НЕПРЕРЫВНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЛКОВОГО ИЗОЛЯТА ИЗ СЕМЯН МАСЛИЧНЫХ КУЛЬТУР Российский патент 2008 года по МПК A23J1/14 A23J3/14 

В настоящей заявке испрашивается дата приоритета в соответствии со статьей 35 USC 119(e) по предварительным заявкам на патенты США № 60/331646 (подана 20 ноября 2001 г.) и 60/383809 (подана 30 мая 2002 г.).

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованному способу получения белкового изолята из семян масличных культур.

Уровень техники

В патентах США №5844086 и 6005076 ("Murray II"), переуступленных правообладателю настоящего изобретения, содержание которых включено в настоящее изобретение путем отсылки, описан способ выделения белковых изолятов из муки из семян масличных культур, содержащей значительное количество жира, включая муку из семян канолы, имеющих значительное содержание жира. В этом способе предусмотрены стадии, которые включают солюбилизацию белкового материала из муки из семян масличных культур, сопровождающуюся также солюбилизацией содержащегося в муке жира, и удаление жира из полученного водного белкового раствора. Отделение водного белкового раствора от остаточной муки из семян масличных культур можно проводить до или после стадии удаления жира. Затем обезжиренный раствор белка концентрируют с целью повышения концентрации белка при поддержании, по существу, постоянного значения ионной силы, после чего концентрированный белковый раствор может быть подвергнут дополнительной стадии удаления жира. Затем концентрированный белковый раствор разбавляют, что приводит к образованию подобной мути массы сильно агрегированных белковых молекул в виде дискретных белковых капель в мицеллярной форме. После осаждения белковых мицелл получают агрегированную, слившуюся, плотную аморфную клейкую массу белкового изолята, похожую на клейковину, обозначаемую термином "белковая мицеллярная масса", или БММ, которую отделяют от остаточной водной фазы и высушивают.

Белковый изолят имеет содержание белка (при определении азота по Кьельдалю, N × 6,25), по меньшей мере, приблизительно 90 мас.%, представляет собой, по существу, неденатурированный белок (что установлено методом дифференциальной сканирующей калориметрии) и имеет низкое остаточное содержание жира. Используемый здесь термин "содержание белка" означает количество белка в белковом изоляте в расчете на сухое вещество. Выход белкового изолята, полученного с использованием этого способа, в расчете на относительное количество белка, экстрагированного из муки из семян масличных культур, полученное в виде сухого белкового изолята, вообще составляет менее 40 мас.%, обычно около 20 мас.%.

Способ, описанный в вышеуказанных патентах, был разработан с целью модификации и усовершенствования способа получения белкового изолята из множества материалов - источников белка, включая семена масличных культур, как описано в патенте США №4208323 (Murray IB). Мука из семян масличных культур, которая вырабатывалась в 1980 г., когда был опубликован патент США №4208323, не содержала столько жира, сколько мука из масличных семян канолы, и поэтому способ, описанный в патенте США №4208323, не может быть применен к муке из семян масличных культур, обработанной согласно способу Murray II, для получения белкового материала с содержанием белка свыше 90%. В описании патента США №4208323 нет конкретных сведений о проведении экспериментов с использованием рапсовой муки (канолы) в качестве исходного сырья.

Способ по патенту США №4208323, по сути, был разработан с целью усовершенствования способа, описанного в патентах США №4169090 и 4285862 (Murray IA), за счет введения стадии концентрирования до разбавления с образованием белковой мицеллярной массы. Стадия концентрирования обеспечивает повышение выхода белкового изолята, начиная приблизительно с 20 мас.% для способа Murray IA.

В одновременно рассматриваемых заявках на патент США №60/288415 (подана 4 мая 2001 г.), 60/326987 (подана 5 октября 2001 г.), 60/331066 (подана 7 ноября 2001 г.), 60/333494 (подана 26 ноября 2001 г.), 60/374801 (подана 24 апреля 2002 г.) и 10/133391 (подана 3 мая 2002 г.), которые все переуступлены правообладателю настоящего изобретения и содержание которых включено в настоящее изобретение путем отсылки, описано дальнейшее усовершенствование способов выделения белка, известных из уровня техники, когда они применяются для получения повышенного выхода продукта - сухого белкового изолята из семян масличных культур в расчете на долю белка, экстрагированного из масличных семян, приходящуюся на белковый изолят, и получение белкового изолята высокой степени чистоты, обычно, по меньшей мере, около 100% (при определении азота по Кьельдалю, с коэффициентом пересчета азота на белок N × 6,25). Используемый в этом изобретении показатель "содержание белка" определяется в расчете на сухое вещество. Конкретно, этот способ применяется для получения белкового изолята из канолы.

В способах, описанных в упомянутых выше заявках на патент США №60/288415, 60/326987, 60/331066, 60/333494, 60/374801 и 10/133391, муку масличных семян экстрагируют водным раствором соли пищевого качества. Полученный раствор экстрагированного белка после начальной обработки обесцвечивающим адсорбентом, по желанию, сокращают в объеме, используя ультрафильтрационные мембраны, для того чтобы получить концентрированный раствор белка, содержащий больше, чем приблизительно 200 г/л белка. Затем этот концентрированный раствор белка разбавляют холодной водой, что приводит к образованию белой мути белковых мицелл, которым дают отстояться. После удаления жидкости над осадком осажденную, вязкую, клейкую массу БММ высушивают.

В одном воплощении способа, описанного выше, и, как конкретно описано в заявках №60/326987, 60/331066, 60/333494, 60/374801 и 10/133391, жидкость над осадком со стадии отстаивания БММ обрабатывают, чтобы получить белковый изолят, содержащий высушенный белок, из сырой БММ и жидкости над осадком. Этот способ можно осуществить путем первоначального концентрирования жидкости над осадком, используя ультрафильтрационные мембраны, смешивания сконцентрированной надосадочной жидкости с сырой БММ и сушки смеси. Полученный белковый изолят канолы имеет высокую степень чистоты, по меньшей мере, около 90%, предпочтительно, по меньшей мере, около 100% белка (N × 6,25).

