питанш [Бегеулов, 2006].

Целью настоящей работы явилась разработка основ технологии получения веществ белковой и углеводной природы из белого лепестка сои. В задачи работы входило:

1) изучить количественные закономерности процессов экстракции белковых веществ из белого лепестка сои; ультраконцентрирования полученных экстрактов; осаждения ВМФ белка в изоэлектрической точке;

2) установить оптимальные условия обработки белого лепестка различными экстрагентами, что обеспечило бы максимальный выход ВМФ белка; подобрать оптимальные условия выделения и очистки белкового изолята методами осаждения из водных и водно-спиртовых растворов, а также диафильтрации, что обеспечило бы получение препарата пищевого назначения;

3) разработать основы технологии получения белкового продукта кормового назначения из белоксодержащих отходов производства изолята;

4) разработать основы технологии получения раффинозы и стахиозы из депротеинизированного белого лепестка;

5) провести ориентировочные технико-экономические расчеты для разработанной технологии.

Научная новизна. Показана возможность применения для описания процесса экстракции белка из БЛ сои ранее разработанных кинетических моделей аналогичных процессов для микробного и животного сырья. Подобраны оптимальные условия, обеспечивающие максимальный выход ВМФ белка.

Впервые показана принципиальная возможность получения кормового продукта на основе белоксодержащих отходов производства изолята белка путем сорбции белковых веществ на малорастворимых солях кальция.

Впервые показана принципиальная возможность получения олигосахаридов: стахиозы и раффинозы из депротеинизированного белого лепестка.

Практическая значимость. Разработана принципиальная схема комплексной переработки белого лепестка сои с получением продуктов белковой и углеводной природы: белкового изолята сои, белкового продукта кормового назначения, раффинозы и стахиозы. В результате выход изолята белка, содержащего не менее 90% основного вещества, составляет более 90% от содержания сырого протеина в БЛ, кормового белкового продукта, содержащего 30% белка, с выходом 10% от содержания сырого протеина в БЛ, стахиозы и раффинозы, содержащих не менее 90% основного вещества, с выходом соответственно 63% и 51% от их содержания в БЛ.

Показано, что предложенный способ утилизации жидких стоков в кормовой белковый продукт позволил снизить их ХПК в 25 раз.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на IV и V международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективны развития» (Москва, март 2008 г.; Москва, март 2009 г.), Международных конференциях «Успехи в химии и химической технологии» (РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, ноябрь 2007 г.; Москва, ноябрь 2008 г.; Москва, ноябрь 2009 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи и 4 тезисов докладов в материалах научных конференций, в том числе 1 статья из списка журналов, рекомендованных ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методик проведения экспериментов и анализов, ¿л глав экспериментальной части, включающей описание результатов и их обсуждение, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 150 стр. и одержит 36 рисунков, 48 таблиц. Библиография включает 111_ наименований работ, из них 33_ иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Обзор литературы

В обзоре литературы приводится характеристика источников получения астительных белков; описаны области применения сои в народном хозяйстве, арактеристика и биологические свойства сои; описание и анализ основных ехнологических приемов получения белковых препаратов и углеводов на основе сои; описание методов, применяемых для очистки сточных вод пищевой промышленности и современных способов извлечения белковых веществ из сточных вод.

2. Материалы и методы

Объектом исследования являлась биомасса соевого белого лепестка производства США, содержащего 43±2% сырого протеина с влажностью 9±2%.

В работе использовали химические реактивы квалификации не ниже «чда». Содержание сырого протеина определяли микрометодом Къельдаля [Асатиани, 1964]; растворённые белковые вещества - по модифицированному методу Лоури [Lowry, 1951]. Общее содержание углеводов определяли методом Дюбуа (в фенол-серной реакции) [Жданов, 1963]. Влажность сухой биомассы определяли по методике [Шакир с соавт., 2008] , жироудерживающую способность (ЖУС), жироэмульгирующую способность (ЖЭС) и доли растворимого белка в белковых препаратах (NSI) - по методике [Шакир с соавт., 2008], ХПК - по методике [Лобачев, 2006].

Исследование количественных закономерностей процесса экстракции белковых веществ из биомассы БЛ сои проводили в стеклянном аппарате ёмкостью до 1 л с мешалкой и рубашкой для подвода теплоносителя, штуцерами для установки термометра и пробоотборника.

Для изучения процесса ультраконцентрирования использовали лабораторную ячейку с рабочим давлением 0,2 МПа с мембранными фильтрами УПМ- 20, 50, 100 фирмы «Владипор» (Россия).

Спекгрофотометрические измерения выполняли на спектрофотометре марки «Specord М-40» (Германия).

Осаждение белковых веществ проводили с использованием мерных стеклянных или пластиковых сосудов с крышками. Для обеспечения полноты осаждения растворы охлаждали до температуры 4^6°С, необходимое значение рН устанавливали растворами соляной кислоты и гидроксида натрия.

Молекулярно-массовое распределение белков в препаратах проводили методом молекулярно-ситовой хроматографии (гель-фильтрации). При проведении процесса гель-фильтрации использовали колонку диаметром 1 см и высотой 40 см с молекулярном ситом «Сефадекс» G-100.

Токсичность продуктов определили с применением тест-культуры инфузорий Tetrahymena pyriformis.

Очистку углеводсодержащих экстрактов от белковых примесей проводили методом ионного обмена в статических и динамических условиях.

Содержание стахиозы и раффинозы определили методом тонкослойной хроматографией на силикагеле G с использованием элюента: бутанол - этилацетат -пропанол- 2 - уксусная кислота - вода (35:100:60:35:30 об.).

3. Экспериментальная часть 3.1 Исследование количественных закономерностей процесса экстракции белковых веществ

Согласно литературным данным, для извлечения белка из соевого белого лепестка (БЛ) возможно применение двух методов экстракции - кислотной и

щелочной. Каждый из этих способов имеет свои достоинства и недостатки. К недостатку щелочной экстракции относится образование токсичных Б-форм аминокислот, а также высокое содержание в экстракте окрашенных соединений, образующихся в ходе реакции Майера за счет конденсации белков с углеводами. 1реимуществом щелочной экстракции является меньшее содержание в экстракте минеральных примесей. К достоинствам же кислотной экстракции следует отнести меньшую степень деструкции аминокислот и образования токсичных энантиомеров, а также возможность получения менее окрашенных гидролизатов [Гауровиц, 1965]. Гаким образом, применение и кислотной, и щелочной обработки БЛ позволяет юлучать на его основе белковые концентраты и изоляты. Однако окончательный )ыбор метода экстракции белка должен определяться качеством получаемых 13олятов. Качество белковых продуктов должно служить основным критерием при лтгимизации режимов технологических стадий. На первом этапе исследований выбор оптимального способа экстракции осуществлялся исходя из максимального выхода ЗМФ белка, поскольку именно на основе ВМФ получают белковый изолят.

В качестве параметров процесса экстракции были выбраны температура процесса в интервале 20 - 50°С, рН среды (1 - 3, 9 - 11) и время обработки БЛ. Изучение влияния начальной концентрации БЛ на выход белковых веществ показало, что степень извлечения отдельных белковых фракций не зависит от начальной концентрации БЛ в суспензии. Поэтому все эксперименты проводили при начальной концентрации БЛ 10% по массе, что является оптимальным с точки зрения обеспечения эффективного перемешивания суспензии и позволяет получать достаточно концентрированные растворы белка, что упрощает его дальнейшее выделение.

Отсутствие Б- образного характера кривых извлечения белка позволило представить процесс извлечения белковых веществ в виде схемы превращений:

----V. к! к2

(—Р в клетке^)-„ р в р.ре -► РР, вр-ре (1)

к3

РР2 вр-ре

Этой схеме превращений отвечают следующие дифференциальные уравнения:

^ = (2) аг

^ ~ ~ Рп (3) ДА рр!

-ТТ^х? (4)

где Хо - содержание белка в клетке; Хрр1 и Хррг - содержание НМФ белка в растворе ХР-содержание ВМФ белка в растворе.

Дифференциальную обработку экспериментальных данных проводили п начальным скоростям. Для раздельного нахождения значений эффективных констан к) и кз была введена суммарная кинетическая константа к =к; + кз.

