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.
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 и пищевых применениях. Молочные продукты, такие как казеинаты, порошковая сыворотка и концентрированный белок сыворотки, слегка окрашены, а концентрат белка сои имеет светло-коричневый цвет. Эти продукты являются основными ингредиентами в ценных кормах, таких как искусственное молоко для телят. Однако в некоторых случаях применения в пищевой промышленности, таких как производство колбас и гамбургеров, несмотря на то, что процентное содержание значительно ниже, цвет играет важную роль в восприятии конечного продукта.
Техническая возможность отбеливания фракций, богатых зародышами, оценивалась по двум критериям (1). Исключительно щелочное отбеливание и отбеливание перекисью водорода (2) отбеливание с помощью нещелочной пероксидазы и перекиси водорода.
1. 10-граммовые образцы богатой зародышами фракции поместили в лабораторные стаканы емкостью 1 л, содержащие 100 мл воды. Образцы диспергировали перемешиванием и к ним добавили 0,25 мл NaOH до достижения pH 12. Растворы подогревали до 50°С и в различные колбы добавляли 3,5, 5 и 10 мл 30% H2O2 для получения 10, 15 и 30% по весу раствора H2O2 во фракции, богатой зародышами. Смеси перемешивали в течение 1 ч и нейтрализовали уксусной кислотой.
Полное отбеливание было достигнуто при 15 и 30% содержании H2O2. Образец, обработанный 10% H2O2, был отбелен только частично. Все образцы, отбеленные щелочью, при высыхании темнели.
2. 10-граммовый образец богатой зародышами фракции поместили в лабораторный стакан емкостью 1 л, содержащий 100 мл воды. Образец диспергировали перемешиванием и к нему добавили 0,25 мл пероксидазы NS 51004 Novozymes. Раствор подогрели до 50°С и в колбу добавили 3,5 мл 30% H2O2, что дало 10% (по весу) раствор H2O2 во фракции, богатой зародышами, и смесь перемешивали 2 ч.
Отбеливание пероксидазой и перекисью водорода оказалось эффективным, потребовало меньше химикатов, и после высушивания образец не темнел.
Пример 5
Среди различных применений фракции, богатой зародышами, по примерам 1-4 можно назвать мясные продукты, такие как гамбургеры, колбаса и фрикадельки. В таких продуктах эта фракция, богатая зародышами, может заменить, помимо прочего, мясо, выделенный и концентрированный белок сои, а также молочный казеин и казеинаты. Таким образом, важно проверить богатую зародышами фракцию в отношении эмульгирующей и связывающей способности, ее вкус и пр.
Проверялась целесообразность включения фракции, богатой зародышами, экстрагированной из пшеничных отрубей, в традиционный рецепт фрикаделек, в который входят мясо, чеснок, премикс и вода.
Проверялись следующие фракции, высушенные распылением:
- фракция, богатая зародышами, экстрагированная из пшеничных отрубей короткого помола - (I),
- фракция богатая зародышами, экстрагированная из пшеничных отрубей обычного помола - (II),
- смесь фракции (II) с сывороткой в пропорции 1:1 по сухому веществу - (III).
Проверялись фрикадельки без богатой зародышами фракции (контроль) и фрикадельки с содержанием 2,5% образцов I, II или III. После обжаривания фрикадельки анализировали на потерю веса, вкус, текстуру и цвет. Результаты приведены в табл.2.
Общее заключение о поведении образцов в качестве добавки в рецепт фрикаделек было положительным и особенно интересным оказалось то, что фрикадельки меньше ужаривались.
Пример 6
Для проверки коэффициента извлечения из очищенных пшеничных отрубей с помощью обработки ксиланазой использовали лабораторные весы. Очищенные пшеничные отруби, использовавшиеся как сырье, содержали менее 1% крахмала, и из материала было извлечено по меньшей мере 50% и 70% белка и масла, соответственно, находившихся в исходном материале.
10 г очищенных отрубей помещали в 150 мл воды, pH доводили до 5,5 с помощью уксусной кислоты и добавляли энзимный коктейль, для ферментативной активности содержащий пентозаназу и гемицеллюлазу в следующих концентрациях: 0 (контроль), 0,1; 0,25; 0,5; 1 и 2% (по весу). Реакционные смеси выдерживали при 40°С в течение 120 минут. Обработку прекращали путем инактивации энзимов при температуре 80°С в течение 30 мин.
