Растительное сырье находит широкое применение в пищевой и
advertisement
Растительное сырье находит широкое применение в пищевой и кормовой промышленности. Основной причиной его популярности является возможность получения продуктов различной природы – белковой, углеводной, биологически активных соединений, в том числе продуктов глубокой переработки и компонентов с высокой добавленной стоимостью. Традиционно особое внимание уделяют растительному белку, например, соевому и гороховому. Переработка белоксодержащих культур приводит к получению таких продуктов, как мука с содержанием сырого протеина до 50%, концентрированных белковых продуктов – концентратов и изолятов, а также гидролизованных белковых продуктов – растительных пептидов. Одной из характерных тенденций современной пищевой и кормовой индустрии является увеличение спроса на полноценные, доступные и относительно дешевые белки. Одним из наиболее массовых реальных поставщиков такого белка является соя, объем производства белковых продуктов из которой сегодня достигает значительных объемов. В ближайшие годы прирост производства белков будет происходить за счет сои, гороха и других бобовых культур, что обеспечит снижение остроты мировой продовольственной проблемы и белкового дефицита, а растущее население планеты – белком, близким по пищевой и биологической ценности к белкам животного происхождения. По сравнению с производством животного белка соя и другие бобовые позволяют получить в 5-15 раз больше белка с акра возделанной земли. К 2050 году население планеты будет составлять 9 млрд. человек, что потребует увеличения объема пищевой продукции и эффективности сельского хозяйства, в том числе с точки зрения выращивания культур, богатых белком. Существует такое понятие как минимальная норма белка, то есть норма, ниже которой нормальная жизнедеятельность человека просто невозможна. Для взрослого человека минимальная суточная норма составляет всего 40-50 г усвояемого белка в день. Потребность в белке для взрослого человека составляет примерно 12-15% от общей энергетической стоимости рациона, что соответствует примерно 1,2-1,6 г на килограмм веса в сутки. В России производство высококачественного растительного белка развито недостаточно и не обеспечивает растущих потребностей населения и кормопроизводства, особенно в связи с интенсивным развитием производства свинины, птицы и аквакультурной продукции. По данным Росгорстата в дополнительном белковом питании на сегодняшний день нуждаются около 35 млн. человек в России. Высокобелковые продукты традиционно получают либо экстракцией подготовленных семян или бобов и переведением белков в раствор с последующим их осаждением и очисткой, либо переводом белков в нерастворимое состояние с сопутствующей экстракцией примесных компонентов. Практическая реализация этих способов сопряжена с рядом трудностей как технологического, так и экономического плана. К группе технологических трудностей следует отнести заметное влияние гранулометрии исходного сырья на эффективность процесса, низкую эффективность экстракции, необходимость использования высоких гидромодулей экстрагентов, что приводит к увеличению затрат на очистные сооружения и усложнению технологических линий в целом. Вследствие использования химических агентов и органических растворителей к предприятиям предъявляются повышенные требования по обеспечению мер безопасности. Из-за причин экономического плана реализация таких производств рентабельна лишь в крупнотоннажных масштабах. Важность выполнения инновационных работ с применением новых технологий в настоящее время неоспорима. Традиционные методы переработки растительного и животного сырья зачастую дороги, требуют применения агрессивных химических агентов и сложного технологического оборудования, а также сопряжены с образованием большого количества отходов. В связи с этим, идет активное освоение новых высокотехнологичных методов переработки сырья. Для решения указанных выше проблем мы предлагаем уникальный метод предобработки исходного сырья, заключающийся в воздействии на него термобаромеханическим способом с получением 3Дпористых гелевых гранул, что позволяет улучшить качественные и количественные показатели биотехнологических процессов. Прежде всего, изменение объемной структуры сырья оказывает положительное влияние на экстракционные и ферментативные процессы. Другим способом интенсификации является супертонкое измельчение сырья, однако его использование в экстракционных процессах неудобно с технологической точки зрения, поэтому мы предлагаем проводить 3Д-структурирование – превращение источников сырья в высокопористые продукты с развитой поверхностью. Данный подход позволяет говорить о «3Д-экстракции» – мы обеспечиваем доступ к элементам структуры продукта независимо от его реального геометрического размера. Полученные при осуществлении предобработки гранулы имеют уникальную пористую структуру, т.