Построив график зависимости в координатах 1п(1- X сунн )= Г^), получил линейные зависимости, по тангенсу угла наклона которых к оси абсцисс был найдены значения а= к . Примеры обработки экспериментальных данны иллюстрирует рис. 1.

Для раздельного нахождения эффективных констант к] и к3 были построен) зависимости прироста ВМФ белка от прироста НМФ, для начальных моменто времени оказавшиеся линейными. Примеры полученных зависимостей приведены н рис. 2.

О -1-1-1-1-1-

О 10 20 30 40 50 60 время, мин

Рис.1. Зависимость 1п(1- Хсуш )= к • Ъ Условия экстракции: температура - 20°С, ♦ -рН 1,0; ■- рН 2,0; А- рН 3,0; х- рН 9,0 ; ж-рН 10,0 ; •- рН 11,0.

Рис.2. Зависимость Хр= / (Хрр) щ условии экстракции: температура - 20°С, « рН 1,0; рН 2,0 ; А- рН 3,0; о- рН 9,0; А рН 10,0; П-рНП.О).

В результате такой обработки данных эксперимента были найдены численнь значения констант к! и к3 Значение константы к2 было найдено в ходе интегральнс обработки экспериментальных данных.

На следующем этапе исследовали влияние температуры на экстракцию белю из БЛ. Для установления связи эффективных констант с температурой использовш уравнение Аррениуса. Результаты обработки экспериментальных данных приведен в табл. 1.

Для установления связи эффективных констант с рН среды использовали уравнение специфического кислотно-основного катализа:

£ =---(6),

1 + Кал .

" я

где к - константа скорости, независимая от рН среды; Ка - константа равновесия образования комплекса белков с ионами Н*; а(Н+) = [Н+] - концентрация ионов водорода, моль/л.

Таблица 1

Значения параметров уравнения Аррениуса процесса экстракции белковых веществ из БЛ при различных условиях__

Условия Путь Е, кДж/ Условия Путь Е, кДж/

экстракции кинетической моль экстракции кинетическои моль

схемы схемы

рН=1 к, 22±3 рН=9 к, 56±4

к, 26±4 к2 33±4

к3 37±2 к3 45±4

рН=2 к, 57±3 рН=10 к, 40±2

к2 58±3 к2 74±3

к3 25±1 к3 23±4

рН=3 к, 39±4 рН=11 к, 20±3

к2 73±1 к2 21±4

к3 32±3 к3 54±5

В результате обработки экспериментальных данных и оптимизации параметров кинетических схем было достигнуто адекватное описание всего массива экспериментальных данных. Таким образом, была разработана кинетическая схема процесса экстракции белков из БЛ. В табл. 2 приведены рассчитанные с ее помощью и проверенные экспериментально данные по соотношению ВМФ и Г1МФ при различных условиях экстракции и общему выходу белковых веществ.

Таблица 2

Соотношение высокомолекулярной и низкомолекулярной фракций белка при различных условиях_

Условия экстракции Хр/Хрр X сум Условия экстракции Хр/Хрр X сум

рн Температура, °С рн Температура, °С

1 20 9,29 70,13 2 30 13,10 85,19

2 20 12,89 91,12 2 40 12,29 76,00

3 20 13,22 46,21 2 50 13,37 70,00

9 • 20 4,17 74,71 10 30 3,48 47,43

10 20 4,07 82,28 10 40 4,47 51,73

И 20 1,82 79,73 10 50 1,76 71,72

Из табл. 2 следует, что оптимальными условиями процесса экстракции с точки зрения максимального выхода ВМФ являются: рН 2; температура 20°С, время экстракции - 1 ч, обеспечивающие выход белковых веществ на уровне 91%. В щелочной среде при рН 10,0 выход белковых веществ составляет около 82,3%, однако соотношение ВМФ к НМФ примерно в 3 раза меньше.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что экстракцию белка из белого лепестка следует проводить в кислой среде. Однако делать однозначный вывод об оптимальном режиме экстракции на данном этапе преждевременно, т.к. необходимо подобрать оптимальные условия выделения изолятов из кислого и щелочного экстрактов и сравнить их качество.

Поскольку в ходе исследования процесса экстракции была показана возможность получения изолята белка, как в ходе кислотной, так и в ходе щелочной экстракции, то в дальнейшем все исследования проводили для обоих экстрактов.

3.2. Исследование процесса ультраконцентрирования белкового экстракта

При получении изолята белка на основе белкового экстракта необходимо решить две проблемы. Во-первых, полученный после отделения отработанного БЛ экстракт белка содержит 15 г/л ВМФ, что не обеспечивает высокого выхода белкового изолята при осаждении в ИЭТ. Во-вторых, в состав изолята пищевого назначения должны преимущественно входить белки с молекулярными массами не менее 50 кДа. В табл. 3 приведен молекулярно-массовый состав белков в составе кислого и щелочного экстрактов.

Таблица 3

Молекулярно-массовый состав белковых экстрактов, полученных при разных условиях экстракции__

Условия экстракции Молекулярно-массовый состав белков в экстракте, кДа

10-25 25- 50 50-65

Кислотная экстракция, рН 2 39% 21 % 40%

Щелочная экстракция, рН 10 46% 39% 15%

Из приведенных данных видно, что белковые экстракты содержат набор белков и пептидов различных молекулярных масс (10 - 65 кДа). Для решения вышеуказанных проблем была исследована возможность применения метода ультрафильтрации с использованием мембран УПМ-20, УПМ-50, УПМ-100 с отсекаемыми молекулярными массами 10-100 кДа.

При исследовании процесса ультраконцентрирования были определены параметры ультрафильтрационной установки:

- удельная производительность: С=Уиач/3-1 л/м2-ч, по которой находили концентрацию гелеобразования, где 8=0,0113 м2- площадь мембраны; Ь время, час.

- интегральная селективность: = 1 - <~-пеРм(конеч)

Сисх

- дифференциальная селективность: = 1 - Сперм.

Сконц

Наличие в белковом изоляте примесей углеводов существенно снижает его качество. Поэтому в ходе ультрафильтрации также оценивали степень очистки ВМФ белка от углеводных примесей.

Результаты исследования процесса ультрафильтрации обобщены в табл. 4.

Таблица 4

Сравнительная характеристика эффективности ультрафильтрационных мембран, используемых для концентрирования экстракта белковых веществ белого лепестка

Тип Удельная Интегральная Интеграль- Максималь- Соотношение

мембраны производи- селективность ная селек- ная степень белка к

тельность, по ВМФ тивность по концентри- углеводам в

л/м2 ч белка углеводам рования концентрате

Концентрирование кислотного экстракта Соотношение белка к углеводам в экстракте: 2,05:1

УПМ-20 4,1 0,69 0,45 2,4 2,47:1

УПМ-50 6,6 0,73 0,48 2,7 3,15:1

УПМ-100 7,8 0,80 0,52 зд 3,84:1

Концентрирование щелочного экстракта Соотношение белка к углеводам в экстракте: 1,49:1

УПМ-20 1,4 0,78 0,26 2,6 1,82:1

УПМ-50 2,7 0,81 0,33 2,8 2,21:1

УПМ-100 3,2 0,82 0,38 3,0 2,79:1

Из представленных данных видно, что для проведения процесса ультраконцентрирования экстрактов белка БЛ целесообразно использовать мембрану маркой УПМ-100, которая позволяет сконцентрировать экстракт в три раза при интегральной селективности по ВМФ белка 0,80. При этом соотношение ВМФ белка к углеводам возрастает по сравнению с исходным экстрактом в 2 раза. Соотношение белка к углеводам в случае кислотной экстракции больше, чем в случае щелочной экстракции, т.е. использование кислотной экстракции предпочтительнее. Однако ультрафильтрация не обеспечила полной очистки ВМФ белка от углеводных примесей.

Выше было сказано о том, что белковые изоляты пищевого назначения должны содержать белки с молекулярными массами не менее 50 кДа. Поэтому на заключительном этапе данной части работы был исследован молекулярно-массовый состав полученных ретантов и влияние на него степени концентрирования экстрактов. Было установлено, что концентрат, полученный при кислотной обработке БЛ, содержит белковые вещества следующих молекулярных масс: 61 кДа (14%), 49,5

кДа (15%), 41 кДа (28%), 38 кДа (23%), 21,5 кДа (20%). Что касается щелочного концентрата, то он содержит белки в трех молекулярных масс: 61 кДа (56%), 41 кДа (28%), 31,5 кДа (16%). Таким образом, исходя из проведенных исследований, большая доля высокомолекулярных веществ присутствует в щелочном экстракте, следовательно, использование щелочной экстракции предпочтительнее.