Результаты показали довольно высокий коэффициент извлечения по сравнению с контрольной обработкой (без добавления энзимов), несмотря на количество использованных энзимов. Для образцов с концентрацией 0 (контроль), 0,1; 0,25; 0,5; 1 и 2% были получены следующие коэффициенты извлечения: 3.1, 32.0, 32.8, 33.1, 33.3 и 34.2%, соответственно.
Пример 7
Испытание, подобное вышеописанному, проводили с очищенной эндо-1,4-бетаксиланазой (пентозаназой) при двух степенях добавки: 0,25 и 0,5% (по весу).
Коэффициенты извлечения также оказались высокими и повысились с 3,1 (контрольная обработка без энзимов) до 28,6 и 26,1% при добавлении 0,25 и 0,5% пентозаназ, соответственно.
Пример 8
Очищенные отруби с теми же характеристиками, что и для примеров 6 и 7, использовались в крупномасштабном испытании. Целью этого испытания являлись доказательство пригодности стандартного промышленного оборудования, количественная оценка параметров процесса, определение коэффициента извлечения различных фракций и окончательная характеристика конечных продуктов.
Очищенные отруби (80 кг) помещали в гидролизные баки, содержавшие 500 л воды. Показатель pH доводили до 5,5 и добавляли очищенную эндо-1,4-бетаксиланазу (пентозаназу) в количестве 0,5% (по весу). Реакционную смесь постоянно перемешивали и периодически подвергали влажному помолу, выдерживая при температуре 40°С в течение 90 мин. Гидролиз/влажный помол прекращали путем нагревания реакционной смеси до 90°С на 2 мин в теплообменнике.
Инактивированный гидролизат затем прокачивали через коммерческий двухфазный декантатор, в котором нерастворимая фаза (нерастворимые пищевые волокна) отделялась от растворимых веществ. Нерастворимую фазу высушивали и подвергали дополнительному помолу в коммерческой мельнице тонкого помола с использованием непрямого нагревания.
Растворимые вещества затем прокачивали через другой двухфазный декантатор, в котором тяжелую фазу (богатую алейроновым белком фракцию) отделяли от легкой фазы, содержащей фракцию экстрагированной гемицеллюлозы в форме и растворимой гемицеллюлозы, и олигосахаридов. Фазу, богатую белком, высушивали распылением.
Фракцию гемицеллюлозы подвергали дальнейшей сепарации по размеру с использованием ультрафильтра, на котором фракцию с большим размером молекул (растворимую гемицеллюлозу) отделяли от фракции с малым размером молекул (олигосахариды и сахара). Полученные фракции подвергали дальнейшей обработке распылительной сушкой для получения мелкодисперсного порошка или, альтернативно, выпаривали избыток воды до достижения 25% содержания воды.
Из очищенных пшеничных отрубей были получены нерастворимые пищевые волокна, гемицеллюлоза, олигосахариды и богатые белком фракции в количестве 51,0; 26,1; 17,3 и 7,7%, соответственно.
Пример 9
Проводилась оценка фракции нерастворимых волокон, полученной способом, описанным в примере 8, с учетом ее потенциального использования в качестве источника пищевых волокон и текстурирующего агента в пищевых применениях.
Типичный состав был следующим: сухое вещество 95%, компоненты из клеточных стенок 75%, белок 11%, растворимые сахара 3% (из которых по меньшей мере 75% составляет глюкоза), жир 4% и минералы 1,5%.
Влагоудерживающая способность, играющая первостепенную роль при оценке полезности нерастворимых пищевых волокон, в вышеописанном продукте составила 8,6 г воды на 1 г продукта по сухому веществу. Для сравнения, влагоудерживающая способность пшеничных отрубей составляет 3,5 г/г, а очищенных пшеничных отрубей - 7,5 г/г. Это указывает на улучшенное поглощение воды волокнами после частичного удаления компонентов из клеточных стенок. Другие виды коммерческих пищевых волокон, экстрагированные из пшеничной соломы и сахарной свеклы, имели влагоудерживающую способность 6,3 и 7,9 г/г, соответственно.
