Способ получения белка и масла из бобовых культур

Способ получения белка и масла из бобовых культур

Реферат

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение при производстве белковых препаратов и масла для производства продуктов питания, в частности мясных, рыбных, молочных, хлебобулочных и кондитерских изделий.

Известен и широко распространен в промышленности способ получения белкового изолята из бобов сои, согласно которому бобы сои подвергают очистке, сушке, нагреванию до 105°С в течение 4 ч для разрушения части антипитательных веществ, охлаждению, затем бобы измельчают на дробилках валкового типа и отделяют семенную оболочку, плющат, проводят экстрагирование гексаном и получают сырое соевое масло, с целью очистки которого затем проводят рафинацию. Получаемые после экстракции соевые хлопья подвергают экстракции водным раствором щелочи при рН 9-11, затем раствор фильтруют осаждают белок из экстракта соляной кислотой при рН, равном изоэлектрической точке (4,5-4,6), проводят нейтрализацию белкового осадка щелочным раствором (до рН 7,0) и сушку. Выход изолята белка по весу сырья составляет 30-40% [1].

Недостатком данного способа является применение на стадии экстракции масла гексана, являющегося взрыво- и пожароопасным веществом, а на стадии экстракции белка - щелочей, загрязняющих конечный продукт и окружающую среду. Кроме того, применение гексана увеличивает себестоимость пищевого белка за счет необходимости применения дорогого очистного оборудования.

Известен также способ получения белка с использованием щелочной экстракции и белка и проточно-прерывистой экстракцией липидов жидкой двуокисью углерода. При оптимальном варианте в качестве растительного сырья используют соевые бобы. Согласно этому способу сначала проводят помол растительного сырья (при температуре 45°С до размера частиц менее 45-65 мм), его растворение в питьевой воде, имеющей рН 6-7, и суспензирование в воде с последующим выделением сырца изолята и шрота. Затем проводят экстракцию липидов непосредственно из полученного сырца изолята и шрота с помощью жидкой двуокиси углерода под давлением выше атмосферного. Экстракцию липидов проводят проточно-прерывисто при давлении 5,6-6,5 МПа, пропуская жидкую двуокись углерода сквозь массу изолята [2].

К недостаткам данного способа следует отнести невысокий выход белка в связи с нейтральными значениями рН водной экстракции, а также использование повышенного давления на стадии экстракции масла.

Известен способ получения изолята белка и крахмала из гороха, предусматривающий шелушение и измельчение семян гороха, проведение экстракции белка при рН 6,5-9,0 технологическим раствором с ионной силой 0,0015-0,15, последующее очищение белкового раствора от нерастворимого осадка и осаждение белка из раствора при рН 4,3-5,6. При этом технологический рассол с ионной силой 0,0015-0,15 для экстракции белкового компонента получают объединением супернатантов, которые образуются при промывке, разделении и нейтрализации крахмала и мезги, с добавлением или без добавления солей [3].

Однако описанный способ получения белка гороха имеет недостаток, заключающийся в том, что экстракция белка проводится в области щелочных значений рН, что требует использования в технологическом процессе химических реагентов (щелочей) и негативно сказывается на качестве готового продукта.

Известен способ извлечения масла из высокомасличного растительного материала, согласно которому сырье, преимущественно семена подсолнечника, измельчают и обрабатывают смесью ферментных препаратов с целлюлазной (1-5 ед/г сырья), протеазной (0,1-0,5 ед/г сырья) и фосфатазной (1-3 ед/г сырья) активностью в течение 60 мин при 40-45°С и извлекают липиды 10%-ным раствором хлорида натрия при температуре 95°С с последующим центрифугированием [4].

Недостатком этого способа является высокая температура экстракции липидов поваренной солью, что негативно сказывается на качественных показателях конечного продукта, а также необходимость двукратного повторения этого процесса в технологии.

