Фракционирование и обработка кормовой муки из масличных семян
Изобретение относится к пищевой и кормовой промышленности и касается способа получения пищевых белков и кормовой муки. Способ водного экстрагирования и фракционирования включает смешивание исходного материала из семян рапса или канолы с водной средой при концентрации 10-50% масс./объем в мягких экстрагирующих условиях с целью формирования водной смеси, содержащей водный экстракт, включающий в себя экстрагированный белок, мелкие фрагменты твердых фаз сердцевины клеток семян и материал волокон. Далее полученный водный экстракт отделяют от остающегося остатка твердых фаз путем фильтрации или просеивания посредством сита с целью получения фильтрата, содержащего водный экстракт, включающий в себя экстрагированный белок и мелкие фрагменты твердых фаз сердцевины клеток. При этом в остатке содержится по меньшей мере 20 масс.% белка относительно сухого вещества остатка твердых фаз. Затем указанный водный экстракт и мелкие фрагменты твердых фаз сердцевины клеток обрабатывают энзимом при температуре 10-70°С с целью получения экстрагированной дефитинизированной высокобелковой фракции, содержащей, по меньшей мере, 30 масс.% общего количества белка, содержавшегося в исходных материалах. Экстрагированную дефитинизированную высокобелковую фракцию обрабатывают путем выдерживания ее при температуре не ниже 80°С в течение, по меньшей мере, 1 мин для индуцирования свертывания содержащегося в ней белка и в дальнейшем экстрагированную фракцию подвергали разделению на твердую фазу и жидкость. Изобретение позволяет получить серию ценных продуктов без выработки побочного продукта или отходов всех видов, а также обеспечить эффективное экстрагирование, одновременно с этим сохраняя такое содержание белка в неэкстрагированном материале, чтобы этот материал имел хорошую кормовую ценность в качестве белкового волокна для жвачных животных. 13 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу водного экстрагирования, фракционирования и энзиматической обработки материалов из масличных семян с целью выработки ценных продуктов без существенного количества малоценных побочных продуктов и отходов всех видов. В частности, схема фракционирования вырабатывает, во-первых, кормовой ингредиент, состоящий из белковых волокон и предназначенный главным образом для жвачных животных, и, во-вторых, дефитинизированную высокобелковую фракцию. Указанная фракция представляет интерес в качестве кормового ингредиента для различных видов животных.
Уровень техники
На развитие систем водной обработки и технических приемов для производства концентратов с высокой белковой ценностью и белковых изолятов (> 90% белка) из масличных семян, таких как соевые бобы, были направлены значительные усилия. Целью всех этих существующих в настоящее время систем и приемов является выработка отдельного продукта с очень высокой белковой ценностью. Ценности небелкового компонента исходного материала не придавали большого значения или этот момент вообще не рассматривали. В схеме обрабатывающих устройств не предусматривалось фракционирование исходного материала на группы ценных продуктов, происходящее без выработки малоценных побочных продуктов или отходов всех видов.
Для достижения эффективного экстрагирования и выделения белков в технических методах и обрабатывающих системах, имеющих своей целью производство отдельного продукта с высокой белковой ценностью из масличных семян, часто применяют высокие уровни использования воды и химических препаратов, таких как соли, кислота или основание. Системы, требующие экстенсивного применения воды и химических препаратов, часто дорого стоят. Дальнейшее увеличение затрат связано с удалением малоценных побочных продуктов и отходов всех видов.
Семена рапса или канолы (гибрид рапса с низким содержанием эруковой кислоты) состоят из приблизительно 40% масла и 60% компонентов, не содержащих масла. При промышленной обработке наибольшую часть масла удаляют из семян или экстрагированием с растворителем, или посредством отжима. В обрабатывающем устройстве, основанном на первом варианте, не содержащий масло материал первоначально присутствует в виде погруженных в растворитель белых хлопьев или выжимок. Обычно для выработки конечного продукта, прожаренного с целью удаления растворителя и именуемого термином "кормовая мука", растворитель удаляют из белых хлопьев с помощью способа, включающего в себя приложение пара и тепла. Указанная мука содержит приблизительно 35% белка и поступает в продажу в качестве кормового ингредиента, предназначенного для включения в кормовые рационы различных классов животных, в том числе свиней, домашней птицы и рогатого скота.
Белок семян канолы имеет отличную кормовую ценность. Он богат метионином и лизином (соответственно, 2 и 5,8% общего количества белка) с хорошим балансом незаменимых аминокислот. В обзоре по питательному качеству различных источников белка (Friedman M., J. Agric. Food Chem. 44, 6-29, 1996) приведены значения коэффициента эффективности белка (КЭБ) для белкового концентрата из семян рапса (3,29), казеина (3,13) и соевого концентрата (1,60). Из всех источников растительных белков максимальную величину КЭБ имеет белковый концентрат из семян рапса. Белок из семян канолы или рапса сам по себе имеет отличную кормовую ценность и, по сравнению с другими растительными белками, может считаться в этом смысле исключением. В публикации Prendergast A.F. et al., Nort. Aquacult. 10, 15-20, 1994, показано, что дефитинизированный белковый концентрат из семян рапса смог заместить 100% высококачественной рыбной кормовой муки в кормовом рационе радужной форели, не оказав отрицательного воздействия на процесс роста и кормовую эффективность рыбы.