В другом варианте воплощения способа, описанного выше и конкретно описанного в заявках №60/331066, 60/333494, 60/374801 и 10/133391, надосадочную жидкость со стадии отстаивания БММ обрабатывают, чтобы выделить белковый изолят из надосадочной жидкости. Этот способ можно осуществить путем первоначального концентрирования жидкости над осадком, используя ультрафильтрационные мембраны, и сушки концентрата. Полученный белковый изолят канолы имеет высокую степень чистоты, по меньшей мере, около 90%, предпочтительно, по меньшей мере, около 100% белка (N × 6,25).

В одновременно рассматриваемых заявках на патент США №60/339350 (подана 13 декабря 2001 г.) и 60/391046 (подана 25 июня 2002 г.), которые переуступлены правообладателю настоящего изобретения и содержание которых включено в настоящее изобретение путем отсылки, описан способ, в котором достигнут повышенный уровень выхода белка из муки масличных семян канолы путем использования муки, из которой удален растворитель при температуре около 100°С или ниже. Такая мука может быть исходным материалом для способа настоящего изобретения.

В одновременно рассматриваемой заявке на патент США №60/401782 (подана 8 августа 2002 г.), которая переуступлена правообладателю настоящего изобретения и содержание которой включено в настоящее изобретение путем отсылки, описано извлечение белкового изолята канолы из остаточной муки после экстракции растворителем масличных семян канолы, чтобы удалить остаточное количество масла, обычно известной под названием "белые хлопья" или реже как мука "выжимок". Такая мука может быть использована в качестве исходного материала для способа этого изобретения.

Раскрытие изобретения

В настоящее время установлено, что приобретаются значительные преимущества, если способ получения белкового изолята из семян масличных культур осуществляется непрерывно. Если стадия экстракции проводится в непрерывном режиме, то можно существенно сократить время первоначальной экстракции белка при одинаковой или повышенной степени экстракции белка и может быть использована существенно более высокая температура на стадии экстракции по сравнению с периодическим режимом, который описан в упомянутых выше патентах и заявках. Кроме того, в непрерывном режиме снижается опасность загрязнения, что приводит к повышению качества продукта, причем способ может быть осуществлен на более компактном оборудовании.

Описанный здесь непрерывный режим может быть использован при концентрациях и разведениях, которые раскрыты в патентах Murray I и II, однако предпочтительно для получения указанных преимуществ этого изобретения описанный непрерывный режим может быть осуществлен при концентрациях и разведениях, которые раскрыты в упомянутых выше заявках на патент США №60/288415, 60/326987, 60/331066, 60/333494, 60/374801 и 10/133391.

В соответствии с настоящим изобретением обеспечен способ получения белкового изолята, который предусматривает: (а) непрерывную экстракцию муки из семян масличных культур при температуре, по меньшей мере, 5°С, для того чтобы вызвать солюбилизацию белка, содержащегося в указанной муке масличных семян, с образованием водного белкового раствора, имеющего значение рН приблизительно от 5 до 6,8; (b) непрерывное отделение водного белкового раствора от остаточной муки масличных семян; (с) непрерывную подачу водного белкового раствора в процесс селективного разделения на мембране с целью повышения концентрации белка в водном белковом растворе, по меньшей мере, приблизительно до 50 г/л при поддержании, по существу, постоянной ионной силы с целью получения концентрированного белкового раствора; (d) непрерывное смешивание концентрированного белкового раствора с охлажденной водой, имеющей температуру ниже чем приблизительно 15°С, для того чтобы вызвать образование белковых мицелл в водной фазе; (е) непрерывную подачу образовавшейся смеси в емкость-отстойник, обеспечивая перелив надосадочной жидкости из этой емкости; (f) непрерывное обеспечение осаждения белковых мицелл в емкости-отстойнике при продолжающемся переливе надосадочной жидкости из этой емкости, пока в емкости-отстойнике не накопится заданное количество аморфной, клейкой, студенистой, похожей на клейковину, белковой мицеллярной массы и (g) извлечение белковой мицеллярной массы из емкости-отстойника, причем эта белковая мицеллярная масса имеет содержание белка, по меньшей мере, 90 мас.%, предпочтительно, по меньшей мере, около 100 мас.% по данным анализа азота по Кьельдалю (N × 6,25).

Продукт - белковый изолят в виде белковой мицеллярной массы - описывается здесь как "похожий на клейковину". Такое описание имеет целью указать на то, что по внешнему виду и на ощупь изолят аналогичен нативной пшеничной клейковине, но не предполагается его химическая идентичность клейковине.

В одном варианте воплощения этого способа надосадочную жидкость со стадии осаждения концентрируют периодически, полунепрерывно или непрерывно и образовавшуюся концентрированную жидкость над осадком высушивают с получением белкового изолята, имеющего содержание белка, по меньшей мере, приблизительно 90 мас.% (N × 6,25) в расчете на сухое вещество.

В другом варианте воплощения способа надосадочную жидкость со стадии осаждения концентрируют периодически, полунепрерывно или непрерывно, образовавшуюся концентрированную надосадочную жидкость перед сушкой смешивают с белковой мицеллярной массой перед сушкой последней и полученную смесь высушивают, получая белковый изолят с содержанием белка, по меньшей мере, приблизительно 90 мас.% (N х 6,25) в расчете на сухое вещество.

В последующем варианте воплощения изобретения надосадочную жидкость с конечной стадии концентрируют периодически, полунепрерывно или непрерывно и только часть образовавшейся концентрированной надосадочной жидкости смешивают, по меньшей мере, с частью белковой мицеллярной массы перед сушкой последней с целью получения иных новых белковых изолятов согласно изобретению, имеющих содержание белка, по меньшей мере, приблизительно 90 мас.% (N х 6,25) в расчете на сухое вещество.

