Способ получения белкового гидролизата

 

Изобретение предназначено для использования в кормопроизводстве и относится, в частности, к способам получения белковых продуктов, вводимых в корма для животных, путем переработки малоценного животного сырья. В качестве сырья используют отходы переработки животных, птиц и рыб, перед гидролизом сырье измельчают и проводят отбор жировой фракции, гидролиз проводят в течение 6-7 ч в режиме открытого упаривания, а нейтрализацию осуществляют электрохимической обработкой в электролизере, разделенном мембраной на два отделения, помещая гидролизат в отделение с катодным электродом, раствор щелочи в отделение с анодным электродом и пропуская между электродами постоянный ток до установления значения рН гидролизата 5,6-7,0. При этом отбор жировой фракции осуществляют путем прогревания измельченного сырья с водой до 80-90^oС, его отстаивания в течение 2-3 ч и снятия всплывшего липидного слоя для дальнейшей утилизации. Плотность постоянного тока на катоде в процессе нейтрализации устанавливают 5,5-6,0 А/дм². Упаривание гидролизата проводят до плотности 1,05-1,12 г/см³ и значения рН 4,5-6,0. Изобретение позволяет расширить ассортимент используемого, сырья, сократить время его переработки и улучшить качество конечного продукта. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к кормопроизводству, в частности к способам получения белковых продуктов, вводимых в корма для животных, путем переработки малоценного животного сырья (отходов переработки животных, птицы, рыб).

Известен способ получения белковых продуктов из мясокостного сырья и отходов мясоперерабатывающей промышленности, заключающийся в том, что сырье подвергают измельчению, отделяют жир, центрифугируют для разделения на твердую и жидкую фракции. Твердую фракцию подвергают термическому гидролизу при 120-140^oС в течение 30-45 мин. При гидролизе к твердой фракции добавляют воду в соотношении 1:(1-2). Из гидролизованной массы отделяют жир центрифугированием при 90-98^oС с последующим сгущением и сушкой жидкой фракции. Полученную после первого центрифугирования жидкую фракцию подвергают тепловой обработке острым паром, пастеризуют и сушат в потоке горячего воздуха (см. Авт. свид. СССР 1367932, кл. А 23 К 1/10, A 23 J 1/10, 1988).

Однако в результате высокотемпературной обработки только некоторая часть свободных белков, пептидов и аминокислот переводится в растворимую фазу. При этом сами белки и полипептиды не подвергаются более глубокому расщеплению до уровня низкомолекулярных пептидов и аминокислот, происходит денатурация белка и его коагуляция, не происходит более глубокого расщепления нуклеиновых кислот, деминерализации сырья и выделения микроэлементов. Отбор жировой фракции после гидролиза, проводимого при высокой температуре, приводит к значительному окислению жирных кислот и их разрушению. Все это в значительной мере снижает кормовую ценность конечных продуктов. Кроме того, такой вид переработки сырья требует больших энергетических затрат.

Известен способ получения белкового гидролизата путем переработки отходов птицефабрик и животноводства, который предусматривает промывку исходного сырья, его измельчение, обезжиривание и щелочной гидролиз в автоклаве в присутствии окиси кальция при температуре 115-140^oС в течение 2-3 ч при постоянном перемешивании. Полученный гидролизат очищают путем фильтрации или центрифугирования с последующим добавлением кальцинированной соды до полного осаждения карбоната кальция. Очищенный гидролизат нейтрализуют соляной кислотой до рН 6,7-8,0 и упаривают до концентрации 35-40% (см. Патент РФ 2054840, кл. А 23 К 1/10, 1996).

Однако проведение щелочного гидролиза сырья при достаточно высокой температуре приводит к стереохимической рацемизации большого количества аминокислот, которые трансформируются в форму, плохо усваиваемую организмом, что ухудшает качество получаемого продукта. Технологический процесс переработки сырья усложняется использованием большого количества реактивов и дорогостоящего оборудования, что приводит к его удорожанию и повышению себестоимости продукции.