Когда белки в качестве компонента кормовой муки применяют в обычной форме, животные не полностью используют белковую кормовую ценность белка из семян канолы или рапса. Кормовая мука из нелущеных семян канолы, прожаренных с целью удаления растворителя, содержит высокие уровни количества волокна. Волокно имеет небольшую кормовую ценность для таких животных, как рыба, цыплята и поросята, и, таким образом, снижает содержание белка и энергии в кормовой муке. Кроме того, связанные с волокном антипитательные факторы, такие как фенольные соединения, могут оказывать негативное воздействие на жизнедеятельность животных с однокамерным желудком, таких как свиньи, цыплята и рыба. Процесс прожаривания, использованный во время приготовления конечного продукта из кормовой муки, уменьшает растворимость белка муки и, как было показано, при кормлении цыплят понижает перевариваемость лизина (Newkirk R.W. et al., Poult. Sci. 79, 64, 2000). Кормовая мука из канолы содержит исключительно высокие уровни содержания фитиновой кислоты (приблизительно 3% кормовой муки). Эта кислота в семени представляет собой сохраняющую форму для фосфора и плохо переваривается видами животных с однокамерным желудком, таких как свиньи, цыплята и рыба. Фитиновая кислота может формировать комплексы с минеральными веществами, аминокислотами и белками, уменьшая тем самым переваривающую способность по отношению к питательным веществам.
Далее фосфор в молекуле фитиновой кислоты в большой степени бесполезен для животных и удаляется вместе с фекалиями. Из-за этой плохой перевариваемости Р в фитате необходимо составлять рационы с наличием диетического фосфора, достаточным для удовлетворения потребностей животных, и это часто увеличивает стоимость рациона. В добавление к этому непереваренный Р в навозе может нанести вред окружающей среде и представляет собой значительную проблему в зонах интенсивного животноводства. В целом высокое содержание волокон и фитата в кормовой муке из канолы, выполняющей функцию источника белков для животных с однокамерным желудком, таких как свиньи, цыплята и рыба, ограничивает питательную ценность этого продукта.
Жвачные животные, такие как рогатый скот, обладают способностью экстрагировать энергию из волокна посредством ферментации в рубце. Далее жвачные микробы могут эффективно гидролизовывать фитат, поэтому в случае кормления жвачных животных потенциал антипитательных воздействий и нанесения вреда окружающей среде уменьшается. Высокорастворимый белок легко гидролизуется и используется микробами в рубце. Наивысшую для жвачных животных кормовую белковую ценность имеет белок, устойчивый по отношению к разложению в рубце, но в большой степени перевариваемый во время последующего прохождения через тонкую кишку. В качестве кормовых ингредиентов для этих животных высокорастворимые белки в семенах канолы имеют более низкую кормовую ценность по сравнению с фракцией, включающей в себя все белки канолы, которые относительно нерастворимы.
Современные исследования в этой области фокусируются на способах достижения эффективного экстрагирования белков из исходного материала на основе масличных семян с последующим концентрированием или выделением белка в единственный высокоценный продукт.
В патенте США №5658714 показано, что белок можно эффективно экстрагировать из растительной муки, доводя рН среды экстрагирования до интервала 7,0-10,0. Затем белок концентрируют посредством ультрафильтрации и осаждают, доводя рН фильтрата до 3,5-6,0. Фитат устойчив по отношению к этапу осаждения белков; таким образом, его содержание в конечном белковом концентрате, как указано, менее 1% сухого вещества в белковом изоляте.
В патенте США №4420425 описан способ водного экстрагирования обезжиренных соевых бобов, применяющий щелочные условия с соотношением среда экстрагирования/исходный материал из масличных семян >10:1. В этом способе для выработки белкового концентрата твердые фазы в экстракте удаляют посредством фильтрации, растворенный белок пастеризуют, а экстракт пропускают через мембрану для микрофильтра с пограничной молекулярной массой >100000.
В патенте США №5989600 показано, что растворимость растительных белков можно увеличить обработкой источника такого белка энзимами, например фитазой и/или протеолитическими энзимами. Их с целью повышения растворимости белков непосредственно прикладывают к исходному материалу до любой фазы экстрагирования.
В патенте США №3966971 показано, что для облегчения экстрагирования белков к водной дисперсии материала источника растительных белков можно добавить кислую фитазу. Для содействия растворимости белка водную суспензию поддерживают при рН, соответствующем минимальной белковой растворимости для данного белка, и подвергают варке с кислой фитазой. Смесь подвергают тепловой обработке при температуре, достаточной для дезактивации активности энзима, а затем отделяют растворенные вещества от нерастворенного остатка варки. Указано, что растворенный и нерастворенный остатки разделяют, на выбор, центрифугированием, фильтрацией или комбинацией этих процедур. Затем рН жидкого экстракта доводят до требуемой величины и производят сушку для выработки конечного продукта.
В патенте США №4435319 показано, что белок можно экстрагировать из кормовой муки на основе подсолнечника посредством обработки водной суспензии муки кислотой при значении рН, лежащем между 4,0 и 7,0. Разделяют растворимый и нерастворимый остатки, и нерастворимый материал обрабатывают в непрерывном режиме кислым раствором до достижения требуемого экстрагирования белка. Экстрагированные белки затем выделяют осаждением или ультрафильтрацией.
В патенте США №3635726 описана процедура производства соевого белкового изолята путем экстрагирования соевого исходного материала в щелочных условиях со значением рН, превышающим величину изоэлектрического рН глицинина. После отделения экстракта от нерастворимого остатка рН экстракта понижают до изоэлектрического рН глицинина, чтобы индуцировать осаждение белка.
В патенте США №4418013 описан способ экстрагирования белка из источников растительных белков, который включает в себя экстрагирование в воде без применения химических добавок в водной среде экстрагирования. Затем растворимый экстракт отделяют от твердых фаз и разбавляют в объеме охлажденной воды, чтобы индуцировать формирование белковых частиц. Далее эти частицы удаляют из воды и сушат, формируя белковый изолят, который, как указано, по существу не денатурирован.