Белковый изолят, полученный способом настоящего изобретения, можно использовать в традиционных областях применения белковых изолятов, т.е. для обогащения белком пищевых продуктов, для эмульгирования масел, в качестве текстурообразователей в хлебобулочных изделиях и пенообразователей в производстве взбитых продуктов. Кроме того, белковый изолят можно формовать в виде белковых волокон для производства аналогов мяса; этот изолят можно использовать в качестве заменителя яичного белка или наполнителя в пищевых продуктах, в которых яичный белок применяется как связующий агент. Белковый изолят канолы может использоваться также как питательная добавка. К другим сферам применения белкового изолята канолы относятся корма для домашних и сельскохозяйственных животных, промышленная переработка, производство косметических изделий и средств индивидуального ухода.

Краткое описание чертежа

На чертеже представлена технологическая схема непрерывного способа производства белкового изолята из семян масличных культур согласно одному из вариантов воплощения изобретения.

Осуществление изобретения

Начальной стадией способа согласно изобретению является солюбилизация белкового материала из муки из семян масличных культур, в частности из муки из семян канолы, хотя этот способ может быть применен для обработки муки из семян других масличных культур, например соевой, традиционной рапсовой муки, традиционной растительной клетчатки, льняной дробины, муки из семян подсолнечника и горчицы. Более конкретно, описание изобретения относится к муке из семян канолы, которая может быть мукой после низкотемпературного удаления растворителя.

Белковый материал, извлеченный из муки из семян канолы, может представлять собой природный белок семян канолы или других масличных культур либо белковый материал может представлять собой генетически модифицированный белок, который, однако, обладает характерными гидрофобными и полярными свойствами природного белка. Мука из семян канолы может представлять собой любую муку канолы, полученную из предварительно обезжиренных семян канолы с различным уровнем содержания неденатурированного белка, например муку из семян после экстракции горячим гексаном или после холодного прессования масла. Мука из семян канолы также известна под названием рапсовой муки или муки из семян рапса.

На стадии солюбилизации белкового материала используется раствор соли, причем этой солью обычно является хлорид натрия, хотя для экстракции белка можно использовать и другие соли, например хлорид калия. Ионная сила раствора соли составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,10, предпочтительно, по меньшей мере, около 0,15, для того чтобы обеспечить эффективную солюбилизацию значительного количества белка. С увеличением ионной силы раствора соли степень солюбилизации белка из исходного материала сначала повышается, пока не достигнет максимального значения. Однако последующее увеличение ионной силы не способствует повышению общего количества солюбилизированного белка. Ионная сила раствора пищевой соли, которая обеспечивает максимальную степень солюбилизации белка, изменяется в зависимости от вида соли и выбранного источника белка.

С учетом того, что для осаждения белка требуется более высокая степень разбавления с увеличением ионной силы, обычно предпочтительно используется значение ионной силы меньше, чем приблизительно 0,8 и более предпочтительно это значение составляет от приблизительно 0,15 до приблизительно 0,6.

Стадия солевой солюбилизации белка осуществляется быстро, обычно за время до около 10 минут, предпочтительно солюбилизацию проводят с целью экстракции максимально возможного количества белка из исходного материала, для того чтобы обеспечить высокий общий выход продукта. Предпочтительно солюбилизация осуществляется при повышенной температуре, предпочтительно приблизительно выше 35°С, обычно приблизительно до 65°С.

Водный раствор соли и мука из семян масличных культур имеют обычно значение рН приблизительно от 5 до 6,8 с тем, чтобы обеспечить образование белкового изолята по мицеллярному механизму, как описано более подробно ниже. Оптимальное значение рН для достижения максимального выхода белкового изолята варьирует в зависимости от вида выбранного материала - источника белка.

При предельных или близких к предельным значениях рН указанного диапазона образование белкового изолята происходит только частично по мицеллярному механизму, и с выходом ниже того, который достигается в указанном диапазоне рН. Поэтому предпочтительно значения рН находятся в диапазоне от приблизительно 5,3 до приблизительно 6,2.

В случае необходимости величину рН раствора соли можно устанавливать на любом желаемом уровне в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 6,8 для использования на стадии экстракции с помощью любой подходящей кислоты, обычно соляной кислоты, или щелочи, обычно гидроксида натрия.

Концентрация исходного белкового материала в растворе соли на стадии солюбилизации может варьировать в широких пределах. Обычные значения концентрации составляют от приблизительно 5% до приблизительно 15% (мас./об.).

Стадия экстракции белка водным раствором соли производит дополнительный эффект солюбилизации жиров, которые могут присутствовать в муке канолы, что впоследствии приводит к наличию жиров в водной фазе.

Белковый раствор, образовавшийся на стадии экстракции, обычно имеет концентрацию белка приблизительно от 5 до 40 г/л, предпочтительно приблизительно от 10 до 30 г/л.

Экстракция белка из муки семян масличных культур проводится любым подходящим способом, согласующимся с непрерывным осуществлением экстракции белка из муки масличных семян, таким как пропускание смеси муки масличных семян и водного раствора пищевой соли через протяженный контур, при скорости потока и времени пребывания, достаточных для того, чтобы провести заданную экстракцию в соответствии с указанными выше параметрами.

Альтернативно, процесс экстракции может быть проведен в емкости с перемешиванием, в которую непрерывно поступает смесь муки масличных семян и раствора соли и из которой непрерывно выводится водный раствор белка. Кроме того, этот процесс может быть проведен в полунепрерывном режиме, эквивалентном непрерывному, в котором смесь муки масличных семян и раствора соли поступает в первую емкость с перемешиванием, в которой осуществляется экстракция с образованием водного раствора белка, в то время как водный раствор белка непрерывно поступает из второй емкости с перемешиванием на стадию выделения остаточной муки, которая описана ниже. Когда в первой емкости образовался водный раствор белка, а вторая емкость освободилась от водного раствора белка, тогда вторая емкость становится первой, и наоборот.

Затем образовавшаяся на стадии экстракции водная фаза может быть отделена от остаточной муки из семян канолы любым подходящим для этой цели способом, например с использованием вакуумной фильтрации с последующим центрифугированием и/или путем фильтрации для удаления остаточной муки. Отделенная остаточная мука может быть высушена для дальнейшего использования.