Пример 10
Белковая фракция, содержащая существенные количества алейроновых белков и полученная по примеру 8, имеет очень интересный химический состав, функциональность и является идеальным сырьем для дальнейшей переработки.
Типичный состав белковой фракции: сухое вещество 98%, белок 40%, сахар 3%, жир 18%, некрахмальные углеводы 32% и минералы (зола) 5%.
Для определения влияния обработки протеазой на функциональность белковой фракции образец белка подвергали мягкой обработке протеазой, а затем анализировали на количество сухого вещества и растворимость белка, эмульгирующую способность и стабильность эмульгирования.
Результаты приведены в таблице и ясно указывают на возможность дальнейшего улучшения некоторых важных функциональных способностей этой белковой фракции.
Характеристика и конечное использование
Фракция, богатая зародышами
Высокое содержание белка в богатой зародышами фракции делает ее идеальным заменителем существующих дорогих белков животного и растительного происхождения. Кроме того, фракция, богатая зародышами, благодаря природе ее белка, наличию высококачественного масла, фосфолипидов и стеролов также обладает интересной функциональностью, такой как эмульгирование, текстурирование и связывание, а также полезна для здоровья в связи со снижением содержания холестерина у человека.
В качестве примеров можно перечислить следующие существующие продукты, которые в пищевой промышленности могут быть заменены на фракцию, богатую зародышами.
Белки животного происхождения: казеин и казеинаты, белок плазмы крови и яичный белок. Белки растительного происхождения: концентраты и изоляты белка сои, текстурированная соя, гидролизованный глютен и белок картофеля.
В общем виде вышеуказанные продукты могут использоваться в качестве наполнителя и текстурирующего агента для мяса при производстве, помимо прочего, гамбургеров, колбас и фрикаделек. Эти продукты могут использоваться также в качестве заменителей казеина при производстве колбас, пастообразных продуктов, соусов и пр.
В производстве кормов фракция, богатая зародышами, является идеальным ингредиентом для высокоценных кормов, таких как заменитель молока для телят, корма для телят, поросят и цыплят, корм для рыб, корм для домашних животных. В пищевой промышленности она может по существу заменить использование сои (текстурированная соя, ее концентрат и изолят), белок картофеля, гидролизованный глютен, высококачественные продукты из рыбы, белок плазмы крови и продукты из сухого молока, такие как концентрат белка сыворотки, сыворотку и снятое молоко.
Белок, богатый зародышами, представляет большой интерес как функциональный пищевой ингредиент, особенно в случае ржи, в первую очередь, потому, что он содержит масло зародышей ржи.
Фракция, богатая эндоспермом
Эту белковую фракцию получают главным образом из остаточных белков эндосперма в отрубях зерновых. Она содержит 25-40% белков, большинство которых обладает высокой растворимостью. Она также особенно богата пентозанами растворимых пищевых волокон (более 35%), обладает высокой влагоудерживающей способностью и имеет светлый цвет.
Фракцию, богатую эндоспермом, можно использовать в пищевой промышленности при производстве хлебобулочных изделий, бакалейных товаров, молочных продуктов, супов и соусов, напитков с высоким содержанием белка и оздоровительных напитков. Она представляет собой ценный источник некрахмальных полисахаридов, которые являются прекрасным растворимым пищевым волокном и материалом, связывающим воду. В области производства кормов эта фракция может частично заменить глютен, белки сои и молока в качестве ингредиента в заменителе молока для телят, в начальном корме для поросят и в корме для рыбы.
Ее свойства эмульгирования, связывания воды и стабилизации пены эквивалентны свойствам других коммерчески доступных белков, таких как казеинаты, концентрат белка сои и модифицированный глютен пшеницы, или даже превосходят их. Белок, богатый эндоспермом, очень подходит для использования в качестве ингредиента в рецептах искусственного молока (как для телят, так и для людей), соусов, майонеза, подлив и пр.
Благодаря тому, что она содержит большое количество пентозанов и связанной феруловой кислоты, она имеет дополнительные преимущества, связанные со здоровьем и функциональностью. В косметической промышленности стабилизирующие, эмульгирующие и влагоудерживающие свойства являются идеальными.
Комбинация белка, богатого эндоспермом и растворимой гемицеллюлозой, интересна для ряда пищевых и биомедицинских применений благодаря эмульгирующему эффекту белка, богатого эндоспермом, и растворимых пентозанов и сгущающему действию растворимой гемицеллюлозы.