Известен способ одновременного получения белка и масла из масличного сырья, предусматривающий измельчение сырья, например бобов сои, в водной среде при температуре 47°С до частиц размером 100-200 мкм, добавление в полученную суспензию ферментного препарата, обладающего целлюлолитической активностью в соотношении фермент/субстрат 0,036-0,075 и ведении процесса ферментативного гидролиза при температуре 45-50°С и рН 4,85 при постоянном перемешивании, затем экстракционную смесь разделяют на белковую, масляную и водную фракции: масло декантируют, а нерастворимый остаток используют как белковый концентрат. Выход подсолнечного масла составляет до 94% [5].

Однако способ имеет следующие недостатки - необходимость корректировки кислотности гидролизуемой смеси в процессе ферментативного гидролиза в кислую сторону (рН 4,85), а также низкое содержание белка в конечном белковом продукте - всего до 55%.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения масла и белка из высокомасличного растительного материала с использованием ферментативного гидролиза и фторпрессования, отличающийся высоким выходом жирового компонента. Способ предусматривает измельчение сырья, его влаготепловую обработку с одновременным воздействием поверхностно-активным веществом (ПАВ) в количестве 0,02-0,2%, фторпрессование мезги, обработку полученного фторпрессового жмыха ферментными препаратами в водной среде и разделение полученной реакционной смеси на твердую белковую, масляную и водную фракции. При этом в качестве фермента используют препарат или мультиэнзимную композицию с общей целлюлолитической активностью 80-250 ед/г в количестве 0,005-0,3% от массы жмыха. Выход масла - 88-92% [6].

Недостатком этого способа является наличие стадии фторпрессования, усложняющей процесс обработки сырья и удлиняющей его общую продолжительность, использование в качестве ПАВ сложных химических реагентов (натриевые соли моноэфиров дикарбоновых кислот и полиоксиэтилированных высших жирных спиртов), высокая температура обработки при воздействии ПАВ на сырье (100-105°С) в течение длительного времени (10-120 мин), а также низкое содержание белка в получаемом белковом продукте - всего 40-42%.

Задача изобретения - интенсификация процесса, повышение выхода комплекса продуктов из бобовых культур: белка до 92-96% и масла до 77-83% к исходному содержанию в сырье, что составляет 35,3-36,8% и 13,3-14,3% к весу сухих веществ сырья соответственно, снижение объемов применяемых агрессивных реагентов, сокращение времени экстракции липидов в общем технологическом процессе получения белка и масла из бобовых культур и улучшение качественных показателей готовых белковых препаратов, таких как содержание белка, растворимость, водоудерживающая и эмульсионная способности.

Поставленная задача решается в предлагаемом способе получения белка и масла из растительного сырья, предусматривающем измельчение сырья, его предобработку методом набухания в воде, гидролиз с использованием ферментных препаратов микробного происхождения с их последующей инактивацией, отделение масла центрифугированием, ультрафильтрацию белкового экстракта, осаждение белка в изоэлектрической точке, его нейтрализацию и сушку готового продукта, в котором согласно изобретению в качестве ферментных препаратов используют нейтральную протеазу Bacillus subtilis с активностью 460-500 ед/г в количестве 0,01-0,03% к массе сырья, целлюлазу Trichoderma reesei с активностью 7400-7600 ед/г в количестве 0,01-0,05% к массе сырья и/или комплексный препарат, содержащий протеазу, амилазу и β-глюканазу микроорганизмов Bacillus subtilis Penicillium emersonii с активностью протеазы 80-120 ед/г в количестве 0,01-0,015% к массе сырья.

Целесообразно гидролиз вести при гидромодуле 1:8-1:10 и рН, естественном для смеси сырья с водой при температуре 50-70°С в течение 3-4 часов.

Целесообразно разрушение белково-жировой эмульсии, полученной на стадии экстракции, на белковую и масляную фазы проводить центрифугированием при 6000 об/мин и 20°С и добавлении 0,3% NaCl в виде 2,5%-ного раствора.

Способ отличается от известных тем, что в качестве ферментных препаратов используют нейтральную протеазу Bacillus subtilis с активностью 460-500 ед/г в количестве 0,01-0,03% к массе сырья (Свидетельство о государственной регистрации № 77.99.11.9.У.1531.8.04 от 19.08.2004), целлюлазу Trichoderma reesei с активностью 7400-7600 ед/г в количестве 0,01-0,05% к массе сырья и/или комплексный ферментный препарат, получаемый культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii, содержащий протеазу, амилазу и β-глюканазу с активностью протеазы 80-120 ед/г в количестве 0,01-0,015% к массе сырья (Свидетельство о государственной регистрации № 77.99.27.9.У.14308.12.06 от 27.12.2006), гидролиз ведут при гидромодуле 1:8-1:10 и рН, естественном для смеси сырья с водой при температуре 50-70°С в течение 3-4 часов. Разрушение белково-жировой эмульсии, полученной на стадии экстракции, на белковую и масляную фазы проводят центрифугированием при 6000 об/мин и 20°С и/или добавлении 0,3% NaCl в виде 2,5%-ного раствора.

Преимуществами предлагаемого способа перед существующими аналогами является сокращение общей продолжительности процесса получения белка и масла из бобовых культур за счет совмещения процессов экстракции белковых и жировых компонентов, а также исключение из технологического процесса химических реагентов (гексана на стадии экстракции масла и щелочей на стадии экстракции белка) за счет их замены на ферментные препараты микробного происхождения.

Способ осуществляют следующим образом.

При оптимальном варианте в качестве растительного сырья используют соевые бобы, которые измельчают до размера частиц не менее 0,8 мм. В случае использования в качестве сырья гороховой муки стадия измельчения не требуется. К муке из бобов сои или гороха добавляют умягченную воду в соотношении 1:8-1:10 воды и оставляют на 2 ч при 50°С для набухания. Затем к набухшей смеси сырья с водой добавляют, в случае использования обезжиренной гороховой муки, комплексный ферментный препарат, получаемый культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii (0,01-0,015% к массе сырья) или, в случае использования соевой муки, энзимную композицию, состоящую из нейтральной протеазы Bacillus subtilis (0,01-0,03% к массе сырья), целлюлазы Trichoderma reesei (0,01-0,05% к массе сырья) и комплексного ферментного препарата, получаемого культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii (0,01-0,015% к массе сырья) или только последний из указанных препаратов в той же дозе и подвергают ферментативному гидролизу при температуре 50-70°С в течение 3-5 часов. Для инактивации ферментных препаратов после окончания гидролиза смесь сырья с водой выдерживают в течение 15-30 мин при температуре 80°С. Белковый экстракт отделяют от твердого осадка через лавсановый фильтр. В случае использования высокомасличного сырья (соя), для отделения масла очищенный экстракт дополнительно центрифугируют в течение 45 мин при 6000 об/мин и 20°С и/или добавляют 0,3% NaCl в виде 2,5%-ного раствора (NaCl интенсифицирует процесс, т.к. является сильным электролитом и ее добавление в систему приводит к экранизации заряженных функциональных групп макромолекул, разрушению связей "белок-жир", дестабилизации масляных капель и их коалесценции). В случае использования сырья с низким содержанием масла (гороховая мука), стадия отделения масла исключается. Образовавшийся белковый экстракт направляют на ультрафильтрацию, которую проводят при давлении 0,25 МПа. В полученный концентрат добавляют 1 н раствор соляной кислоты до достижения рН, соответствующего изоэлектрической точке (рН 4,5 для соевого белка, 4,2 - для горохового). Образовавшийся белковый осадок отделяют центрифугированием при 4000 об/мин в течение 15 мин. Осадок белка после центрифугирования подвергают нейтрализации добавлением 10%-ного раствора NaOH до достижения рН 7,0. Нейтрализованный белок подвергают сушке методом распыления при температуре процесса на входе 60-65°С, на выходе - 130-135°С. Полученные белковые препараты представляют собой белый порошок нейтрального вкуса и запаха.