В международной патентной заявке WO 95/27406 показано, что к водной суспензии исходного материала на основе сои можно добавить фитазу. При условиях, проконтролированных по отношению к рН и температуре, содержание фитата понижается до величины <50% этого параметра в исходном материале. В предпочтительном варианте осуществления этого изобретения исходный соевый материал подвергался обработке небольшим нагревом и имел коэффициент азотной растворимости >50%. рН отходящего потока лежит в интервале 7-9. Этот поток разделяют на растворимую и нерастворимую фракции. Первую из них далее подвергают тепловой обработке, чтобы дезактивировать энзимы, а растворенные вещества концентрируют посредством нанофильтрации и сушат, формируя конечный продукт. Нерастворимую фракцию и фильтрат, сформированный во время нанофильтрации, переводят в отходы.
В публикации Tzeng et al., Journal of Food Science, 55, 1147-1156, 1990, описаны серии экспериментов по фракционированию различных материалов из масличных семян с применением водной схемы обработки. В качестве исходного материала применяли коммерческую кормовую муку из канолы и белые хлопья из канолы после экстрагирования масла и удаляющего растворитель прожаривания. Все процессы экстрагирования проводили в водных щелочных условиях с рН, равным 10 или превышающим эту величину. В указанном способе выделяли остаток неэкстрагированных твердых фаз, а рН экстракта доводили до 3,5, чтобы индуцировать изоэлектрическое осаждение белков. Осажденный белок отделяли от остающихся растворимых веществ посредством центрифугирования. Растворимый белок концентрировали ультрафильтрацией и диафильтрацией, применяя мембрану с пограничной молекулярной массой 10000. Для нерастворимого остатка, изоэлектрически осажденного белка и растворимого белка, прошедшего ультрафильтрацию, провели анализ на уровни сухого вещества, белка, фитата и глюкозинолята.
При этих условиях неэкстрагированный остаток кормовой муки из канолы содержал 67% твердой фазы и 62% белка, присутствующих в исходном материале. Исходя из количества сухого вещества остаток кормовой муки имел содержание белка и фитата, соответственно, 42 и 5,7%; изоэлектрически осажденный белок имел содержание белка и фитата, соответственно, 83 и 2%, а растворимый белок имел содержание белка и фитата, соответственно, 86 и 1,7%. Изоэлектрический и растворимый белки содержали, соответственно, 22 и 11% общего количества белка в исходном материале пищевого продукта из канолы. По сравнению с этими данными экстрагирование белка в щелочных условиях было существенно выше в том случае, когда в качестве исходного материала применяли белые хлопья из канолы, не прожаренные для удаления растворителя. В этом случае неэкстрагированный остаток содержал твердую фазу и белок в количестве 50 и 15% этих веществ, обнаруженных в исходном материале. Исходя из количества сухого вещества, остаток кормовой муки имел содержание белка и фитата, соответственно, 11 и 6,5%, изоэлектрически осажденный белок имел содержание белка и фитата, соответственно, 87 и 1%, а растворимый белок имел содержание белка и фитата, соответственно, 96 и 1,2%. Изоэлектрический и растворимый белки содержали, соответственно, 43 и 33% общего количества белка в исходном материале в виде белых хлопьев из канолы. Очень высокий уровень экстрагирования из таких хлопьев свидетельствует о высокой азотной растворимости исходного материала в комбинации со щелочными условиями экстрагирования.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение в своем самом широком аспекте относится к способу водного экстрагирования и фракционирования исходного материала из масличных семян, такого как хлопья с удаленным растворителем и экстрагированным маслом, имеющие своим источником семена канолы или рапса. Этот материал из масличных семян сначала подвергают экстрагированию растворителем, применяя водный растворитель, а из остающихся твердых фаз выделяют водный экстракт. Его дефитинизируют посредством обработки энзимом, обогащенным фитазой.
Полученный таким образом дефитинизированный экстракт можно подвергнуть тепловой обработке, чтобы индуцировать свертывание содержавшегося в экстракте белка. Затем этот осажденный белок можно выделить из остающейся жидкости путем разделения твердая фаза-жидкость.
Результатом является серия ценных продуктов без выработки побочного продукта или отходов всех видов. Способ по изобретению обеспечивает эффективное экстрагирование, одновременно с этим сохраняя такое содержание белка в неэкстрагированном материале, чтобы этот материал имел хорошую кормовую ценность в качестве белкового волокна для жвачных животных. Жидкий экстракт, полученный после отделения осажденного белка, можно далее обработать путем мембранной фильтрации с последующей выработкой высокоценных продуктов.
На чертеже иллюстрирована концентрация фитата в экстракте из канолы после гидролиза в течение 60 мин с фитазами FFI или Natuphos.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Полное использование имеющегося в наличии потенциала не содержащих масло компонентов масличных семян, таких как семена рапса или канолы, требует проведения процесса фракционирования, в ходе которого эти компоненты разделяют на четко различающиеся продукты, обладающие хорошей ценностью в рамках выбранных применений. Система фракционирования-обработки согласно настоящему изобретению удовлетворяет следующим критериям.
Каждый из продуктов имеет хорошую ценность, например, в качестве кормовых ингредиентов для различных видов животных, таких как рыба, свиньи, цыплята и рогатый скот, или пищевых ингредиентов, предназначенных для потребления человеком.
Эффективность экстрагирования питательных веществ, таких как белок, адекватна выработке существенных количеств высокоценных продуктов, но необходимо соблюдать компромисс с ценностью экстрагированного остатка. Этот остаток сохраняет хорошую ценность в качестве белкового волокна для жвачных животных. В высокоценных продуктах содержание волокна и антипитательных факторов, таких как фитиновая кислота, равно нулю или находится на приемлемо низких уровнях. В ходе процесса не происходит выработки малоценного побочного продукта или отходов.
