Способ получения концентрата белков из растительного сырья

 

Изобретение относится к перерабатывающей промышленности, а именно к способам получения белковых концентратов из растительного сырья для дальнейшего использования в производстве комбинированных и искусственных биологически полноценных продуктов и текстуратов. Измельчают сырье, смешивают с водой, подкисляют среду до рН 4,5 - 4,6. Проводят экстракцию балластных веществ, разделение жидкой и твердой фракций центрифугированием. Промывают твердый осадок белков и обезвоживают сушкой. Измельченное до размера частиц 100 мкм и отделенное от оболочек сырье смешивают с водой в соотношении 0,9 - 1,1 : 3,9 - 4,1. В процессе экстракции балластных веществ ведут обработку смесью ферментных препаратов амилосубтилин ГЗх в количестве 0,5 - 0,6% к массе сырья и глюкаваморин ГЗх в количестве 1,6 - 2,0% к массе сырья при 50 - 55^oC в течение 5,0 - 5,5 ч. Выделение белка из жидкой фракции осуществляют методом изоэлектрического осаждения с последующим отделением твердого осадка белков центрифугированием. Изобретение позволяет повысить содержание белков в конечном продукте, повысить биологическую ценность, упростить технологию его получения, обеспечить безотходное производство. 6 ил., 8 табл.

Изобретение относится к перерабатывающей промышленности, а именно к способам получения белковых концентратов из растительного сырья для дальнейшего использования в производстве комбинированных и искусственных биологически полноценных продуктов и текстуратов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения белковых концентратов из растительного сырья с низким содержанием масла (Растительный белок /Пер. с фр. В.Г. Долгополова; Под ред. Г. П. Микулович. - М.: Агропромиздат, 1991. - С. 402-403), предусматривающий измельчение сырья в десятикратном по массе количестве воды, подкисленной соляной (или другой) кислотой до pH 4,5-4,6, экстрагирование балластных сопутствующих компонентов в течение 1 ч, разделение твердой и жидкой фракций центрифугированием, промывку твердого осадка белков с доведением pH до 6,7 - 7,1, прогрев суспензии до 60^o и обезвоживание полученного продукта сушкой.

Недостатками способа являются: многостадийность процесса, недостаточно высокое содержание белков в концентрате, наличие нежелательных примесей в продукте и неутилизируемых отходов производства.

Технической задачей изобретения является повышение содержания белков в конечном продукте, повышение биологической ценности, упрощение технологии его получения, обеспечение безотходного производства.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения концентрата белков из растительного сырья, преимущественно с низким содержанием масла, предусматривающем измельчение сырья, смешивание с водой, подкисление среды до pH 4,5-4,6, экстракцию балластных веществ, разделение твердой и жидкой фракций центрифугированием, промывку твердого осадка белков и обезвоживание сушкой, новым является то, что измельченное до размера частиц 100 мкм и отделенное от оболочек сырье смешивают с водой в соотношении 0,9- 1,1: 3,9-4,1, а в процессе экстракции балластных веществ дополнительно ведут обработку смесью ферментных препаратов амилосубтилин ГЗх в количестве 0,5-0,6% к массе сырья и глюкаваморин ГЗх в количестве 1,6-2,0% к массе сырья при температуре 50-55^oC в течение 5,0-5,5 ч, а выделение белка из жидкой фракции осуществляют методом изоэлектрического осаждения с последующим отделением твердого осадка белков центрифугированием.

Технический результат в достижении поставленной цели достигается упрощением технологии, повышением концентрации белков и снижением содержания нежелательных примесей в конечном продукте, а также улучшением экологичности производства за счет обеспечения безотходности технологии.

К растительному сырью с низким содержанием масла относятся зеленые растения, некоторые бобовые (конские бобы, чечевица, горох, фасоль и др.), а также зерновые культуры. Учитывая известные данные о содержании белков, их биологической ценности и высокой функциональности, интерес представляет чечевица, традиционно выращиваемая в России и других странах, на примере которой реализован предлагаемый способ. Однако использование ее в составе пищевых продуктов в больших дозах проблематично из-за специфического бобового запаха и привкуса, а для высокобелковых продуктов нежелательна углеводная фракция, включающая крахмал и олигосахариды. Последние особенно заслуживают внимания в процессе получения белковых препаратов и продуктов, так как вызывают кишечный метеоризм и тем самым снижают биологическую ценность продукта.

Крахмал и олигосахаридные фракции - основные сопутствующие компоненты в сырье (табл. 1). При этом в пересчете на сухое вещество массовая доля олигосахаридов составляет, %: рафинозы - 0,9; стахиозы - 2,7; вербаскозы - 1,4; массовая доля полисахаридов, %: крахмала - 42-44, клетчатки - 3,6-3,8.

