Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка технологии получения белковых препаратов из растительного сырья с применением ферментативных и мембранных процессов

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии получения белковых препаратов из растительного сырья с применением ферментативных и мембранных процессов"

Шишков Василий Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ ПРЕПАРАТОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ И МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 03.00.23 - биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2007 ООЗ 174445

003174445

Шишков Василий Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ ПРЕПАРАТОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ И МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 03.00.23 - биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2007

Работа выполнена в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии» Россельхозакадемии

Научный руководитель академик Россельхозакадемии,

Поляков Виктор Антонович

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор

Воробьева Галина Ивановна

кандидат технических наук Оверченко Марина Борисовна

Ведущая организация Московский государственный университет

прикладной биотехнологии (МГУПБ)

Защита состоится 02 ноября 2007 года в 10°° на заседании диссертационного совета по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук Д 006 069 01 во Всероссийском научно-исследовательском и технологическом институте биологической промышленности Россельхозакадемии по адресу 141142, Московская область, Щелковский район, п/о Кашинцево, лос Биокомбината, ВНИТИБП

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИТИБП

Автореферат разослан «01» октября 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

ЮД Фролов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы.

Возрастающий в мире дефицит белка для обеспечения питания человека ставит проблему поиска новых и нетрадиционных источников пищевых белков Производство зысокопитательных пищевых белковых продуктов (мясных, молочных, зерновых) с добавкой протеиновых ингредиентов должно быть экономичным и эффективным. При этом необходимо повышать безотходность технологий, учитывать требования снижения энергоемкости и защиты окружающей среды

Создание промышленных технологий производства концентрированных белковых продуктов из растительного сырья является одним из основных направлений увеличения ресурсов продовольствия и кормов, улучшения качества питания населения и повышения питательной и биологической ценности пищевых и кормовых продуктов. Обострение дефицитности рациона питания населения России, особенно по животным белкам обуславливает необходимость быстрого развития производства растительных белков и продуктов питания на их основе.

В соответствии с межотраслевой программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по научному обеспечению производства растительных, концентрированных пищевых и кормовых продуктов на их основе в Российской Федерации на 2004...2006г.г. «Белок», поставлена задача увеличения производства белков пищевого достоинства для улучшения питания населения на базе отечественных сырьевых ресурсов. Концепция программы ориентирована на более полное использование источников белка, разработку и внедрение современных технологий его переработки В решении этой проблемы большая роль отводится использованию протеинов масличных культур, в основном изолированных протеинов Преимуществами промышленной переработки сои являются наибольший выход белка с одного гиктара посевов, высокое содержание белка в семенах и высокое качество получаемого продукта

В этой связи создание эффективных и экономичных технологий производства изолята соевого белка для производства и обогащения продуктов питания является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение

Цель и задачи исследований.

Целью исследований является разработка технологии получения изолята соевого белка из обезжиренной соевой муки с использованием ферментативного гидролиза и мембранных процессов

В соответствии с выбранной целью поставлены следующие задачи- изучение влияния технологических факторов на выход белковых веществ,

- разработка условий гидролиза соевой обезжиренной муки ферментными препаратами целлюлолитического и гемицеллюлазного действия

- разработка условий мембранной обработки раствора соевого белка с целью его концентрирования и очистки

- разработка аппаратурно-технологической схемы получения изолятов соевого белка, '

Научная новизна работы.

Впервые были теоретически и экспериментально обоснованы оптимальные технологические режимы получения соевого белкового изолята с использованием ферментного препарата целлюлолитического и гемицеллюлазного действия и мембранных процессов

- установлены зависимости, характеризующие влияние ряда факторов (степени разведения, температуры и длительности экстракции) на накопление белков в процессе экстракции, обоснованы условия экстракции при получении жидких концентратов с высоким содержанием растворенного белка

- впервые установлено влияние ферментов ксиланазного действия на экстрактивность белков соевой обезжиренной муки Показано, что применение ферментативного гидролиза позволяет повысить выход белковых веществ на 20%

- изучены параметры процесса концентрирования раствора соевого белка, получена математическая модель изменения содержания сухих веществ, белка, углеводов, вязкости и плотности белкового раствора в зависимости от степени концентрирования Установлены оптимальные параметры концентрирования

- разработан новый способ эффективной очистки и повышения питательной ценности растворов соевого белка методом диафильтрации

Практическая значимость

- разработан способ получения изолятов соевого белка с применением ферментативного гидролиза и мембранных процессов, обеспечивающий повышенный выход белков и исключающий кислотную каогуляцию

доказана эффективность применения ферментных препаратов целлюлолитического и гемицеллюлазного действия для повышения выхода белков при экстракции соевой муки

разработана технологическая схема ультраконцентрирования и диафильтрационной очистки раствора соевого белка

- разработана аппаратурно-технологическая схема получения изолятов соевого белка

- установлен») влияние способа и условий сушки жидкого белкового концентрата на состав и свойства сухого продукта

- разработана нормативная документация на технологический процесс и получаемую продукцию (ТУ, Тй)

- проведены производственные испытания по применению полученного изолята соевого белка при производстве продуктов питания

Апробация работы

Основные результаты работы представлены на XII Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы создания продуктов здорового питания Наука и технология» (Углич, 2006), IV Международной конференции-выставке «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации» (Москва, 2006)

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка литературы, включающего 162 наименования и приложений Основное содержание диссертации изложено на страницах

машинописного текста, содержит рисунков и таблиц Основные этапы исследований представлены на рис I

Рис 1 Основные этапы исследований

Основные положения выносимые на защиту.