С целью уменьшения затрат на сушку в рамках суммарного процесса система фракционирования-обработки вырабатывает обезвоженные промежуточные продукты с минимальным содержанием влаги.
Система фракционирования-обработки не требует избытка влаги или химических препаратов, который увеличил бы общие затраты способа за счет потерь и восполнения или вследствие затрат, связанных с повторным использованием влаги и химических препаратов.
В соответствии со сказанным настоящее изобретение предлагает схему фракционирования-обработки, которую можно применять в случае маслосодержащего материала из масличных семян, такого как семена канолы или рапса, для эффективного фракционирования не содержащих масло компонентов масличных семян, на четко различающиеся продукты. Каждый из этих продуктов имеет значительную ценность, и, таким образом, в ходе процесса не вырабатывается каких-либо существенных отходов или побочных продуктов всех видов. Далее способ вырабатывает обезвоженные промежуточные продукты с минимальным содержанием влаги и не требует высоких уровней количества влаги или химических препаратов. Он отличается от существующих технологий тем, что сфокусирован не на эффективном фракционировании материала на высокоценные продукты, а на высокоэффективном экстрагировании и выделении белка из масличных семян. Тем самым обеспечивается полное использование не содержащих масло компонентов семян.
Изобретение применяет в качестве исходного сырья материалы из масличных семян, имеющие своим источником семена рапса или канолы. В частности, исходным материалом являются непрожаренные или слегка прожаренные хлопья из семян рапса или канолы, прошедшие стадию экстрагирования масла. В настоящем изобретении под непрожаренными или слегка прожаренными хлопьями подразумевается остаток семян, который остается после экстрагирования масла, причем из этого материала растворитель удалили, не подвергая материал существенному нагреву. В более точной формулировке непрожаренные или слегка прожаренные хлопья определяют как хлопья, имеющие коэффициент диспергируемости азота (nitrogen dispersibility index, NPI)>50%. Этот коэффициент можно определить официальным методом Ва в соответствии с документами AOCS.
Настоящее изобретение представляет двухэтапный способ экстрагирования и дефитинизации. На первом этапе исходный материал смешивают с водной средой экстрагирования предпочтительно в количестве 10-50 масс./объем. (м./о.)%, более предпочтительно от приблизительно 15 до приблизительно 30 м./о.%. Водная среда экстрагирования может содержать соль, такую как NaCl или KCl, кислоту, такую как HCl или лимонная кислота, или основание, такое как NaOH или КОН. Соли могут присутствовать в количестве <2 м./о.%. Кислоты и основания можно использовать таким образом, чтобы рН среды экстрагирования составлял величину, соответственно, >2 и <12. В предпочтительном варианте осуществления изобретения среда экстрагирования состоит из воды без добавления соли, кислоты или основания.
После смешивания исходного материала со средой экстрагирования смесь обезвоживают, применяя такие системы, как компрессионная и/или вакуумная фильтрация и просеивание посредством сита, или любую другую систему разделения, которая удалит экстракт, состоящий из жидкости, причем эта жидкость содержит растворимые материалы вместе с мелкими фрагментами твердых фаз. Эти фрагменты в экстракте первоначально содержат сердцевину клеток. Экстрагированный остаточный материал состоит из более крупных экстрагированных частиц, таких как кожура и более крупные фрагменты экстрагированной сердцевины клеток. В исходном материале большинство фенольных соединений обнаруживают в волоконных структурах в кожуре семян. В мягких экстрагирующих условиях без применения кислоты, основания или соли в среде экстрагирования, использованной в этом изобретении, окисления фенольных соединений не происходит, и не требуется включения высоких уровней содержания таких соединений, как Na2SO3, ингибирующих окисление фенольных соединений.
Удаление мелких фрагментов сердцевины клеток вместе с растворимыми веществами в объемном экстракте приводит к эффективному, но все еще сбалансированному экстрагированию. В таком экстракте выделяют более 30%, предпочтительно более 50%, общего количества белка. В предпочтительном варианте изобретения эта цифра составляет приблизительно 65%. Согласно изобретению экстрагированный материал сохраняет значительную ценность в качестве белкововолокнистого корма для жвачных животных. В экстрагированном материале содержание белка составляет величину >20%, предпочтительно >30% количества сухого вещества. Обезвоживание экстрагированного материала представляет собой относительно эффективный процесс, так что после него содержание влаги составляет величину <70% общей массы. В рамках настоящего изобретения с целью увеличения ценности обезвоженного экстрагированного материала в качестве кормового ингредиента из белковых волокон имеется альтернатива для его дальнейшей обработки. Например, для повышения перевариваемости волокна материал можно было бы известным образом подвергнуть дальнейшей обработке химическим препаратом, таким как NaOH. Кроме того, увеличить этот параметр можно было бы посредством применения известных способов физического разрушения волокон, таких как разрыв волокна, имеющий в своей основе пар или аммиак. Наконец, в случае продукта, скармливаемого жвачным животным, для повышения перевариваемости волокна материал можно было бы обработать разрушающими волокно энзимами, такими как модифицированная феруловой кислотой эстераза, целлюлаза и гемицеллюлаза. Согласно изобретению, чтобы получить конечный продукт с хорошей ценностью в качестве белкововолокнистого корма для жвачных животных, таких как рогатый скот и овцы, обезвоженный экстрагированный материал можно высушить известным образом.
