СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВОГО ПРОДУКТА ИЗ ОТРУБЕЙ Российский патент 2005 года по МПК A23J1/12 

Изобретение относится к получению белковых продуктов и может быть использовано в мукомольном производстве, пищевой и микробиологической промышленности для получения белковых добавок к продуктам питания, композитных формул и модулей с улучшенными и регулируемыми свойствами и получения белковых гидролизатов для питательных сред.

Отруби являются побочными продуктами переработки зерна с содержанием белка от 15 до 18%. Из-за высокого содержания в них клетчатки и гимицеллюлоз (10-12% и 17-26% соответственно) использование их в качестве кормов для сельскохозяйственных животных ограничено. Однако при имеющемся дефиците белка во всем мире, в т.ч. и в России, остро стоит проблема поиска новых источников белка. Таким источником могут быть отруби. Непосредственная экстракция белков из измельченных отрубей щелочью позволяет выделить чуть более 50% от их общего содержания.

Известно, что клеточные стенки растительного сырья состоят из целлюлозных микрофибрилл, встроенных в матрицу, состоящую из гемицеллюлоз, мечника и пектиновых веществ. Это позволило предположить, что целлюлозные, гемицеллюлазные и пектолитические ферменты, избирательно катализируя гидролиз некрахмальных полисахаридов, находящихся во взаимосвязи с белковыми молекулами, облегчат доступ к ним экстрагентов и таким образом смогут увеличить выход белка на стадии щелочного экстрагирования.

Известен способ получения белкового продукта из отрубей, предусматривающий щелочное экстрагирование сырья, отделение белка. Обработку ферментами пектолитического, гемицеллюлазного и целлюлолитического действия осуществляют одновременно в течение 4-7 часов. При этом экстракцию белка щелочью осуществляют при рН 8-9 [Cereal chemistry, 1981, V/ 58, №4, р.264-266].

Недостатками данного способа является низкий выход белка (38,5% от общего содержания его в сырье) и длительность процесса его экстрагирования.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения белка из отрубей, предусматривающий щелочное экстрагирование сырья, отделение экстракта от шрота отрубей и последовательное выделение из экстракта крахмало-белковой фракции и целевого продукта. Экстрагирование сырья проводят в присутствии тиосульфата натрия, взятого в количестве 0,05-1,0% от массы сырья, при рН 10-11 и температуре 50-60°С в течении 1 часа, а выделение целевого продукта - при рН 4,0-4,5 [Пат. РФ 2063144, 27.12.93, МКИ 6 A 23 j 1/12].

Недостатком данного способа является невысокий выход белкового продукта (45-50%).

Задачей данного изобретения является увеличение выхода белкового продукта и ускорение процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения белкового продукта из отрубей, включающем щелочное экстрагирование сырья, отделение экстракта от шрота отрубей и последовательное выделение из экстракта крахмало-белковой фракции и целевого продукта, согласно изобретению отруби перед щелочным экстрагированием подвергают ферментативной обработке, ферменты вносят последовательно: в начале пектолитического действия из расчета 2,0...5,0 ед пектолитической активности на 1 г отрубей и целлюлолитического действия из расчета 4,0...9,0 ед целлюлолитической активности на 1 г отрубей, при этом время обработки каждым ферментным препаратом составляет 40...60 минут при температуре 50+-2°С, гидромодуле 10-1...12-1 и нейтральных значениях рН.

Отличием является также то, что в качестве исходного сырья используют как пшеничные, так и ржаные отруби.

Обработка ферментами в указанной последовательности в количестве 2,0...5,0 ед пектолитической активности, 30...60 ед ксиланазной активности и 4,0...9,0 ед целлюлолитической активности на 1 г отрубей обусловлена тем, что она является оптимальной для гидролиза всех некрахмальных полисахаридов, входящих в состав отрубей.