Поскольку в обоих концентратах присутствуют и ВМФ, и НМФ белка, была исследована возможность применения для этой цели ультраконцентрирования разбавленного раствора, что приводит к снижению концентрационной поляризации. Было установлено, что при кратности разбавления исходного экстракта в 10 раз селективного разделения ВМФ и НМФ не происходит, поэтому на следующем этапе исследований была изучена возможность применения метода осаждения для этой цели.

3.3. Исследование процесса осаждения белкового изолята в ИЭТ

На данном этапе был исследован процесс осаждения ВМФ белка сои из полученных ретантов в ИЭТ, которая, как показали ранее проведенные исследования, составляет 4,5 - 5,0. Было изучено влияние исходной концентрации белка на степень осаждения. Соответствующие зависимости приведены на рис. 3-4.

О 10 20 30 40 50 50 70 80 80 100 110 120 о 10 20 30 40 Б0 60 70 80 90 100 110 120

Время, мин. Время, мин.

Рис.З. Зависимость степени осаждения бел- Рис.4. Зависимость степени осаждения ковых веществ из кислотного ретанта от на- белковых веществ из щелочного ретанта от чальной концентрации белка. Начальная начальной концентрации белка. Начальная концентрация ВМФ в растворе: ♦- 30 г/л; м- концентрация ВМФ в растворе: ♦- 30 г/л; ■15 г/л; •- 6 г/л; А- 3,8 г/л. 15 г/л; •- 6 г/л; А- 3,8 г/л.

Из полученных данных следует, что и для кислотного, и для щелочного ретанта максимальная степень осаждения белка достигается при его исходной концентрации 81 г/л, что соответствует ранее установленной максимальной степени концентрирования в 3 раза.

Из литературных данных известно, что степень осаждения зависит от начальной концентрации белковых веществ. При этом, чем меньше начальная

концентрация белковых веществ, тем выше вероятность осаждения только высокомолекулярных белков. Поэтому было проведено осаждение белковых изолятов из растворов с различной концентрацией. Полученные данные по степени осаждения ВМФ приведены в табл.5, а в табл. 6 - молекулярно- массовый состав получаемых изолятов.

Таблица 5

Степени осаждения

белковых веществ из растворов с различной концентрацией

Таблица 6

Молекулярно-массовый состав белковых изолятов при осаждении из растворов с различной начальной концентрацией белка

Начальная Степень

концентрация белка, осаждения

г/л

81,0 0,86

40,5 0,52

16,2 0,21

Щелочная Кислотная

Молекулярная экстракция, % экстракция,%

масса, кДа начальная концентрация, г/л

81,0 40,5 16,2 81,0 40,5 16,2

63-49 15 31 43 40 8 69

47-23 39 46 41 21 86 31

23-13 46 23 16 39 6 -

Из представленных данных следует, что осаждение ВМФ белка с молекулярной массой более 50кДа следует проводить из ретантов с исходной концентрацией белка 16,2г/л, при этом ее выход составляет 21% от общего содержания белка в ретанте. Таким образом, возможны два варианта организации процесса получения белкового изолята из БЛ в зависимости от области его применения:

1) получение изолята технического назначения осаждением всей ВМФ белка в ИЭТ из концентрированных растворов;

2) получение изолята пищевого назначения осаждением фракции с молекулярной массой более 50кДа, а оставшегося ВМФ затем концентрировать и получать осаждением в ИЭТ изолят технического назначения.

Полученный осадок изолята белка отделяли центрифугированием, обрабатывали этиловым спиртом и ацетоном, высушивали в вакуум-сушильном шкафу при температуре 60°С и проанализировали их состав. Было установлено, что полученный изолят содержит 65 - 70% белка, поэтому необходимо разработать стадии его очистки.

3.4. Выбор оптимальной схемы очистки белкового изолята

Полученный в данной технологии белковый изолят загрязнен в основном минеральными примесями. Для очистки от них было предложено использовать следующие методы:

1) переосаждение (процесс проводили в изоэлекгрической точке, предварительно растворив белок в подкисленной воде при рН 1,5-2,0);

2) диафильтрация (ретант, полученный на стадии ультрафильтрации, разбавляли в 2 раза водой и сконцентрировали до прежнего объема; затем белковый изолят осаждали вИЭТ).

Сравнение эффективности этих методов приведено в табл. 7. В табл. 8 приведены данные по соотношению белков и углеводов в ретантах, полученных при различной кратности диафильтрации.

Таблица 7

Сравнение качества белковых изолятов, получаемых методом переосаждепия и

диафильтрации

рН=2 рН= 10

Содержание Содержание Содержание Содержание

Способ очистки белка до белка после белка до белка после

очистки, очистки, очистки, очистки,

% кСВ %кСВ %кСВ % к СВ

Переосаждение изолята 69% 75% 67% 74%

Диафильтрация ретапта№1 81 % 76%

Диафильтрация ретанта№2 87% 82%

Диафильтрация ретанта№3 91 % 86%

Таблица 8

Соотношение ВМФ белка к углеводам при различной кратности диафильтрации_

Значение рН исходного экстракта Ретант до диафильтрации Ретант 1 Ретант2 Ретант3

Белки / Углеводы 2 3,84/1 6,1/1 7,7/1 7,9/1

10 2,05/1 6,8/1 8,0/1 8,3/1

Из представленных данных видно, что трехкратная диафильтрация обеспечивает очистку от углеводных примесей, как для кислотной, так и для щелочной экстракции. В сравнении с методом переосаждения, диафильтрация позволяет достичь более высокого содержания белка в изоляте и, следовательно, является более эффективным способом очистки.

3.5. Анализ полученных белковых изолятов на острую токсичность, NSI, ЖУС и ЖЭС

Из литературных данных известно, что белковые изоляты пищевого назначения оцениваются по целому ряду показателей, а именно: острая токсичность; жироудерживающая способность (ЖУС); жироэмульгирующая способность (ЖЭС); индекс растворимого белка (NSI). Результаты исследований приведены в табл. 10. Для сравнения в той же таблице приведены данные по значениям вышеуказанных

показателей для некоторых наиболее распространенных соевых продуктов. Анализируя данные табл. 9, можно сделать вывод о том, что полученные в работе белковые изолягы являются нетоксичными и характеризуются показателями качества, близкими к известным соевым продуктам, что позволяет использовать их для пищевых целей.

Таблица 9

Сравнение полученных изолятов белка сои с известными соевыми продуктами_

Наименование продукта ЖУС, г ЖЭС, водная NSI, Острая

масла/ г фаза/масляная % токсичность

белка фаза

Соевое молоко 1,20 1/1,00 70 Отсутствует

Текстурат «Лайн-про» 0,90 1/1,00 68 Отсутствует

Текстурат «Эмульгофикс-50» 0,70 1/1,87 72 Отсутствует

Соевый концентрат «Эмулекс» 0,50 1/1,50 71 Отсутствует

Изолят белка сои Экстракция рН2 0,75 1/1,45 67,9 Отсутствует

Экстракция рНЮ 1,00 1/1,64 71,9 Отсутствует

3.6. Разработка путей утилизации стоков производства белкового изолята БЛ

В предлагаемой технологической схеме получения белкового изолята образуется значительное количество жидких отходов, содержащих белковые вещества, а именно - пермеат и диафильтрат. На 1 кг белкового изолята образуется суммарно 32 л жидких стоков, содержащих (3,6±0,3)% СВ, которые представлены в основном соединениями белковой и углеводной природы в соотношении 27:6 (концентрация белка - 16,61 г/л, углеводов - 3,69 г/л) и характеризуются высокими показателями ХПК (более 100000 мг О/л).

С целью снижения количества отходов, образующихся в данной технологической схеме, была исследована возможность снижения их количества путем организации рецикла по пермеату и диафильтрату и получения малорастворимых и нетоксичных соединений в объеме сточных вод, связывающих компоненты сточных вод с получаемым осадком.