На втором этапе изобретения экстракт полностью или частично дефитинизируют в контролируемых условиях температуры и длительности посредством инкубации с энзимным продуктом, обогащенным фитазой. Для содействия активности энзима рН объемного экстракта можно модифицировать, Далее для содействия процессу дефитинизации к экстракту можно добавить химические хелатирующие агенты, такие как лимонная кислота. В публикации Maenz D.D. et al., Ani. Feed Sci. Tech.81, 177-192, 1999, было показано, что такие агенты, в том числе лимонная кислота, при добавлении их к водной фитазной суспензии, содержащей кормовую муку из канолы, будут способствовать процессу дефитинизации. Предположительно это происходит посредством механизма конкурентного хелатирования, в котором хелатирующий агент связывает минеральные вещества, тем самым уменьшая их связывание с фитиновой кислотой и увеличивая чувствительность субстрата к гидролизу энзимом.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения на этапе дефитинизации не применяют ни модификации рН, ни химических хелатирующих агентов. Согласно изобретению энзимная инкубация при температуре 10-70°С может занять 1-600 мин. Однако процесс дефитинизации относительно эффективен, и в предпочтительном варианте осуществления изобретения реакция при 50°С может осуществиться за 60 мин. Во время фазы энзимной обработки гидролизуется более 50%, предпочтительно более 70%, общего количества фитата в объемном экстракте.
В соответствии с настоящим изобретением содержание белка в дефитинизированном экстракте составляет >40%, предпочтительно >50%, сухого вещества. Содержание фитата в дефитинизированном экстракте <1,0%, предпочтительно <0,5%, сухого вещества. Чтобы выработать продукт с низким содержанием фитата и высоким содержанием белка, существует альтернатива в виде сушки экстракта известным образом. Этот продукт должен иметь хорошую ценность в качестве кормового ингредиента для таких животных, как рыба, свинья, домашняя птица, жвачное животное и другие животные этого типа.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения ценность экстракта увеличивают за счет дальнейшего фракционирования. Например, часть белка в экстракте можно осадить известным образом такими техническими приемами, как изоэлектрическое осаждение. Чтобы индуцировать осаждение, в этом конкретном способе рН экстракта доводят до значения рКа белков в растворе, содержащемся в экстракте. Затем осажденные белки отделяют от жидкости и сушат, формируя продукт с низким содержанием фитата и высоким содержанием белка. В другом примере белки в экстракте можно сконцентрировать известным образом такими техническими приемами, как мембранное фильтрование, разделяющее молекулы в растворе на основе различий их молекулярных масс. Пропусканием экстракта через мембрану ультрафильтра растворимые белки концентрируют в остатке и частично отделяют от соединений с более низкой молекулярной массой.
Белковый концентрат, сформированный во время этого этапа ультрафильтрации, можно высушить, чтобы выработать продукт с низким содержанием фитата и высоким содержанием белка. Далее можно последовательно провести два или несколько этапов концентрирования белка, получая из экстракта многокомпонентные продукты. Например, чтобы осадить часть из общего количества белка в экстракте, можно применить этап осаждения, такого как изоэлектрическое осаждение. Полученный материал можно удалить из жидкости, а жидкость затем пропустить через мембрану ультрафильтра, чтобы выработать белковый концентрат. В такой системе из экстракта приготавливают два белковых продукта.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения дефитинизированный экстракт далее подвергают тепловой обработке. Его выдерживают при температуре >80°С в течение отрезка времени более 1 мин. В предпочтительном варианте температуру дефитинизированного экстракта увеличивают до 95°С и выдерживают в этих условиях в течение 5 мин. Часть общего количества белка в экстракте чувствительна к белковому свертыванию, индуцированному нагревом. Далее процесс тепловой обработки служит для пастеризации экстракта, уменьшая тем самым бактериальный потенциал в конечных продуктах. В добавление к этому тепловая обработка будет денатурировать любую форму активности энзима, воздействующей на экстракт во время фазы энзимной обработки. В порядке альтернативы к экстракту добавляют химические препараты, такие как CaSO4, о которых известно, что они способствуют свертыванию белков, индуцированному нагревом. Кроме того, для облегчения процесса указанного свертывания к экстракту в порядке альтернативы добавляют кислоту, такую как HCl, или основание, такое как NaOH.
В предпочтительном варианте осуществления химические препараты не добавляют вообще, и индуцированное нагревом свертывание белка происходит без усложнения состава экстракта. Затем прошедший тепловую обработку дефитинизированный экстракт обрабатывают с использованием таких методов, как просеивание через металлические сита в комбинации с компрессионной и/или вакуумной фильтрацией, и/или какими-либо другими методами разделения, которые эффективно удаляют жидкость из твердых фаз (свернувшийся белок вместе с мелкими фрагментами твердых фаз). Согласно изобретению >30%, предпочтительно >50% общего количества белка в прошедшем тепловую обработку дефитинизированном экстракте находится в форме твердых фаз, для которых можно легко провести обезвоживание, как это описано выше. Обезвоживание представляет собой настолько эффективный процесс, что после него содержание влаги составляет <70% общей массы обезвоженных твердых фаз. Низкое содержание влаги в обезвоженном белковом продукте, сформированном из экстракта, является неожиданным фактором и полезно в том смысле, что для выработки конечного продукта будет иметь место существенная экономия из-за более низких затрат на сушку.
Согласно изобретению количество белка составляет >45%, предпочтительно >55% сухого вещества в обезвоженных твердых фазах, выделенных из прошедшего тепловую обработку дефитинизированного экстракта. Согласно изобретению содержание фитата составляет <1%, предпочтительно <0,5% сухого вещества в обезвоженных твердых фазах. В соответствии с настоящим изобретением эти фазы можно легко высушить известным образом, получив продукт с низким содержанием фитата и высоким содержанием белка. Этот продукт имеет отличную кормовую ценность для различных видов животных, включая рыбу, свиней, домашнюю птицу, жвачных животных и других животных этого типа.