- Математическая зависимость процесса выхода растворимых белковых веществ в экстрагент из обезжиренной соевой муки

- Теоретическое и экспериментальное обоснование применения ферментативного гидролиза при экстракции белковых веществ

- Разработка условий проведения ферментной обработки соевой обезжиренной муки

- Обоснование процесса и разработка условий мембранного концентрирования и диафильтрационной очистки раствора соевого белка

- Математическая модель зависимости вязкости раствора соевого белка от температуры и концентрации

- Разработка технологии получения изолята соевого белка с применением биокатализа и мембранных процессов

Экспериментальная часть Материалы и методы исследований

Исследования проводили в лабораторных и опытно-экспериментальных условиях на базе отдела мембранной технологии и отдела оборудования и механизации процессов пищевой биотехнологии ГНУ ВНИИПБТ, ЗАО «Сервис-Холод»

Объектом исследований служила обезжиренная соевая мука производства маслоэкстракционного завода Кропоткинский ПО "Краснодармасложирагропром" ГОСТ 3898 и раствор соевого белка, полученный из нее методом экстракции В работе применялся ферментный препарат йС 220 (СТП 0479403-14-93) и мембраны УПМ-10, УПМ-20, УПМ-50, УПМ-100 серийно выпускаемые НПО «Владипор» (г Владимир)

Определение белка осуществляли методом Къельдаля, содержание растворимого белка определяли по методу Лоури.

Определение общего сахара осуществляли бихроматным методом, который основан на окислении общего сахара бихроматом калия нв сильнокислой среде Редуцирующие сахара определяли антроновым методом Содержание клетчатки (целлюлозы) определяли методом Кюшнера и Ганека, основанному на окислении, разрушении и растворении различных химических соединений, входящих в состав объекта, смесью азотной и уксусной кислот

Определение общего количества гемицеллюлоз осуществляли методом, основанным на гидролизе гемицеллюлоз до Сахаров, общее количество которых оценивали по методу Бертрана

Содержание жира определяли ускоренным экстракционновесовым методом поГОСТ 15113 9-77

Определение влажности проводили по методу Карл Фишера и методом высушивания до постоянной массы

Активность ксиланазы определяли методом, основанным на определении количества редуцирующих Сахаров, образовавшихся в результате ферментативного гидролиза ксилана За единицу активности принято такое количество фермента, при действии которого на субстрате за 1 час в условиях опыта образуется 1 мг редуцирующих углеводов в пересчете на ксилозу

Целлюлолитическую активность определяли по методу, основанному на определении количества глюкозы, образующейся при гидролизе 1% раствора Ыа-КМЦ ферментным препаратом. Количество редуцирующих веществ (в пересчете на глюкозу) определяли гексацианоферратным методом За единицу активности принимают такое количество фермента, которое способно образовывать 1 мг глюкозы за I час при температуре +50°С рН=5,0 из 1%-го раствора Ыа-КМЦ Величину рН в растворах определяли с помощью иономера И-120 1

Результаты исследований и их обсуждение 1. Исследование влияния условий экстракции на накопление белковых веществ в растворе.

В основе технологии производства концентрированных белковых продуктов растительного происхождения лежит извлечение белков из растительного сырья, или продуктов его переработки Первой стадией получения изолятов и концентратов соевого белка является экстракция белка из обезжиренной соевой муки, после чего следует очистка белков, их концентрирование и сушка Процесс экстракции представляет собой извлечение растворимых белков из частиц соевой муки Процесс растворения белков в воде происходит в результате взаимодействия молекулы белка с молекулой воды При соединении белковых продуктов с водой она проникает между молекулами белка, раздвигает цепи макромолекул и присоединяется к гидрофильным группам на поверхности белковой молекулы, что сопровождается увеличением объема белка с последующим отделением цепей белковых молекул друг от друга Движущей силой процесса экстракции жидкостью из твердых материалов является разность между концентрацией растворяющегося вещества у поверхности твердого тела и его средней концентрацией в основной массе раствора На процесс экстракции оказывают непосредственное влияние целый ряд условий размер частиц, развитость их поверхности, температура, свойства растворителя, наложенные силовые поля Но в рассматриваемом процессе - экстракции соевого белка из соевой муки - многие из этих показателей ограничены технологическими условиями, что не позволяет широко их варьировать Основная цель данной части работы - обосновать целесообразную схему

промышленной экстракции соевого белка из обезжиренной соевой муки, основываясь на ряде публикаций и собственных исследованиях