Фракция, богатая эндоспермом, содержит много пентозановых гемицеллюлоз, главным образом арабиноксилан для ржи и пшеницы или бета-глюканов для овса и ячменя. Таким образом, полезность этой фракции для здоровья обеспечивается арабиноксиланами и глюканами (см. ниже).
Фракция, богатая алейроном
Это белок, полученный главным образом из алейронового слоя клетки и являющийся материалом, представляющим как функциональную, так и пищевую ценность, богатым важнейшими аминокислотами.
В пищевой промышленности этот материал может использоваться в качестве эмульгатора, стабилизатора пены и текстурирующего агента. Кроме того, он обладает большим потенциалом как белковая добавка.
Фракция нерастворимых волокон
Фракция нерастворимых волокон может использоваться как интересный источник волокон в пищевой промышленности. Основным применением может стать их использование в качестве текстурирующей и влагосвязывающей добавки в переработанных продуктах, особенно мясных, а также в качестве источника пищевых волокон в зерновых завтраках, хлебобулочных изделиях и оздоровительных продуктах. Высокая влагосвязывающая способность и благоприятное действие на функцию кишечника делает ее интересным продуктом для биомедицинского рынка.
Это волокна, остающиеся после извлечения из отрубей растворимых компонентов (первая стадия процесса) и части гемицеллюлозы (вторая стадия процесса). Фракция нерастворимых волокон представляет собой очищенные волокна зерновых, имеющие низкое содержание фитиновой кислоты. Поскольку волокна уже частично энзиматически «переварены», для пищеварительного канала становятся доступными многие полезные соединения, происходящие из клеточных стенок.
Нерастворимые волокна обладают высокой влагосвязывающей способностью обычно на 100% выше, чем у пшеничных отрубей. Это позволяет улучшить транзит по кишечнику. Благодаря процессу фракционирования остающиеся пентозаны становятся более доступными для стенок кишечника (снижение холестерина).
Благодаря повышенному содержанию в волокне материалов типа лигнина и других антиоксидантов можно утверждать о его различных благоприятных действиях, полезных для здоровья. В частности, известно, что лигнаны и полифенольные соединения имитируют эстрогены (женские гормоны), а недавно было обнаружено, что они препятствуют возникновению различных видов рака. Это было доказано и для продуктов из ржи.
Кроме того, нерастворимые волокна также являются хорошим сырьем для дальнейшей (энзиматической) экстракции лигнинов, феруловых кислот, лигнанов и пр., которые являются природными антиоксидантами и потенциально противораковыми агентами. Их можно использовать для многих биомедицинских и косметических фармакологических применений, например, в лосьонах, кремах и увлажнителях. Феруловая кислота является эффективным поглотителем ультрафиолета и в этом качестве может использоваться в солнцезащитных кремах.
Нерастворимые пищевые волокна богаты доступными лигнанами и остаточными пентозанами/гемицеллюлозами. Бактерии, присутствующие в ободочной кишке, преобразуют лигнаны растений в лигнан млекопитающих - энтеролактон, используя гемицеллюлозу в качестве ферментационной среды. Эти соединения имитируют эстрогены и, как оказалось, оказывают заметный, демонстрируемый эффект на подавление раковых заболеваний, связанных с гормонами, таких как рак груди, яичников и простаты. Нерастворимые пищевые волокна ржи, в частности, содержат лигнаны секоизоларицирезинол (SECO) и матаирезинол (MAT), которые известны как предшественники энтеролактона. Нерастворимые пищевые волокна пшеницы также содержат такие лигнаны, но это их действие не продемонстрировано для пшеницы. Важно указать, что в этой фракции лигнаны присутствуют в доступной форме, поскольку стенки клеток уже частично энзиматически переварены наряду с их естественными синергетическими партнерами, арабиноксилановыми гемицеллюлозами, остающимися в волокнах.
Фракция сахара
Это глюкоза, полученная энзиматическим расщеплением остаточного крахмала отрубей, и является более чистым продуктом по сравнению с мелассой. Ее можно использовать в кормах и пище как источник энергии, ароматизирующий агент и связующий агент. Альтернативно, она идеально пригодна в качестве промышленного сырья для ферментации, поскольку она дает меньше отходов. Производители этанола и лимонной кислоты являются идеальными потребителями очень большого количества такого продукта. Можно рассматривать и производство одноклеточного белка для рынков кормов и пищевых продуктов.