Таблица 10

Характеристика белковых изолятов, получаемых при организации рецикла по пермеату

Показатель

№ рецикла

1-й

2-ой

3-ий

4-й

Условия экстракции

рНЮ

рН2

рНЮ

рН2

рНЮ

рН2

рНЮ

Степень экстракции

Степень осаждения

% белка в изоляте по СВ

N81. %

68,2

72,4

68,5

72,8

68,8

72,9

69,0

73,1

Острая токсичность

отсут

есть

отсут

есть

отсут

есть

Таким образом, организация рецикла по пермеату и диафильтрату позволяет снизить количество образующихся сточных вод в три раза в случае щелочной обработки БД и в четыре раза в случае кислотной. Однако количество сточных вод остается достаточно большим, поэтому необходимо разработать пути их дальнейшей утилизации.

В качестве такого способа было предложено получать кормовой белковый продукт путем сорбции белковых соединений малорастворимыми солями: сульфат кальция (гипс), карбонат кальция (мел) или ортофосфаты кальция.

На рис. 5-6 приведено влияние типа сорбента на процесс сорбции белков и углеводов из кислых и щелочных сточных вод.

Рис.5. Зависимость степени сорбции белковых веществ и углеводов из сточных вод при получении белкового изолята методом кислотной экстракции: «,о-мопофосфат кальция; А, А - мел; ■, □гипс. Черные значки относятся к сорбции белковых веществ, прозрачные -углеводов.

Рис.6. Зависимость степени сорбции белковых веществ и углеводов из сточных вод при получении белкового изолята методом щелочной экстракции: *,о-монофосфат кальция; А, А - мел; □гипс. Черные значки относятся к сорбции белковых веществ, прозрачные - углеводов.

Необходимо отметить, что во всех случаях процесс сорбции заканчивается за 30 - 45 мин., однако, только в случае монофосфата кальция степень сорбции белковых веществ достигает 90%. В табл. 11 приведены данные по максимально достигаемой степени сорбции углеводов и белков для каждого из исследованных сорбентов и содержании сырого протеина в получаемом осадке, что определяет его кормовую ценность.

Из приведенных данных следует, что в случае монофосфата кальция содержание сырого протеина достигает 30%, что позволяет использовать получаемый осадок в качестве кормового продукта.

Исследование влияния концентрации монофосфата кальция на степень сорбции белковых веществ и содержание сырого протеина в осадке показало, что при концентрации монофосфата кальция 4% по массе белковые вещества как из кислых, очных стоков сорбируются не менее чем на 96%, причем степень сорбции углеводов

не превышает 10%. Установлено, что полученный продукт содержит не менее 30% сырого протеина, что позволяет рекомендовать его к использованию в качестве кормовой добавки.

Таблица 11

Влияние типа сорбента на степень сорбции белковых веществ, углеводов и содержание сырого протеина в конечном продукте___

Тип сорбента в с точных водах после экстракции Содержание сорбента в сточных водах, % Степень сорбции,% Содержание сырого протеина в сорбенте,%

белк ветн эвых »сти Углеводов

Щелочные стоки Кислые стоки Щелочные стоки Кислые стоки Щелочные стоки Кислые стоки

Гипс 4 32 27 20 18 14 11

Мел 4 62 60 39 33 26 24

Монофосфат кальция 4 98 96 30 24 33 31

Результаты исследований по влиянию температуры на процесс сорбции белковых веществ на монофосфате кальция приведены на рис. 7 и 8.

О 15 30 45

Время, мин.

Рис.7. Зависимость степени сорбции Рис.8. Зависимость степени сорбции белковых веществ из кислых сточных вод на белковых веществ из щелочных сточных монофосфате кальция от температуры: 10 вод на монофосфате кальция от °С, А-20°С, Д- 30°С, 40°С, 50°С. температуры: ■-10°С, А- 20°С, Д- 30°С, □40 "С, 50 °С.

Из представленных данных следует, что с увеличением температуры от 10 до 20°С происходит возрастание степени сорбции белков с 80 до 95%. Однако при дальнейшем повышении температуры происходит ее снижение, что, вероятнее всего, связано с обратимостью процесса и возрастанием скорости десорбции.

Таким образом, результаты исследований показали, что процесс сорбции необходимо проводить при следующих оптимальных условиях: температура 20°С, концентрация монофосфата кальция в среде - 4% по массе, время сорбции - 1ч.

В результате было получены белковые продукты, содержащие не менее 30% сырого протеина и 70% монофосфата кальция, их исследование на острую

токсичность показало ее отсутствие. В табл. 12 приведены данные по составу сточных вод до и после сорбции белковых веществ.

Таблица 12

Показатель Щелочные стоки Кислые стоки

до сорбции после сорбции до сорбции после сорбции

Содержание белков 30 г/л 1,2 г/л 28 г/л 1 г/л

Содержание углеводов 6,7 г/л 6 г/л 6,2 т/л 5 г/л

Соотношение белков к углеводам 4,5:1 1:5 4,5: 1 1:5

ХПК, мгО/мл 100000 4000 100000 4000

Из приведенных данных видно, что предложенный метод утилизации стоков позволяет снизить соотношение углерод: азот до уровга 1:10 и направлять данные стоки на станции биологической очистки сточных вод.

3.7. Исследование процесса ферментативного гидролиза делротеинизированного белого лепестка

В процессе получения белковых изолятов из БЛ слабощелочными или слабокислыми растворами образуется также большое количество твердых отходов в виде отработанной биомассы депротеинизированного белого лепестка (10 кг влажной биомассы на 1 кг изолята), который содержит до 70% углеводов. Поэтому представляется актуальным исследовать возможность получения из него ценных олигосахаридов, прежде всею, стахиозы и раффинозы.

Из литературных данных известно, что для извлечения углеводов из сои используют 70%-ный раствор этилового спирта. Однако предварительные исследования показали, что выход углеводов в раствор в этом случае не превышает 40%. Это связано с тем, что углеводы сои представлены, главным образом, в виде клетчатки. Поэтому для обработки целлюлоозосодержащих субстратов было предложено использовать комплексный ферментный препарат целловиридин ГЗх, который состоит из ферментов 3-х типов: эндо-1,4-р-Б-глюканазы; экзо-1,4-р-глюканазы и экзо-1,4-(3-В-глюкозидазы. Было изучено влияние начальной концентрации целловиридина на выход углеводов из БЛ, а также способ внесения ФП (однократная или дробная загрузка). Полученные результаты приведены на рис.9 и 10.

Е£емя экстракции, мин

Рис.9. Зависимость выхода УВ при ферментативном гидролизе

депротеинизированного БЛ от температуры при однократной загрузке ФП. □- 10°С, ▲ -25°С, в-40°С, А-70°С.

Ере м я экстракции, мин

Рис.10. Зависимость выхода УВ при ферментативном гидролизе

депротеинизированного БЛ от температуры при дробной загрузке ФП. о-10 °С, А - 25 °С, ■- 40 °С, Д- 70 °С.

Из полученных данных следует, что максимальный выход углеводов (70%), наблюдается при концентрации при дробной загрузке целловиридина через каждые 2ч. гидролиза при температуре 40°С, общий расход ФП составляет 10% от массы субстрата (1% по активному белку). Соотношение белок : углеводы в полученном экстракте составляет 0,22:1, содержание стахиозы - 1,9 - 5,6 г/л, раффинозы - 0,8 -2,4 г/л в зависимости от способа обработки БЛ (кислотная или щелочная экстракция белка).

3.8. Исследование процесса осаждения стахиозы

Из литературы известно, что стахиоза плохо растворима в этиловом спирте, поэтому для ее выделения из раствора целесообразно использовать метод осаждения из водно-спиртового раствора. Однако концентрация стахиозы в полученном экстракте составляет 1,9 - 5,6 г/л, что не обеспечивает полного осаждения олигосахарида. В связи с этим в технологический процесс необходимо ввести стадию вакуум-выпаривания экетракта, которая проводится в промышленных условиях при температуре 70°С. Однако в результате выпаривания был получен раствор, имеющий интенсивную коричневую окраску. Это объясняется тем, что исходный экстракт содержал значительное количество пептидов, поэтому его обработка при повышенной температуре привела к образованию окрашенных соединений по реакции Майара. Дальнейшая очистка препаратов углеводов от окрашенных соединений представляет собой сложную технологическую задачу. Поэтому представлялось целесообразным перед стадией вакуум-выпаривания ввести в

представлялось целесообразным перед стадией вакуум-выпаривания ввести в технологический процесс стадию очистки от азотистых соединений белковой природы. В промышленности для выделения пептидов из растворов, как правило, используют сорбцию на катионитах.