Цвет готового белкового изолята канолы можно улучшить, т.е. сделать его светлым и снизить интенсивность желтой окраски, путем смешивания с порошкообразным активированным углем или другим веществом, адсорбирующим пигменты отделенного водного белкового раствора с последующим удалением адсорбента, обычно путем фильтрации, с получением белкового раствора. Удаление пигментов можно проводить также путем диафильтрации отделенного водного белкового раствора.

Указанную стадию удаления пигментов из отделенного водного белкового раствора можно проводить в любых удобных для этой цели условиях, обычно при комнатной температуре с использованием любого подходящего адсорбента пигментов. С этой целью используется порошкообразный активированный уголь в количестве приблизительно от 0,025% до 5% (мас./об.), предпочтительно приблизительно от 0,05% до 2% (мас./об.).

Если мука из семян канолы содержит значительное количество жира, как описано в патентах США №5844006 и 6005076, переуступленных правообладателю настоящего изобретения, содержание которых включено в настоящее изобретение путем отсылки, то могут быть проведены описанные в этих патентах стадии обезжиривания отделенного водного белкового раствора и концентрированного водного белкового раствора. При необходимости улучшения цвета продукта эту стадию можно проводить после первой стадии обезжиривания.

В качестве альтернативы экстракции муки из семян масличных культур водным раствором соли может служить экстракция муки чистой водой, хотя использование одной воды приводит к извлечению меньшего количества белка из муки масличных семян, чем при использовании водного раствора соли. При использовании указанного альтернативного способа соль в указанной выше концентрации добавляют к белковому раствору после его отделения от остаточной муки масличных семян, для того чтобы белок оставался в растворе в процессе стадии концентрирования. Если проводится стадия удаления пигментов и/или первая стадия обезжиривания, то соль обычно добавляется после завершения указанных операций.

Другим альтернативным способом является экстракция муки из семян масличных культур раствором соли при относительно высоком значении рН, например, приблизительно выше рН 6,8, обычно вплоть до рН около 9,9. Величину рН раствора соли можно регулировать в щелочном диапазоне с помощью любой подходящей щелочи, такой как водный раствор гидроксида натрия. Альтернативно, муку из семян масличных культур можно экстрагировать раствором соли при относительно низком значении рН, приблизительно ниже рН 5, обычно вплоть до рН около 3. Величину рН раствора соли можно регулировать в кислом диапазоне с помощью любой подходящей кислоты, такой как хлористоводородная кислота. При использовании указанных альтернатив водную фазу, образовавшуюся на стадии экстракции муки из семян масличных культур, в последующем отделяют от остаточной муки любым удобным способом, например с использованием вакуумной фильтрации с последующим центрифугированием и/или путем фильтрации для удаления остаточной муки. Отделенная остаточная мука может быть высушена для дальнейшего использования.

Затем величина рН водного белкового раствора, полученного на стадии экстракции при высоком или низком значении рН, может быть установлена в диапазоне приблизительно от 5 до 6,8, предпочтительно приблизительно от 5,3 до 6,2, как указано выше, до последующей обработки, что рассмотрено ниже. Указанное регулирование величины рН может быть осуществлено с использованием любой подходящей кислоты, такой как хлористоводородная кислота, или щелочи, такой как гидроксид натрия.

Затем водный белковый раствор концентрируют с целью увеличения концентрации белка в этом растворе при поддержании, по существу, постоянного значения ионной силы раствора. Стадию концентрирования проводят таким образом, чтобы получить концентрированный белковый раствор, имеющий концентрацию белка, по меньшей мере, приблизительно 50 г/л. Для того чтобы обеспечить повышенный выход белкового изолята, как описано в упомянутых выше заявках на патент США №60/288415, 60/326987, 60/331066, 60/333494, 60/374801 и 10/133391, предпочтительно такое концентрированно осуществляют с целью получения концентрированного белкового раствора, имеющего концентрацию белка, по меньшей мере, приблизительно 200 г/л, более предпочтительно, по меньшей мере, около 250 г/л.

Стадия концентрирования может проводиться любым подходящим способом, совместимым с непрерывным режимом работы, например с использованием любой подходящей технологии селективных мембран, например, путем ультрафильтрации с использованием мембран, таких как мембраны из полых волокон или свернутых в виде спиралей, с подходящим пределом пропускания по молекулярной массе, например, приблизительно от 3000 до 50000 дальтон (Да), с учетом использования различных мембранных материалов и конфигураций и с заданными размерами, обеспечивающими желаемую степень концентрирования водного раствора белка в процессе прохождения водного белкового раствора сквозь мембрану,

Стадия концентрирования может проводиться при любой подходящей температуре, обычно приблизительно от 20°С до 60°С, в течение периода времени, достаточного для достижения заданной степени концентрирования. Температура и другие используемые параметры в определенной степени зависят от используемого для осуществления концентрирования мембранного оборудования и заданной концентрации белка в растворе.

Хорошо известно, что в процессе ультрафильтрации и аналогичных технологий селективных мембран сквозь мембрану проходят соединения с низкой молекулярной массой и в то же время задерживаются соединения с высокой молекулярной массой. Эти низкомолекулярные частицы включают в себя не только ионы пищевых солей, но также и низкомолекулярные материалы, экстрагированные из исходного материала, такие как углеводы, пигменты и антипитательные факторы, а также любые низкомолекулярные формы белка. Предел пропускания мембран по молекулярной массе обычно выбирается таким образом, чтобы обеспечить удержание значительной части белка в растворе при свободном прохождении примесей сквозь мембрану с учетом использования различных материалов и конфигураций мембран.

