3-D экстракции растительного белка. Проектирование
реклама
Важность выполнения инновационных работ с применением новых технологий в настоящее время неоспорима. Традиционные методы переработки растительного и животного сырья зачастую дороги, требуют применения агрессивных химических агентов и сложного технологического оборудования, а также сопряжены с образованием большого количества отходов. В связи с этим, идет активное освоение новых высокотехнологичных методов переработки сырья. Эти методы основываются на новых подходах, среди которых следует упомянуть все более активное использование ферментов вместо химических агентов. Конечно, мы нацелены вперед на создание новых безотходных технологий, с помощью которых будет возможна переработка сырья по наиболее комплексному и «зеленому» пути. Мы также отходим от получения крупнотоннажных продуктов и все более заинтересованы в производстве минорных компонентов, обладающих высокой биологической ценностью. В настоящей презентации основное внимание уделено использованию термобаромеханической обработки, направленной на улучшение экстракции компонентов из растительного сырья с получением высокобелковых продуктов. Растительные белки, как известно, находят широкое применение в пищевой промышленности. Основными преимуществами растительного белка перед животным является большая продуктивность его получения в расчете на единицу массы и гораздо более низкая себестоимость его производства. Среди источников растительного белка можно выделить такие сельскохозяйственные культуры, как, соя, горох, фасоль, подсолнечник, люпин. Отдельного внимания заслуживает культурная соя, на протяжении десятилетий используемая для производства растительного белка. Ведущая роль сои применительно к производству растительного белка основывается на высоком содержании белка в соевых семенах (около 35%), а также на том, что соевый белок среди всех растительных наиболее близок по аминокислотному составу к животному. Переработка соевых семян приводит к получению таких продуктов, как «белый лепесток» с содержанием сырого протеина около 50%, концентрированных белковых продуктов – концентратов и изолятов, а также гидролизного белка – продукта обработки нативного или денатурированного белка в составе вышеперечисленных продуктов протеолитическими ферментными препаратами. Традиционным сырьем для получения высокобелковых форм является «белый лепесток»: продукт, получаемый из соевых бобов при экстракции соевого масла гексаном, и представляющий собой расплющенные хлопья обезжиренной сои. Для получения концентратов и изолятов белка на базе «белого лепестка» традиционно используют два подхода: извлечение белка в раствор с его последующим осаждением и очисткой либо извлечение из белого лепестка растворимых компонентов в условиях, когда белок находится в нерастворимом состоянии. Второй подход относится к производству концентратов, и наиболее широко для производства последнего используют экстракцию водными растворами этилового спирта, что приводит к денатурации и потере растворимости белка или экстракцию при значении рН, соответствующему изоэлектрической точке соевого белка. Получение соевого изолята состоит из таких стадий как экстракция в щелочных условиях, удаление нерастворимой части «белого лепестка», очистка экстракта и осаждение белка в изоэлектрической точке с помощью добавления кислоты, удаление сыворотки и промывка осадка белка, его нейтрализация и сушка. Как можно видеть, схема процесса весьма длина и сложна. Однако, получение высококонцентрированных белковых продуктов традиционными методами сопряжено с рядом трудностей как технологического, так и экономического плана. К группе технологических трудностей следует отнести заметное влияние гранулометрии исходного сырья на эффективность процесса, низкую эффективность экстракции, необходимость использования высоких гидромодулей экстрагентов, что в свою очередь приводит к увеличению затрат на очистные сооружения и усложнению технологических линий в целом. Вследствие использования химических агентов и органических растворителей в такого рода процессах к предприятиям предъявляются повышенные требования по обеспечению мер безопасности, также из-за экономических причин реализация такого производства рентабельна лишь в крупнотоннажных масштабах. Для решения этих проблем нами был предложен уникальный метод предобработки исходного сырья, заключающийся в предобработке обезжиренной или полуобезжиренной соевой муки или «белого лепестка» термобаромеханическим методом с получением пористого гелевого