е контакт сырья с экстрагентом при осуществлении экстракционных процессов или с молекулами фермента в ферментативных происходит по очень развитой поверхности, что ускоряет протекание биотехнологических процессов. Предлагаемый способ имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным. Во-первых, технологии с использованием 3Д-структурированного сырья могут быть полностью «зелеными», так как при их реализации можно избежать использования химических агентов. Это приводит к упрощению требований к оборудованию и снижению затрат на мероприятия по обеспечению безопасности. Кроме того, такая технология может быть реализована и на малых предприятиях. Во-вторых, уникальные характеристики пористых гелевых гранул позволяют снизить гидромодуль экстрагента, так как модификация структуры исходного сырья обеспечивает высокие показатели эффективности экстракции. Снижение гидромодуля позволяет использовать более простое, дешевое и небольшое оборудование, сократить затраты на производство конечного продукта и на очистные мероприятия. Втретьих, при использовании пористых гелевых гранул размер частиц исходного сырья не влияет на эффективность процесса, что позволяет использовать, например, прессовое оборудование вместо дорогих центрифуг. Рассмотрим использование 3Д-гранул в экстракционных процессах. Традиционный способ получения концентрата растительного белка предполагает обработку сырья кислотой, горячей водой или этиловым спиртом при гидромодулях не ниже 10:1-15:1, что подразумевает жесткие условия, «химические» принципы технологии и существенные затраты на сушку и очистные мероприятия. Мы предлагаем «перевернуть» процесс – перевести максимальное количество имеющихся в сырье белков в единую трехмерную сетчатую структуру, а затем экстрагировать примеси обычной водой при рН 6,57,0 – то есть максимально «зеленым» способом при использовании низких гидромодулей. Это позволяет получить два продукта: текстурированный концентрат белка сои с содержанием сырого протеина до 80% и отличными показателями перевариваемости и раствор низкомолекулярных веществ, который может являться источником дополнительных ценных компонентов. Например, при культивировании дрожжей он является стимулятором роста и накопления биомассы, а также выступает в роли источника для получения изофлавоноидов. При обработке нативной муки (соевой или гороховой) водой при нейтральном значении рН ни экстракт, ни отработанная масса не могут считаться высокобелковыми продуктами, кроме того, объем экстрагента в таких процессах не менее чем в 10-15 раз превышает количество сырья. При использовании в качестве исходного сырья пористых гелевых гранул степень солюбилизации белка в жидкой фазе не превышает 5-15%, то есть порядка 90% сырого протеина, содержащегося в исходном сырье, остается в концентрате. В результате проведенных пилотных экспериментов были подтверждены результаты, полученные в лабораторных условиях. Использование пористых гелевых гранул при экстракции водой при нейтральном значении рН позволяет получить концентрат растительного белка с содержанием сырого протеина до 80%, сократить время экстракции до 20-30 минут, а гидромодуль – до 5:1-6:1. Учитывая тот факт, что экстракция проводится из гранулированного сырья, нет необходимости использовать для отделения экстрактов центрифуги – их можно заменить более дешевым прессовым оборудованием. Вследствие снижения гидромодуля оборудование также имеет меньший размер, а получение конечных продуктов сопряжено с меньшими затратами. Традиционный способ получения изолята растительного белка состоит из таких стадий как экстракция белка (переведение в растворимое состояние) в щелочных условиях, удаление нерастворимой части «белого лепестка», очистка экстракта и осаждение белка в изоэлектрической точке с помощью добавления кислоты, удаление сыворотки и промывка осадка белка, его нейтрализация и сушка. То есть, схема процесса весьма длина и сложна, а также при ее реализации используется значительное количество химических агентов, оборудование разного типа, кроме того, такой процесс достаточно растянут по времени. Выход изолята, т.