Растворимость белков сои в воде зависит от значений рН и температуры Эффективность экстракции зависит от продолжительности экстракции, соотношения субстрата и экстрагента и увеличивается по мере увеличения гидромодуля Для проведения исследований был выбран гидромодуль 1 18 на основании достаточно высокой степени извлечения белковых веществ Кроме того, как показали последующие исследования, экстракт полученный при этом соотношении, позволяет добиться конечного продукта требуемой степени чистоты (белок 90 % а с в.) уже после первого концентрирования на мембране УПМ-50, что существенно упрощает технологическую схему

На первом этапе работы были проведены эксперименты по изучению влияния температуры и продолжительности экстракции на накопление растворимых белковых веществ в растворе

В ходе проведенных экспериментов была установлена динамика накопления белковых веществ в растворе при экстракции обезжиренной соевой муки и ее зависимость от температуры процесса

На рисунке 1 цифрами 1,2,3 и 4 соответсвенно обозначены процессы экстрагирования при температуре 60,50,40 и 25 °С. Как видно из полученных данных, количество белков, перешедшее в раствор в первые 2-5 минут процесса относительно мало зависит от температуры По всей вероятности, это обусловлено тем, что в первую очередь, беспрепятственно растворяются молекулы белка, находящиеся на поверхности частиц муки, и лишь при растворении белка из глубины частиц процесс проявляет температурную зависимость Как видно из графиков, низкую температуру можно компенсировать продолжителльностью процесса, и достичь той же концентрации белка, но при большем времени экстракции Это согласуется с представлениями о температурной зависимости растворимости соевых белков и характеризует лишь зависимость скорости извлечения белка из муки от температуры

Рис 1. Динамика накопления растворимых белков в экстракте в зависимости от температуры процесса. (1) - 60°С, (2) - 50°С, (3) - 40°С, (4) - 25°С.

Экспериментально установленную зависимость концентрации соевого белка в растворе от длительности экстракции, температуры и разведения можно описать эмпирическим уравнением 1.1.

__* .1 т»

~ 2040 7~ . — 0 -1)

2,2

+ 0,82 Р Т

* л

Где С - концентрация растворимых белков (мг/мл) г - температура, градусы Цельсия Тмин - время, минуты

Р - разведение, соотношение соевой муки и воды (г/мл; кг/л)

Формула имеет некоторые пределы применения: по времени не менее 20 минут, по температуре от 20 до 80 градусов, разведение в интервале от 1:8 до 1:30.

Эти пределы обусловлены как свойствами соевых белков так и условиями протекания процесса экстракции

Таким образом, в результате проведенных исследований показана динамика накопления белков в экстракте, ее зависимость от условий процесса и создан математический аппарат для расчета этого показателя В итоге, для дальнейших исследований были определены оптимальные параметры водной экстракции растворимых белков из соевой муки - температура 40 - 60°С, гидромодуль 1 18, продолжительность процесса 60 минут

2. Исследование влияния ферментативного гидролиза биополимеров соевой муки на степень экстракции соевого белка

Известно, что соевая обезжиренная мука содержит значительное количество некрахмалистых полисахаридов, так в ее составе присутствуют 6,5% гемицеллюлозы и 3,0% клетчатки Извесгно, что белок находится в теснейшей связи с другими компонентами, в частности с гемицеллюлозой и клетчаткой Развитость структуры и поверхностные межмолекулярные взаимодействия и являются факторами физически препятствующими экстракции водорастворимых белков из глубины частицы в раствор

Далее мы сделали предположение подтвердившееся на практике, что применение ферментного препарата целлюлолитического и гемицеллюлазного действия, позволит увеличить степень извлечения белка, так как при гидролитическом расщеплении гемицеллюлоз и клетчатки белок станет более податливым для действия экстрагента Нерастворимую основу каркаса частицы соевой муки составляют вещества целлюлозного и гемицеллюлозного типа, в частности ксиланы Как было подтверждено экспериментально, воздействие ксиланазы на соевую обезжиренную муку позволяет значительно повысить выход белков при экстракции Частичное разрушение гемицеллюлозных цепочек или их переплетений позволяет упростить внутреннюю структуру частицы муки и способствует диффузионному перемещению молекул белка из глубины частицы к поверхности Ферментативный гидролиз, по всей видимости, является эффективным способом повышения производительности и эффективности производства изолятов растительного белка

Для проведения ферментативного гидролиза соевой муки был выбран ферментный препарат (ФП) ОС 220, на основании показателей его целлюлолитической, ксиланазной и (3-глюканазной активности, оптимальных значений рН и температуры его действия.

Так как ФП характеризовался преобладающей ксилалитической активностью, дальнейшие работы по изучению процесса гидролиза соевой обезжиренной муки под действием исследуемого ФП проводили, дозируя его по ксиланазной активности. Результаты исследований представлены на рис. 2-4.

24

Рис. 2. Динамика накопления растворимых белков в экстракте при изменении дозировки фермента

100 120 время, мин

0 -1-Ь

0 20

Дозировка фермента, едКС/г муки

| 20

!