продукта, дальнейшая обработка которого в мягких условиях приводит к получению высококонцентрированных белковых продуктов. Предлагаемая технология имеет целый ряд преимуществ по сравнению с традиционной. Во-первых, наряду с традиционным обезжиренным сырьем позволяет использовать полуобезжиренное сырье. Полуобезжиренное сырье получают отжимом масла из бобов прессовым методом без использования каких-либо органических растворителей, то есть данная технология может быть полностью «зеленой». Это, в свою очередь, приводит к упрощению требований к оборудованию и снижению затрат на мероприятия по обеспечению безопасности. Кроме того, такая технология может быть реализована и на малых предприятиях. Во-вторых, уникальные характеристики пористых гелевых гранул, позволяют резко снизить гидромодуль растворителя, используемого для экстракции, так как модификация структуры исходного сырья обеспечивает высокие показатели эффективности экстракции. Снижение гидромодуля позволяет использовать более простое, дешевое и небольшое по размерам оборудование, сократить затраты на производство конечного продукта и на очистные мероприятия. Потенциально такая технология может быть практически безотходной. В-третьих, при использовании пористых гелевых гранул гранулометрия исходного сырья не влияет на эффективность процесса, но позволяет использовать прессовое оборудование вместо дорогого оборудования для центрифугирования. При реализации «зеленой» технологии наиболее предпочтительным растворителем является обычная вода. Нативный соевый белок в таких условиях, как следует из рисунка, растворим примерно на 80%. То есть, при обработке водой нативного соевого сырья переход белка в жидкую фазу будет неполным, образующийся же остаток также не будет являться высококонцентрированным белковым продуктом. Для получения продуктов с содержанием сырого протеина не менее 70% необходимо использовать либо щелочи для достижения рН 8-9, либо кислоты до рН 4,5 – то есть, применять химические агенты. В нейтральной области рН к получению концентратов белка сои приводит обработка этиловым спитом, однако он достаточно дорог по сравнению с водой, огнеопасен. Растворение нативных соевых белков при использовании традиционных методов при обработке белого лепестка водой при рН 6,5-7,0 протекает неполно и требует дополнительной обработки экстракта химическими веществами для получения высококонцентрированных продуктов. Содержание сырого протеина в осадке при таких условиях не превышает 60%. Мы предлагаем «перевернуть» процесс – перевести максимальное количество имеющихся в сырье белков в единую трехмерную сетчатую структуру – пористый гель, а затем экстрагировать из полученного геля «загрязняющие» примеси. По нашей технологии белый лепесток, предварительно прошедший термобаромеханическую обработку, экстрагируется обычной водой при рН 6,5-7,0. Этот способ позволяет получить два ценных продукта: концентрат белка сои с содержанием сырого протеина до 80% и раствор низкомолекулярных веществ, который может являться источником дополнительных ценных компонентов. Наш способ предобработки предполагает увлажнение соевых хлопьев и воздействие на увлажненную суспензию высокой температурой, давлением и механическими силами, вызывающими структурную деформацию сырья. В отличие от традиционной муки, форма, размеры и химический состав пористых гелевых гранул может варьироваться в широких пределах, в зависимости от назначения продукта. Именно структура получаемого продукта и позволяет нам говорить о «3Д-экстракции» – мы обеспечиваем доступ к элементам структуры продукта, независимо от его реального геометрического размера, который может быть и больше, и меньше традиционных 100 меш. Получающийся продукт имеет пористую сетчатую структуру, матриксом которой являются соевые белки, часть из которых теряется при обычных методах переработки. Высокая проницаемость и пористость продукта подтверждаются прекрасными массообменными характеристиками, что приводит к высокой скорости экстракции. Новизна нашего подхода подтверждена несколькими как российскими, так и зарубежными патентами. На слайде вашему вниманию предоставлены фотографии исходного сырья – «белого лепестка», пористых гелевых гранул и влажного концентрата после водной промывки. Таким образом, основными преимуществами использования нашего способа предобработки является возможность использования как частично обезжиренного сырья, полученного прессовым методом без использования органических растворителей, так и традиционного обезжиренного продукта с получением высокобелковых продуктов без использования химических агентов. Следует отметить, что в случае использования полуобезжиренного сырья мы также получаем прессовое соевое масло с высоким содержанием токоферола и улучшенными свойствами, например, увеличением срока хранения. Стадийность предлагаемой нами схемы может быть описана следующим образом. Шелушенные бобы подвергаются механическому прессованию с получением частично обезжиренных соевых хлопьев и прессового соевого масла. Соевые хлопья, подвергнутые предобработке экструзией с получением пористых гелевых гранул, далее экстрагируются водой с получением концентрата белка сои с содержанием сырого протеина как минимум 65% (обычно 75-80%) и экстракта низкомолекулярных компонентов. Последний затем упаривают под вакуумом до содержания сухих веществ 35-40% и используют в таком виде в дальнейшем. Влажный концентрат белка также можно высушить. В результате лабораторных и пилотных испытаний мы установили, что процесс экстракции идёт с хорошей интенсивностью при соотношении воды к сырью 1:4, но с практической точки зрения процесс лучше всего проводить в соотношении 1:5. Традиционные процессы обычно проводят при соотношении 1:10, то есть экономия воды в нашем случае достигает двух раз, что приводит к существенному уменьшению затрат на упаривание и сушку продуктов. При использовании в качестве исходного сырья пористых гелевых гранул полученный концентрат содержит до 80% сырого протеина, при этом потери белка в экстракт составляют 6-9%, то есть более 90% сырого протеина, содержащегося в исходном сырье, остается в концентрате. Кроме того, за счет высокой пористости гранул процесс экстракции протекает в течение 20-30 минут по сравнению с часом и более для традиционного белого лепестка. Учитывая тот факт, что экстракция проводится из гранулированного сырья, нет необходимости использовать для отделения проэкстрагированных продуктов центрифуги – их можно заменить более дешевым прессовым оборудованием. Полная схема предлагаемого нами процесса экстракции предполагает проведение двухстадийной противоточной экстракции в очень низких гидромодулях – до 1:5. После сепарации, упаривания и сушки полученных экстракта и влажного концентрата конечными продуктами технологии являются концентрат белка сои с содержанием сырого протеина около 75% (до 80%), а также концентрат низкомолекулярных веществ сои. Содержание сырого протеина в нем составляет 10-15%, при этом до 70% от сухих веществ приходится на соевые олигосахара. На слайде также представлены выходы получаемых продуктов в расчете на сырые соевые бобы. Как можно видеть, из одной тонны бобов можно получить около полутоны концентрата белка сои с содержанием сырого протеина 75%. Предлагаемая технология имеет высокий экономический эффект. Добавленная стоимость получения концентрата белка по нашей технологии в 3,5-4 раза выше в сравнении с традиционной переработкой и использованием полножирного сырья. Расчеты были проведены на 30000 тонн исходных бобов. Среди причин увеличения добавленной стоимости можно отметить снижение стоимости необходимого оборудования, требуется меньшая площадь, меньше высота зданий. Из-за отсутствия вредних химических веществ стоимость специальных защитных мероприятий также ниже. Фактически отсутствует нижняя граница мощности предприятия, делающая производство небольших объемов продукта нерентабельной, что также является большим преимуществом. При проведении простой водной экстракции в жидкую фазу из пористых гелевых гранул извлекаются низкомолекулярные олигосахара, изофлавоноиды, небольшая часть альбуминовой фракции белков. Однако углеводы в составе гранул представлены не только олигосахарами, но также и фракций полисахаридов. Воздействие на нее ферментными препаратами, обладающими целлюлазной, гемицеллюлазной и пектиназной активностями позволяет расщепить полисахариды до растворимых компонентов и извлечь их в раствор, при этом в осадке останется изолят белка. Наши исследования с применением мультиферментного препарата, обладающего требуемым видом активности, показали, что при таком способе обработки пористых гелевых гранул возможно получение изолята белка сои (содержание сырого протеина около 90%) всего в одну стадию ферментативного гидролиза. Обращает на себя внимание то, что проведение процесса эффективно при низких гидромодулях – 1:5-1:6, в то время как обычно ферментативные процессы с использованием растительного сырья ведутся при гидромодуле 1:10 для обеспечения лучшего подхода молекулы фермента к молекуле субстрата. Данное исследование подтверждает наличие у пористых гелевых гранул, полученных по нашей технологии, уникальной пористой структуры, благодаря которой возможно сокращение гидромодулей для проведения экстракционных и ферментативных процессов. В настоящее время гидролиз белков приобретает все большую популярность. Для получения гидролизатов белоксодержащее сырье обрабатывают протеолитическими ферментами, расщепляющими молекулу белка до пептидов и аминокислот. Исходя из этого, одним из путей развития предлагаемой нами технологии может служить гидролиз концентрата белка с получением гидролизного белка. При этом концентрат белка для гидролиза может использоваться как в высушенном, так и во влажном состоянии, что сокращает затраты на производство гидролизатов. У нас нет необходимости предварительно сушить наш продукт до проведения гидролиза, мы предлагаем добавлять протеолитический фермент непосредственно к влажному концентрату. После окончания процесса гидролиза, разделение суспензии приводит к образованию двух фракций: жидкого гидролизата, представляющего собой смесь низкомолекулярных белков, пептидов и аминокислот, и соевой пасты, в которой сконцентрированы пищевая клетчатка и негидролизованный белок. Вследствие сохранения пористой структуры в процессе водной экстракции из пористых гелевых гранул, влажный концентрат белка также имеет пористую структуру. Это позволяет проводить белковый гидролиз с использованием малых гидромодулей, обычно 1:6, что заметно ниже по сравнению с существующими технологическими решениями. Высокая пористость также приводит к образованию большего количества гидролизованной части и меньшего количества негидролизованной и к заметному уменьшению времени, необходимого для солюбилизации белка – скорость процесса в случае использования нешего концентрата выше на 40%. Согласно нашим расчетам, из 1 тонны пористых гелевых гранул можно получить более 400 кг белкового гидролизата с содержанием белка не менее 75%. Нерастворимый осадок содержит более 12% сырой клетчатки, также являющейся ценным сырьем для пищевой индустрии. Аминокислотный анализ получаемых продуктов (пористые гелевые гранулы, концентрат белка, гидролизат, концентрат низкомолекулярной фракции) показал, что наши продукты содержат все незаменимые аминокислоты, хотя они слегка дефицитны по серосодержащим аминокислотам, таким как метионин и цистеин. Это может быть объяснено через состав самого соевого белка как такового. Однако, получение комплексных продуктов на базе не только сои, но и других растительных белков позволяет решить проблему дефицита метионина. Среди путей развития предлагаемой нами технологии можно выделить несколько направлений. Это посик дешевых и более доступных источников растительного белка и углеводов, например, в их качестве могут выступать горох, пшеница, люпин. Использование различных источников белка позволит создавать новые высококонцентрированные продукты с улучшенными свойствами и сбалансированным аминокислотным составом. Кроме того, помимо производства белковых продуктов из растительного сырья не следует забывать о возможности получения продуктов другой природы – например, клетчатки или крахмала. В заключение хочу обратить ваше внимание на то, что мы протестировали наш подход применительно к гороховой муке в качестве стартового материала. Мы проэкстрагировали нативную гороховую муку и предобработанную по вышеописанному методу гороховую муку водой при рН 6,5-7,0. Результаты очень сильно отличаются. В случае использования нативной муки продуктами являлись белково-углеводный экстракт, нуждающийся в дальнейшей обработке химическими агентами для получения высокобелкового продукта, и осадок, содержащий 33% сырого протеина. При использовании пористых гелевых гранул потери белка с экстрактом не превышали 15% и основным продуктом явился концентрат горохового белка с содержанием сырого протеина около 72%. Таким образом, наш подход может быть использован для различных видов растительного материала. В заключение, кратко перечислим основные пути применения продуктов, получаемых по данной технологии. Срели них необходимо назвать получение заменителей и аналогов мясных продуктов, а также белковых продуктов для кормления животных. Гидролиз белка является способом получения ароматизаторов для мясной промышленности и производства снэков, кроме того таким образом может быть получен растворимый белок для обогащения напитков. Следует отметить, что ограниченные протеолиз значительно влияет на функциональные свойства белковых продуктов, что широко используется в пищевой индустрии.