Таким образом, в реализации технологии белковых концентратов главной целью является очистка от углеводной фракции, главным образом крахмала и нежелательных олигосахаридов (стахиоза, вербаскоза).

Учитывая мировую тенденцию к реализации биотехнологий, весьма перспективно применение ферментативного гидролиза полисахаридных компонентов, осуществляющего распад биохимических структур сырья и перевод высокомолекулярных фракций в хорошо растворимые в воде и усвояемые углеводы, преимущественно ди- и моносахариды, что соответственно улучшит экстрагируемость белков. В связи с этим для обработки чечевицы были использованы промышленные ферментные препараты микробного происхождения отечественного производства: амилосубтилин ГЗх (ГОСТ 23635-90) и глюкаваморин ГЗх (ТУ 483-05803071-02-93). Выбор связан с известной спецификой их действия на углеводные компоненты. Препарат амилолитического действия амилосубтилин ГЗх расщепляет α-1,4 глюкозидные связи с образованием нормальных α-декстринов, глюкозы, мальтозы. Глюкоамилазы препарата глюкаваморин ГЗх расщепляют как α-1,4-, так и α-1,6-глюкозидные связи с образованием глюкозы в качестве продукта гидролиза.

Подготовку сырья проводят путем предварительного размола семян чечевицы с последующим просеиванием через сито с диаметром отверстий не более 100 мкм для частичного отделения крахмала, поскольку крахмальные зерна достаточно крупны и содержатся в больших по размеру частицах измельченного сырья.

Предварительно установлено (фиг. 1, 1 - степень гидролиза крахмала, 2 - накопление редуцирующих веществ), что наиболее глубокий и полный распад полисахаридов достигается при гидромодуле 1:4, при этом уменьшение или увеличение доли воды снижает эффективность деструкции углеводных полимеров.

Экспериментальные исследования (фиг. 2 и 3, 1 - степень гидролиза крахмала, 2 - накопление редуцирующих веществ) и литературные данные показывают, что максимальная активность препаратов проявляется при температуре 50-55^oC, pH 4,5-4,6, что связано с видовыми особенностями продуцентов, а следовательно, обусловлено биохимическими свойствами ферментов. Экспериментально установлено (фиг. 4, 1 - степень гидролиза крахмала, 2 - накопление редуцирующих веществ), что максимальная гидролитическая способность композиции ферментных препаратов амилосубтилин ГЗх - глюкаваморин ГЗх проявляется при дозировке 10 ед. амилолитической способности (АС) и 10 ед. глюкоамилазной активности (ГлА) на 1 г крахмала сырья, что при стандартной активности ферментных препаратов (табл. 2) соответствует дозировке ферментных препаратов: амилосубтилин ГЗх-0,53% к массе сырья; глюкаваморин - 1,75% к массе сырья.

Максимальное накопление моносахаридов (фиг. 5, 1 - степень гидролиза крахмала, 2 - накопление редуцирующих веществ) при этом отмечается через 5,0-5,5 ч ферментной обработки.

Способ осуществляется следующим образом. Суспензию муки подкисляют до pH 4,5-4,6 и прогревают до температуры 50-55^oC. Сухие порошки ферментных препаратов растворяют в минимальном объеме воды, вносят в предварительно подготовленную суспензию при перемешивании для равномерного распределения компонентов и выдерживают смесь в течение 5,0 - 5,5 ч.

По окончании гидролиза смесь центрифугируют в течение 10 мин при 83,3 с^-1, центрифугат декантируют и осаждают в нем белок в изоэлектрической точке (ИЭТ). Применительно к чечевичной муке ИЭТ белков отмечена при pH 3,0-3,2. Значение pH и осаждение белков достигают путем применения уксусной кислоты - известного реагента при получении пищевых белковых концентратов из растительного сырья. Смесь выдерживают 20-30 мин и отделяют образовавшийся осадок белков центрифугированием. Центрифугат декантируют, а осадок трижды промывают водой до полного удаления остатков уксусной кислоты и обезвоживают любым способом сушки, обеспечивающим сохранность функциональных свойств белков.

Средний химический состав концентрата белков, полученного по предлагаемому способу, представлен в табл. 3.

По сравнению с аналогичными продуктами, например соевым концентратом, чечевичный концентрат, полученный по разработанной технологии, имеет содержание белка выше более чем на 10%, не содержит олигосахаридных фракций, вызывающих кишечный метеоризм. Реализация способа позволяет максимально сохранить долю солерастворимой фракции, ответственной за структурообразование пищевых систем (табл. 4).

Сравнительная оценка экспериментальных и известных данных (Салаватулина P. M. Рациональное использование сырья в колбасном производстве. - М.: Агропромиздат, 1985; Салаватулина P.M. Использование растительных белков в колбасном производстве. - М.: ЦНИИТЭИММП, 1982. - Вып. 5. - 24 с.; Сер. Мясная пром-сть: Обзор. информ.) свидетельствует, что скор аминокислот концентрата белков чечевицы приближается к соевому аналогу (фиг. 6, а - концентрат белка сои; б - концентрат белка чечевицы; в - идеальный белок по шкале ФАО/ВОЗ).

Принимая во внимание важность и перспективу безотходных технологических процессов и значение ферментных технологий в повышении экологичности производств, а также высокую усвояемость продуктов деградации углеводной фракции, представляют интерес данные о химическом составе и биологической ценности основных отходов. После центрифугирования гидролизованной суспензии чечевичной муки формируются отходы в виде твердого остатка, общий химический состав которого представлен в табл. 5.

Аминокислотный состав белков твердых отходов, г на 100 г белка: 1) незаменимые: валин - 0,729; изолейцин - 0,594; лейцин - 1,105; метионин - 0,346; лизин - 0,520; треонин - 0,414; фенилаланин - 0,714;2) заменимые: аланин - 0,621; аргинин - 0,524; аспарагиновая кислота - 1,246; гистидин - 0,371; глицин - 0,589; глутаминовая кислота - 2,301; пролин - 0,676; серин - 0,520; тирозин - 0,419; цистин - нет.

Жидкие отходы (центрифугат) представляет собой раствор практически чистой глюкозы. Таким образом, возможна утилизация отходов на кормовые цели, либо для получения специальных продуктов или препаратов.

Полученные концентраты белков чечевицы имеют высокие функционально-технологические свойства, что предполагает их эффективность в составе пищевых комбинированных и искусственных продуктов питания.

Например, эмульгирующая способность при горячем гелеобразовании составляет 98,3%, что выше, чем у соевого концентрата, на 17,15%. Концентрат белка чечевицы хорошо связывает и удерживает воду. При гидратации 1 - 3-4 концентрат способен заменять 20-25% мясного сырья в рецептурах вареных колбас. Технологическое обеспечение высокой доли солерастворимой фракции белков доказывает преимущества в получении текстуратов. Отсутствие олигосахаридных фракций, сохранение и баланс аминокислот обеспечивают высокую биологическую ценность.

Способ имеет преимущества не только по сравнению с прототипом (табл. 6), но и с широко производимыми аналогами (табл. 7).

Способ получения концентрата белков из растительного сырья, преимущественно с низким содержанием масла, поясняется примерами 1-14. Данные по примерам, включая регистрируемые показатели продукта, представлены в табл. 8.

Пример 1. 1 кг семян чечевицы измельчают до размера частиц 100 мкм, просеивают для отделения оболочек и смешивают с водой в соотношении 1:4, подкисляют соляной кислотой до pH 4,5 и нагревают суспензию до температуры 50^oC. Предварительно готовят смесь ферментных препаратов: отвешивают навеску 5 г препарата амилосубтилин ГЗх (из расчета 0,5% к массе сырья, а затем - глюкаваморин ГЗх 16 г из расчета 1,6% к массе сырья. Препараты смешивают и растворяют в минимальном объеме воды. Вносят в суспензию чечевичной муки и перемешивают смесь, которую затем выдерживают в течение 5,0 ч. Смесь разделяют на твердую и жидкую фракции центрифугированием в течение 10 мин при 83,3 ^-1. Центрифугат декантируют, а твердый остаток утилизируют. В центрифугате выделяют белки методом изоэлектрического осаждения.

Для этого вносят раствор CH₃COOH с массовой долей 35% до достижения pH 3,0, выдерживают смесь 10 мин для формирования осадка, который отделяют центрифугированием при 83,3 с^-1 в течение 10 мин, промывают осадок водой до достижения pH 7,0, осадок отделяют центрифугированием в тех же условиях и сушат при температуре 55^oС. Жидкие отходы, состоящие из практически одной глюкозы, - используют.

Пример 2. 1 кг семян чечевицы измельчают и обрабатывают в соответствии с режимами и параметрами примера 1, готовя суспензию муки в соотношении с водой 1:3.

Пример 3. 1 кг семян чечевицы измельчают и обрабатывают в соответствии с режимами и параметрами примера 1, готовя суспензию муки в соотношении с водой 1:5.

Пример 4. Суспензию чечевичной муки готовят по примеру 1, при этом подкисляют среду до pH 4,55 и прогревают до температуры 52^oC, а далее ведут процесс в соответствии с режимами примера 1, внося ферменты в дозировке: амилосубтилин ГЗх 0,55% к массе сырья, глюкаваморин ГЗх 1,8% к массе сырья, при продолжительности экстракции 5,2 ч.