Когда осуществляется концентрирование белкового раствора, для того чтобы получить концентрированный водный раствор белка, имеющий содержание белка, по меньшей мере, приблизительно 200 г/л, предпочтительно, по меньшей мере, около 250 г/л, причем в зависимости от температуры, используемой на стадии концентрирования, этот концентрированный раствор белка может быть нагрет до температуры приблизительно от 20 до 60°С, предпочтительно приблизительно от 25 до 35°С, с целью снижения вязкости концентрированного раствора белка, чтобы облегчить последующую стадию разбавления и образование мицелл. Концентрированный раствор белка не следует нагревать до температуры, выше которой температура концентрированного белкового раствора не позволит мицеллам белка образовываться при разбавлении охлажденной водой.

В случае необходимости концентрированный белковый раствор может подвергаться последующей операции обезжиривания, как описано в упомянутых выше патентах США №5844086 и 6005076.

Затем концентрированный белковый раствор, полученный на стадии концентрирования и необязательной стадии обезжиривания, разбавляют для того, чтобы вызвать образование мицелл путем смешивания концентрированного белкового раствора с охлажденной водой, объем которой обеспечивает достижение заданной степени разбавления. Степень разбавления концентрированного белкового раствора может варьировать в зависимости от относительного количества белка, которое желательно получить путем образования мицелл, и относительного количества из надосадочной жидкости. Обычно чем выше уровень разбавления, тем большая доля белка канолы остается в водной фазе. При необходимости получения максимально возможного количества белка путем образования мицелл концентрированный белковый раствор разбавляют менее чем приблизительно в 15 раз, более предпочтительно приблизительно в 10 раз или меньше.

Процесс разбавления может быть осуществлен путем непрерывного пропускания концентрированного белкового раствора в одно входное отверстие Т-образной трубы, в то время как разбавляющая вода поступает в другое входное отверстие Т-образной трубы, обеспечивая смешивание в трубе. Разбавляющая вода поступает в Т-образную трубу со скоростью, которая достаточна для достижения желаемой степени разбавления. Разбавляющая вода имеет температуру ниже, чем приблизительно 15°С, обычно приблизительно от 3°С до 15°С, предпочтительно ниже, чем приблизительно 10°С, поскольку при такой пониженной температуре и при указанной степени разбавления обеспечивается повышенный выход белкового изолята в виде белковых мицелл.

Смешивание концентрированного белкового раствора с разбавляющей водой в трубе инициирует образование белковых мицелл, причем эта смесь непрерывно выводится из выпускного отверстия Т-образной трубы в емкость-отстойник, из которой при ее наполнении обеспечивается перелив надосадочной жидкости. Сначала эта емкость-отстойник может быть полностью заполнена охлаждающей водой, которая постепенно заменяется поступающей смесью, выходящей из трубы.

Смесь поступает в массу жидкости в емкости-отстойнике таким образом, чтобы минимизировать турбулентность в массе жидкости, обеспечивая соответствующее осаждение мицелл. Для достижения этого результата обычно смесь подается из выпускного отверстия Т-образной трубы в емкость-отстойник ниже поверхности массы жидкости в емкости-отстойнике. Кроме того, выпускное отверстие может иметь такую конфигурацию и структуру, чтобы поток жидкости выходил из трубы в радиальном направлении в верхних слоях емкости-отстойника.

Белковые мицеллы подвергаются осаждению в емкости-отстойнике с образованием агрегированной, слившейся, плотной, аморфной белковой мицеллярной массы (БММ), похожей на клейковину; этот процесс продолжается до тех пор, пока на дне емкости-отстойника не накопится заданное количество БММ, после чего накопленная масса БММ удаляется из емкости-отстойника. Белковая мицеллярная масса может быть подвергнута центрифугированию, для того чтобы снизить содержание жидкости в белковой массе до удаления накопленной массы БММ из емкости-отстойника. При центрифугировании влагосодержание белковой мицеллярной массы может быть снижено приблизительно от 70-95 мас.% до значения обычно около 50-80% от общего веса мицеллярной массы. При таком снижении влагосодержания белковой мицеллярной массы также уменьшается содержание соли, окклюдированной в мицеллярной массе, и, следовательно, содержание соли в сухом изоляте. Альтернативно, стадия осаждения может быть осуществлена при непрерывном центрифугировании.

Извлеченная БММ может быть использована во влажном виде или может быть высушена с использованием любой подходящей технологии, такой как распылительная сушка, сублимационная сушка или вакуумная барабанная сушка, с получением сухого порошка. Сухая БММ имеет высокое содержание белка, по меньшей мере, приблизительно 90 мас.%, обычно вплоть до 100 мас.% белка (по данным анализа по Кьельдалю, N × 6,25), причем, по существу, неденатурированного белка (установлено методом дифференциальной сканирующей калориметрии). При использовании способа, описанного в упомянутых выше патентах США №5844086 и 6005076, сухая БММ, выделенная из муки масличных семян, имеет также низкое остаточное содержание жира, которое может быть меньше, чем приблизительно 1 мас.%.

Как конкретно описано в упомянутых выше заявках на патент США №60/331066, 60/333494, 60/374801 и 10/133391, надосадочная жидкость со стадии образования БММ может быть обработана с целью извлечения из нее дополнительного количества белка. Такой процесс может включать начальное концентрирование надосадочной жидкости. Указанное концентрирование осуществляется с использованием любой подходящей для этой цели мембранной технологии, например ультрафильтрации с использованием мембран с соответствующим пределом пропускания по молекулярной массе, позволяющим низкомолекулярным частицам, включая соль и другие небелковые низкомолекулярные вещества, экстрагированные из исходного белкового материала, проходить через мембрану, но задерживать белок канолы в растворе. Можно использовать ультрафильтрационные мембраны с пределом пропускания по молекулярной массе от приблизительно 3000 до приблизительно 10000, в зависимости от материала и конфигурации мембран. Концентрирование надосадочной жидкости предпочтительно проводят непрерывно с постоянным потоком надосадочной жидкости, хотя по желанию можно использовать периодический процесс с накопленными объемами перелившейся надосадочной жидкости. В таком непрерывном режиме работы размер мембран задают таким образом, чтобы обеспечить желаемую степень концентрирования надосадочной жидкости в процессе прохождения надосадочной жидкости сквозь мембраны.