Жидкая фаза, сформированная во время обезвоживания прошедшего тепловую обработку дефитинизированного экстракта, в первую очередь будет содержать растворимые углеводороды и растворимые белки, устойчивые по отношению к индуцированному нагревом осаждению. Эту жидкость можно высушить известным образом, чтобы выработать продукт с белком в качестве источника энергии, представляющий ценность в качестве кормового ингредиента для различных видов животных, включая рыбу, свиней, домашнюю птицу, жвачных животных и других животных этого типа.
Чтобы увеличить ценность материала, в предпочтительном варианте осуществления изобретения жидкую фазу, сформированную во время обезвоживания прошедшего тепловую обработку дефитинизированного экстракта, далее фракционируют. Например, часть общего количества белка в экстракте можно осадить известным образом с помощью таких технических приемов как изоэлектрическое осаждение. Затем осажденные белки можно выделить и высушить, чтобы сформировать продукт с низким содержанием фитата и высоким содержанием белка. Жидкость, остающаяся после удаления осажденного белка, может содержать, в первую очередь, растворимые углеводороды и белки, устойчивые по отношению к осаждению, индуцированному нагревом, и изоэлектрическому осаждению. Этот материал может быть высушен для выработки продукта с хорошей кормовой ценностью для таких животных, как свиньи и домашняя птица.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения непосредственно обрабатывают жидкость, сформированную во время обезвоживания прошедшего тепловую обработку дефитинизированного экстракта, пропуская ее через мембранные фильтрующие устройства, чтобы выделить и сконцентрировать находящиеся в жидкости растворимые белок и углеводороды. В частности, белковый концентрат с содержанием белка >65%, предпочтительно >75%, сухого вещества можно сформировать, пропуская жидкость через мембрану ультрафильтра. Белковый концентрат, сформированный во время ультрафильтрации, можно высушить известным образом для выработки продукта с высокой белковой ценностью. Согласно изобретению содержание фитата в этом белковом концентрате составляет величину <0,1% сухого вещества. В предпочтительном варианте изобретения содержание фитата в белковом концентрате вообще невозможно обнаружить. Концентрат с нулевым содержанием фитата и высоким содержанием белка имеет отличную ценность в качестве кормового ингредиента для рыбы, свиней, цыплят и рогатого скота. Этот белковый концентрат имеет также потенциал использования человеком в качестве пищевого ингредиента.
Вместе с тем в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения фильтрат, сформированный во время этапа ультрафильтрации, можно далее обработать с помощью нанофильтрации для выработки концентрата, обогащенного углеводородами. Такой углеводородный концентрат можно применять непосредственно в качестве кормового продукта для животных, представляющего собой источник энергии в виде жидкого концентрата. В порядке альтернативы концентрат можно известным образом высушить и применять в качестве сухого кормового ингредиента. Наконец, существует вариант применения жидкого концентрата непосредственно в качестве сырья в процессе ферментации для производства этанола.
Далее в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения фильтрат, сформированный во время нанофильтрации, можно повторно возвратить непосредственно в первичную среду экстрагирования. Существует альтернативный вариант, заключающийся в очистке воды в фильтрате посредством обратного осмоса. При этом в качестве дополнительного продукта вырабатывается концентрат минеральных веществ.
Далее изобретение будет описано более детально с помощью приведенных ниже примеров. Примеры представлены только для иллюстрации изобретения и их не следует истолковывать как какое-либо ограничение объема изобретения.
Пример 1
Фракционирование непрожаренных хлопьев из канолы
С применением серийного измельчающего оборудования получили погруженные в гексан хлопья из канолы с экстрагированным маслом. Удалению растворителя или прожариванию этот материал не подвергали. Хлопья хранили в мешках из джутовой ткани, установленных на открытом воздухе в течение минимум 7 дней для испарения гексана. Хлопья с удаленным растворителем раскрошили, чтобы разрушить в них более массивные образования.
20 кг хлопьев из канолы с удаленным растворителем перемешали с 60 литрами воды при 50°С в ленточном смесителе в течение 10 мин. Смесь пропустили через компрессионный ленточный фильтр-пресс (Frontier Technologies Incorporated). Лента состояла из 30 см ленты 350 CFM с 9 прижимными роликами и откусывающим роликом. Пропусканием через ленточный пресс разделили смесь на экстракт и спрессованный остаток. Экстракт пропустили через удаляющее мякоть серийное устройство малой производительности, установленное совместно со специально изготовленным металлическим ситом, отверстия которого составляли 0,15 мм. Указанное устройство удалило из экстракта более крупные частицы. Для улучшения отделения более крупных частиц повторили пропускание мякоти через это же устройство. Оставшуюся после второго пропускания мякоть смешали с материалом спрессованного остатка. К спрессованному остатку добавили 20 литров воды при 50°С и перемешали смесь в ленточном смесителе до получения равномерной консистенции. Затем смесь пропустили через ленточный фильтр-пресс. Экстракт, полученный в результате этого второго пропускания через ленточный пресс, обработали, пропустив через устройство, удаляющее мякоть, как это было описано для первого экстракта. Мякоть, остающуюся от обработки второго экстракта, примешали во второй спрессованный остаток. 10 литров воды при 50°С перемешали со вторым спрессованным остатком в ленточном смесителе до получения равномерной консистенции.