Растворимая гемицеллюлоза
Она является основным нецеллюлозным полисахаридом клеточных стенок из отрубей злаков. Ее можно производить со средним и высоким молекулярным весом и с высокой растворимостью (комбинация этих двух свойств является важнейшим аспектом). Поскольку продуктом является пентозан (арабиноксилан), он является низкокалорийным и полезным для кишечника. Она может производится с боковыми цепями ферулатов или со свободной феруловой кислотой и другими антиоксидантами или без них и представляет собой текучий белый порошок.
Благодаря своему составу и высокой влагосвязывающей способности она идеально пригодна для использования в качестве загустителя, желеобразующего агента, стабилизатора растворимых пищевых волокон и заменителя жира. Можно получить и нежелирующую форму гемицеллюлозы. В качестве загустителя и желеобразующего агента она интересна для пищевой промышленности как добавка в супы, маргарин, десерты, паштеты, соусы и пр. В качестве стабилизатора она представляет собой дешевую альтернативу модифицированному крахмалу (получаемому из пшеницы, кукурузы и пр.), модифицированной целлюлозе, смолам (гуаровой смоле, смоле ирландского мха), альгинатам (морским водорослям), желатину (дешевому, но имеющему проблемы с BSE) и пектину (из кожуры фруктов и из сахарной свеклы). Наконец, она имеет хороший потенциал применения в напитках, поскольку наряду со стабилизирующими свойствами является прекрасным источником растворимых пищевых волокон.
Можно поставлять пентозан с боковыми цепями ферулата, и в этой форме субстанция желируется в комбинации с кислородом и энзимом. В этом виде этот материал представляет интерес как раневая повязка, поскольку он сохраняет кожу в гидрированном состоянии, и в него можно добавлять лекарственные вещества.
Из ржи и пшеницы получают почти исключительно арабиноксилановую (пентозановую) гемицеллюлозу. Она легко ферментируется в ободочной кишке, является низкокалорийной для человека и, как сообщалось, генерирует бутират как конечный продукт жирных кислот с короткими цепями (SCFA) после ферментации. Согласно недавним исследованиям, это наиболее «здоровые» SCFA, поскольку являются предпочтительным источником энергии для клеток эпителия, выстилающих ободочную кишку. Поэтому польза для здоровья от введения в диету обогащенного доступного источника арабиноксилана может быть очень значительной.
Эта фракция является идеальным растворимым пищевым волокном со всей сопутствующей пользой для здоровья. Арабиноксиланы также считаются прекрасными сайгами связывания вторичных желчных кислот вследствие жесткости частей молекулярной цепочки и появлению на полимере относительно гидрофобных доменов. Считается, что это снижает любые потенциальные канцерогенные эффекты. Кроме того, эта фракция содержит боковые цепи ферулового эфира в пропорции к полимеру с сопутствующей стабилизацией свободных радикалов и антиокислительными свойствами.
Важно подчеркнуть, что арабиноксилан, сконцентрированный в этой фракции, обычно недоступен кишечнику и ободочной кишке, если поступает туда как часть обычной пищи или даже из обычных отрубей.
В овсе и ячмене эта фракция богата бета-глюканом со всеми документированными полезными действиями этого полисахарида. Имеется ощутимая польза в обеспечении концентрированного бета-глюкана этой природы, поскольку прием в пищу обычного овса не дает достаточно материала для проявления этих эффектов в полной мере. Очищенный бета-глюкан можно купить, однако он дорог, поскольку его получают очень тщательной очисткой. Важно понять, что такая тщательная очистка требуется для удаления химикатов, применяемых в процессе экстракции. Есть подозрение, что в этом процессе удаляются и естественные синергетические соединения-партнеры, тогда как во фракции, полученной способом по изобретению, они сохраняются.
Олигосахаридный сироп
Его получают из фракции гемицеллюлозы, и он представляет собой 100% растворимое пищевое волокно с низким молекулярным весом и низкой вязкостью. Олигосахаридный сироп можно производить с лигнанами, феруловой кислотой и другими антиоксидантами, и он является чрезвычайно растворимым и гигроскопичным.