Результаты по выбору типа катеонита представлены на рис. 11 и в табл. 13.

1D0

во

¿ 80Рис.11. Кинетика сорбции пептидов из

I евкислого экстракта для разных

I 50катеонитов: КУ2><8 , □- С-106, А -

í«С-150, ■- SGHlOOxlOH, Д- С-145.

' £ 30

В 10 10 о

о 15 зо « ео

фемя.мж

Из представленных данных следует, что все исследованные катеониты обеспечивают высокую, не ниже 80% степень сорбции белковых веществ при времени сорбции 1 ч, причем минимальное соотношение белка к углеводам равное 0,02:1 наблюдается для катеонита КУ2*8.

Таблица 13

Соотношение белков к углеводам в несорбированной фракции после сорбции пептидов на катионитах.

Тип катеонитов Соотношение белка к углеводам

КУ2х8 0,02:1

С-106 0,06:1

С-150 0,08:1

SGHlOOxlOH 0,12:1

С-145 0,11:1

Изучение влияния кратности упаривания на степень осаждения углеводов показало, что максимальная степень осаждения равная 86% достигается при кратности упаривания полученного элюата в 15 раз, в результате концентрация раффинозы составила 36 г/л и стахиозы - 84 г/л.

На следующем этапе исследований изучили влияние гидромодуля спирта на степень осаждения стахиозы. Было установлено, что оптимальный гидромодуль, обеспечивающий степень осаждения стахиозы не ниже 96%, равен 32.

Полученный препарат был проанализирован на содержание основного вещества методом ТСХ. Полученный препарат являлся индивидуальным химическим соединением и содержал не менее 90% основного вещества, что позволили его считать препаратом технического назначения. Выход стахиозы составил 1,9 % от массы исходного белого лепестка (63% от ее содержания в БЛ).

Полученная после осаждения стахиозы надосадочная жидкость была упарена под вакуумом с отгонкой этилового спирта до исходного объема и высушена в распылительной сушилке. В результате был получен препарат раффинозы, который являлся хроматографически чистым индивидуальным веществом и содержал 90% основного вещества, что позволило его также считать препаратом технического назначения. Выход раффинозы составил 0,8 % от массы белого лепестка (51% от ее содержания в БЛ).

Таким образом, на основе проведенных исследований была предложена принципиальная схема малоотходной технологии переработки белого лепестка сои с получением продуктов белковой и углеводной природы кормового, пищевого и технического назначения.

ВЫВОДЫ

1. На основе изучения кинетики экстракции белковых веществ из БЛ устаноатены оптимальные условия извлечения ВМФ белка с выходом 85% от содержания сырого протеина в сырье.

2. Установлены оптимальные условия выделения белкового изолята методами ультрафильтрации и осаждения в ИЭТ. Показана возможность получения белкового изолята пищевого назначения, содержащего белка с молекулярными массами более 50 кДа.

3. Подобраны условия выделения и очистки белкового изолята методами осаждения из водных и водно-спиртовых растворов, а также диафильтрации.

4. Установлено, что тип экстрагента (кислотный или щелочной) не оказывает влияния

на выход ВМФ. Однако применение кислотного экстрагента позволяет в четыре раза снизить количество образующихся жидких отходов за счет организации рецикла по пермеату на стадии ультрафильтрации.

5. Предложены основы технологии получения белкового продукта кормового назначения, содержащего не менее 30% сырого протеина и 70% монофосфата кальция, из белоксодержащих жидких отходов производства изолята.

6. Разработаны основы технологии получения раффинозы и стахиозы из депротеинизированного белого лепестка. Выход стахиозы составил 63%, а раффинозы - 51% от их содержания в белом лепестке. Установлено, что полученные препараты являются индивидуальными химическими соединениями и содержат не менее 90 % основного вещества, что позволяет их считать препаратами технического назначения.

7. Исследование физико-химических показателей полученных белковых изолятов на соответствие требованиям ТУ показало, что белковый изолят по качеству сопоставим с выпускаемыми отечественной и зарубежной промышленностью

соевыми продуктами, что позволяет рекомендовать их к использованию в пищевой промышленности.

8. Проведена ориентировочная технико-экономическая оценка разработанной технологической схемы. Показано, что в условиях комплексного производства себестоимость получаемых препаратов составляет 13% от себестоимости препаратов известных фирм. Предлагаемая технология переработки сои позволяет снизить количество образующихся твердых отходов - в 2,4 раза, а жидких - в четыре раза.

Список публикации по теме диссертации:

1. Хоанг Тхи Минь Нгует. Исследование процесса экстракции белковых веществ из белого лепестка сои водными растворами минеральных кислот и щелочей [Текст] / Хоанг Тхи Минь Нгует // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр,-М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2007. - Т. XXI, №12. - с. 136; 20см. -160 экз. -с.33-35.

2. Хоанг Т.М.Н. Исследование процесса получения изолята белка сои из белого лепестка [Текст] / Хоанг Т.М.Н., Красноштанова А.А //Сборник трудов V Международного Конгресса «Биотехнология: состояние и перспективны развития» - 2008 г. - с.92.

3. Хоанг Тхи Минь Нгует. Получение кормового белкового продукта на основе сточных вод производства белкового изолята [Текст] / Хоанг Тхи Минь Нгует // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр.- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008.-Т. XXII, №13. - с. 136; 20см. -160 экз. - с.80-84.

4. Хоанг Т.М.Н. Выделение низкомолекулярной водорастворимой фракции углеводов из депротеинизированного белого лепестка сои [Текст] / Хоанг Т.М.Н., Красноштанова А.А //Сборник трудов VI Международного Конгресса «Биотехнология: состояние и перспективны развития» - 2009 г.

5. Хоанг Тхи Минь Нгует. Выделение низкомолекулярной водорастворимой фракции углеводов из биомассы сои после кислотной и щелочной экстракции белковых веществ [Текст] / Хоанг Тхи Минь Нгует, Красноштанова A.A. //Сборник статей «Высокие технологии 21-го века». - 2009. - с. 108; 20см. - с.103-104.

6. Хоанг Т.М.Н. Утилизация стоков производства изолята белка сои в кормовой продукт [Текст] / Хоанг Т.М.Н., Красноштанова А.А // Журнал «Химическая промышленность сегодня» ». - 2009, № 7. - с. 56 - 600 экз - с.18-23. ISSN 0023 110Х.

Заказ № 296. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО «Петроруш». г.Москва, ул.Палиха 2а.тел.250-92-06 www.postator.ru

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Хоанг Тхи Минь Нгует

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА Т. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Источники получения растительных белков.

1.2. Применение сои в народном хозяйстве.

1.3. Характеристика и биологические свойства сои.

1.4. Основные технологические приемы получения белковых препаратов на основе сои.

1.4.1. Способы получения белковых изолятов.

1.4.2. Способы получения белковых концентратов.

1.4.3. Технологии переработки обезжиренной соевой муки.

1.4.4. Получение углеводов на основе сои.

1.5. Общие вопросы и проблемы очистка сточных вод от белковых веществ. Методы, применяемые для очистки сточных вод.

1.5.1. Общие вопросы и проблемы очистка сточных вод от белковых веществ в пищевой и соеперерабатывающей промышленности.

1.5.2. Методы, применяемые для очистки сточных вод пищевой промышленности.

1.5.2.1. Флотация.

1.5.2.2. Мембранные процессы.

1.5.2.3. Ионообменные процессы.

1.5.2.4. Адсорбционные процессы

1.5.2.5. Биологические методы очистки.

1.5.3. Современные способы извлечения белковых веществ из сточных вод, применяемые в промышленности.

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Объекты исследования.

2.2. Реагенты

2.3. Методы анализа.

2.3.1. Количественное определение азотосодержающих веществ в белковых растворах.

2.3.2. Определение влажности сухой биомассы.

2.3.3 Метод определения общего содержания углеводов в фенол-серной реакции (метод Дюбуа).

2.3.4. Определение доли растворимого белка в белковых препаратах (NSI)

2.3.5. Определение эмульсионных свойств. Жироэмульгирующая способность

ЖЭС).