Затем для выработки экстракта и спрессованного остатка смесь обработали, пропустив через обезвоживающий винтовой пресс (модель СР-6, Vincent Corporation) с диаметром винта 15 см. Экстракт обработали, пропустив через устройство, удаляющее мякоть, как это было описано выше, и мякоть добавили к спрессованному остатку, полученному после первого прохождения через винтовой пресс. 5 литров воды при 50°С перемешали со спрессованным остатком в ленточном смесителе до получения равномерной консистенции. Смесь пропустили через винтовой пресс. Экстракт пропустили через устройство, удаляющее мякоть, как это было описано выше, и мякоть добавили к спрессованному остатку. Для выработки конечных спрессованного остатка и экстракта смесь мякоти и спрессованного остатка (без дальнейшего добавления воды) обработали, пропустив последний раз через винтовой пресс. Для выработки конечного экстракта все экстракты с удаленной мякотью, полученные на различных этапах в процессе экстрагирования-обезвоживания, собрали вместе и перемешали. Провели анализ на содержание необработанного белка и сухого вещества для исходного материала, конечного экстракта и конечного спрессованного остатка. Относительные содержания белка и сухого вещества показаны в Таблице 1.
| Таблица 1. | ||||
| Содержание белка и сухого вещества | ||||
| необработанный белок, %1) | сухое вещество, % | % общего количества необработанного белка2) | % общего количества сухого вещества2) | |
| Хлопья из канолы | 39,6 | 90,9 | ||
| Экстракт | 49,3 | 13,4 | 64,3 | 51,7 |
| Спрессованный остаток | 32,8 | 30,0 | 32,7 | 39,1 |
| 1) Содержание необработанного белка выражено в виде процентного количества сухого вещества. 2) Содержание белка и сухого вещества в экстракте и спрессованном остатке выражено в виде процентного отношения белка и сухого вещества в исходном материале в виде хлопьев из канолы. |
Пример 2
Дефитинизация экстракта из канольных хлопьев
Фитазу Natuphos® 5000, BASF, или FFI фитазу (некоммерческий энзим, поставляемый фирмой FinnFeeds International) разбавили в воде таким образом, чтобы аликвота 250 мкл была эквивалентна добавлению, соответственно, 0, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 6000, 8000 и 10000 ед. фитазы. Одну единицу активности фитазы определяют как количество источника энзима, высвобождающего 1 мкмоль неорганического фосфора в минуту из избыточного раствора фитата натрия при 37°С и рН 5,5.
20 г непрожаренных хлопьев из канолы с удаленным растворителем смешали в трубе конической центрифуги со 100 мл 0,75% NaCl, нагретого до 50°С. Суспензию центрифугировали при 3000 g (g - ускорение свободного падения) в течение 10 мин. Отстоявшийся слой удалили, разделили на 2 мл аликвоты в стеклянных пробирках и поместили в водяную баню при 50°С. По истечении 60 мин реакцию прервали, добавив 1 мл замороженной 1М HCl и агрессивно перемешав. Образцы выдержали на льду, чтобы гарантировать прекращение реакции. Провели анализ образцов на растворимый фосфор, а образец, соответствующий 60 мин, проанализировали на фитат.
Уровень фитата в солевом экстракте после обработки фитазой FFI и Natuphos в течение 60 мин показан на чертеже. Для полной дефитинизации экстракта из канолы при рН 5,8 понадобилось только по 250 ед. любой фитазы. Более раннее исследование показало, что для полной дефитинизации суспензии муки из канолы требуется фитаза в количестве 5000 ед./кг. Предыдущая работа показала также, что эффективность дефитинизации улучшалась за счет понижения рН суспензии с 5,8 до 5,0, однако в этом исследовании реакция протекала очень быстро даже при рН 5,8.
Пример 3
Индуцированное нагревом свертывания белка дефитинизированного экстракта из канольных хлопьев
Непрожаренные хлопья из канолы с удаленным растворителем обработали посредством экстрагирования-обезвоживания, как это было описано в предыдущих примерах. Однако в этом случае для удаления больших агрегатов из исходного материала хлопья с удаленным растворителем просеяли через сито №10 по номенклатуре США.
Конечный экстракт поместили в 100-литровый паровой котел и увеличили температуру экстракта до 50°С. Добавили к смеси фитазу (FFI фитазу, как описано в примере 2), обеспечив 1500 ед. фитазы на 1 кг исходного материала из первоначальных хлопьев. Смесь энергично перемешали в непрерывном режиме, используя механическую мешалку, причем указанную температуру поддерживали в течение 60 мин, чтобы воздействовать на дефитинизацию экстракта. По окончании периода дефитинизации температуру смеси увеличили до 95°С и поддерживали эту температуру в течение 5 мин. По окончании периода тепловой обработки подачу пара к паровому котлу отключили и пропустили через трубопроводы холодную воду. Поверх жидкости сформировался обогащенный белком продукт свертывания, отвердевший за 20-минутный период охлаждения.
Все вещества, содержащиеся в паровом котле, пропустили через нитексное сито с отверстиями 220 мкм, задержав на нем твердые фазы. Сито вместе с его содержимым сложили и поместили в форму для сыра. Обогащенный белками продукт свертывания в течение 10 мин подвергали давлению при 35 кПа посредством гидравлического пресса для сыра. Увеличили давление до 70 кПа и выдерживали его в течение 10 мин. Снова увеличили давление до 140 кПа и выдерживали его в течение следующих 10 мин. Еще раз увеличили давление до 210 кПа и выдерживали его в течение следующих 10 мин. В последний раз увеличили давление до 280 кПа и выдерживали его в течение 20 мин. Провели анализ на белок и сухое вещество для исходных хлопьев, конечного спрессованного остатка, экстракта, обезвоженного обогащенного белком продукта свертывания и жидкой фракции, полученной из процесса обезвоживания дефитинизированного экстракта, прошедшего тепловую обработку. Содержание белка и сухого вещества в различных фракциях, а также расходы масс белка и сухого вещества показаны в Таблице 2.