Он обладает большим потенциалом в производстве напитков, поскольку имеет низкую вязкость, является хорошим источником пищевых волокон, создает приятное ощущение во рту и имеет приятную текстуру.
В комбинации с сиропом глюкозы его можно использовать в качестве подсластителя и источника энергии в напитках, батончиках из зерна и пр. Поскольку он богат феруловой кислотой, пентозанами и солюбилизированными лигнанами, можно также утверждать о его пользе для здоровья. Очень важно поставлять лигнаны в присутствии олигомеров пентозана, если необходимо реализовать в полной мере эффект профилактики рака; в этой фракции существует именно такая ситуация.
Комбинация сиропа глюкозы и сиропа олигосахарида также является идеальной для применений, где требуется повышенное содержание пищевых волокон и повышенная способность к связыванию воды без сгущения. Растворимый олигосахарид можно также использовать в кондитерских рецептах в комбинации с сиропом глюкозы или сиропами других сахаров и подвергать дополнительному концентрированию для получения продуктов, устойчивых к воздействию влаги.
Олигосахаридный сироп является фракцией с низким молекулярным весом солюбилизированных арабиноксиланов вместе с другими компонентами с низким молекулярным весом, солюбилизированными из клеточных стенок. К ним относятся растворенные фрагменты лигнина, фенольные соединения, такие как феруловая кислота и лигнаны. Как и для нерастворимых пищевых волокон, присутствие лигнанов с арабиноксиланом дает основания для заявлений о значении фракций, полученных из ржи и пшеницы, для профилактики рака. В этом случае арабиноксиланы присутствуют как олигомеры, а лигнаны в изобилии присутствуют в сиропе и потенциально легкодоступны для кишечника. Это должно увеличить скорость преобразования лигнанов растений в энтеролактон, который потенциально оказывает большее влияние на профилактику рака.
Кроме того, присутствие больших концентраций олигомерного арабиноксилана представляет собой готовый ферментационный субстрат для производства полезных SCFA, таких как бутират, польза которых описана в разделе, посвященном фракции гемицеллюлозы.
Эта фракция, особенно в случае ржи, является, вероятно, самой интересной в настоящем контексте, являясь прекрасным источником арабиноксиланов, лигнанов и фенольных антиоксидантов в очень доступной форме вместе с соответствующими синергетическими соединениями-партнерами. В овсе и ячмене она является хорошим источником фрагментов бета-глюкана с низким молекулярным весом.
Зародышевое масло
Зародышевое масло получают из белка, богатого зародышами, и оно представляет собой высококачественное пищевое масло и ингредиент. Его можно экстрагировать без каких-либо растворителей, и оно не содержит консервантов или добавок. Оно является хорошим источником поли- и мононенасыщенных жиров, обладает приятным запахом, содержит много витамина Е и легко может находиться во взвешенном состоянии. Как ароматизатор, оно хорошо сочетается с продуктами на базе пшеницы и ржи (блюдами из злаков, хлебобулочными изделиями, бисквитами и пр.), десертами, мороженым и пр. Благодаря наличию природного витамина Е оно может быть полезным как ингредиент в составах жиров и масел, в соках и пр.
Масло зародышей ржи особенно богато естественно образующимся бета-ситостиролом, веществом, понижающим уровень холестерина, и токотриенолом, веществом, «сжигающим» холестерин. Эти материалы можно классифицировать как «естественные синергетические партнеры», являющиеся важным фактором в области функционального питания. Это резко повышает потенциал масла как ценного нейтрацевтического ингредиента в пищевых продуктах, таких как маргарины и пастообразные продукты.
Зародышевое масло также хорошо блокирует ультрафиолет и поэтому вместе с феруловой кислотой может быть идеальным компонентом в лосьоне для загара. Его эмульгирующие свойства делают его весьма пригодным в качестве стабилизатора эмульсий и в качестве умягчающего ингредиента в кремах для кожи.
Фракции обезжиренного белка
Это белок, который остается после экстрагирования масла из фракций, богатых необезжиренными зародышами и алейроном, и содержит по меньшей мере 60% белка. Он также является хорошим функциональным белком, обладает исключительно высокой способностью к связыванию жиров и может легко энзиматически модифицироваться для повышения растворимости и свойств стабилизации эмульсий и пены.