6 7

едКС/г муки

Рис. 3. Зависимость экстрактивности белков соевой обезжиренной муки от дозировки фермента ксиланазного действия

35

30

8.

& 25 +

0 СО

1

I 20

Ф

I

ГО

I 0)

Я 15

10

10

! 1 1

...... Ъ 1 1 -•—4 ед -О-Оед

-1-1

15 20 25

разведение (количество частей воды к одной части муки)

Рис. 4. Зависимость концентрации белка в экстракте от степени разведения при дозировке фермента 4 едКС/г и 0 едКС/г муки Из полученных данных мы сделали следующие выводы:

1) Применение ферментативного гидролиза положительно влияет на экстрактивность растворимых белков из соевой обезжиренной муки.

2) Было установлено, что оптимальная концентрация ферментного препарата соответствует значению 4 едКС/г сырья, дальнейшее увеличение концентрации не отражается на экстрактивносги белковых веществ.

3) Применеие ферментов целлгололитического и гемицеллюлазного действия позволяет повысить выход белковых веществ при экстракции на 21%.

4) Эффективность ферментной обработки не зависит от концентрации субстрата, что позволило в дальнейшем исключить этот параметр из исследований.

На рис. 5 приведены сравнительные результаты ферментной обработки. На диаграмме значения 2, 3, 4, 5, 6 соответствуют концентрациям ферментного препарата 0,5; 1; 2; 4; 6 едКС/'r муки. Значение 1 соответствуют экстракции без применения ферментной обработки. Значение 7 соответствует предельной концентрации белков, которая была бы достигнута при переходе в раствор всех белковых веществ находящихся в соевой муке. Последний столбик диаграммы введен исключительно для наглядного сравнения эффективности ферментной обработки.

i ШИН

и | I | I | I | I | I | I | I | ■ |

0 1 2 3 4 5 6 7 Рис 5. Сравнительная эффективность ферментной обработки

В процессе гидролиза под действием мультиэнзимных композиций, в особенности ферментов целлюлолитического и гемицеллюлазного действия, происходит накопление редуцирующих веществ (легкоусвояемых Сахаров). Причем обогащение продукта сахарами, в данном случае, является не желательным, и потребовало дополнительного исследования.

Нами было проведено дополнительное исследование процесса накопления редуцирующих веществ в экстракте, с целью оценки пригодности метода ферментной экстракции для производства изолятов растительных белков. Основным объектом данного исследования являлась динамика накопления сахаристых веществ и относительное повышение их концентрации. Результаты исследования наглядно представлены на рис. 6-7 и в таблице 1.

Рис 6. Динамика накопления растворимых белков в экстракте в течение 5 часов

-—t

й-- — ■ - - - — 1 1 1 ..... 1 ! i ! -1

-О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

МИН

Рис. 7. Динамика накопления редуцирующих веществ в экстракте под воздействием исследуемого ФП в течение 5 часов

Как видно из приведенных данных, наибольшее накопление растворимого белка имеет место в первые 60-90 минут, и дальнейшее увеличение продолжительности экстракции нецелесообразно Существенное накопление редуцирующих веществ происходит в течение 3-4 часов, что является в данном случае нежелательным и свидетельствует о нецелесообразности столь длительного гидролиза В результате нами было доказано, что продолжительность гидролиза следует ограничить 60 минутами

Общее повышение концентрации сахаристых веществ незначительно и не требует применение дополнительных мер на стадии очистки и концентрирования В таблице 1 приведены сравнительные данные содержания веществ в экстрактах при бесферментной экстракции и экстракции с применением ферментативного гидролиза в течение одного часа

Табл 1

Сравнительные данные по содержанию растворимого белка, РВ и ОРВ в экстракте

Дозировка едКС/гмуки Растворимый белок, мгАил РВ, г/100г фильтрата ОРВ, г/100г фильтрата

Бесферментная обработка 0 17,4 0,54 0,54

Ферментативный гидролиз 4 21,1 0,55 0,55

Как видно из полученных нами данных, применение ферментативного гидролиза повышает выход растворимых белков на 21% и содержание сахаристых веществ менее чем на 2%, и очевидно не оказывает негативного влияния на качественные показатели экстракта, а лишь способствует экстрактивности растворимых белков из обезжиренной соевой муки

Столь низкий уровень накопления редуцирующих веществ объясняется как малым содержанием в соевой муке крахмалистых веществ, так и медленным действием ферментов, катализирующих гидролиз полисахаридов, что в свою очередь обусловлено большим молекулярным весом этих веществ.