Пектолитический ферментный препарат размягчает вначале клеточные стенки, гидролизуя пектиновые вещества, и делает сырье более доступным действию других ферментов. Затем ксиланазный ферментный препарат гидролизует ксилан и арабиноксилан сырья, тем самым открывая и делая доступной гидролизу целлюлолитическими ферментными препаратами содержащуюся в сырье клетчатку. Последовательный гидролиз некрахмальных полисахаридов сырья позволяет, в конечном счете, разрушить связи между полисахаридами и белком и повысить выход последнего при щелочном экстрагировании. Одновременное использование трех вышеперечисленных ферментных препаратов дает несколько худшие результаты по выходу белка даже по сравнению с использованием только одного или одновременно двух ферментных препаратов вероятно из-за наличия конкуренции за субстрат со стороны гидролитических ферментов (Таблица).

Использование концентраций ферментов ниже вышеприведенных значений не позволяет в достаточной мере гидролизовать некрахмальные полисахариды отрубей, что, в конечном счете, снижает выход белка при последующем щелочном экстрагировании.

Использование более высоких концентраций указанных ферментных препаратов также снижает выход белка при последующем щелочном экстрагировании.

Использование более высоких концентраций указанных ферментных препаратов также снижает выход белка при последующем щелочном экстрагировании вероятно из-за наличия конкуренции биокатализаторов за сырье и ингибирования их продуктами реакции.

Время обработки отрубей каждым ферментным препаратом выбрано для обеспечения частичного гидролиза пектина, ксилана, арабиноксилана и клетчатки, содержащихся в отрубях, способствующего высвобождению белка из сырья.

Уменьшение времени обработки отрубей каждым из ферментных препаратов (менее 40 минут) снижает степень гидролиза вышеперечисленных полисахаридов, и как следствие снижается выход белка при последующем щелочном экстрагировании.

Увеличение времени обработки (свыше 60 минут) не приводит к дальнейшему повышению выхода белка и поэтому является экономически и технологически нецелесообразным.

Температура ферментативной обработки (50+-2°С) обусловлена тем, что биокатализаторы имеют свои оптимальные температуры действия. Оптимальной для работы пектолитических, ксиланазных и целлюлолитических ферментов является температура 50+-2°С. Снижение температуры приводит к замедлению процесса гидролиза некрахмальных полисахаридов указанными ферментами и как следствие к увеличению времени гидролиза, что является экономически нецелесообразным. Увеличение температуры, с одной стороны, приводит к частичному завариванию крахмала сырья и образованию гелеобразной массы, в которой замедляются процессы сорбции и десорбции ферментов на сырье, и тем самым замедляется процесс гидролиза некрахмальных полисахаридов; с другой стороны, при высоких температурах происходит частичная денатурация белков, как сырья, так и ферментных препаратов.

Гидромодуль (соотношение жидкой фазы к твердой) ферментативной обработки (10-1...12-1) отрубей выбран, исходя из особенностей используемого сырья. При низких значениях гидромодуля получаются густые желеобразные среды (из-за большой концентрации крахмала), в которых затруднен процесс сорбции и десорбции ферментов и отвод продуктов реакции из реакционной зоны, как следствие этого удлиняется время, необходимое на гидролиз некрахмальных полисахаридов, и быстрее происходит ингибирование ферментов продуктами реакций. Все это приводит к снижению степени гидролиза некрахмальных полисахаридов и уменьшает выход белка при последующем его щелочном экстрагировании.

Увеличение значения гидромодуля свыше 12-1 не приводит к дальнейшему повышению выхода белка при щелочном экстрагировании и поэтому является экономически и технологически нецелесообразным.

Нейтральные значения рН для ферментативной обработки пшеничных отрубей признаны оптимальными для действия пектолитических, ксиланазных и целлюлолитических ферментов на исследуемом сырье. Сдвиг значений рН в кислую или щелочную зоны приводит к замедлению процесса гидролиза некрахмальных полисахаридов и, следовательно, к увеличению времени обработки, что является экономически и технологически нецелесообразным. Выбор нейтральных значений рН для ферментативной обработки отрубей позволяет вместо буферных растворов использовать водопроводную воду (рН 6,8...7,2), что существенно повышает технологичность процесса.