Этот продукт является прекрасным стабилизатором эмульсий воды в масле и интересен как текстурирующий агент или наполнитель мяса в колбасах, бургерах, паштетах и пр. Фракция обезжиренного белка представляет собой функциональный белок, который может легко заменить белки сои и содержит фосфолипиды, натуральные лецитины и гликолипиды.
Он имеет высокий потенциал в косметических рецептах как стабилизатор эмульсий, поскольку содержит натуральные лецитины.
Один предпочтительный вариант установки для осуществления способа по изобретению на отрубях злаков показан на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг.1 - установка для осуществления предпочтительного варианта настоящего изобретения, и
фиг.2 - схема фракционирования отрубей злаков.
На фиг.1 показан предпочтительный вариант выполнения установки для осуществления настоящего изобретения, связанного с сепарацией отрубей злаков или очищенных отрубей злаков, где емкость 1 для гидролиза суспензии соединена с мельницей 2 влажного помола. Реакционную смесь периодически прокачивают через мельницу 2 влажного помола (от 1 до 3 раз). Затем гидролизат по желанию инактивируют в теплообменнике 3 и помещают в двухфазный декантатор 4, который отделяет нерастворимую фазу (нерастворимые волокна) от растворимой. Нерастворимую фазу, имеющую содержание сухого вещества около 35%, высушивают в кольцевой сушилке 5 до содержания сухого вещества около 95%. Растворимую фазу, имеющую содержание сухого вещества около 3%, прокачивают через другой двухфазный декантатор 7 или, возможно, через сепаратор, пропуская ее через бак-накопитель 6, при этом в двухфазном декантаторе 7 выделяют фазу, богатую белком. Фракцию, богатую белком, по желанию подвергают энзиматической обработке для улучшения функциональности в емкости 8 для гидролиза и затем высушивают до содержания сухого вещества 95% в распылительной сушилке 9. Растворимую (жидкую) фазу из двухфазного декантатора, имеющую содержание сухого вещества около 3%, подают на ультрафильтр 10, имеющий молекулярное сечение от 20 до 100 кД, предпочтительно от 20 до 50 кД, что зависит от различных производственных требований. Ретентат (фракция, остающаяся на ультрафильтре 10) при желании может быть подвергнут энзиматической обработке для улучшения функциональности в емкости 11 для гидролиза и затем высушен до содержания сухого вещества около 95% в распылительной сушилке 12 или может быть выпарен в испарителе до получения сиропа с концентрацией сухого вещества по меньшей мере 75%. Пермеат из ультрафильтра 10 предпочтительно выпаривают в испарителе 13 до получения сиропа с концентрацией сухого вещества по меньшей мере 75%.
Изобретение относится к способу выделения ценных фракций из отрубей злаков (отрубей пшеницы, ячменя, овса и рисовой шелухи). В частности, настоящее изобретение предлагает двухстадийный способ, согласно которому отруби сначала подвергают энзиматической обработке в комбинации с влажным помолом, после чего их центрифугируют и подвергают ультрафильтрации для физического разделения основных фракций отрубей, т.е. нерастворимой фазы (перикарп и алейроновый слой), фракции, богатой зародышами, фракции остаточного эндосперма и растворимых сахаров. Вторая стадия состоит из фракционирования отрубей злаков, по существу свободных от растворимых веществ, т.е. нерастворимой фазы, полученной на первой стадии, путем энзиматической обработки ксиланазами и/или бета-глюканами и влажного помола, после чего проводят центрифугирование и ультрафильтрацию для физического разделения основных фракций, т.е. нерастворимой фазы (остаточный компонент из клеточных стенок), фракции, богатой белком, растворимой гемицеллюлозы и олигосахарида. Таким образом максимально повышается степень извлечения ценных компонентов из клеточных стенок и алейроновых клеток из ранее очищенных отрубей, 14 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл., 2 ил.
| US 4361651 A, 30.11.1982 | |||
| US 5312636 A, 17.05.1994 | |||
| US 4171383 A, 16.10.1979 | |||
| US 4171384 A, 16.10.1979 | |||
| US 5308618 A, 03.05.1994 | |||
| US 4746073 A, 24.05.1988 | |||
| US 3879373 A, 22.04.1975. |