Кроме того, концентрирование надосадочной жидкости указанным способом позволяет снизить объем жидкости, который необходимо удалить в процессе сушки для получения белкового изолята, и, следовательно, энергозатраты на сушку. Обычно надосадочную жидкость концентрируют перед сушкой до содержания белка приблизительно от 100 до 400 г/л, предпочтительно приблизительно от 200 до 300 г/л.

Сушка концентрированной надосадочной жидкости может осуществляться любым подходящим способом, например распылительной сушкой, сублимационной сушкой или вакуумной барабанной сушкой, с получением дополнительного количества сухого белкового изолята канолы, имеющего содержание белка, по меньшей мере, приблизительно 90 мас.%, предпочтительно, по меньшей мере, приблизительно 100 мас.% (по Кьельдалю, N × 6,25), по существу, в неденатурированном виде (установлено дифференциальной сканирующей калориметрией).

Альтернативно, как описано в упомянутых выше заявках на патент США №60/326987, 60/331066, 60/333494, 60/374801 и 10/133391, концентрированную надосадочную жидкость можно смешать с влажной БММ и образовавшуюся смесь подвергнуть сушке, чтобы получить дополнительный сухой белковый изолят канолы, имеющий содержание белка, по меньшей мере, приблизительно 90 мас.%, предпочтительно, по меньшей мере, около 100 мас.% (N × 6,25), по существу, в неденатурированном виде (установлено дифференциальной сканирующей калориметрией).

В другом альтернативном способе, в котором только часть концентрированной надосадочной жидкости смешивается лишь с частью БММ и образовавшуюся смесь сушат, оставшуюся концентрированную надосадочную жидкость можно высушить, также как и любую оставшуюся часть БММ. Кроме того, высушенную БММ и высушенную надосадочную жидкость можно смешивать в сухом состоянии в любом заданном соотношении, как рассмотрено выше.

Предпочтительное осуществление изобретения

На чертеже представлена технологическая схема одного из вариантов воплощения изобретения. Мука из масличных семян канолы и водная экстракционная среда подаются соответственно по трубопроводам 10 и 12 в смеситель 14, в котором смешивается мука масличных семян и водная экстракционная среда, и смесь поступает по трубопроводу 16 в смесительную трубу 18. В этой смесительной трубе 18 осуществляется экстракция белка из муки масличных семян и образуется водный белковый раствор. Кашица остаточной муки масличных семян и водного белкового раствора проходит по трубопроводу 20 в ленточный вакуум-фильтр 22 для отделения остаточной муки масличных семян, которая отводится по трубопроводу 24. Затем водный белковый раствор поступает по трубопроводу 26 на стадию осветления 28, где осуществляется центрифугирование и фильтрация водного раствора белка с целью удаления мелкодисперсных частиц, которые отводятся по трубопроводу 30.

Осветленный водный белковый раствор прокачивается по трубопроводу 32 через ультрафильтрационные мембраны 34, имеющие такой размер, чтобы обеспечить заданную степень концентрирования водного раствора белка с получением концентрированного белкового раствора в качестве ретентата в трубопроводе 36, тогда как пермеат удаляется по трубопроводу 38. Концентрированный белковый раствор поступает на вход тройника смешения 40, причем холодная вода поступает туда же в объеме, который достаточен для достижения желаемой степени разбавления. Образовавшийся раствор подается по трубопроводу 44 в емкость-отстойник 46, в которой обеспечивается осаждение белковой мицеллярной массы. Осажденная в отстойнике 46 белковая мицеллярная масса периодически отводится по трубопроводу 48 и подается в распылительную сушилку 50 для получения сухого белкового изолята канолы 52.

Надосадочная жидкость из емкости-отстойника отводится по трубопроводу 54 и прокачивается через ультрафильтрационные мембраны 56, для того чтобы получить концентрированный белковый раствор в качестве ретентата в трубопроводе 58, тогда как пермеат отводится по трубопроводу 60. Концентрированный белковый раствор пропускается через распылительную сушку 62 с целью получения дополнительного сухого белкового изолята канолы 64.

В качестве альтернативы концентрированный белковый раствор в трубопроводе 58 может поступать по трубопроводу 66 для смешивания с белковой мицеллярной массой перед тем, как смесь высушивают в распылительной сушке 50.

Примеры

Пример 1

В этом примере иллюстрируется непрерывный способ получения белкового изолята канолы в соответствии с одним вариантом воплощения изобретения.

Муку семян канолы (200 г) добавляют к 1350 мл 0,15 М раствора хлорида натрия (15% мас./объем) при температуре 50°С. Образовавшуюся смесь пропускают через трубопровод достаточной длины, обеспечивающей общее время пребывания смеси в трубе, равное 5 минутам. Анализ экстракта, покидающего трубопровод, показал содержание белка, равное 20,5 г/л. Для сопоставления в периодическом режиме работы при солевой солюбилизации (0,15 М NaCl) 15% мас./об. раствора муки канолы после перемешивания в течение 30 мин при температуре 24°С получено содержание белка 18,3 г/л (опыт BW-AH014-H29-01A).

Концентрированный ретентат (8 литров) с содержанием белка 296 г/л получают в периодическом режиме, как описано в примере 2 (см. опыт BW-AH014-H29-01A). Концентрированный ретентат при температуре 30°С подают со скоростью 64 мл/мин на один вход Т-образной соединительной трубы, в которой происходит смешивание с холодной водой (4°С), подаваемой на другой вход Т-образной соединительной трубы со скоростью, обеспечивающей степень разбавления 1:10. Т-образное соединительное устройство служит смесителем двух потоков, для того чтобы инициировать образование белой мути белковых мицелл. Затем смесь выпускают из выходного отверстия Т-образной соединительной трубы в емкость-отстойник объемом 50 л, заполненную холодной водой (4°С), в которую она поступает из отверстия, выполненного таким образом, чтобы минимизировать турбулентность в емкости-отстойнике. Надосадочную жидкость выводят сверху емкости-отстойника, поддерживая в ней постоянный объем жидкости. Систему эксплуатируют в течение двух часов.