В результате проведенных исследований, нами была доказана не только эффективность ферментативного гидролиза на стадии экстракции растворимых белков из растительного сырья, но и возможность применения этого метода для

производства соевых белковых продуктов высокой степени чистоты - изолятов соевого белка

Полученные результаты позволили нам определить оптимальные условия проведения гидролитической экстракции соевой обезжиренной муки ферментным препаратом ксиланазного действия, разведение соевой муки - 1.18, концентрация ферментного препарата - 4 едКС/г муки, температура гидролиза - 45-50°С, продолжительность экстракции - 1час Эти данные были использованы при дальнейшей разработке технологии производства изолятов соевого белка

3. Мембранное концентрирование

Для получения изолята соевого белка (те продукта с содержщего 90% белковых веществ) необходимо выделить белки из раствора, предварительно очистив их от сопутствующих веществ

Мы посчитали целесообразным, применить для очистки и концентрирования белкового раствора метод мембранной ультрафильтрации, основываясь на большой разнице молекулярных масс концентрируемых белков и подлежащих удалению сахаристых веществ Кроме того, применение мембранных процессов является одним из самых энергосберегающих способов концентрирования растворов Введение стадии ультрафильтрации позволило существенно упростить технологическую схему очистки белкового раствора, избежать традиционного кислотного осаждения белков, что отрицательно сказывается на их функциональных свойствах

При исследовании процесса мембранного концентрирования были изучены и математически описаны зависимости вязкости и плотности белкового раствора от степени концентрирования Был экспериментально получен ряд констант, необходимых для применения в расчетах этих величин Полученные результаты позволили теоретически обосновать параметры концентрирования, и практически добиться оптимальных режимов работы ультрафильтрационной установки Ограничение степени концентрирования на уровне 6 раз по объему обусловлено значительным повышением вязкости белкового раствора что приводило к снижению производительности за счет повышения уровня осмотического давления и изменения режима течения ретентата в мембранном канале

Концентрирование осуществляли на опытной ультрафильтрационной

установке проточного типа (рис. 8).

Основные элементы установки:

(1) мембрана

(2) пористая подложка

(3) крышка

(4) корпус

(5) насос

(6) емкость

(7) манометр

(8), (9) отбор проб

Нами были достигнуты высокие показатели эффективности ультрафильтрационной очистки исходного фугата экстракта, как при простом концентрировании так и с последующей диафильтрацией. На приведенных ниже графиках (рис. 9) и в таблице 2 наглядно представлена динамика процесса концентрирования и очистки белкового раствора в процессе ультрафильтрации.

>

Рис. 8.

2 А 1 д \

х к

••

.....- • —

1 I 1- ■

0 1 2 3 4 5 6 7

степень концентрирования (по объему)

—•—СВ% —о—Белок % —■—Углеводы %

Рис 9. Зависимость содержания сухих веществ от степени концентрирования

Таблица 2

Степень концентрирования

по объему побелку по СВ по углеводам

6 5,88 4,2 1,3

Из вышеприведенных данных видно, что увеличение содержания белка происходит более резко, чем сухих веществ, значительную долю которых составляют низкомолекулярные соединения, которые постепенно выводятся с фильтратом Поэтому степень концентрирования по перечисленным веществам различна

В процессе работы нами были проведены исследования по подбору мембран исходя из их производительности и селективной способности Экспериментально полученные данные представлены в таблице 3

Таблица 3

Марка мембраны Производительность Содержание белка в пермеате, % Потери белка с пермеатом, %

УПМ-10 25,5 0,86 2,4

УПМ-20 50 1,89 4,6

УПМ-50 160 3,16 11,8

УПМ-100 340 4,47 18,3

Как видно из приведенных данных, по мере повышения производительности мембраны, повышается процент потерь белка с пермеатом Для дальнейших исследований были выбраны мембраны УПМ-20 и УПМ-50.

Проведенные испытания этих мембран позволили провести сравнительный анализ для концентратов с целью определения доли белка в них и пермеатов с целью выявления общих потерь белка относительно первоначального раствора Результаты, включая производительность мембран представлены в таблице 4

Табл 4

Сравнительный показатель УПМ-20 УПМ-50

содержание белка исходном растворе, % а с в 77 77

содержание белка после 6-кратного концентрирования, % а с в 88,84 90,19

содержание белка после 6-ти кратного концентрирования и диафильтрации, % а с в 90,82 91,11

потери белка с пермеатом после концентрирования, % 4,7 ил

потери белка с пермеатом после диафильтрации, % 1,1 1,4

общие потери белка, % 5,8 12,7

производительность, л/м2*ч 50 160

Из приведенных данных видно, что обе мембраны позволяют получить продукт, соответствующий требованиям к белковым изолятам (тес содержанием белка 90 и более %) Мембрана УПМ-50 позволяет получить такой продукт уже при концентрировании исходного белкового раствора, но имеет высокий процент потерь белка Использование мембраны УПМ-20 требует дополнительной стадии диафильтрации, но значительно (в 2 раза) снижает потери белка Применение диафильтрации для концентрата, полученного на мембране УПМ-50, позволяет получить продукт с повышенным содержанием белка

Разработана технологическая схема мембранной очистки и концентрирования экстракта соевой муки Оптимальные параметры концентрирования составили температура 65-70 °С, давление 0,25-0,30 МПа, степень концентрирований по объему 6 раз; скорость потока в межмембранном канале при концентрировании 2,0 м/с

4. Сушка белковых растворов.

Исследования по сушке белкового раствора проводили на опытной сушильной установке отдела оборудования и механизации процессов пищевой биотехнологии ГНУ ВНИИПБТ Работа проводилась с целью определения оптимального температурного режима сушки По результатам исследований был установлен температурный режим 105°С на входе и 70°С на выходе сушильной камеры

5. Технологическая схема получения изолята соевого белка.