2.3.6 Определение жироудерживающей способности (ЖУС).

2.4. Методы исследования.

2.4.1. Методика проведения экстракции белковых веществ из белого лепестка сои.

2.4.2. Методика проведения процесса ультрафильтрации на ячейках с промышленными ультрафильтрами.

2.4.3. Методика проведения осаждения белковых веществ из водных и водно-спиртовых растворов.

2.4.4. Методика проведения процесса молекулярно-ситовой хроматографии.

2.4.5. Методика процесса осаждения белкового изолята в ИЭТ.

2.4.6. Методика определения токсичности с применением тест-культуры инфузорий Tetrahymena pyriformis.

2.4.7. Методика выделения углеводов методом ионного обмена.

2.4.8. Метод определения содержания углеводов тонкослойной хроматографией на силикагеле.

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Разработка технологии получения белковых изолятов из белого лепестка сои.!.

3.1.1. Исследование количественных закономерностей процесса экстракции белковых веществ.

3.1.2. Исследование процесса ультраконцентрирования белкового экстракта.

3.1.3. Исследование процесса осаждения белкового изолята в ИЭТ.

3.1.4. Выбор оптимальной схемы очистки белкового изолята.

3.1.5. Анализ полученных белковых изолятов на острую токсичность, ЖУС и ЖЭС.

3.2. Разработка путей утилизации стоков производства белкового изолята.

3.3. Исследование процесса получения углеводов из депротеинизированного белого лепестка сои.

3.3.1.Исследование процесса ферментативного гидролиза депротеинизированного белого лепестка.

3.3.2.Исследование процесса осаждения стахиозы.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Исследование процесса получения продуктов белковой и углеводной природы из белого лепестка сои"

В настоящее время одной из наиболее актуальных проблем является продовольственная. Важнейшим из компонентов питания, составляющих основу процессов жизнедеятельности человека, является белок. Увеличение спроса на белки для питания человека происходит в соответствии с общей концепцией повышения уровня жизни. По данным ВОЗ более 60 % человечества питается неудовлетворительно, не получая, в частности, достаточного количества белка.

Одним из перспективных источников белка является растительное сырьё, прежде всего злаковые, масличные, бобовые культуры, биомасса зеленых растений, а также соевые бобы, аминокислотный состав белка которых наиболее близок к животному белку. Благодаря уникальному составу, (около 40 % протеинов и 20 % жира), оптимальному соотношению аминокислот, содержанию витаминов,'микро- и макроэлементов, полиненасыщенных жирных кислот и отсутствию холестерина продукты на основе сои являются лечебно-профилактическими [12].

Для их получения чаще всего используется белый лепесток — полупродукт, получаемый после отжима соевого масла. Известные из литературы технологии переработки сои предполагают получение главным образом белковых концентратов и изолятов.

Однако в первом случае получаемый продукт содержит низкомолекулярные пептиды, что ухудшает его качество, а во — втором образуется значительное количество отходов, которые не могут быть непосредственно утилизированы на традиционных очистных сооружениях.

Анализ мировой практики использования соевых бобов показывает, что имеется несколько крупных секторов их потребления: производство растительного масла, кормов, белковых продуктов питания. Кроме того, соевые белковые концентраты и изоляты могут использоваться в качестве ингредиентов в производстве традиционных белковых продуктов питания [48].

Помимо белковых веществ, соевые бобы содержат углеводы, такие как глюкоза - 0,01%, фруктоза (моно-) - 0,55%, сахароза (ди-) - 5,1%,- раффиноза (три-) - 1,58%), стахиоза (тетра-) - 3,0%, а также полисахариды (крахмал и др.) и нерастворимые структурные полисахариды (гемицеллюлозы, пектиновые вещества) - 14,1% [30]. Среди перечисленных углеводов раффиноза и стахиоза представляют наибольший практический интерес, поскольку используются в спортивном питании, а также в качестве заменителей сахара в диабетическом питании [12].

Целью настоящей работы явилась разработка основ технологии получения веществ белковой и углеводной природы из белого лепестка сои.

В задачи работы входило;

2) установить оптимальные условия обработки белого лепестка различными экстрагентами, что обеспечило бы максимальный выход ВМФ белка; подобрать 7 оптимальные условия выделения и очистки белкового изолята методами осаждения из водных и водно-спиртовых растворов, а также диафильтрации, что обеспечило бы получение препарата пищевого назначения;

4) разработать основы технологии получения раффинозы и стахиозы из депротеинизированного белого лепестка;

5) провести ориентировочные технико-экономические расчеты для разработанной технологии.

Практическая значимость. Разработана принципиальная схема комплексной переработки белого лепестка сои с получением продуктов белковой и углеводной природы: белкового изолята сои, белкового продукта кормового назначения, раффинозы и стахиозы. В результате выход изолята белка, содержащего не менее 90 % основного вещества, составляет более 90 % от содержания сырого протеина в. БЛ, кормового белкового продукта, содержащего 30 % белка, с выходом 10 % от содержания сырого протеина в БЛ, стахиозы и раффинозы, содержащих не менее 90 % основного вещества, с выходом соответственно 63 % и 51 % от их содержания в БЛ. 8

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методик проведения экспериментов и анализов, 3-х глав экспериментальной части, включающей описание результатов и их обсуждение, выводов, списка литературы, приложений. Работа изложена на 150 стр. и содержит 36 рисунков, 48 таблиц. Библиография включает 111 наименований работ, из них 33 иностранных источников.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Хоанг Тхи Минь Нгует

ВЫВОДЫ:

1. Разработана принципиальная схема получения изолята белка сои из белого лепестка, основанная на применении технологических стадий экстракции, осаждения, ультрафильтрации.

2. Подобраны оптимальны условия экстракции белковых веществ из БЛ в условиях кислой и щелочной экстракции: рН 2 и рН 10, температура 20 °С. При этом выход изолята белка составляет не менее 85 % от его содержании в сырье.

3. Подобраны условия ультрафильтрации и осаждения, обеспечивающие получение изолята белка пищевого назначения, содержащего белки с молекулярными массами более 50 кДа с выходом 21 % от содержания белка в сырье.

4. Предложены пути утилизации стоков, образующих при выделении белка за счет организации диафильтрации, а также сорбции белковых веществ на монофосфате кальция, что позволило дополнительно получить кормовой белковый продукт с выходом не менее 95 % и содержанием сырого протеина 30 %.

5. Проведен анализ полученных белковых изолятов по основным показателям, характеризующим белковые препараты пищевого назначения: острую токсичность, ЖУС, ЖЭС, NSI. Установлено, что все полученные в работе изоляты соответствуют нормативным требованием по этим показателям.

6. Предложена принципиальная схема утилизации образующегося твердого отхода — обработанного белого лепестка с получением в качестве попутной продукции олигосахаридов — раффинозы и стахиозы с выходом 0,8 % и 1,9 % от массы исходного белого лепестка (соответствуют 51 % и 63 % от их содержания в белом лепестке).

7. Проведен технико-экономический расчет разработанной технологии. Себестоимость изолята не превышает 13 руб/кг, что в 7 — 8 раз ниже себестоимости отечестственных и зарубежных аналогов.

8. Проведена эколого-экономическая оценка разработанной технологии. Показано, что предотвращенный эколого-экологический ущерб составляет 2,8 млн. руб/ год.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Хоанг Тхи Минь Нгует, Москва

1. Пащенко, JL П. Рациональное использование растительного белоксодержащего сырья в технологии хлеба Текст. / JL П. Пащенко, И. М. Жаркова. Воронеж: ФГУП ИПФ «Воронеж», 2003. - 239 с.

2. Чичева Филатова JI.B. Роль сои в производстве белоксодержащих продуктов Текст. / JI.B. Чичева - Филатова. - Монография. М., Пищепромиздат, 2004. - 101 с.

3. Киреева В.В. Фракционирование клеточного сока люцерны с получением кормовых и пищевых белковых концентратов Текст. / В.В. Киреева. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. — М., 1994.

4. ВАСХНИЛ ВНИИТЭИагропром. Пищевая промышленность. Серия 14. Обзоры по информационному обеспечению общесоюзных научно-технических программ. Обзорная информация выпуск 5 «Использование растительных белков в пищевой промышленности». — М., 1990.