Пример 5. Суспензию чечевичной муки готовят по примеру 1, подкисляют среду до pH 4,6, прогревают до температуры 55^oC, а далее ведут процесс по примеру 1, внося ферменты в дозировке: амилосубтилин ГЗх 0,6 % к массе сырья, глюкаваморин ГЗх 2,0% к массе сырья, при продолжительности экстракции 5,5 ч.

Пример 6. Суспензию чечевичной муки готовят по примеру 1, подкисляют до pH 4,6 и подогревают до 60^oC, а далее ведут процесс по примеру 1.

Пример 7. Суспензию чечевичной муки готовят по примеру 1, подкисляют до pH 4,6 и прогревают до 45^oC, а далее ведут процесс по примеру 1.

Пример 8. Суспензию чечевичной муки готовят по примеру 1, подкисляют до pH 4,5 и прогревают до 50^oC, вносят ферментные препараты амилосубтилин ГЗх массой 5 г из расчета 0,5% к массе сырья и глюкаваморин ГЗх массой 10 г из расчета 1,0% к массе сырья. Смесь выдерживают 5,0 ч, разделяют фракции центрифугированием при 83,3 с^-1 в течение 10 мин. Далее процесс ведут по примеру 1.

Пример 9. Суспензию чечевичной муки готовят по примеру 1, вносят ферментные препараты амилосубтилин ГЗх массой 10 г из расчета 1,0% к массе сырья и глюкаваморин ГЗх массой 5 г из расчета 0,5% к массе сырья, выдерживают смесь в течение 5,0 ч и обрабатывают ее и получаемые целевые и балластные фракции по примеру 1.

Пример 10. 1 кг семян чечевицы измельчают аналогично примеру 1, готовят суспензию муки в соотношении с водой 1:3, подкисляют до pH 4,2 и далее ведут процесс в соответствии с режимами и параметрами примера 1.

Пример 11. 1 кг семян чечевицы измельчают аналогично примеру 1, готовят суспензию муки в соотношении с водой 1:6, подкисляют до pH 4,8 и далее ведут процесс аналогично примеру 1.

Пример 12. Предварительно подготовленную по примеру 1 суспензию чечевичной муки обрабатывают в течение 3,5 ч смесью ферментных препаратов из расчета амилосубтилин ГЗх 0,55% к массе сырья и глюкаваморин 1,8% к массе сырья и далее ведут процесс по примеру 1.

Пример 13. Подготовленную по примеру 1 суспензию чечевичной муки обрабатывают в течение 6,0 ч смесью ферментных препаратов из расчета амилосубтилин ГЗх 0,55% к массе сырья и глюкаваморин 1,8 % к массе сырья и далее ведут процесс по примеру 1.

Пример 14. Подготовленную по примеру 1 суспензию чечевичной муки обрабатывают в течение 5,2 ч смесью ферментных препаратов из расчета амилосубтилин ГЗх 0,4% к массе сырья и глюкаваморин 2,5% к массе сырья и далее ведут процесс по примеру 1.

Как видно из данных табл. 8, обработка сырья по режимам, указанным в примерах 1, 4, 5, 13, позволяет получить целевой продукт - концентрат растительных белков - с наилучшим выходом (86-87% к исходному содержанию белка в продукте) и с наибольшей массовой долей белка в конечном продукте (80-81%), при этом продукт, полученный по примерам 1, 4, 5, обладает наилучшими функциональными свойствами (эмульгирующая способность на уровне 97-98%).

В связи с этим обработка сырья свыше 5,5 ч не является целесообразной с технологической точки зрения (пример 13), так как не приводит к повышению выхода целевого продукта и при этом отрицательно сказывается на его функциональных свойствах.

Обработка сырья по режимам, приведенных в примерах 2, 3, 6-12, 14, приводит к получению концентрата растительного белка с меньшим выходом и с худшими качественными показателями по сравнению с примерами 1, 4, 5.

Формула изобретения

Способ получения концентрата белков из растительного сырья, преимущественно с низким содержанием масла, предусматривающий измельчение сырья, смешивание с водой, подкисление среды до рН 4,5 - 4,6, экстракцию балластных веществ, разделение жидкой и твердой фракций центрифугированием, промывку твердого осадка белков и обезвоживание сушкой, отличающийся тем, что измельченное до размера частиц 100 мкм и отделенное от оболочек сырье смешивают с водой в соотношении 0,9 - 1,1 : 3,9 - 4,1 и в процессе экстракции балластных веществ дополнительно ведут обработку смесью ферментных препаратов амилосубтилин ГЗх в количестве 0,5 - 0,6% к массе сырья и глюкаваморин ГЗх в количестве 1,6 - 2,0% к массе сырья при 50 - 55^oC в течение 5,0 - 5,5 ч, а выделение белка из жидкой фракции осуществляют методом изоэлектрического осаждения с последующим отделением твердого осадка белков центрифугированием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15