Результаты проведенных исследований позволили разработать технологию включающую в себя следующие основные стадии

• Экстракция растворимых белков соевой муки с применением ферментативного гидролиза

• Сепарирование

• Мембранное ультраконцентрирование и диафильтрация

• Инактивация фермента в процессе мембранного концентрирования

• Сушка полученного белкового раствора

Сравнительная характеристика технологий получения изолята соевого белка существующим методом и разработанным способом биокатализа с последующим __мембранным концентрированием_

Этапы процесса Существующая технология Разработанная технология Достигнутый результат

Экстракция Щелочная экстракция Экстракция с применением ксиланаз Существенное повышение выхода белка при экономии химических реагентов

Отделение раствора белка Сепарирование Без изменений

Концентриро ваиис белка Кислотное осаждение Мембранное концентрирование Исключена стадия кислотного осаждения

Очистка белка Промывка после кислотного осаждения Очистка белка происходит в процессе концентрирования и последующей диафильтраций Сниженте количества сточных вод

Подготовка белка к сушке Щелочное растворение Отсутствует Исключение применения химических реагентов

Сушка Сушка на инертных телах Без изменений

Конечный продукт Изолят соевого белка Изолят соевого белка Улучшение функциональных свойств

Итою Создан технологический процесс, исключающий кислотную каогуляцию белков, приводящую к ухудшению их функциональных свойств, достигнуто существенное снижение количества применяемых химических реагентов и существенно снижено количество промывных и сточных вод

б. Практические предложения

Результаты научных исследований были использованы

- при составлении нормативно-технической документации на производство Изолята белкового соевого повышенной очистки

- при испытаниях по применению соевого белкового препарата полученного по разработанной технологии в условиях производственного предприятия ЗАО «Сервис-холод»

ВЫВОДЫ

• Разработан способ получения изолятов соевого белка из соевой обезжиренной муки с применением ферментативного гидролиза, мембранного концентрирования и распылительной сушки и технологические основы их применения

• Изучена динамика извлечения растворимых белковых веществ из обезжиренной соевой муки Установлена математическая зависимость процесса от температуры, времени и гидромодуля

• Разработан эффективный способ повышения выхода белка при экстракции соевой муки с использованием ферментативного гидролиза некрахмалистых полисахаридов

• Установлены и оптимизировании условия ферментативного гидролиза соевой обезжиренной муки ферментным препаратом GC 220 концентрация муки - 60 мг/мл, концентрация ферментного препарата - 4 едКС/г муки, температура гидролиза - 45°С, pH - 7,0, продолжительность гидролиза -1 час

• Получена математическая зависимость вязкости ультраконцентрата соевого бежа от температуры и концентрации сухих веществ. Для практического использования составлена таблица этих значений Установлены оптимальные технологические параметры концентрирования, исключающие интенсивное осадкообразование на мембране и денатурацию белка

• Установлены оптимальные условия сушки ультраконцентрата соевого белка Проведен сравнительный анализ качества порошков, полученных при различных температурных режимах Получен изолят соевого белка в порошковом виде

• Разработаны и утверждены ТУ и ТИ на производство изолята соевого белка методом ферментативного гидролиза и ультрафильтрации

• Проведены производственные испытания по применению полученного изолята соевого белка при производстве мороженого в условиях ЗАО "Сервис холод" Доказана целесообразность использования изолята соевого белка для замены 50% функциональных добавок

Список работ опубликованных по материалам диссертации:

1 Кудряшов В Л, Шишков В А, Поляков В А Маликова HB Принципиально новая технология производства добавок из сои на основе использования мембранных процессов // труды 7-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Современное хлебопекарное производство, перспективы его развитие», Екатеринбург, 15 февраля 2006 - С 59 - 63.

2 Кудряшов В Л, Шишков В А, Поляков В А Маликова HB Производство изолятов соевого белка с применением мембранных процессов для обогащения продуктов питания // труды XII Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы создания продуктов здорового питания Наука и технология», Углич, 2006 - С 128 - 129

З.Шишков В.А., Римарева Л.В., Поляков В.А, Кудряшов В Л. Применение ферментативного гидролиза при экстракции соевого белка Сборник докладов IV Международной конференции-выставки «Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации», Москва, 2006 - С 278 - 281.

4 Шишков В А, Римарева Л В, Кудряшов В Л, Поляков В А. Экстракция растворимых белков из продуктов переработки соевого зерна с применением ферментативного гидролиза // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007 - №1 -С.19-21

5 Шишков В А., Поляков В.А., Кудряшов ВЛ, Римарева Л В Получение изолятов соевого белка с применением ферментативного гидролиза и мембранных процессов // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2007 - №3 -С 49-52

Отпечатано в ООО "Мещера" г. Щелково, Московская область, Свирская, 8а эак 892, тир. 100 экз.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Шишков, Василий Александрович

Введение.

Обзор литературы.