5. Телишевская Л.Я. Белковые гидролизаты. Получение, состав, применение. Монография Текст. / Л.Я. Телишевская М., 2000. - 295 с.

6. Кудряшова О.А., Танаева Е.В. «ИПСО МРд» - уникальные свойства соевого белка Текст. / О. А Кудряшова, Е. В. Танаева // Журнал «Пищевые ингредиенты: сырье и добавки». - 2001. - № 2. - с. 64-65.

7. Пат. 2003105233 Российская Федерация, МПК7 C12N15/56. Способы высокотемпературного гидролиза галактозосодержащих олигосахаридов в комплексных смесях Текст. /Ланахан Майкл Б., Миллер Эдвард С. Мл.,109

8. Келли Роберт М.- № 2003105233/13; заявл. 20.07.2001; опубл. 20.08.2004. -3 с.

9. Большая энциклопедия растений. М.; Изд-во «Олма-Пресс», 2005. -623с. (800 статей и около 1500 иллюстраций).

10. Изучение трипсиновой активности и физико-химических свойств различных белковых фракций сои Текст. //КР ВЦП. № КМ-85155 -[S.I.i.s.n] , S. а. - 11с.

11. Шамин А.Н. История химии белка Текст. / А.Н. Шамин.- 2-е изд. Серия "Из наследия А.Н.Шамина". М.: Изд-во КомКнига, 2006. — 352 с.

12. Бегеулов М.Ш. Основы переработки семян сои : учеб. пособие для студ., обуч. по спец. 311200 "Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции" Текст. / М. Ш. Бегеулов. М.: ДеЛи Принт, 2006.- 181 с.

13. Баранов В.Ф., Лебедовский А.И. Селекция, семеноводство и технология возделывания технических культур Текст. / В.Ф. Баранов, А.И. Лебедовский. М., 1980.

14. Гальченко И.Н.- В сб.: Вопросы селекции и агротехники сои.-М., 1953.

15. Иванов А.Ф., Чурзин В.И.,. Филин В.И. Кормопроизводство Текст. / А.Ф. Иванов, В.И. Чурзин, В.И. Филин. М.: Колос, 1996. - 400с.

16. Кальянова Р.Г. Масличные культуры Текст. / Р.Г. Кальянова. 1982. -№2.

17. Мякушко Ю.П., Перестова Т.А. Соя Текст. / Ю.П. Мякушко, Т.А. Перестова. Под ред. Доктор с.-х наук, кандидата с.-х. наук В.Ф. Баранов. М.: Колос, 1984.-332 с.

18. Новак А.Г., Возделывание сои Текст. / А.Г. Новак М.: Россельхозиздат, 1964.-104 с.

19. Поздняков В.Г. Экономические и технологические аспекты производства сои Текст. / В.Г. Поздняков. М.: 1990. - 554с.

20. Растениеводство Центрально-Черноземного региона Текст. // Под ред. В. А. Федотова, В.В. Коломейченко — Воронеж, центр духовного возрождения Черноземного края, 1998. 464 с. (учебник)

21. СигаеваЕ.С., Соя Текст. /Е.С. Сигаева -М.: Колос, 1981. 197с.

22. Соя. Сборник статей Текст. / Под ред. В.Б. Енкена М.: Колос, 1963. -70с.

23. Степанова В.М. Климат и сорт. Соя Текст. / В.М. Степанова — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985. 183 с.

24. Терентьев Ю.В. Масличные культуры Текст. / Ю.В. Терентьев 1981. — №1.

25. Уклеин А.И.-В сб. Текст. / А.И. Уклеин М.: 1963.

26. Щербаков В.Г., Лобанов В.Г. Биохимия и товароведение масличного сырья Текст. / В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов. М.: КолосС - 2003. - 360 с.

27. Толстогузов В.Б., Дианова В.Т., Страшненко Е.С.и др. Текстурированные белки соевых бобов в производстве пищевых концентратов Текст. / журнал «Пищевая и перерабатывающая промышленность» — 1985, №3.

28. Кале Ш., Жудрие П. и др. Растительный белок Текст. / научное издание: Ш. Кале, П. Жудрие, Б. Годон [и др.]; пер. с фр. В. Г. Долгополов; под ред. Т. П. Микулович. — М. : Агропромиздат, 1991. 683, 1. е.: ил.; 21 см.

29. Рязанова О.А., Поздняковский В.М., Шевелева А.А. Продукты специального назначения на основе сои Текст. / О.А. Рязанова, В.М. Поздняковский, А.А. Шевелева //Журнал «Пищевая промышленность», -2002,-№8.-с. 42-44.

30. Нечаев А. П., Траубенберг С. Е., Нечаева А. П., Колпакова В. В., Витол И. С., Кобелева И. Б., Кочеткова А. А. Пищевая химия. Учебник Текст. / СПб.: ГИОРД, 2001.-640 с.

31. Сайт: Википедия — Свободная энциклопедия, http ://ru. wikipedia.org/wiki/%D0%A 1 %D0%BE%D 1 %8F

32. Максанова JI.A. Высокомолекулярные соединения и материалы на их основе, применяемые в пищевой промышленности Текст. / Л.А. Максанова М.: «КолосС», 2005-213с.

33. Гауровиц Ф. Химия и функции белков. Пер. с англ., 2-ой изд Текст. / Ф. Гауровиц-М., 1965.

34. Колотилова А.И., Глушанков Е.П. Витамины. Химия, биохимия и физиологическая роль. Учебное пособие для студентов и аспирантов биохимиков Текст. / А.И. Колотилова, Е.П. Глушанков. — Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1976. 246 с.

35. Коэн Ф. Регуляция ферментативной активности Текст. / Ф. Коэн. пер. с англ. М.: Мир, 1986. -144 с.

36. Сайт электронного журнала «MEGA-ATLET»: http://mega-atlet.ru/pages/art?70

37. Сайт электронного журнала «Питание»: http://www.healthy-food.ru/squirreJ.htm

38. Щербаков В. Удивительная соя Текст. /Журнал «100% здоровья». -2002. -№19-20.

39. Губанов Я. В. Технические культуры Текст. / Я. В. Губанов. М.: Агропромиздат, 1986. - с. 97 -109.

40. Сайт ООО «ВитаРос»: http://vitaros.ru/pitanie

41. Kolar С. W., Richert S.H., Decker C.D., Steinke F.H., Vander Zanden Ff.J. New Protein Foods Text. / edited by A.M. Altschul and H.L. Wilcke, Academic Press, New York. 1985. - vol.5

42. GuntherR.C., J.Amer. Oil Chem.Soc Text. / 1979. p. 56.

43. Максанова JI.A. Высокомолекулярные соединения и материалы на их основе, применяемые в пищевой промышленности Текст. / Л.А. Максанова. -М.: «КолосС», 2005.-213с.

44. Бутова С.Н. Теоретические основы биотехнологии. Биохимические основы синтеза биологически активных веществ Текст. / Бутова С.Н., Типисева И.А., Эль-Регистан Г.И. Под общей редакцией И.М. Грачевой. М.: Элевар, 2003. - 554 с.

45. Адамсон А.У. Физическая химия поверхностей Text. / А. У. Адамсон. Пер. с англ. М.: Мир, 1979. - 568 с.

46. Доморощенкова М. JI. Современные технологии получения пищевых белков из соевого шрота Text. / Журнал «Пищевая промышленность», 2001. №4.- с. 6-10.

47. Кульский JI.A. Водоподготовка и очистка промышленных стоков: сборник по новым технологиям Text. /1978.

48. Экологическая технология и очистка промышленных выбросов Текст./ Межвуз. сборник научных трактатов, 1979.

49. Практикум по биохимии Текст.: учеб. Пособие/Под ред. С.Е. Северина, Г.А. Соловьёвой.- 2-е изд., перераб. И доп.-М.: Изд-во МГУ, 1989.- 509с.: ил.; 30 см. -ISBN 5-211-00406-Х.

50. Шевченко М.А. Органические вещества в природной воде и методы их удаления Текст./ М.А. Шевченко Киев: Наукова думка, 1996. - 203 с.

51. Кировская И.А. Адсорбционные процессы: учебное пособие для Вузов Текст./ И.А. Кировская — М., 1995.

52. Брек Д. Цеолитные молекулярные сита Текст./ Д. Брек. М.: Мир, 1976. — 781 с.