е. продукта, содержащего не менее 90% сырого протеина, обычно не превышает 35%. Однако, с использованием 3Д-структурированного сырья возможно получение изолята с бОльшим выходом и с использованием принципиально иного подхода – не извлечения белка в раствор, а удаления из белоксодержащего сырья всех компоненов другой природы путем ферментативной обработки. При использовании в качестве сырья 3Д-структурированных гранул процессы с участием ферментом также заметно интенсифицируются. При проведении водной экстракции при нейтральном рН из гелевых гранул полисахаридная фракция соевой муки не затрагивается и остается в концентрате белка. Воздействие на нее ферментными препаратами позволяет расщепить полисахариды до растворимых компонентов и извлечь их в раствор, получая при этом изолят белка. Исследования с применением мультиферментного препарата показали, что при таком способе обработки пористых гелевых гранул возможно получение изолята белка сои (содержание сырого протеина около 90%) всего в одну стадию ферментативного гидролиза. Следует отметить, что проведение процесса эффективно при низких гидромодулях – 5:1-6:1, в то время как обычно ферментативные процессы ведутся при гидромодуле 10:1 для обеспечения лучшего подхода молекулы фермента к молекуле субстрата. В настоящее время обретает все большую популярность ферментативный гидролиз белков, в качестве сырья для которого можно использовать концентрат белка, в результате чего образуются жидкая гидролизованная часть, содержащая низкомолекулярные белки, пептиды, аминокислоты и твердый остаток. Вследствие сохранения пористой структуры в процессе водной экстракции, концентрат также имеет пористую структуру. Это позволяет проводить протеолиз с использованием малых гидромодулей, обычно 6:1. Высокая пористость приводит к образованию большего количества гидролизованной части и меньшего количества негидролизованной и к уменьшению времени, необходимого для солюбилизации белка – скорость процесса в случае использования нашего концентрата выше на 40%. Уменьшение гидромодуля в 1,7 раза по сравнению с традиционным подходом приводит к значительным экономическим преимуществам. Как показали исследования, возможно совмещение 3Д-структурирования с ферментативной обработкой в рамках одного аппарата, что позволяет минимизировать потери и затраты на перекачку субстанций, а также использовать заметно более небольшое по размерам и высоте оборудование, сократить продолжительность процесса. Зерновое сырье, содержащее крахмал, может подвергаться поризации с немедленной обработкой амилазами и протеазами при экстремально низком гидромодуле – 1:1,5, что приводит к гидролизу до 90% сухих веществ исходного сырья и образованию сусла с концентрацией сухих веществ 33%. После дальнейшей обработки и осахаривания сусло служит прекрасным субстратом для спиртового брожения, а твердый остаток является источником кормового белка. Стартовым материалом для 3Д-структурирования является как индивидуальное растительное сырье, так и его смеси, что решает проблему несбалансированности состава отдельных растительных белков. Интенсификация экстракционных и ферментативных процессов, достигаемая посредством 3Дструктурирования, является важным фактором при получении пищевых и кормовых высокобелковых продуктов, пептидно-аминокислотных добавок, биологически активных веществ, основ питательных сред для культивирования микроорганизмов, функциональных продуктов и многого другого. Таким образом, использование 3Д-структурирования приводит к образованию пористого продукта, обеспечивающего интенсивный массообмен. Данный факт подтвержден рядом патентов, принятых как в России, так и в других странах. Использование 3Д-пористых соевых гранул позволяет получить их 1 тонны сырых бобов до 0,5 тонны высококачественного концентрата белка, более 140 кг прессового соевого масла, 170 кг концентрата низкомолекулярных веществ по полностью «зеленой» технологии. Экономические преимущества данного процесса подтверждаются расчетом, согласно которому добавленная стоимость получения концентрата белка по нашей технологии в 3,5-4 раза выше в сравнении с традиционной переработкой и использованием полножирного сырья. Среди причин увеличения добавленной стоимости можно отметить снижение стоимости необходимого оборудования, требуется меньшая площадь, меньше высота зданий. Из-за отсутствия вредных химических веществ стоимость специальных защитных мероприятий также ниже. Энергозатраты на получение конечных продуктов и очистных мероприятий ниже. Фактически отсутствует нижняя граница мощности предприятия, делающая производство небольших объемов продукта нерентабельной, а также возможна «пошаговая» реализация технологии с получением различных продуктах на разных этапах внедрения.