Использование пшеничных и ржаных отрубей в качестве исходного сырья обусловлено тем, что в России пшеница и рожь являются основными зерновыми культурами.

Данные по выделению белка из ржаных отрубей в литературе, практически, отсутствуют.

Способ осуществляют следующим образом. Измельченные отруби заливают водопроводной водой, содержащей пектолитический ферментный препарат в концентрации 2,0...5,0 ед активности на 1 г отрубей, до гидромодуля 10:1. Обработку осуществляют 40...60 минут при 50+-2°С при перемешивании. Затем в суспензию вносят водный раствор ксиланазного ферментного препарата из расчета 30...60 ед активности на 1 г отрубей до гидромодуля 11-1 и осуществляют обработку 40...60 минут при 50+-2°С при перемешивании. Потом в суспензию вносят водный раствор целлюлазного ферментного препарата из расчета 4,0...9,0 ед активности на 1 г отрубей до гидромодуля 12-1. Обработку осуществляют 40...60 минут при 50+-2°С при перемешивании. По окончании ферментативной обработки рН суспензии доводят до 10...11 концентрированным раствором щелочи в присутствии тиосульфата натрия, взятого в количестве 0,05-1,0% от массы экстракта до значений 10...11. Щелочную экстракцию осуществляют при температуре 50...60°С в течение 1 часа. Затем экстракт сепарируют для отделения крахмало-белкового продукта и подкисляют 10%-ным раствором HCI до рН 4,0...4,5. Суспензию белка выдерживают 30...40 минут для формирования осадка и подвергают центрифугированию 15 минут при 5000 об/мин. Выпавший осадок нейтрализуют 5%-ным раствором NaOH до рН 6,2...6,8 и промывают водой.

Пример 1. Измельченные пшеничные отруби (2 кг) заливают 20 л водопроводной воды, содержащей 16 г Пектофоетидина П10х (2,0 ед пектолитической активности на 1 г отрубей). Ферментативную обработку ведут при 50°С при перемешивание в течение 40 минут. Затем к суспензии добавляют 2 л водопроводной воды, содержащей 6 г Вильзима АКМ (30 ед ксиланазной активности на 1 г отрубей). Обработку осуществляют в тех же условиях еще 40 минут. Потом к суспензии добавляют 2 л водопроводной воды, содержащей 22 г Целловиридина Г20х (4,0 ед целлюлазной активности на 1 г отрубей). Обработку осуществляют в тех же условиях еще 40 минут. По окончании ферментативной обработки рН суспензии доводят концентрированным раствором щелочи до рН 10,5 и вносят 120 г тиосульфата. Щелочное экстрагирование осуществляют в течение часа при температуре 55°С. Затем экстракт сепарируют для отделения крахмало-белкового продукта и подкисляют 10%-ным раствором HCI до рН 4,2. Суспензию белка выдерживают 30 минут для формирования осадка и подвергают центрифугированию в течение 15 минут при 5000 об/мин. Выпавший осадок нейтрализуют 5%-ным раствором NaOH до рН 6,8 и промывают водой.

Выход белка составляет 86,5% от его исходного содержания в отрубях.

Пример 2. Измельченные пшеничные отруби (2 кг) заливают 20 л водопроводной воды, содержащей 40 г Пектофоетидина П10х (5,0 ед пектолитической активности на 1 г отрубей). Ферментативную обработку ведут при 50+-2°С при перемешивании в течение 40 минут. Затем к суспензии добавляют 2 л водопроводной воды, содержащей 12 г Вильзима АКМ (60 ед ксиланазной активности на 1 г отрубей). Обработку осуществляют в тех же условиях еще 40 минут. Потом к суспензии добавляют 2 л водопроводной воды, содержащей 50 г Целловиридина Г20х (9,0 ед целлюлазной активности на 1 г отрубей). Обработку осуществляют в тех же условиях еще 40 минут. По окончании ферментативной обработки стадию щелочного экстрагирования белка и выделение белкового продукта проводят так же, как в примере 1.