Широко известны способы получения белковых кормовых добавок из кератин и коллагенсодержащего сырья путем его ферментативного гидролиза. Например, известен способ получения белковых гидролизатов белков животного происхождения путем ферментативного гидролиза отходов переработки сельскохозяйственных и диких животных, птиц, рыб и морских гидробионтов гепатопанкреасом промысловых видов крабов. При этом сырье гомогенизируют с деионизированной водой и ведут гидролиз в течение 2-6 ч при рН между 6,5-9,0 с дальнейшей термоинактивацией ферментов при 55-100^oС.

Недостатком указанных способов является их большая стоимость вследствие использования дорогих и дефицитных ферментных систем.

Наиболее близким способом к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ получения белкового гидролизата из вторичного органического сырья, в котором в качестве сырья используют гонады кальмара, гидролиз проводят соляной кислотой при ее содержании в гидролизуемой массе 6-9 мас. % и температуре 102-105^oС в течение 14-18 ч, затем массу нейтрализуют 15-20%-ным раствором гидроокиси натрия до рН 5,0-6,0, упаривают до содержания сухих веществ 30-36%, выдерживают при комнатной температуре не менее 5 суток и фильтруют (см. Патент РФ, 2093040, кл. A 23 J 1/04, A 23 L 1/333, 1997).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится ограниченность ассортимента перерабатываемого сырья, длительность самого гидролиза и последующего выдерживания продукта, что в значительной мере увеличивает время переработки сырья, усложняет и удорожает технологический процесс производства продукции, а также то, что в процессе нейтрализации гидролизуемой массы происходит выпадение в осадок ценных гуминовых соединений и образование большого количества соли в конечном продукте, что ухудшает качественные показатели готового продукта.

Настоящее изобретение направлено на расширение ассортимента используемого сырья, сокращение времени его переработки, улучшение качества получаемого конечного продукта и снижение его себестоимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения белкового гидролизата, предусматривающем гидролиз вторичного органического сырья соляной кислотой с нагревом, нейтрализацию и упаривание конечного продукта, в качестве сырья используют отходы переработки животных, птицы и рыб, перед гидролизом сырье измельчают и проводят отбор жировой фракции, гидролиз проводят в течение 6-7 ч в режиме открытого упаривания, а нейтрализацию осуществляют электрохимической обработкой в электролизере, разделенном мембраной на два отделения, помещая гидролизат в отделение с катодным электродом, раствор щелочи в отделение с анодным электродом и пропуская между электродами постоянный ток до установления значения рН гидролизата 5,6-7,0.

При этом отбор жировой фракции предпочтительно осуществлять путем прогревания измельченного сырья с водой до температуры 80-90^oС, его отстаивания в течение 2-3 часов и снятия всплывшего липидного слоя для дальнейшей утилизации.

Плотность постоянного тока на катоде в процессе нейтрализации предпочтительно устанавливать 5,5-6,0 А/дм².

Упаривание гидролизата целесообразно проводить до плотности 1,05-1,12 и рН 4,5-6.

В настоящее время в стране работает множество мясо-, птице- и рыбоперерабатывающих предприятий с небольшой производственной мощностью, в которых использование производственных отходов (внутренности, обрезки тканей, жилы, шкуры, головы, кровь) представляет большую сложность. Большинство предприятий вынуждены вывозить подобные отходы на свалки из-за невозможности их переработки, что ухудшает экологическую обстановку. Таким образом, использование отходов переработки животных, птицы и рыб для получения гидролизата расширяет ассортимент дешевого и доступного сырья и способствует улучшению экологической обстановки.

Предварительное измельчение сырья и отбор жировой фракции перед проведением гидролиза улучшает качество конечного продукта, поскольку максимальное удаление липидов способствует более полному выделению и расщеплению белка в процессе гидролиза.

Отбор жировой фракции предпочтительно осуществлять путем прогревания измельченного сырья с водой до температуры 80-90^oС, его отстаивания в течение 2-3 часов, т.к. при таком режиме происходит максимальное выделение липидов с минимальным уровнем их окисления. При температуре ниже 80^oС не происходит полного выделения липидов из тканей, а при температуре выше 90^oС липиды начинают окисляться.