53. Мирский Л.В. Пирожков.В.В. Адсорбенты, их получение, свойства и их применение Текст./ Л.В. Мирский, В.В. Пирожков Л.: Наука, 1971. —266 с.

54. Молоканов Д. А. Очистка сточных вод Текст.: комплексное решение / ДА. Молоканов, А.В. Молчан // Журнал «Экология производства». 2005. -№9.-с. 38-41.

55. Технология очистки сточных вод предприятий пищевой промышленности Текст./Журнал «Пищевая промышленность», 2005. -№5.

56. Молоканов Д.А., Молчан А.В, Хайруллин Р.С. Очистка сточных вод: системы флоккуляции и флотации Текст./ Д.А.Молоканов А.В. Молчан Р.С. Хайруллин. Журнал «Экология производства», 2006- №3.

57. Joan M., Thomas M.S., Susan Flutz. Soy Protein Lowers Fat and Saturated Fat in School Lunch Beef and Pork Entrees Text. / Journal of the American Dietetic Association, Volume 101, Issue 4, April 2001. Pages 461-463.

58. Scott Hegenbart. Push for High Protein Text./ Journal Food Product design, September 2001. http://www.foodproductdesign.com/articles/2001/09/push-for-high-protein. aspx

59. Гразби Алан. Изофлавоны ключ к здоровью Текст./ Journal Food Product design// Ежемесячный обзор исследовательского центра компании АДМ за март 2002г. Том 9, № 3, март 2002 года. http://technomol.ru/publish/browses/2002/march.php

60. Гразби Алан. Соевые ингредиенты Текст./ Journal Food Product design// Ежемесячный обзор исследовательского центра компании АДМ за апрель 2002г. Том 9, № 4, апрель 2002 года, http ://technomol .ru/publ ish/bro wses/2002/aprel.php

61. Гразби Алан. Новая жизнь соевых концентратовТекст./ Journal Wellness FoodsZ/Ежемесячный обзор исследовательского центра компании АДМ за январь 2003 г.Том 10, № 1, январь 2003 года. http://technomol.rU/publish/browses/2003/01 .php

62. Гразби Алан. Соевый боб источник железа Текст./ Journal Nutraingredients.com// Ежемесячный обзор исследовательского центра компании АДМ за январь 2003 г.Том 10, № 1, январь 2003 года. http://technomol.ru/publish/browses/2003/01 .php

63. Гразби Алан. Соевая альтернатива гормонной терапии Текст./ Journal PREPARED FOODS// Ежемесячный обзор исследовательского центра компании АДМ за июльч2002г. Том 9, № 7, июль 2002 года.

64. Гразби Алан. Соя и здоровье Текст./ Journal FOODSERVICE DIRECTOR// Ежемесячный обзор исследовательского центра компании АДМ за апрель 2003 г. Том 10, № 4, апрель 2003 года. http://technomol.ru/publish/browses/2003/04.php

65. Мулдер, М. Введение в мембранную технологию Текст. :/М. Мулдер; перевод с англ. Канд. Хим. Наук А.Ю. Алентьева, канн.хим. Наук Г.П. Ямпольской. -М: Мир, 1999.- 513с.:ил.;22см.-3000 экз.-ISBN 5-03-003114-6.

66. Зеленов Г. Соя- пищевой продукт и лекарство Текст./ Сайт ООО "AJIMA Трейд": http://almatrade.ru/2006/05/ishoadnanovaz.php

67. Рыкунова И.П. Разработка технологии диетических кисломолочных напитков с использованием продуктов переработки сои Текст./. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб, 1991.

68. Сайт: http://\vww.gurmania.ru/s.php/1583.htm

69. Сайт «Большая Советская Энциклопедия»: http://bse.scilib.com/article064717.html

70. ААСС Method 46-24, Protein Dispersibility Index, rev. October 26, 1994. Approved Methods of the American Association of Cereal Chemists, 9th ed. The Association, St. Paul, MN, 1995.

71. AACC Method 46-23, Nitrogen Solubility Index, rev. Octobcr 26, 1994. Approved Methods of the American Association of Cereal Chemists, 9th ed. The Association, St. Paul, MN, 1995.

72. Муха В.Д., Оксененко И.А. Экологически чистая технология возделывания сои Текст./ В.Д. Муха, И.А. Оксененко. — Курск: Изд-во КГСХА, 2001.-47с.

73. Сайт ЗАО НТЦ «Владипор»: http ://www.vl adipor.ru/catalog/ show/&cid=003&id=2

74. Гразби Алан. Популярность соевого молока в США растет Текст./ Journal PR NEWSWIRE//Eжeмecячный обзор исследовательского центра компании

75. АДМ за январь 2002г. Том 9, № 1, январь 2002 года. http://technomol.ru/publish/browses/2002/january.php

76. Бобрик Петр. Соя и соевый комплект Текст./ Журнал "Валютный Спекулянт" Commodities, 9(11) сентябрь 2000. с. 72-76 ftp://ftp.spekulant.ni/.hidden/spekulant/pdf/vs 11 сЗ a7b8e642a5b7cbc7876ce61 d8 06128.pdf

77. Тильба В. А. Перспективы производства и использования отечественного соевого сырья Текст./ Перспективы производства и переработки сои в Амурской области. Материалы научно-практической конференции. — Благовещенск, 1998. с. 14-19.

78. Колобов С.В. Потребительские свойства мясных копченостей из говядины с соевым изолятом Текст./ Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Москва, 2002.

79. Дэйвид Р. Эриксон. Практическое руководство по переработке и использованию сои Текст./. Перевод с англ. под ред. Доморощенковой M.JI. М.: изд-во «Макцентр», 2002. - 672 с.

80. Ковалев А.И. Научные принципы использования соевых белковых концентратов в технологии эмульгированных мясных продуктов Текст./ Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Москва, 2001.

81. Черезова М.Е. Исследование в области совершенствования технологии производства изолятов пищевых соевых белков Текст./ Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Санкт- Петербург, 1993г.

82. Фуголь О.А. Разработка технологии получения и применения соевых ферментативных гидролизатов. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 1997 г.

83. Сайт спортивного магазина ЗУФитнес:http:// www. s v fi tnes.m/stat/?act=sho wotherk&numotherk=89

84. Пат. 2081618 (13) CI Российская Федерация МПК6 A23L1/20. Способ получения белкового продукта из сои Текст. / Бикбов Т.М., Попова И.М., Богомолов А.А.; патентообладатель Бикбов Тахир Мухаммедович № 95118421/13; заявл. 04.11.1995; опубл. 20.06.1997.

85. Пат. 2006128711 (13) А Российская Федерация МПК A23L1/30,

86. Пат. 97119239 (13) А Российская Федерация МПК 6 А23 J1/14. Способ получения белка из растительного сырья Текст. / Коновалов И., Офицеров

87. Е.Н., Соснина Н.А., Шекуров.Н., Миронов В.Ф., Карлин В.В, Лапин А.А., Минзанова С.Т., Карасева А.Н., Бережной А.Н., Мутрисков А.Я. № 97119239/13; заявл. 18.11.1997; опубл. 10.08.1999.

88. Скоупс, Р. Методы очистки белков Текст./ Р. Скоупс; перевод с англ. проф. В.К. Антонова.- М.: Мир, 1985.-358с.: ил.; 22см.- Библиогр. С. 343-352.-4500экз.

89. Остерман, Л.А. Хроматография белков и нуклеиновых кислот Текст., Л.А. Остерман.-М. :Наука, 1985.-536с.: ил.; 22см.- 8500экз.

90. Worthington Enzyme Manual Text.:. Methods in Enzymology/ Worthington Biochemical Corporation Freehold.- New Jersey, 1965.- 176p. -29 cm.

91. И.Б. Шакир, А.А. Красноштанова, Е.В. Парфенова. Общая билтехнология: лабораторный практикум. РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 2001. 68с.

92. Методические указания по выполнению экономической части дипломного проекта (работы) для студентов химико- технологических специальностей издательство РХТУ,- М: 1995г.-120с.

Информация о работе

Хоанг Тхи Минь Нгует
кандидата технических наук
Москва, 2009
ВАК 03.00.23

Диссертация

Исследование процесса получения продуктов белковой и углеводной природы из белого лепестка сои - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы