Способ влажного фракционирования отрубей злаков

Способ влажного фракционирования отрубей злаков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу экстрагирования растворимых белков, углеводов, не являющихся крахмалом, и, возможно, масел из коммерчески доступных отрубей злаков. Изобретение также относится к производству материалов, происходящих из клеточных стенок и менее доступных белков из отрубей злаков, которые по существу не содержат растворимых соединений, а также к полученным таким образом соединениям и к их применению.

Отрубями называют оболочку семян злаков, таких как пшеница, ячмень, рожь, тритикале, овес или рис. По своему строению отруби содержат внешний слой семени, известный как оболочка (перикарп-теста), и внутренний слой, известный как алейроновый слой, который часто классифицируют как самый внешний слой эндосперма. Однако, с практической точки зрения, отрубями злаков в данном случае являются отходы, полученные при традиционном помоле, или при полировке зерна, содержащие главным образом компоненты оболочки (перикарп-теста) и алейронового слоя, а также зародыша и остатки эндосперма. Относительные количества каждого компонента в отрубях зависят от вида злака и используемой технологии обработки зерна.

В рамках этого определения отруби, таким образом, содержат все компоненты - перикарп, алейроновый слой, зародышевый компонент, включающий белки и зародышевое масло, а также остаточное количество крахмала, клейковины и пентозанов эндосперма.

В патенте США №4,361,651 описан способ получения ферментируемых сахаров и продуктов с высоким содержанием белка из зерна, главным образом кукурузы. Согласно этому способу, перед помолом, отделением зародышевого компонента, осахариванием углеводов (в основном - крахмала) и отделением волокон, зерно замачивают в течение 10-30 часов. При этом повышается выход крахмала для ферментации в спирт. В рамках описанного процесса не происходит конкретного фракционирования компонентов отрубей, сепарации белков по типам или с учетом наличия компонента зародыша.

В патенте США №5,312,636 описан способ фракционирования культур для получения промышленного сырья. Он фокусируется на овсе и включает процедуры фракционирования отрубей, которые предусматривают экстракцию гидрофобных компонентов, таких как липиды, в полярных органических растворителях перед щелочной экстракцией остаточных отрубей для получения бета-глюкана, белка и дегуммированных волокон. Использование органического растворителя является ключевой стадией этого способа, а гидролизующие энзимы при фракционировании не используются.

В двух родственных патентах США (4,171,383 и 4,171,384) описаны процедуры сухого и мокрого помола для переработки целых зерен пшеницы. Патент США 4,171,383 фокусируется на мокром помоле целых зерен. Полученные отруби смешивают с отсепарированной (в основном) фракцией белка эндосперма для получения кормов для животных. В патенте США 4,171,384 описывается сухой помол целого зерна для получения фракции эндосперма, фракции зародышей и фракции отрубей. Затем фракцию эндосперма подвергают мокрому помолу и сепарируют фракции, содержащие большое количество крахмала и белка. Белковую фракцию добавляют к отрубям для получения корма для животных. Ни в одном из этих патентов не описан конкретный способ мокрого фракционирования самих отрубей.

В WO 99/11672 описан способ, в котором используются селективные энзимы, такие как ацетилксиланэстераза и эстераза феруловой кислоты, для облегчения удаления гемицеллюлозы из различных материалов растения и изменения ее степени фенольного замещения сложных эфиров. Несмотря на то, что это позволяет получать функциональную гемицеллюлозу с высокой растворимостью и загустеванием, выход продукта довольно низок. Изобретатели сообщают о выходе 3% и 6% арабиноксиланферулата (гемицеллюлоза), когда пшеничные отруби обрабатывались ацетилксиланэстеразой в течение 90 и 180 мин, соответственно. Более того, в изобретении не упоминается применение ксиланазы или ее комбинаций с мокрым помолом для увеличения указанного выхода продукции.

В патенте США №5,308,618 описан способ экстрагирования растворимой гемицеллюлозы пищевых волокон из пшеничных отрубей за счет применения предварительной термообработки в водном растворе. После этого применяются другие операции, такие как фильтрация, высаливание, диализ, ультрафильтрация, обратный осмос, гель-фильтрация и осаждение для удаления примесей из фракции гемицеллюлозы. В этом патенте не заявлено применение энзимов и производство иных продуктов, кроме гемицеллюлозы. Кроме того, этот патент требует проведения дорогостоящих процедур для удаления примесей, которые присутствовали в исходных отрубях пшеницы. Отруби подвергают экстрагированию при высокой температуре и давлении в воде (180-200°С), получая содержащий глюкозу компонент пищевых волокон в водной фазе. Способ конкретно направлен на получение пищевых волокон и на практике, строго говоря, не является процедурой фракционирования, поскольку другие продукты попросту игнорируются.

Патент США №3,879,373 раскрывает процесс экстрагирования гемицеллюлозы из пшеничных отрубей, в котором используется щелочная обработка для растворения гемицеллюлозы и других компонентов отрубей, после чего осуществляется экстракция этанолом для отделения гемицеллюлозы. Щелочное экстрагирование (едким натром) гемицеллюлозы также описано в патенте США №5,174,998 в качестве промежуточной стадии для получения композиций с контролируемым высвобождением, содержащих экстрагированную щелочью гемицеллюлозу и активную субстанцию. Подобная процедура щелочного экстрагирования описана в патенте США №4,927,649 и направлена на получение гемицеллюлозы, которую затем используют в покрывающих композициях, содержащих нерастворимые пищевые волокна.

В WO 00/04053 описан химический процесс, в котором используется обработка щелочной перекисью для получения высокого выхода светлоокрашенной желирующей гемицеллюлозы из материалов, полученных из муки, шелухи или отрубей. Другой процесс химической экстракции гемицеллюлозы из пшеничных отрубей описан в WO 98/31713, где изобретатели объединяют процедуру промывки, при которой удаляется фракция крахмала, и после которой следует обработка щелочью с использованием едкого натра для экстракции гемицеллюлозы из сырья, не содержащего крахмал.

Из вышеописанных предшествующих способов щелочной экстракции гемицеллюлозы следует, что это старый, проверенный и эффективный способ получения большого количества растворимой гемицеллюлозы с представляющей интерес функциональностью, например желирующее вещество, пищевые волокна и инертный материал для композиций с контролируемым высвобождением. Недостаток такой технологии связан с проблемами утилизации химикатов. Во-первых, химикаты в конце концов становятся загрязняющими примесями в различных потоках продукта, которые, следовательно, требуют дополнительной очистки. Это обычно приводит к существенному увеличению издержек. Во-вторых, инновационные промышленные процессы, базирующиеся на химической экстракции, не всегда являются привлекательными с маркетинговой точки зрения, особенно в пищевой промышленности.

Производство нерастворимых пищевых волокон из овса описано в патенте США №5,023,103, где раскрывается химическая процедура (обработка щелочью и отбеливателем) производства нерастворимых пищевых волокон с высокой влагоудерживающей способностью и не вызывающей песчанистого ощущения во рту. Сообщается о получении волокон овса с влагоудерживающей способностью 6.9 г воды на 1 г волокон.

В других источниках раскрываются процессы для экстракции белков из отрубей злаков. В патенте США №4,746,073 раскрыт физический процесс сепарирования частиц алейроновых клеток и частиц перикарпа от товарных пшеничных отрубей. Согласно этому процессу, частицы отрубей размалывают до конкретного размера, электростатически заряжают и пропускают заряженные частицы через магнитное поле, которое отделяет алейрон от частиц перикарпа. Сепарацию проводят, пропуская отруби через молотковую дробилку, а затем подвергая полученные частицы физической сепарации. Во время описанной процедуры фракционирования влажная обработка не проводится.

Эта концепция заметно отличается от настоящего изобретения, которое основано на применении энзимов и влажного помола.

Ващинский и др. (1981) доказали, что коэффициент извлечения белка из обработанных щелочью пшеничных отрубей с полным набором жиров можно повысить с 30% до 38,5%, если этому предшествует обработка полисахаридазой. Эти цифры значительно ниже тех, которые описаны в настоящем изобретении, посредством которого без обработки щелочью достигался коэффициент извлечения 60%. Далее в патенте США №5,622,738 описан способ экстракции растворимой гемицеллюлозы из различных материалов, богатых волокнами, например из зерен злаков, для использования в качестве источника пищевых волокон, в котором используется щелочная варка, после которой следует обработка ксиланазой. Как и в другом источнике, Ващинский и др. для повышения коэффициента извлечения использовали щелочную варку. Кроме того, период энзиматической обработки был довольно длительным (от 3 до 96 ч), что делает этот способ не очень привлекательным с точки зрения производственных затрат.

WO 01/60180 касается способа сепарирования масла из рисовых отрубей, согласно которому отруби в форме кашицы, имеющие соответствующий размер частиц, подвергают энзиматической обработке и обработанную энзимами кашицу подвергают сепарации для выделения масляной фазы для дальнейшего выделения конкретных липидов. Этот процесс проводят в щелочной среде в течение длительного времени, обычно 15 ч. Поскольку никакого расщепления крахмала, составляющего около 15% исходных отрубей, не проводится, любой конечный продукт будет сильно загрязнен крахмалом.

Ясно, что вышеупомянутые способы уровня техники не достигли успеха в создании процесса фракционирования отрубей злаков, в котором не использовались бы химикаты и который давал бы различные пищевые фракции и одновременно позволял получать алейроновые белки, олигосахариды и гемицеллюлозы, и в то же время позволял бы получать нерастворимые пищевые волокна из ранее очищенных отрубей злаков, т.е. по существу свободных от растворимых компонентов, с использованием ксиланаз и/или бета-глюканаз в комбинации с влажным помолом.

Главными задачами настоящего изобретения являются:

1. Создание эффективного и экономичного промышленного мокрого процесса по экстракции и получению зародышевой, богатой алейроном фракций, фракции эндосперма, глюкозы, растворимой гемицеллюлозы, растворимых олигосахаридов, нерастворимых волокон и, возможно, масел из отрубей зерновых культур.

2. Объединение энзиматической обработки с влажным помолом для повышения эффективности экстракции и сепарации в промышленном процессе.

3. Обеспечение получения в процессе фракционирования белковых фракций с особыми физическими свойствами и, следовательно, функциональностью.

4. Обеспечение наименьшего содержания легкоэкстрагируемых и, следовательно, растворимых компонентов в промежуточном сырье, чтобы свести к минимуму загрязнение конечного продукта этими растворимыми компонентами.

5. Процесс осуществляют так, что избегается использование химической экстракции, и так, что используются ксиланазы и/или бета-глюканазы, предпочтительно пищевых сортов и не подвергшиеся генетической модификации, для расширения рыночных возможностей конечного продукта.

В настоящем описании термины "отруби злаков, по существу свободные от растворимых соединений" или "очищенные отруби" относятся к любым отрубям злаков, которые после обычного помола или полировки были обработаны любыми способами для удаления существенного количества растворимых компонентов, экстрагируемых водой или менее полярными растворителями. Полученный после этого материал именуется "очищенные отруби" и должен содержать весьма ограниченное количество растворимых сахаров, крахмала и глютена (менее 1%), но может в то же время содержать определенные белки и жиры, которые являются менее доступными и/или менее растворимыми. Очищенные отруби содержат в основном клеточные стенки, т.е. компонент, содержащий больше всего гемицеллюлозы.

Настоящее изобретение относится к способам, процедурам и к промышленному процессу влажного фракционирования отрубей злаков на две белковых фракции, одна из которых содержит зародышевые масла и сопутствующие компоненты, фракцию волокон, которая также содержит большую часть алейроновых белков, и фракцию сахарного сиропа.

Настоящее изобретение основано на влажном помоле отрубей злаков в присутствии энзимов: а) энзимы, расщепляющие крахмал и относящиеся к группе амилаз и амилоглюкозидаз и, возможно, b) энзимы, не расщепляющие крахмал (полисахаридазы) и, возможно, фитаза в соответствующих температурных условиях, т.е. от 59 до 90°С, более предпочтительно от 50 до 75°С, и pH от 4 до 7,5. После этого следует сепарация вышеперечисленных компонентов из водной суспензии с использованием в основном способов центрифугирования. Уровень pH при использовании альфа-амилазы обычно составляет около 7, а при использовании амилоглюкозидазы - около 4.5. Энзимы обычно используются в коктейле, содержащем от 200 до 1500 IU на 1 г субстрата, но который должен содержать по меньшей мере 1 IU на 1 г субстрата.

Настоящее изобретение также относится к способам, процедурам и к промышленному процессу влажного фракционирования очищенных отрубей на одну богатую белком фракцию, которая содержит главным образом белки из алейроновых клеток, фракцию растворимой гемицеллюлозы, фракцию растворимого олигосахарида и фракцию нерастворимых волокон.

Настоящее изобретение далее направлено на фракционирование очищенных отрубей путем объединения влажного помола и ферментативного гидролиза, конкретно пищевыми ксиланазами и/или бета-глюканазой в условиях хорошо контролируемой температуры, такой как 35-80°С, более предпочтительно от 40 до 50°С, и pH от 4 до 1, предпочтительно от 4,5 до 5,5.

При деградации отрубей и их компонентов pH никогда не превышает 7,5, поскольку щелочной гидролиз оказал бы пагубное воздействие на фракционирование и на конечный продукт.

Другим полезным результатом настоящего изобретения является то, что конечные продукты не содержат или по существу не содержат крахмала, производных крахмала или фрагментов крахмала, образующихся при первичном гидролизе, когда используется обработка энзимами, гидролизующими крахмал.

За этой стадией следует сепарация фракций нерастворимых волокон и белка из водной суспензии с использованием центрифугирования, тогда как и гемицеллюлозу, и олигосахарид сепарируют, используя технологии исключения по размеру, например ультрафильтрацию.

В настоящее время не существует коммерческих, основанных на применении энзимов способов влажного фракционирования отрубей злаков, которые были бы способны экстрагировать вышеуказанные фракции.

Обозначенные выше проблемы решаются, согласно изобретению, способом влажного фракционирования компонентов отрубей злаков, предусматривающим, что отруби злаков, которые являются волокнистым остатком, полученным при первичном помоле зерна, т.е. после отделения фракции эндосперма пшеницы, риса, ячменя, овса, ржи и тритикале, и имеющим переменный химический состав, присутствие непитательных факторов и присутствие различных анатомических фракций, т.е. перикарпа, зародышей и остаточного эндосперма, сначала подвергают комбинации энзиматической обработки энзимами, входящими в группу энзимов, расщепляющих крахмал, причем указанную энзиматическую обработку проводят в течение менее 3 часов при pH от 4 до 7,5 и при температуре от 50 до 90°С, при энзиматической активности по меньшей мере 1 IU/г субстрата, предпочтительно от 200 до 1500 IU/г субстрата, в комбинации с периодическим водным влажным помолом, с последующей стадией сепарирования полученной водной суспензии посредством декантации на растворимую фазу и нерастворимую волокнистую фазу, содержащую очищенные отруби злаков, состоящие из нерастворимых фракций перикарпа и алейрона, причем указанную растворимую фазу дополнительно сепарируют центробежными силами на фракцию, обогащенную зародышами, и фракцию, обогащенную эндоспермом, а белки, содержащиеся в обогащенной эндоспермом фракции, концентрируют.

В предпочительном варианте указанный энзим, расщепляющий крахмал, относится к группе амилаз и амилоглюкозидаз.

В предпочтительном варианте, после периодического влажного помола осуществляют стадию инактивирования энзима посредством влажной термообработки.

В предпочтительном варианте, полученную нерастворимую волокнистую фазу дополнительно подвергают комбинации энзиматической обработки энзимами, относящимися к группе полисахаридаз, не расщепляющих крахмал, причем данную энзиматическую обработку проводят в течение менее 3 часов при pH от 4 до 7, предпочтительно 4,5-5,5, и при температуре 35-80°С, при энзиматической активности по меньшей мере 1 ед. на грамм субстрата, предпочтительно 200-1500 ед. на грамм субстрата, с периодическим влажным помолом.

Указанную дополнительную энзиматическую обработку нерастворимой волокнистой фазы предпочтительно проводят с использованием по меньшей мере одной полисахаридазы, не расщепляющей крахмал, в виде целлюлаз, гемицеллюлаз - в основном ксиланаз, бета-глюканаз, и пектиназ и/или фитаз, и еще более предпочительно - с использованием ксиланаз с высокой бета-1-4-ксиланазной (пентозаназной) и/или бета-глюканазной активности.

После периодического влажного помола предпочтительно осуществляют стадию инактивации энзима посредством влажной термообработки, а инактивированный гидролизат затем может быть фракционирован центробежными силами на нерастворимую фазу, содержащую главным образом целлюлозу, лигнин, менее доступную гемицеллюлозу, остаточные алейроновые клетки и белки клеточных стенок, и на водную фазу, содержащую растворимую гемицеллюлозу, олигосахариды, сахара и белки, причем водную фазу далее сепарируют центробежной силой на фракцию, богатую белком, и фракцию, богатую углеводами, а фракцию, богатую углеводами, далее сепарируют по размеру частиц на фракцию, богатую гемицеллюлозой (фракцию со средним размером молекул), и на фракцию, богатую олигосахаридом (фракцию с малым размером молекул).

Следующий объект настоящего изобретения касается белковой фракции, происходящей по существу из алейроновых клеток, причем эта фракция содержит по меньшей мере 35% белков и 10% масел и менее 5% нерастворимых волокон по сухому веществу, по существу не содержит глютена и крахмала и обладает высокой эмульгирующей способностью.

Еще один объект изобретения касается белковой фракции, происходящей по существу из остаточного эндосперма и полученной вышеуказанным способом, которая содержит по меньшей мере 25% белков, 10% сахаров, менее 3% масел и 3% волокон, и дополнительно содержит по меньшей мере растворимые некрахмальные полисахариды с высоким молекулярным весом, относящиеся к группам бета-глюканов для ячменя и овса и арабиноксиланов для пшеницы, риса, ржи и тритикале.

Другой объект настоящего изобретения относится к полученной фракции нерастворимых волокон, содержащей компонент из клеточных стенок (>85%) и компонент из алейроновых белков (>10%), по существу не содержащей глютена и крахмала и имеющей высокую влагоудерживающую способность более 6 г воды на 1 г сухого продукта.

Еще один объект изобретения касается фракции сахаров, которая происходит главным образом из остаточного эндосперма и содержит более 65% сахаров (таких как глюкоза, мальтоза и мальтотриоза) по сухому веществу.

Еще один объект настоящего изобретения касается фракции нерастворимых волокон, причем эта фракция содержит главным образом компоненты клеточных стенок с относительно низким содержанием гемицеллюлозы по сравнению с исходными очищенными отрубями и по существу не содержит глютена и крахмала (менее 1% по сухому веществу) и обладает высокой влагоудерживающей способностью (более 6 г воды на 1 г сухого продукта).

Следующий объект настоящего изобретения касается фракции растворимой гемицеллюлозы, причем эта фракция состоит главным образом из гемицеллюлозы со средним молекулярным весом предпочтительно более 20 кДа (более 40%), из групп арабиноксиланов из пшеницы, ржи, риса и тритикале и бета-глюканов из овса и ячменя, которая также содержит белки (менее 10%) и моносахариды (менее 10%) и по существу не содержит глютена и крахмала (менее 1% по сухому веществу).

Еще один объект настоящего изобретения касается фракции растворимого олигосахарида, где эта фракция состоит главным образом из гемицеллюлозы с низким молекулярным весом, менее приблизительно 20 кДа (более 40%), группы арабиноксиланов из пшеницы, ржи, риса и тритикале и бета-глюканов из овса и ячменя, которая также содержит белки (менее 10%), моносахариды (менее 20%), лиганы и родственные фенольные соединения (менее 5%) и по существу не содержит глютен и крахмал (менее 1% по сухому веществу).

Следующий объект настоящего изобретения касается белковой фракции, из которой, возможно, удалено масло традиционной экстракцией органическими растворителями или, предпочтительно, надкритической экстракцией двуокисью углерода с получением масляной фракции и фракции обезжиренного протеина.

Еще один объект изобретения касается белковой фракции, из которой масло удалено традиционной экстракцией органическими растворителями или, предпочтительно, сверхкритической экстракцией двуокисью углерода с получением масляной фракции и фракции обезжиренного белка.

Следующий объект изобретения относится к обезжиренному белку, богатому зародышами, полученному способом по изобретению.

Следующий объект изобретения относится к маслу, богатому алейроном, полученному по настоящему изобретению.

Следующий объект изобретения относится к полученному обезжиренному белку, богатому алейроном.

Следующий объект изобретения относится к белковой фракции, в которую во влажном состоянии и при контролируемой температуре и pH введены протеазы, причем полученный гидролизат белка имеет повышенную функциональность, например, растворимость, эмульгирующую и пенообразующую способности.

Следующий объект изобретения относится к установке для осуществления способа, содержащей емкость для гидролиза, мельницу для влажного помола, теплообменник для инактивации энзимов, декантатор, бак, ультрафильтр, по меньшей мере один испаритель и сушилки.

Следующий объект настоящего изобретения относится к установке для осуществления способа, содержащему емкость для гидролиза, мельницу для влажного помола, теплообменник для инактивации энзимов, декантаторы, бак, ультрафильтре, испарители и сушилки.

Хорошо известно, что при помоле зерновых для получения муки большая часть питательных компонентов зерна уходит в побочный продукт, т.е. в отруби, и хотя отруби злаков богаты белками, маслами, витаминами и минералами, их применение как в пищевой промышленности, так и в области производства кормов довольно ограничено.

Предлагаемый промышленный способ позволяет разделять отруби злаков на фракции различной природы, получая высококачественные белки, растворимые некрахмальные углеводы и, возможно, масляные фракции, а также экстрагировать по существу все нерастворимые волокна в виде отдельной фракции. Полученные фракции - белковая фракция с низким содержание волокон, фракция сахара, а также фракция нерастворимых волокон - имеют гораздо более широкое рыночное применение и обладают большей ценностью, чем исходные отруби.

Из уровня техники известны различные способы экстракции и фракционирования гемицеллюлоз из отрубей злаков. Также известны и различные способы экстракции из отрубей злаков ценных белков и нерастворимых пищевых волокон. Проблема состоит в том, что при использовании коммерчески доступных отрубей, содержащих большое количество растворимых компонентов, таких как крахмал, растворимые белки, пентозаны, масла и пр., в обычном процессе экстракции такие растворимые вещества загрязняют потоки особенно в мясных, и в качестве источника пищевых волокон в зерновых завтраках, хлебобулочных изделиях и оздоровительных продуктах или в качестве сырья для дальнейшей переработки для экстрагирования оставшейся целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина и лигнанов.

Следующий объект изобретения относится к использованию растворимой гемицеллюлозы в кормовых и пищевых целях в качестве желирующего агента, загустителя, пеностабилизирующего агента, эмульгатора, агента, связывающего воду, а также в качестве пищевой добавки, богатой растворимыми пищевыми волокнами, и в химических процессах, а также как сырье для дальнейшей переработки для получения гемицеллюлоз иной функциональности.

Еще один объект изобретения относится к использованию растворимой гемицеллюлозы в качестве пищевой добавки или ингредиента пищевых продуктов, таких как хлебобулочные изделия, переработанные пищевые продукты, молочные продукты, супы и соусы, напитки с высоким содержанием белка и оздоровительные напитки.

Следующий объект изобретения относится к использованию растворимого олигосахарида в кормовых и пищевых целях в качестве функциональных растворимых пищевых волокон, или низкокалорийного подсластителя, или в качестве сырья для дальнейшей переработки для экстрагирования лигнанов и сопутствующих фенольных соединений, таких как феруловая кислота, или в качестве сырья для промышленной ферментации.

Еще один объект изобретения относится к использованию растворимого олигосахарида в кондитерских рецептах в комбинации с глюкозой или другими сахарными сиропами и дополнительно концентрированного для получения продуктов, стабильных под воздействием влаги.

Следующий объект изобретения относится к использованию растворимого олигосахарида по п.19 формулы изобретения, в пищевой промышленности и биомедицине в качестве комбинированного источника лигнанов и ферментируемых олигосахаридов для преобразования лигнанов в активные агенты, снижающие риск раковых заболеваний, таких как энтеролактоны.

Следующий объект настоящего изобретения относится к использованию сахарной фракции в кормовой, пищевой и промышленной ферментациях в качестве источника энергии, ароматизирующего агента и связующего.

Следующий объект изобретения относится к устройству для осуществления способа, содержащему емкость для гидролиза, мельницу для влажного помола, теплообменник для инактивации энзимов, декантатор, бак, ультрафильтр, и, возможно, по меньшей мере один испаритель и сушилки.

Следующий объект настоящего изобретения относится к устройству для осуществления способа, содержащему емкость для гидролиза, мельницу для влажного помола, теплообменник для инактивации энзимов, декантаторы, бак, ультрафильтр и, возможно, испарители и сушилки.

В варианте способа по изобретению энзиматическую обработку проводят при pH от 4 до 7,5 и при температуре от 50 до 90°С при энзиматической активности от 200 до 1500 IU на 1 г субстрата.

В другом варианте энзиматическую обработку проводят при pH от 4 до 7, предпочтительно 4,5-5,5 и при температуре от 35 до 80°С при активности энзимов по меньшей мере 1 IU на 1 г субстрата, предпочтительно от 200 до 1500 IU на 1 г субстрата.

Описание предпочтительных вариантов выполнения изобретения

Хорошо известно, что при помоле зерновых для получения муки большая часть питательных компонентов зерна уходит в побочный продукт, т.е. в отруби. Несмотря на то, что отруби злаков богаты белками, маслами, витаминами и минералами, их применение как в пищевой промышленности, так и в области производства кормов для домашних животных довольно ограничено.

Теперь разработан промышленный способ, позволяющий разделять отруби злаков на фракции различной природы, получая высококачественные белки, растворимые некрахмальные углеводы и, возможно, масляные фракции, а также экстрагировать по существу все нерастворимые волокна в виде отдельной фракции. Полученные фракции - белковая фракция с низким содержание волокон, фракция сахара, а также фракция нерастворимых волокон - имеют гораздо более широкое рыночное применение и обладают большей ценностью, чем исходные отруби.

Из уровня техники известны различные способы экстракции и фракционирования гемицеллюлоз из отрубей злаков. Также известны и различные способы экстракции из отрубей злаков ценных белков и нерастворимых пищевых волокон. Проблема состоит в том, что при использовании коммерчески доступных отрубей, содержащих большое количество растворимых компонентов, таких как крахмал, растворимые белки, пентозаны, масла и пр., в обычном процессе экстракции такие растворимые вещества загрязняют потоки основного продукта и, следовательно, должны удаляться. Это дорогостоящая процедура, и во многих случаях рыночная ценность компонентов, не относящихся к гемицеллюлозе, ставится под угрозу.

Используя предварительно очищенные отруби как предпочтительное сырье, авторы преодолели многие важные производственные ограничения и создали интересные возможности для экстракции и сепарирования новых компонентов из отрубей злаков. Кроме того, авторы разработали простой способ, в котором влажный помол скомбинирован с энзиматической обработкой, при которой используются коммерчески доступные пищевые ксиланазы и/или бета-глюканазы, и недорогой промышленный процесс сепарации.

Настоящее изобретение позволяет экономично производить фракции, полученные по существу из зародышевых и алейроновых клеток и клеток эндосперма, - гемицеллюлозу, олигосахарид и нерастворимые пищевые волокна.

Пример 1

В этом примере использовали пшеничные отруби, полученные коротким помолом (SMB) и обычным помолом (СМВ). Образец отрубей массой 25 кг поместили в бак-смеситель и подвергли последовательному гидролизу при температурах от 70°С на первом этапе альфа-амилазой и до 60°С на втором этапе амилоглюкозидазой, при этом общее время гидролиза составило 3 ч. За это время реакционная смесь периодически подвергалась влажному помолу для увеличения площади поверхности и дисперсии растворимых компонентов. Показатель pH реакционной смеси изначально был нейтральным, а затем на втором этапе понижен до 4,5 с помощью уксусной кислоты. Помимо усиления энзиматической активности кислый pH обеспечивает частичную солюбилизацию фитатов, присутствующих в отрубях.

В конце стадии энзиматического гидролиза и влажного помола энзимы, содержавшиеся в реакционной смеси, инактивировали влажным нагревом с помощью теплообмена, а затем быстро охладили до комнатной температуры.

Гидролизованный раствор отрубей затем пропускали через двухфазный декантатор для отделения нерастворимых компонентов (фракции волокон и алейроновой фракции) от растворимых фракций.

Растворимую фракцию подавали в сепаратор так, что тяжелая фаза, содержащая в основном зародышевые компоненты, могла быть отделена от легкой фазы, содержащей в основном компоненты из остатков эндосперма, встречающиеся в отрубях. Легкая фракция, имеющая высокое содержание сахаров, обрабатывалась в ультрафильтре с мембраной 50 кДа для разделения на фракцию сахаров с низким молекулярным весом и белковую фракцию.

Все растворимые белковые фракции, т.е. и тяжелая, и легкая фазы смешивались друг с другом и в конечном итоге подвергались сушке распылением. Фракция сахаров подвергалась концентрированию выпариванием при средней температуре (40-60°С) до 75%-ной концентрации. Фракция волокон высушивалась в обычной лабораторной печи, но в промышленном процессе эту операцию можно проводить с помощью множества различных сушилок, например на барабанной сушилке, кольцевой сушилке, в мельнице тонкого помола и пр.

Усредненный химический состав отрубей и соответствующих фракций показан в таблице 1.

Таблица 1
Образец	Сухое вещество	Белок	Масло	Волокна	Зола	NNE***
CMB*	90,8	15,7	4,1	45,4	5,5	29,3
CMB фракции процесса
Белковая фаза	92,9	31,8	7,7	1,1	7,9	51,5
Волокна	92,8	13,6	3,0	76,9	4,1	2,4
SMB**	89,1	14,3	2,3	23,7	3,2	56,5
SMB фракции процесса
Белковая фаза	93,9	27,8	1,5	0,9	3,4	66,4
Волокна	94,3	22,5	4,1	64,8	1,6	7,0
* Обычный помол отрубей
** Короткий помол отрубей
*** Экстракты, не содержащие азот

Пример 2

Пшеничные отруби, полученные при обычном помоле, подвергали энэиматической обработке и влажному помолу, как описано в примере 1. Гидролизованные отруби фракционировали с использованием двухфазного декантатора на нерастворимую (объединенную волоконную и алейроновую) и растворимую фракции.

Растворимую фракцию подавали в сепаратор для фракционирования с помощью центробежных сил, получая тем самым две фазы. Фазу, богатую зародышами, промывали водой и вновь подавали в сепаратор для удаления избытка растворимых веществ. Полученную белковую фракцию сохраняли в таком виде или смешивали с выпаренной жидкостью в пропорции 1:1 (по сухому веществу).

Фракцию, богатую эндоспермом пшеницы, содержащую высокие уровни сахара, пропускали через ультрафильтр для отделения сахаров с низким молекулярным весом от белковой фракции.

Все растворимые белковые фракции, т.е. фазы зародыша и эндосперма и их смесь с молочной сывороткой раздельно сушили распылением. Фракцию сахара концентрировали вакуумным выпариванием при средней температуре (t=60°С) до получения концентрации 75°Brix. Фракцию волокон сушили в печи.

Дополнительная промывка, которой подвергали зародышевый белок и фракцию волокон, была очень эффективной для уменьшения количества легких растворимых примесей в каждой фракции и, следовательно, для повышения относительного содержания ценных компонентов.

Данные по составу показывают, что белковые фракции, богатые зародышами и эндоспермом, имеют разное относительное содержание белка и масла. Содержание белка и масла в первом было 48,6% и 18,6%, соответственно, а в последнем - 28,7% и 1,5%, соответственно. Нерастворимая фаза, содержащая главным образом перикарп (волокна) отрубей и алейроновые белки, содержала 86,4% волокон и 12,6% белка. Химический состав смеси фазы, богатой зародышами, с сывороткой был таков: 31,5% белка, 9,8% масла и 37% лактозы.

Еще одним важным наблюдением явилось то, что фракция, богатая зародышами, подвергшаяся сушке распылением и содержащая 18,6% масла, была существенно более устойчивой к окислению (прогорканию масла), чем исходные пшеничные отруби. Исходные пшеничные отруби начинали портиться через 3 недели хранения. Несмотря на то, что к фракции, богатой зародышами, не добавляли экзогенные антиоксиданты, она начинала портиться только после 12 недель хранения.

Пример 3

Предыдущий пример иллюстрирует использование энзимов, гидролизующих крахмал в сочетании с влажным помолом, после чего следуют различные стадии сепарации для получения белковой, сахарной фракций и фракции волокон, при этом последняя все еще содержит много алейроновых белков. В некоторых случаях может возникнуть потребность отсепарировать, по меньшей мере частично, алейроновые белки от перикарпа и извлечь такие белки в той же фракции, как, например, фракции, богатой эндоспермом.

Испытания проводили по примеру 2, за исключением того, что вместе с амилоглюкозидазами добавляли коктейль из полисахаридов с высокой целлюлазной и ксиланазной активностью и обработку вели в течение 3 ч. Температура и pH оставались неизменными. Полученную реакционную смесь далее обрабатывали так же, как описано в примере 2.

Включение полисахаридазы на стадии гидролиза дало положительный эффект в отношении экстракции алейронового белка и извлечения белка, измеренных по массовому балансу и содержанию белка. Содержание белка во фракции, богатой эндоспермом, увеличилось с 28,7% (без полисахаридаз) до 34,7% (с полисахаридазами), и общий выход белка возрос на 35% при добавлении полисахаридазы.

Пример 4

Цвет белковых ингредиентов может иметь важное значение, особенно в некоторых кормовых