Проведение гидролиза в течение 6-7 ч способствует большему разнообразию получаемых производных в конечном продукте (низкомолекулярные белки, поли- и олигопептиды, нуклеотиды, свободные аминокислоты). Проведение гидролиза менее 6 ч не позволяет достигнуть оптимального уровня аминного азота в конечном продукте (0,85-1,2 мас.%), отражающего количество свободных аминокислот. Проведение гидролиза более 7 ч приводит к нежелательному увеличению степени гидролиза белка и частичному разрушению аминокислот. Проведение солянокислого гидролиза в режиме открытого упаривания позволяет максимально сократить конечную стадию упаривания препарата и тем самым значительно сократить технологический процесс переработки сырья. При этом не происходит ухудшения экологической обстановки в помещении, т.к. все пары улавливаются с помощью их конденсации. Поскольку хлористый водород начинает перегоняться только при достижении плотности соляной кислоты 20,3%, конденсат паров, выходящих из реактора, имеет нейтральную реакцию (Ю.В.Корякин, И.И.Ангелов. Чистые химические вещества. М.: Химия, 1974,.

Гидролиз в режиме открытого упаривания позволяет довести остаточное количество гидролизуемой смеси до 40-50%, при этом образуется оптимальная плотность препарата и отпадает необходимость в последующем длительном его упаривании.

Нейтрализация гидролизованной массы путем электрохимической обработки позволяет избежать накопления в ней солей, образующихся при щелочной нейтрализации и выпадения в осадок гуминовых соединений, что улучшает качество конечного продукта. Электрохимическая обработка проводится в электролизере, разделенном на два отделения мембраной, проницаемой для неорганических соединений (в основном ионов Н⁺ и ОН^-) и практически непроницаемой для ионов белка из-за их "крупных" размеров. Гидролизат помещают в отделение с катодным электродом, раствор щелочи в отделение с анодным электродом. При пропускании между электродами постоянного тока на аноде выделяется кислород и образуется кислота, а на катоде выделяется водород и образуется щелочь, таким образом происходит нейтрализация гидролизата без накопления в нем солей.

Значение плотности постоянного тока на катоде в процессе нейтрализации предпочтительно устанавливать 5,5-6,0 А/дм², т.к. при плотности тока меньше 5,5 А/дм² процесс нейтрализации удлиняется во времени, а при плотности тока выше 6,0 А/дм² происходит бурное пенообразование.

Электролиз проводят до установления значения рН гидролизата 5,6-7,0, поскольку данные величины кислотности определяют вкусовые и биологически активные свойства препарата.

Дальнейшее упаривание готового гидролизата целесообразно проводить до плотности 1,05-1,12 и стабилизации кислотных свойств до рН 4,5-6, поскольку плотность гидролизата данной величины является оптимальной как для непосредственного обогащения кормов путем их орошения и тщательного перемешивания, так и для высушивания до порошкообразного состояния на распылительной сушилке при минимальном расходе электроэнергии. Конечные значения рН гидролизата обусловлены тем, что в пределах этих величин препарат проявляет максимальные биологически активные свойства, подлежит лучшей сохранности и в меньшей степени изменяет качество кормов при его введении.

Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого способа обеспечивает достижение указанного технического результата.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что не обнаружен источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.

Способ осуществляется следующим образом.