По мере поступления в емкость-отстойник смеси ретентата и воды начинает формироваться пограничный слой между мицеллами и надосадочной жидкостью. Этот слой поднимается вверх в емкости в течение первого часа, после чего он начинает осаждаться. В то же время у дна емкости-отстойника становится видимым слой осажденной, вязкой, липкой массы (БММ). В ходе цикла эксплуатации этот слой БММ постоянно увеличивается в объеме. Пограничный слой между осаждающимися мицеллами и надосадочной жидкостью устанавливается приблизительно на одном уровне с выходным отверстием для смеси ретентата и воды. На выходе из емкости-отстойника надосадочная жидкость является прозрачной и в ней отсутствуют видимые мицеллы.

БММ, удаляемая со дна емкости после периода осаждения, имеет содержание твердого вещества 29,8 мас.% и составляет 49 мас.% от белка в ретентате.

С целью сопоставления в периодическом режиме концентрированный ретентат (40 литров) с содержанием белка 283 г/л при температуре 30°С разбавляют в соотношении 1:10 холодной водопроводной водой (4°С) и мицеллам дают осадиться в течение 1 часа. БММ, извлеченная со дна емкости, имеет содержание твердого вещества 36,2 мас.% и составляет 42 мас.% белка в ретентате (см. пример 2, опыт BW-AH014-H29-01A).

Пример 2

В этом примере приведены подробности периодического режима, описанного в предыдущем примере.

Концентрированную муку из семян канолы ("а" кг) добавляют к "b" литрам 0,15 М раствора NaCl при комнатной температуре и перемешивают в течение "с" минут для получения водного белкового раствора, имеющего содержание белка "d" г/л. Остатки муки из семян канолы удаляют и промывают на ленточном вакуум-фильтре. Получившийся белковый раствор осветляют центрифугированием, получая осветленный белковый раствор, имеющий содержание белка "е" г/л.

Объем раствора белкового экстракта сокращают путем концентрирования в ультрафильтрационной системе с использованием мембран, имеющих предел пропускания по молекулярной массе 3000 Дальтон. Полученный концентрированный белковый раствор имеет содержание белка "f" г/л. Концентрированный раствор при температуре "g" °C разбавляют в соотношении 1:10 холодной водопроводной водой (4°С). Сразу образуется белая муть, которой дают осадиться. Удаляют верхний слой разбавляющей воды, а осевшую вязкую, клейкую массу высушивают. Продукт обозначают как "h".

Конкретные значения параметров от "а" до "h" для различных образцов белкового продукта приводятся в следующей таблице 1.

Таблица 1habсdеfgBW-AH014-H29-01A120080003018,314.7296(1)BW-AL014-I05-01A120080003019,014,228336,8

(1) Не определено

Пример 3

В этом примере показано применение стадии непрерывной экстракции в непрерывном способе применительно к семенам горчицы, генетически не модифицированным (не-ГМ) семенам канолы, семенам рапса с высоким содержанием эруковой кислоты (СРВЭ), муки канолы "белые хлопья" и к муке канолы после холодного прессования.

Муку масличных семян добавляют к отдельным аликвотам (по 500 мл) 0,15 М раствора NaCl при 55°С, получая смеси, имеющие следующие концентрации:

- горчица, семена рапса с высоким содержанием эруковой кислоты и не-ГМ канола: 15% мас./об.;

- белые хлопья и мука канолы после холодного прессования: 10% масс./об.

Смеси прокачивают через трубопровод достаточной длины, обеспечивающей время экстракции смеси в трубе, равное 5 минутам. Анализ содержания белка в образцах проводится сразу после выхода из трубопровода.

Полученные результаты приводятся в следующей таблице 2.

Таблица 2Мука масличных семянСодержание белка в экстрактеГорчица27,3 мг/млСРВЭ12,0 мг/млне-ГМ канола10,7 мг/млБелые хлопья23,0 мг/млМука канолы после холодного прессования21,1 мг/мл

Пример 4

В настоящем примере показано применение стадии непрерывного разбавления в непрерывном способе применительно к семенам горчицы, не-ГМ канолы, рапса с высоким содержанием эруковой кислоты (СРВЭ), муке канолы "белые хлопья" и к муке канолы после холодного прессования.

Экстракцию муки масличных семян осуществляют в 0,15 М растворе NaCl при комнатной температуре в течение 30-минутного периода смешивания для каждого образца муки масличных культур. Концентрация семян составляет 10% мас./об. для белых хлопьев и для муки канолы после холодного прессования и 15% мас./об. для СРВЭ, муки из семян не-ГМ канолы и горчицы. После перемешивания в течение 30 минут твердое вещество отделяют от раствора белкового экстракта путем центрифугирования в течение 10 минут при 10000 g. Белковые растворы дополнительно осветляют посредством фильтрации через бумажный фильтр Ватман №4 в аппарате вакуумной фильтрации.

Каждый осветленный раствор концентрируют в мини-ячейке системы концентрирования Amicon с мешалкой, используя мембраны с пределом пропускания по молекулярной массе, достаточным для того, чтобы удержать растворимый белок и в то же время обеспечить прохождение сквозь мембраны воды и примесей, имеющих малую молекулярную массу. Каждый белковый раствор концентрируют до содержания белка 200 мг/мл или выше.

После концентрирования ретентат разбавляют в непрерывном режиме, используя два перистальтических насоса и Т-образное соединительное устройство. Скорость подачи насосов регулируется таким образом, чтобы первый насос перекачивал жидкость в 10 раз быстрее, чем второй насос, обеспечивая степень разбавления ретентата водой в соотношении 1:10. Насосы запускаются одновременно, при этом ретентат и вода закачиваются в общую линию через Т-образное соединительное устройство, где оба потока смешиваются и начинается образование мицелл.

Затем образовавшиеся растворы поступают в емкости-отстойники, в которых происходит осаждение преципитата. Комок осажденной БММ собирают и подвергают лиофильной сушке, для того чтобы рассчитать выход и содержание белка в каждой образовавшейся БММ. Результаты, полученные для каждого типа семян, приведены ниже, в таблицах 3 и 4.

Таблица 3ЭкстрактыМука масличных семянСодержание белкаОбъем экстрактаКоличество белкаСРВЭ11,7 мг/мл800 мл9,36 гГорчица31,6 мг/мл600 мл19,0 гне-ГМ канола6,9 мг/мл1000 мл6,9 гБелые хлопья канолы18,0 мг/мл900 мл16,2 гМука канолы после холодного прессования16,4 мг/мл1000 мл16,4 г

Таблица 4
Белковая мицеллярная массаМука масличных семянМассаСодержание белка*Выход**СРВЭ3,71 г107 мас.%40 мас.%Горчица8,54 г101 мас.%45 мас.%не-ГМ канола2,92 г103 мас.%42 мас.%Белые хлопья канолы7,1 г105 мас.%44 мас.%Мука канолы после холодного прессования6,94 г100 мас.%42 мас.%* Содержание белка определяют по количеству азота по Кьельдалю. (N × 6,25). Все образовавшиеся продукты БММ представляют собой белковые изоляты.
** Выход определяют как долю экстрагированного белка, который извлечен в виде БММ.

Краткое изложение изобретения

В настоящем изобретении разработан непрерывный способ получения белкового изолята из семян масличных культур. Возможны модификации способа в рамках объема изобретения.

Изобретение относится к промышленным способам получения белковых изолятов. Белковые изоляты из масличных семян, в частности белковые изоляты канолы, предпочтительно с высокой степенью чистоты, по меньшей мере, приблизительно 100 мас.% (N × 6,25) получают из муки из масличных семян непрерывным способом, в котором белок масличных семян непрерывно экстрагируют из муки из масличных семян. Образовавшийся белковый раствор непрерывно концентрируют, предпочтительно до содержания белка в нем, по меньшей мере, приблизительно 200 г/л, и концентрированный белковый раствор непрерывно смешивают с охлажденной водой, имеющей температуру ниже приблизительно 15°С, с образованием белковых мицелл, которые осаждают в емкости-отстойнике для получения белковой мицеллярной массы (БММ), в то время как надосадочная жидкость переливается сверху емкости. Когда накопится заданное количество БММ, массу БММ можно отделить от надосадочной жидкости и высушить. Надосадочную жидкость можно подвергнуть обработке с целью извлечения дополнительного белкового изолята масличных семян. 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 табл.

1. Способ получения белкового изолята, характеризующийся тем, что:

(а) муку из масличных семян непрерывно экстрагируют при температуре, по меньшей мере, 5°С с тем, чтобы вызвать солюбилизацию белка, содержащегося в указанной муке из масличных семян, и получить водный белковый раствор, имеющий значение рН от 5 до 6,8, где указанную стадию непрерывной экстракции проводят путем:

i) непрерывного смешивания муки из масличных семян с водным раствором соли, имеющим ионную силу, по меньшей мере, 0,1 и рН от 5 до 6,8 при температуре от 5 до 65°С, и

ii) непрерывной подачи смеси через трубу, в которой осуществляется экстракция белка из муки из масличных семян, для образования водного белкового раствора, имеющего содержание белка от 5 до 40 г/л, в течение периода времени до 10 мин;

(b) непрерывно отделяют водный белковый раствор от остаточной муки из масличных семян;

(с) непрерывно подают водный белковый раствор в процессе селективного разделения на мембране с целью повышения концентрации белка в водном белковом растворе, по меньшей мере, до 50 г/л, предпочтительно, по меньшей мере, 200 г/л, более предпочтительно, по меньшей мере, 250 г/л, при поддержании, по существу, постоянной ионной силы с целью получения концентрированного белкового раствора;

(d) непрерывно смешивают концентрированный белковый раствор с охлажденной водой, имеющей температуру ниже 15°С, предпочтительно ниже 10°С, для того, чтобы вызвать образование белковых мицелл в водной фазе;

(е) непрерывно подают образовавшуюся смесь в емкость-отстойник, обеспечивая перелив надосадочной жидкости из этой емкости;

(f) непрерывно обеспечивают осаждение белковых мицелл в емкости-отстойнике при продолжающемся переливе надосадочной жидкости из этой емкости до тех пор, пока в указанной емкости-отстойнике не накопится заданное количество аморфной, клейкой, студенистой, похожей на клейковину, белковой мицеллярной массы; и

(g) извлекают белковую мицеллярную массу из емкости-отстойника, причем белковая мицеллярная масса имеет содержание белка в расчете на сухое вещество, по меньшей мере, 90 мас.%, предпочтительно 100 мас.% по данным анализа азота по Кьельдалю (N х 6,25).

(а) концентрирования надосадочной жидкости до концентрации белка от 100 до 400 г/л, предпочтительно от 200 до 300 г/л, и сушки концентрированной надосадочной жидкости с целью получения белкового изолята, имеющего содержание белка, по меньшей мере, 90 мас.% (N х 6,25), предпочтительно, по меньшей мере, 100 мас.%;

(b) концентрирования надосадочной жидкости до концентрации белка от 100 до 400 г/л, предпочтительно от 200 до 300 г/л, смешивания концентрированной надосадочной жидкости с извлеченной белковой мицеллярной массой и сушки смеси с целью получения белкового изолята, имеющего содержание белка, по меньшей мере, 90 мас.% (N х 6,25), предпочтительно, по меньшей мере, около 100 мас.%; или

(с) концентрирования переливной надосадочной жидкости до концентрации белка от 100 до 400 г/л, предпочтительно от 200 до 300 г/л, смешивания части концентрированной надосадочной жидкости, по меньшей мере, с частью извлеченной белковой мицеллярной массы и сушки образовавшейся смеси с целью получения белкового изолята, имеющего содержание белка, по меньшей мере, 90 мас.% (N х 6,25), предпочтительно, по меньшей мере, около 100 мас.%, и при необходимости сушки остатка концентрированной надосадочной жидкости и остатка извлеченной белковой мицеллярной массы.