Глава 1. Соя как сырье пищевой промышленности.

1.1. Применение изолятов и концентратов соевого белка при производстве продуктов питания.

1.2. Химический состав соевого зерна.

1.3. Химический состав соевой обезжиренной муки.

1.4. Традиционная технология получения изолятов и концентратов соевого белка.

1.5. Мембраны в пищевой промышленности.

Глава 2. Объекты и методы исследований.

2.1. Материалы, применявшиеся при проведении исследований.

2.2. Методы исследования экстрактов соевой обезжиренной муки.

2.3. Методы определения активностей ферментных препаратов.

2.4. Методы исследования свойств растворов соевого белка.

2.5. Характеристика ферментных препаратов.

2.6. Описание лабораторной ультрафильтрационной установки.

2.7. Методы математического планирования и обработки экспериментальных данных.

Экспериментальная часть.

Глава 3. Экстракция соевого белка.

3.1. Изучение процесса получения дисперсии соевой муки в воде.

3.2. Влияние параметров процесса экстракции на извлечение белков из обезжиренной соевой муки.

3.3. Влияние ферментативного гидролиза биополимеров соевой муки на степень экстракции соевого белка и разработка условий гидролиза соевой обезжиренной муки ферментными препаратами целлюлолитического действия.

3.4. Изучение процесса гидролиза соевой обезжиренной муки под действием различных концентраций фермента ксиланазного действия.

3.5. Оптимизация условий проведения гидролиза.

3.6. Инактивация фермента.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Разработка технологии получения белковых препаратов из растительного сырья с применением ферментативных и мембранных процессов"

Актуальность темы

Возрастающий в мире дефицит белка для обеспечения питания человека ставит проблему поиска новых и нетрадиционных источников пищевых белков. Производство высокопитательных пищевых белковых продуктов (мясных, молочных, зерновых) с добавкой протеиновых ингредиентов должно быть экономичным и эффективным. При этом необходимо повышать безотходность технологий, учитывать требования снижения энергоемкости процессов и защиты окружающей среды.

Создание промышленных технологий производства концентрированных белковых продуктов из растительного сырья является одним из основных направлений увеличения ресурсов продовольствия и кормов, улучшения качества питания населения и повышения питательной и биологической ценности пищевых и кормовых продуктов. Обострение дефицитности рациона питания населения России, особенно по животным белкам обуславливает необходимость быстрого развития производства растительных белков и продуктов питания на их основе.

Растительный белок является основой жизнедеятельности человека, потребление его в оптимальном соотношении с животным белком обеспечивает нормальное развитие и функционирование человеческого организма. Создание промышленных технологий производства концентрированных белковых продуктов из растительного сырья является одним из основных направлений увеличения ресурсов продовольствия.

В соответствии с межотраслевой программой научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по научному обеспечению производства растительных, концентрированных пищевых и кормовых продуктов на их основе в Российской Федерации на 2004.2006г.г. «Белок», поставлена задача увеличения производства белков пищевого достоинства для улучшения питания населения на базе отечественных сырьевых ресурсов. Концепция программы ориентирована на более полное использование источников белка, разработку и внедрение современных технологий его переработки. Одним из приоритетных направлений программы является разработка технологий получения белковых и белково-углеводных композитов с заданными характеристиками и сохранением фитохимического потенциала сырья. Внедрение научно-технических разработок Программы «Белок» позволит не только увеличить ресурсы продовольствия, но и усовершенствовать структуру питания населения за счет повышения питательной и биологической ценности пищевых продуктов изготовленных с применением концентрированных белков.

В решении этой проблемы большая роль отводится использованию протеинов масличных культур, в основном изолированных протеинов. Большинство производителей белковых изолятов используют соевый белок. Преимуществами промышленной переработки сои являются наибольший выход белка с одного гектара посевов, высокое содержание белка в семенах и высокое качество получаемого продукта.

В этой связи создание эффективных и экономичных технологий производства изолята соевого белка для производства и обогащения продуктов питания является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Цель и задачи исследований

Целью исследований является разработка технологии получения изолята соевого белка из обезжиренной соевой муки с использованием ферментативного гидролиза и мембранных процессов для их последующего применения при производстве продуктов питания. В соответствии с целью исследований поставлены следующие задачи:

- изучение влияния технологических факторов на выход соевых белковых веществ;

- разработка условий гидролиза соевой обезжиренной муки ферментными препаратами гемицеллюлазного действия;

- разработка условий мембранной обработки раствора соевого белка с целью его концентрирования и очистки;

- выбор способа условий сушки концентрированного раствора соевого белка с целью получения сухого продукта, для использования его в производстве продуктов питания;

-разработка аппаратурно-технологической схемы получения изолятов соевого белка;

-разработка рекомендаций для промышленности по получению и применению изолятов соевого белка.

Научная новизна работы

В результате проведенных исследований, обобщения и анализа опубликованных в литературе данных были научно обоснованы оптимальные технологические режимы получения соевого белкового изолята с использованием ферментного препарата ксиланазного действия и мембранных процессов.