Отходы переработки животных, птицы или рыб сортируют и измельчают до размеров 0,5-2,0 см² пропусканием через мясорубку. Измельченное сырье заливают питьевой водой в соотношении 1:1-1:1,5, перемешивают и прогревают до температуры 80-90^oС в варочном котле. Прогретую массу отстаивают в течение 1,5-2,0 часов и отбирают всплывшую жировую фракцию, которая может поступать на дальнейшую переработку для получения препарата жира. В оставшийся объем приливают соляную кислоту в таком количестве, чтобы ее концентрация составляла 5-6% от общей массы. Гидролиз сырья проводят в режиме открытого упаривания в течение 6-7 ч при температуре 102-105^oС до остаточного количества гидролизуемой смеси 40-50%, при этом содержание аминного азота составляет 0,75-1,2 мас.%. Далее гидролизат фильтруют и подвергают нейтрализации путем электрохимической обработки. Электролизер представляет собой емкость, разделенную мембраной из полихлорвинила, непроницаемой для ионов белка, на два отделения. Гидролизат помещают в отделение с катодным электродом, изготовленным из графитовой пластины. В отделение с анодным электродом из нержавеющей стали помещают 1N раствор гидроокиси натрия или калия. Объем катодного пространства занимает 6/7 всей емкости. Электроды подключают к блоку питания (выпрямитель) и пропускают электрический ток, устанавливая плотность тока на катоде 5,5-6,0 А/дм² до тех пор, пока рН гидролизата не достигнет значения 5,6-6,5. При этом происходит выделение пены и выпадение небольшого осадка, представляющего собой белковый коагулят. Обработанный гидролизат фильтруют для удаления белкового коагулята и упаривают до плотности 1,05-1,12 г/см³ и стабилизации кислотных свойств до рН 4,5-6.

Гидролизат данной плотности может использоваться для непосредственного обогащения кормов путем их орошения и тщательного перемешивания, либо после тщательного растворения в воде в соответствующей пропорции. При необходимости получения сухого порошкообразного препарата гидролизат пропускается через распылительную сушилку типа РЛС-10 и подвергается вакуумной расфасовке.

Сущность изобретения иллюстрируется примерами.

Пример 1.

100 кг отходов рыбного сырья от разделки карпа (головы, внутренности, мелкая некондиционная рыба, обрезки тканей) тщательно просмотрели для устранения попадания посторонних предметов и пропустили через мясорубку до консистенции жидкого фарша. Сырье поместили в варочный котел (КПЭ-250), залили 100 л питьевой воды, тщательно перемешали и прогрели до температуры 85^oС. После отстаивания в течение 1,5 ч всплывшую фракцию рыбьего жира (14 л) отобрали с помощью отсасывающего насоса и поместили в отдельные емкости для дальнейшей переработки. В оставшуюся массу добавили 6 л соляной кислоты (37%-ной НС1) и 8 л питьевой воды. Гидролизуемую массу прогрели до закипания жидкости (102-103^oС) и выдерживали в таком состоянии в течение 6 ч в открытом состоянии, отводя выходящие пары в конденсатор. После окончания гидролиза всю массу охладили до 40^oС, отобрали 2,5 л всплывшего жира и отфильтровали гидролизат от нерастворившихся остатков сырья. Полученная гидролизованная масса имела объем 83 л, плотность 1,054 г/см³, рН 1,6.

Полученный гидролизат переместили в катодное отделение электролизера, а в анодное отделение поместили 1N раствор КОН. Через электроды пропускали постоянный ток через блок питания при катодной плотности тока 5,5 А/дм² в течение 5 часов до конечного значения рН в катодном пространстве 6,53. Далее гидролизат профильтровали через бумажный фильтр и упарили до плотности 1,106 и рН 5,0. Получилось 57 л гидролизата, в котором содержание аминного азота составило 0,83 мас.%, KCl - 4 мас.%.

Биологическую активность полученного гидролизата проверяли при выращивании личинок карпа в аквариальных условиях. Гидролизат вводили в корма путем орошения в различных количествах. Результаты испытаний приведены в таблице. Как видно из таблицы, введение гидролизата в корма для личинок карпа значительно увеличивает их выживаемость, прирост и общую продуктивность, одновременно снижая расход кормов.

Пример 2.

50 кг отходов разделки кур и птицы, погибшей в процессе выращивания, вместе с перьями порубили на небольшие куски и пропустили через мясорубку до фаршеобразной консистенции. Сырье поместили в варочный котел, добавили 50 л питьевой воды, перемешали и прогрели до 90^oС. Всплывшую фракцию куриного жира (8 кг) отобрали в отдельный жиросборник для дальнейшей переработки. В оставшуюся массу добавили 6 л 37%-ной соляной кислоты и 2 л питьевой воды. Гидролиз проводили при 100^oС в течение 7 часов. После окончания гидролиза всю массу охладили до 45^oС, с поверхности отобрали 3,0 л окисленного куриного жира и профильтровали. Полученная гидролизованная масса имела объем 40 л, плотность 1,03 г/см³, рН 1,8.