Выход белка составляет 87,3% от его исходного содержания в отрубях.

Пример 3. Измельченные пшеничные отруби (2кг) заливают 20 л водопроводной воды, содержащей 20 г Пектофоетидина П10х (2,5 ед пектолитической активности на 1 г отрубей). Ферментативную обработку ведут при 50+-2°С при перемешивание в течение 60 минут. Затем к суспензии добавляют 2 л водопроводной воды, содержащей 6 г Вильзима АКМ (30,0 ед ксиланазной активности на 1 г отрубей). Обработку осуществляют в тех же условиях еще 60 минут. Потом к суспензии добавляют 2 л водопроводной воды, содержащей 24 г Целловиридина Г20х (4,4 ед целлюлазной активности на 1 г отрубей). Обработку осуществляют в тех же условиях еще 60 минут. По окончании ферментативной обработки стадию щелочного экстрагирования белка и выделение белкового продукта проводят так же, как в примере 1.

Выход белка составляет 93,8% от его исходного содержания в отрубях.

Пример 4. В качестве исходного сырья используют измельченные ржаные отруби. Все остальные условия обработки пектолитическими, ксиланазными и целлюлолитическими ферментами, а также дальнейшее щелочное экстрагирование белка и получение белкового продукта сохраняют такими же, как в примере 3.

Выход белка при этом составляет 96,9% от его исходного содержания в отрубях.

Данные по содержанию белка в щелочных экстрактах пшеничных и ржаных отрубях с применением стадии предварительной обработки отрубей ферментными препаратами приведены в таблице.

Использование предлагаемого способа выделения белков из пшеничных и ржаных отрубей по сравнению с прототипом позволит увеличить выход белка на 35-50% и достичь практически полного извлечения белка из пшеничных и ржаных отрубей.

Изобретение относится к получению белковых продуктов и может быть использовано в мукомольном производстве, пищевой и микробиологической промышленности для получения белковых добавок к продуктам питания, композитных формул и модулей с улучшенными и регулируемыми свойствами и получения белковых гидролизатов для питательных сред. Измельченные отруби заливают водопроводной водой, содержащей пектолитический ферментный препарат. Обработку осуществляют 40...60 минут при 50+-2°С при перемешивании. Затем в суспензию вносят водный раствор ксиланазного ферментного препарата и осуществляют обработку. Потом в суспензию вносят водный раствор целлюлазного ферментного препарата. По окончании ферментативной обработки рН суспензии доводят до 10...11 концентрированным раствором щелочи в присутствии тиосульфата натрия. Щелочную экстракцию осуществляют при температуре 50...60°С. Затем экстракт сепарируют для отделения крахмало-белкового продукта и подкисляют 10%-ным раствором HCI. Суспензию белка подвергают центрифугированию. Выпавший осадок нейтрализуют 5%-ным раствором NaOH и промывают водой. При этом обеспечивается увеличение выхода белкового продукта и ускорение процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения белкового продукта из отрубей, включающий щелочное экстрагирование сырья, отделение экстракта от шрота отрубей и последовательное выделение из экстракта крахмало-белковой фракции и целевого продукта, отличающийся тем, что отруби перед щелочным экстрагированием подвергают ферментной обработке, ферменты вносят последовательно: вначале пектолитического действия 2,0...5,0 ед пектолитической активности на 1 г отрубей, затем ксиланазного действия 30...60 ед ксиланазной активности на 1 г отрубей, и целлюлолитического действия 4,0...9,0 ед целлюлолитической активности на 1 г отрубей, при этом время обработки каждым ферментным препаратом составляет 40...60 мин при температуре 50±2°С, гидромодуле 10-1...12-1 и нейтральных значениях рН.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют пшеничные и ржаные отруби.