| Таблица 2 | ||||
| Содержание белка и сухого вещества во время процесса экстрагирования-обезвоживания с последующей тепловой обработкой и обезвоживанием экстракта из канольных хлопьев | ||||
| необработанный белок, %1) | сухое вещество, % | % общего количества необработанного белка2) | % общего количества сухого вещества2) | |
| Хлопья из канолы | 40,7 | 91,4 | ||
| Экстракт | 49,2 | 11,8 | 58,0 | 48,0 |
| Спрессованный остаток | 33,1 | 28,3 | 31,8 | 39,1 |
| Обезвоженный продукт свертывания | 62,1 | 29,5 | 41,9 | 27,4 |
| Жидкость из процесса обезвоживания продукта свертывания | 35,7 | 7,0 | 16,4 | 18,6 |
| 1) Содержание необработанного белка выражено в виде процентного количества сухого вещества. 2) Содержание белка и сухого вещества выражено в виде процентного отношения белка и сухого вещества в исходном материале в виде хлопьев из канолы. |
Пример 4
Ультрафильтрация жидкого экстракта, полученного во время обезвоживания белкового продукта свертывания, который сформирован тепловой обработкой экстракта из канолы.
Жидкий экстракт получили компрессионным обезвоживанием белкового продукта свертывания, сформированного тепловой обработкой экстракта из канольных хлопьев. Для получения жидкого экстракта использовали те же процедуры, что и в примерах 1 и 3.
7,5 литров жидкости во время процесса фильтрации выдержали при постоянной температуре 45°С. Пропустили жидкость через мембрану ультрафильтра 1812 с номинальной пограничной молекулярной массой 10000. Собрали фильтрат, а остаток сконцентрировали до 1,5 л. После завершения ультрафильтрации провели полностью 6 циклов диафильтрации. Для каждого цикла к остатку добавляли 1,5 л воды при 45°С, а остаток отфильтровали до объема 1,5 л. Провели анализ конечного остатка на содержание белка и сухого вещества. Для остатка была получена конечная концентрация белка 91,3% (выраженная в виде процентного отношения сухого вещества).
1. Способ водного экстрагирования и фракционирования исходных материалов из масличных семян с целью выработки ценных продуктов при незначительном количестве малоценных побочных продуктов и отходов всех видов, включающий в себя
(а) смешивание исходного материала из семян рапса или канолы с водной средой при концентрации 10-50 мас.%/объем в мягких экстрагирующих условиях с целью формирования водной смеси, содержащей водный экстракт, включающий в себя экстрагированный белок, мелкие фрагменты твердых фаз сердцевины клеток семян рапса или канолы и материал волокон,
(б) отделение полученного водного экстракта от остающегося остатка твердых фаз путем фильтрации или просеивания посредством сита с целью получения фильтрата, содержащего водный экстракт, включающий в себя экстрагированный белок и мелкие фрагменты твердых фаз сердцевины клеток, при оставлении остатка в виде экстрагированных твердых фаз, содержащего, по меньшей мере, 20 мас.% белка относительно сухого вещества остатка твердых фаз,
(в) обработку указанного водного экстракта и мелких фрагментов твердых фаз сердцевины клеток энзимом, обогащенным фитазой, при температуре, выбранной в интервале 10-70°С, с целью получения экстрагированной дефитинизированной высокобелковой фракции, содержащей, по меньшей мере, 30 мас.% общего количества белка, содержавшегося в исходных материалах,
(г) обработку указанной экстрагированной дефитинизированной высокобелковой фракции путем выдерживания ее при температуре не ниже 80°С в течение, по меньшей мере, 1 мин для индуцирования свертывания содержащегося в ней белка, и
(д) обработку указанной экстрагированной фракции, содержащей свернувшийся белок, посредством разделения на твердую фазу и жидкость для получения дефитинизированной жидкой фракции, содержащей растворимые белки, и обогащенной белками дефитинизированной твердой фракции.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная водная среда представляет собой воду, по существу, не содержащую кислоты, основания или соли.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные мелкие фрагменты твердых фаз сердцевины клеток проходят через металлическое сито с отверстиями 0,15 мм.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что по завершении этапа (б) экстрагированный остаток твердых фаз собирают в качестве полезного продукта из белковых волокон.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что полученные на этапе (д) указанную обогащенную белками дефитинизированную твердую фракцию и указанную дефитинизированную жидкую фракцию, содержащую растворимые белки, собирают отдельно в качестве полезных белковых продуктов.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что исходный материал содержит хлопья, остающиеся после экстрагирования масла и удаления растворителя из семян рапса или канолы.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что указанные хлопья с удаленным растворителем являются слегка прожаренными.
8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что дефитинизированный водный экстракт нагревают, чтобы индуцировать свертывание содержащегося в нем белка.
9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в водный экстракт экстрагируют более 50% общего количества белка, содержащегося в исходном материале из масличных семян.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработкой энзимом, обогащенным фитазой, гидролизуют более 50% общего количества белка, содержащегося в водном экстракте.
11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что обогащенная белками дефитинизированная твердая фракция содержит менее 1 мас.% фитата.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанную обогащенную белками дефитинизированную твердую фракцию далее обрабатывают посредством ультрафильтрации, чтобы сконцентрировать и частично отделить растворимый белок от составляющих с более низкой молекулярной массой.
13. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанную обогащенную белками дефитинизированную твердую фракцию сушат для производства концентрата с высоким содержанием белка и низким содержанием фитата.
14. Способ по п.11, отличающийся тем, что указанная обогащенная белками дефитинизированная твердая фракция содержит, по меньшей мере, 45 мас.% белка относительно сухого вещества твердых фаз.