Описываемый способ иллюстрируется следующими примерами исполнения.

Пример 1. К 1 кг измельченных до размера частиц не менее 0,8 мм бобов сои добавляют 10 л умягченной воды и оставляют на 2 ч при 50°С для набухания. Набухшую смесь сырья с водой подвергают ферментативному гидролизу в 2 этапа. На первом этапе в гидролизуемую смесь добавляют 0,03% (к массе сырья) нейтральной протеазы Bacillus subtilis с активностью 485 ед/г и 0,034% (к массе сырья) целлюлазы Trichoderma reesei (с активностью 7600 ед/г), температуру поддерживают на уровне 50°С и осуществляют процесс в течение 1 ч при непрерывном перемешивании. На втором этапе температуру повышают до 70°С, добавляют 0,013% (к массе сырья) комплексного ферментного препарата, получаемого культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii, обладающего активностью протеазы 90 ед/г и продолжают гидролиз 2 ч при непрерывном перемешивании. Для инактивации ферментных препаратов после окончания гидролиза смесь сырья с водой выдерживают в течение 15-30 мин при температуре 80°С. Выход белка в раствор - 36,8%, масла - 14,3% к массе сухих веществ сырья, что составляет 96% и 83% соответственно. Белковый экстракт отделяют от твердого осадка через лавсановый фильтр. В очищенный экстракт добавляют 0,3% NaCl в виде 2,5%-ного раствора и центрифугируют в течение 45 мин при 6000 об/мин и 20°С для отделения масла. Затем соевое масло отправляют на очистку и дезодорацию в стандартных режимах. Отделенный от масла белковый экстракт направляют на ультрафильтрацию, которую проводят при давлении 0,25 МПа. В полученный концентрат добавляют 1 н раствор соляной кислоты до достижения рН 4,5. Образовавшийся белковый осадок отделяют центрифугированием при 4000 об/мин в течение 15 мин. Осадок белка после центрифугирования подвергают нейтрализации добавлением 10%-ного раствора NaOH до достижения рН 7,0. Нейтрализованный белковый изолят подвергают сушке методом распыления при температуре процесса на входе 60-65°С, на выходе - 130-135°С. Полученный белковый изолят представляет собой белый порошок нейтрального вкуса и запаха. Выход масла по сухому веществу - 13,3%, выход белка в виде изолята по сухому веществу 35,3%, что составляет 77% и 92% соответственно. Общее время проведения процесса получения изолята 7,2 ч.

Пример 2. Количество сырья и воды берут то же, что и в примере 1, но ферментативный гидролиз проводят с использованием комплексного ферментного препарата, получаемого культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii. Доза препарата с активностью протеазы 95 ед/г составляет 0,015% к массе сырья. Ферментативную обработку ведет при температуре 70°С в течение 5 часов. Дальнейшую обработку полученного экстракта ведут так же, как в примере 1. Выход масла по сухому веществу составляет 17,1%. Выход белка в виде изолята по сухому веществу сырья 17,3% (до 45% к исходному содержанию в сырье). Общее время проведения процесса - 9,2 ч.

Пример 3. В качестве сырья берут обезжиренную соевую муку. Количество сырья берут то же, что и в примере 1, но ферментативный гидролиз проводят с использованием комплексного препарата, получаемого культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii. Доза препарата с активностью протеазы 95 ед/г составляет 0,015% к массе сырья. Ферментативную обработку ведет при температуре 70°С в течение 5 часов. Дальнейшую обработку полученного экстракта ведут так же, как в примере 1, но, в связи с низким содержанием жирового компонента в обезжиренной соевой муке, стадия отделения масла исключается. Выход белка в виде изолята по сухому веществу сырья 35,1% (до 58% к исходному содержанию в сырье). Общее время проведения процесса - 8,8 ч.

Пример 4. К 1 кг измельченных до размера частиц не менее 0,8 мм бобов сои добавляют 10 л умягченной воды и оставляют на 2 ч при 50°С для набухания. Ферментативный гидролиз и очистку полученного экстракта проводят так же, как в примере 1. Выход белка в раствор составляет 36,8%, масла - 14,3% к массе сухих веществ сырья. Для отделения масла в очищенный экстракт центрифугируют в течение 45 мин при 6000 об/мин и 20°С без добавления раствора поваренной соли. Затем соевое масло отправляют на очистку и дезодорацию в стандартных режимах. Дальнейшую обработку белкового экстракта ведут так же, как в примере 1. Выход масла по сухому веществу составляет 12,3% (до 72% к исходному содержанию в сырье). Выход белка в виде изолята по сухому веществу 35,3% (до 92% к исходному содержанию в сырье). Общее время проведения процесса получения изолята 7,2 ч.

Пример 5. К 1 кг обезжиренной гороховой муки добавляют 8 л умягченной воды и оставляют на 2 ч при 50°С для набухания. Набухшую смесь сырья с водой подвергают ферментативному гидролизу, для чего в гидролизуемую смесь добавляют 0,01% (к массе сырья) комплексного ферментного препарата, получаемого культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii с активностью протеазы 95 ед/г, и продолжают гидролиз 4 ч температуре 60°С и непрерывном перемешивании. Для инактивации ферментных препаратов после окончания гидролиза смесь сырья с водой выдерживают в течение 15-30 мин при температуре 80°С. Выход белка в раствор 20,8% к массе сухих веществ сырья. Белковый экстракт отделяют от твердого осадка через лавсановый фильтр. Затем белковый экстракт направляют на ультрафильтрацию, которую проводят при давлении 0,25 МПа. В полученный концентрированный белковый экстракт добавляют 1 н соляную кислоту до достижения рН 4,2. Образовавшийся белковый осадок отделяют центрифугированием при 4000 об/мин в течение 15 мин. Осадок белка после центрифугирования подвергают нейтрализации добавлением 10%-ного раствора NaOH до достижения рН 7,0. Нейтрализованный белковый концентрат подвергают сушке методом распыления при температуре процесса на входе 60-65°С, на выходе - 130-135°С. Полученный препарат горохового белка представляет собой белый порошок нейтрального вкуса и запаха. Выход белка гороха в виде концентрата по сухому веществу 19,3%, что составляет 71% к исходному содержанию в сырье. Общее время проведения процесса получения белкового препарата 8 ч.

Изобретение позволяет повысить выход комплекса продуктов из бобовых культур: белка до 92-96% и масла до 77-83% к исходному содержанию в сырье, что составляет 35,3-36,8% и 13,3-14,3% к весу сухих веществ сырья соответственно, интенсифицировать процесс за счет сокращения общей продолжительности процесса за счет совмещения процессов экстракции белового и жирового компонентов, а также исключить из технологии операции обработки сырья гексаном и очистки от него, использование щелочей на стадии экстракции белка, получить готовые продукты, обладающие высокими органолептическими (цвет, вкус, запах) и, в случае белковых препаратов, функционально-технологическими свойствами. Так, изолят белка из бобов сои обладает высокими растворимостью и водоудерживающей способностью, а белковый препарат из гороха - высокой эмульсионной способностью (табл.1).

Таблица 1
Основные качественные характеристики белковых препаратов из бобов сои и гороха
Образец	pH 10%	ККГ, %	ВУС, г/г	ЖУС, г/г	Эмульсии, %
Соевый белковый изолят	7,0	16,0	6,2	1,0	43,52
Гороховый белковый концентрат	7,0	23,0	4,4	0,5	50,98

Белковые препараты, получаемые предлагаемым способом, отличаются от белковых препаратов, полученных по способу-прототипу, повышенным содержанием белка (в 2,2-2,4 раза), а также повышенной растворимостью (в 1,5-1,7 раза) (табл.2).

Таблица 2.
Примеры осуществления	Используемые ферментные препараты или их композиций	Содержание белка в белковом продукте, % к С.В.	Доля растворимого белка, %
по предлагаемому способу	Нейтральная протеаза Bacillus subtilis	91,3	81,7
	Комплексный ферментный препарат (продуценты Bacillus subtilis и Penicillium emersonii)	92,5	83,2
	Нейтральная протеаза Bacillus subtilis + целлюлаза Trichoderma reesei + комплексный ферментный препарат (продуценты Bacillus subtilis и Penicillium emersonii)	94,8	85,8
по прототипу	Целловиридин Г20Х	40,1	55,2
	Целловиридин Г20Х	39,8	53,7
	Целлолигнорин П3Х	39,5	50,8
	Целловиридин Г20Х + Протосубтилин	42,9	56,3

Список литературы

1. Толстогузов В.Б. Искусственные продукты питания. Новый путь. получения пищи и его перспективы. Научные основы производства / В.Б.Толстогузов. - М.: Наука, 1978. - стр.126-127.

2. Аверин К.М. Способ получения пищевого белка из растительного сырья / К.М.Аверин, С.В.Иванов, Б.В.Страдомский. Патент 2124844 РФ. - № 98115615. Заявл. 24.08.98. Опубл. 20.01.99. БИ № 13.

3. Бограчева Т.Я. Способ получения изолята белка и крахмала из гороха / Т.Я.Бограчева, Г.В.Гаревский, P.O.Гонсалес, М.А.Корабленко. Патент 2054265 РФ. - №.94007599. Заявл. 28.02.94. Опубл. 20.02.96. БИ № 5.

4. Ключкин В.В. Способ извлечения масла из высокомасличного растительного материала / В.В.Ключкин, Д.В.Надыкта, О.В.Кислухина, Н.М.Павлова, Н.М.Минасян, И.М.Тюкина, Г.И.Горецкая. Патент 2092530 РФ. - № 5004300. Заявл. 02.10.91. Опубл. 10.10.97. БИ № 13.

5. Ключкин В.В. Способ одновременного получения масла и белка из масличного сырья / В.В.Ключкин, Л.В.Гапонова, О.В.Константинова, Т.Т.Логвинова. Патент 2091450 РФ. - № 94038097. Заявл. 30.09.94. Опубл. 27.09.97. БИ № 27.

6. Нечаев А.П. Способ извлечения масла и белкового продукта из высокомасличного белкового материала / А.П.Нечаев, Л.В.Зайцева, Т.Л.Наумова, Л.Н.Лутохина. Патент 2078797 РФ. - № 94037735. Заявл. 04.10.94. Опубл. 10.05.97. БИ № 13.

1. Способ получения белка из растительного сырья, предусматривающий измельчение сырья, его предобработку методом набухания в воде, гидролиз с использованием ферментных препаратов микробного происхождения с их последующей инактивацией, отделение масла центрифугированием, ультрафильтрацию белкового экстракта, осаждение белка в изоэлектрической точке, его нейтрализацию и сушку готового продукта, отличающийся тем, что в качестве ферментных препаратов используют нейтральную протеазу Bacillus subtilis с активностью 460-500 ед./г в количестве 0,01-0,03% к массе сырья, целлюлазу Trichoderma reesei с активностью 7400-7600 ед./г в количестве 0,01-0,05% к массе сырья и/или комплексный препарат, содержащий протеазу, амилазу и β-глюканазу, получаемый культивированием бактерий Bacillus subtilis и грибов Penicillium emersonii с активностью протеазы 80-120 ед./г в количестве 0,01-0,015% к массе сырья.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидролиз ведут при гидромодуле 1:8-1:10 и рН, естественном для смеси сырья с водой при температуре 50-70°С в течение 3-5 ч.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительно используют стадию разделения белково-жировой эмульсии, полученной на стадии экстракции, на белковую и масляную фазы путем центрифугирования при 6000 об/мин и 20°С и/или добавлении 0,3% NaCl в виде 2,5%-ного раствора.