Установлены зависимости, характеризующие влияния ряда факторов (степени разведения, температуры и длительности экстракции) на накопление белков в растворе при экстракции соевой муки, анализ которых позволил обосновать условия экстракции для получения жидких концентратов с высоким содержанием растворенного белка.

Впервые получены данные, свидетельствующие о целесообразности применения для гидролиза соевой муки препарата ксиланазного действия способствующего гидролизу некрахмалистых полисахаридов муки и повышению выхода белков при экстракции соевой обезжиренной муки. Показано, что применение ферментативного гидролиза при экстракции соевой муки позволяет повысить выход белковых веществ на 20%.

Успешно проведено мембранное концентрирование раствора соевого белка, изучены параметры процесса, получена математическая модель изменения содержания сухих веществ, белка, углеводов, вязкости и плотности белкового раствора в зависимости от степени концентрирования. Установлены оптимальные технологические параметры концентрирования, исключающие интенсивное осадкообразование на мембране и денатурацию белка. Разработан способ эффективной очистки и повышения ценности растворов соевого белка методом диафильтрации

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в том, что на основании комплекса исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях разработан способ получения изолятов соевого белка с высокой степенью чистоты на основе биокатализа и мембранного концентрирования, обеспечивающий повышение экстрактивности белков и исключающий кислотную каогуляцию, снижающий количество сточных вод и количество применяемых химических реагентов.

В ходе работы показана целесообразность применения ферментного препарата ксиланазного действия и мембранного концентрирования для получения белковых изолятов из вторичного продукта переработки сои -обезжиренной соевой муки, и повышения эффективности использования соевого сырья в пищевой промышленности.

Разработан способ получения изолятов соевого белка с высокой степенью их чистоты на основе мембранноого концентрирования жидкого раствора соевого белка и последующей очистки концентрата методом диафильтрации.

Получены данные, характеризующие влияние способа и условий сушки жидкого белкового концентрата (распылительная сушка, сушка на инертных телах) на состав и свойства сухого продукта (влажность, дисперсность, органолептические свойства), анализ которых позволил обосновать выбор способа сушки. Разработаны рекомендации по получению сухих изолятов путем сушки на распылительной сушилке и инертных телах.

Разработана нормативная документация ТУ и ТИ соевый белковый продукт и технологические инструкции по получению изолята соевого белка.

В результате производственных испытаний и дегустационной оценки в условиях ЗАО «Сервис холод» показана целесообразность применения изолятов соевого белка в рецептуре мороженого. Установлено, что применение соевого изолята позволяет снизить расход функциональных добавок на 50%, сухого молока на 15% и получить продукт с хорошими физикохимическими и органолептическими показателями.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая зависимость процесса выхода растворимых белковых веществ в экстрагент из обезжиренной соевой муки с обоснованием технологических параметров.

2. Теоретическое и экспериментальное обоснование применения ферментативного гидролиза при экстракции белковых веществ из соевой обезжиренной муки.

3. Разработка условий проведения ферментной обработки соевой обезжиренной муки.

4. Обоснование процесса мембранного концентрирования и диафильтрационной очистки раствора соевого белка.

5. Математическая модель зависимости вязкости раствора соевого белка от температуры и концентрации.

6. Разработка условий процесса мембранного концентрирования и очистки раствора соевого белка.

7. Обоснование выбора метода сушки соевого белкового концентрата.

8. Разработка технология получения изолята соевого белка с применением биокатализа и мембранных процессов.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Шишков, Василий Александрович

6. ВЫВОДЫ

Полученные расчетные показатели дают основание полагать, что реализация проекта по организации производства изолятов соевого белка с применением мембранной УФ-установки экономически целесообразна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: По результатам дегустационной оценки представленных образцов сделали вывод о возможности частичной замены системы стабилизаторов и эмульгаторов Сгетос1ап БЕ 334 соевым белковым изолятом без ухудшения органолептических показателей мороженого. Наилучший результат достигается при замене 50% эмульгатора на изолят соевого белка.

Председатель Озерова М.А.

Секретарь Ульянова В.С.

РАСЧЕТ экономического эффекта от организации производства изолятов соевого белка с применением мембранной УФ-установки

Потребление пищевых соевых белковых продуктов в нашей стране имеет устойчивую тенденцию к росту. Анализ объемов импорта белковых продуктов в Российскую Федерацию, показывает, что за последние пять лет их суммарный ввоз удвоился и превысил 100 тыс. т.

Изоляты растительных белков в настоящее время в РФ практически не производятся, или производятся в незначительном количестве, а в основной своей массе ввозятся по ценам мирового рынка. Следовательно, оценку экономической эффективности разработки проводили, исходя из конкурентоспособности этой продукции по отношению к ценам на продукцию ведущих мировых лидеров. Сухие изоляты соевого белка, импортного производства, реализуются на российском рынке по цене от 60 до 80 руб. за килограмм, в зависимости от качества и функционального назначения продукта.

1. ПЛАНОВАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Производственный план и смета затрат рассчитаны из предполагаемого объема переработки соевой муки 100 т в месяц без прогноза запасов и потерь.