Гидролизат поместили в катодное отделение электролизера, в анодное отделение - 1N раствор NaOH (рН 14,0) и пропускали постоянный ток от блока питания при катодной плотности тока 6,0 А/дм² в течение 4 ч до конечного значения рН гидролизата, равного 5,6. Вновь профильтровали гидролизат и упарили до плотности 1,05. Получилось 26 л гидролизата с содержанием аминного азота 1,23 мас.%, содержанием NaCl 6 мас.% и рН 4,5.

Опыты, проведенные на Daphnia Маgna, используемых в качестве тестируемого объекта, показали повышение плодовитости рачков в 10 раз при добавлении гидролизата в качестве питательной среды.

Пример 3.

В качестве сырья использовали 50 кг отходов разделки свиней (внутренности, головы, ноги). Отходы порубили на небольшие куски и пропустили через мясорубку до состояния фарша. Сырье поместили в варочный котел, добавили 50 л питьевой воды, перемешали и прогрели до 90^oС в течение 1 часа. Всплывший после отстаивания свиной жир в количестве 6,5 кг отобрали в отдельный жиросборник для дальнейшей переработки. В оставшуюся массу добавили 6 л 35%-ной соляной кислоты и провели гидролиз в режиме открытого упаривания, отводя выходящие пары в конденсатор, в течение 7 ч. В результате получилось 27 л гидролизата с плотностью 1,07 г/дм³ и рН 2,6.

Гидролизат поместили в катодное отделение электролизера, в анодное отделение - 1N раствор NaOH (рН 14,0) и пропускали постоянный ток от блока питания при катодной плотности тока 6,0 А/дм² в течение 4 ч до конечного значения рН гидролизата, равного 7,0. Гидролизат вновь профильтровали и упарили до плотности 1,12. Получилось 25 л гидролизата с содержанием аминного азота 1,83 мас.%, содержанием NaCl - 5% и рН 6,0.

Использование гидролизата при выращивании сеголеток и годовиков осетра в количестве 5% от массы корма позволило увеличить прирост рыбы на 20-36%.

Приведенные примеры иллюстрируют, что заявляемый способ позволяет получать белковый гидролизат из различных видов сырья из отходов переработки животных, птицы и рыб, значительно сократить время его переработки, тем самым снижая себестоимость получаемого конечного продукта, Гидролизат, полученный по заявляемому способу, обладает улучшенными свойствами, т.к. содержит незначительные количества солей щелочных металлов. Введение гидролизата в корма для рыб и других гидробионтов значительно повышает их плодовитость, выживаемость, увеличивает прирост и общую продуктивность, одновременно снижая расход кормов.

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий: - способ получения гидролизата по заявленному изобретению предназначен для использования в промышленности, в частности в кормопроизводстве для приготовления кормов для животных; - для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

1. Способ получения белкового гидролизата, предусматривающий гидролиз вторичного органического сырья соляной кислотой с нагревом, нейтрализацию и упаривание конечного продукта, отличающийся тем, что в качестве сырья используют отходы переработки животных, птиц и рыб, перед гидролизом сырье измельчают и проводят отбор жировой фракции, гидролиз проводят в течение 6-7 ч в режиме открытого упаривания, а нейтрализацию осуществляют электрохимической обработкой в электролизере, разделенном мембраной на два отделения, помещая гидролизат в отделение с катодным электродом, раствор щелочи - в отделение с анодным электродом и пропуская между электродами постоянный ток до установления значения рН гидролизата 5,6-7,0.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отбор жировой фракции осуществляют путем прогревания измельченного сырья с водой до 80-90^oС, его отстаивания в течение 2-3 ч и снятия всплывшего липидного слоя для дальнейшей утилизации.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плотность постоянного тока на катоде в процессе нейтрализации устанавливают 5,5-6,0 А/дм².

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упаривание гидролизата проводят до плотности 1,05-1,12 г/см³ и значения рН 4,5-6,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1