Извлечения белка из высушенной фитомассы амаранта

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КНЦ РАН. Ул. Арбузова, 8. г. Казань 420088. Россия.

Polytechnic Institute and State University of Virginia. Blacksburg.

Извлечения белка из высушенной фитомассы амаранта

Скворцов Евгений Владимирович, Соснина Надежда Александровна,

Лапин Анатолий Андреевич, Минзанова Cалия Тахиятулловна,

Миронов Владимир Фёдорович, Коновалов Александр Иванович

и Barbeau U.E.

Резюме

Поступила в редакцию 20 июня 2001 г.; УДК 678.746:547.964

В работе показана возможность использования фитомассы амаранта для извлечения белков кормового и пищевого назначения. Приведена технология их экстракции, осаждения и сушки.

Достоинством амаранта, по сравнению с другими растительными культурами, является его высокая продуктивность ц/га: фитомассы 1000-1500, сухого вещества 200-300, семян 40-50. При этом общее содержание белков в сухой фитомассе составляет 18-22%, в семенах 13-16%. Приведена схема получения белковых фракций альбуминов, глобулинов, глютеинов, проламинов из сухой травяной муки амаранта. Максимальное извлечение белка достигается последовательным экстрагированием его раствором целловиридина марки Г20Х и HCl при рН 3.8, затем 0.1М NaOH. Разработан процесс получения жидкого концентрата альбуминов, сухого концентрата глютелинов, кормовых добавок с высокой биологической ценностью и перевариваемостью (95.2-97.5%).

Ключевые слова: амарант, белковый концентрат, растительный белок, технология, экстракция.

Результаты и дискуссия

Решение проблемы обеспечения населения полноценным питанием за счет растительного белка невозможно без создания новейших технологий его получения из растений, а также поиска новых нетрадиционных высокобелковых культур, одной из которых может быть амарант. Исходя из продуктивности, содержания, а также сбалансированности белка по аминокислотам, амарант может рассматриваться, как перспективный источник растительного белка. Источником белка у амаранта может быть вся биомасса растения в любой стадии вегетации. Основными достоинствами амаранта являются его продуктивность и содержание белка:

1. Продуктивность амаранта ц/га:

Фитомасса 1000-1500

Сухое вещество 200-300

Семена 40-50

2. Содержание белка, % асв:

Фитомасса 18-22

Семена 15-16

Выход белка при переработке фитомассы может достигать до 200 ц/га.

Ранее нами было установлено [1], что для белков растений Аmaranthus сruentus, культивируемых в Татарстане, характерен следующий компонентный состав, %масс.:

1. Проламины -- спирторастворимые белки (1-1.5 ).

2. Альбумины -- водорастворимые белки (2-4 ).

3. Глютеины -- белки растворимые в щелочи (4-5).

4. Глобулины -- более сложные белки растворимые в щелочной или кислой среде при добавлении солей (6-8 ).

В процессе разработки способа извлечения белков в лабораторных условиях нами подобраны оптимальные условия экстракции белков, а именно: рН гидролизующей среды - 8.5-12.4; температура 45-50о С, продолжительность экстракции 20-40 минут, гидромодуль 1:8-10. Аминокислотный состав полученных белковых препаратов представлен в табл. 1.

амарант белковый фракция фитомасса

Табл. 1 Аминокислотный состав белка амаранта.

Белковый экстракт, помимо белков, содержит много других продуктов. Качественный и количественный состав этих продуктов зависит от экстрагентов и технологии экстракции.

С целью интенсификации процесса получения белка из растительного сырья и повышения выхода конечного продукта нами был отработан способ получения белка из надземной части амаранта методом противоточной экстракции. Технология комплексного экстрактивного выделения белковых препаратов из жома амаранта, образующегося после получения пектина, была отработана в массообменном аппарате НПП “ЭПАТ” [2]. В данном аппарате также была проведена экстракция с использованием исходной фитомассы амаранта, но в этом случае предусматри-валась предварительная обработка сырья (водная или водно-этанольная). При разработке способа получения растительного белка проведен ряд экспериментов с целью установления оптимальных параметров технологического процесса. Предлагаемый нами способ заключается в следующем: исходное сырье (40 г сухой измельченной травы амаранта) замачивали в воде при соотношении 1 : 1-3 по объему и эту смесь выдерживали при комнатной температуре в течение 1-2 часа, затем смесь фильтровали. Набухшее сырье загружали в экстрактор, а далее вели процесс непрерывной противоточной экстракции водным раствором гидроокиси натрия при рН 8.5-10, при гидромодуле 1:8-10 и непрерывном возвратно-поступательном движении экстрагента в экстракторе с частотой 1-20 циклов в минуту при температуре 35-45о С, времени пребывания сырья в экстракторе 20-40 минут, с последующим осаждением целевого продукта уксусной кислотой при рН 3.9-4.5. После осаждения целевого продукта, которое завершается в течение 10 минут, его отделяли центрифугированием и сушили при комнатной температуре.

Использование данного способа позволяет не менее чем на 10% повысить выход белка и его содержание в целевом продукте по сравнению с его содержанием в белковых препаратах, полученных известными способами, а также улучшить качество белка за счет повышения его растворимости. Следует отметить, что установленные при экстракции диапазоны гидромодуля (1:8-10), температуры (35-40о С), рН реакционной среды (8.5-10.0), времени пребывания сырья в экстракторе (20-40 минут), а также осаждение при рН 3.9-4.5 обеспечивают достижение цели; выход же за их пределы приводит к заметному снижению содержания белка в экстракте.

Таким образом, предварительная обработка растительного сырья и использование непрерывной противоточной экстракции способствуют большей степени извлечения целевого продукта и обеспечивают повышение содержания белка в нем. По результатам экспериментальных данных получен патент РФ “Способ получения белка из растительного сырья” [3].

Эффективность разделения твердой и жидкой фазы в значительной мере обуславливает степень очистки белка, а также определяет возможность применения для очистки белка мембранной технологии.

Цель проведенного нами исследования - разработка новых подходов к процессу извлечения белка кормового и пищевого назначения из высушенной фитомассы амаранта.

При получении белка экономически выгодно извлечь большее его количество, используя как можно меньше экстрагента, снижая таким образам удельные затраты и повышая рентабельность технологического процесса. Нами была предпринята попытка определения оптимальных с этой точки зрения экстрагентов.

Результаты проведенных экспериментов приведены в табл. 2.

Экстракцию белка проводили следующим образом. В качестве сырья использовали сухую молотую травяную муку амаранта, размер частиц до 2 мм, влажность 12%. Травяной жом, после экстракции альбуминов, отделения жидкой фазы и промывки, с объединением промывных вод и экстракта, отправляется на стадию экстракции глобулинов. Технология экстракции глобулинов полностью повторяет экстракцию альбуминов. Затем жом после экстракции глобулинов направляется на экстракцию глютелинов, и далее проламинов. Все фракции собираются раздельно.

Для экстракции фракции альбуминов в разных экспериментах применяли воду, растворы целлюлолитических ферментов с подкислением и без добавления кислот. Обработку экстрагентом проводили в течение 30 минут при 25 С.

Экстракцию глобулинов проводили 0.5М NaCl. Экстракцию фракции глютелинов проводили растворами NaOH разных концентраций. Проламины экстрагировали 55% изопропанолом.

Максимальное количество фракции альбуминов удалось извлечь, применяя фермент целловиридин. Количество экстрагируемых глютелинов увеличивается с увеличением концентрации NaOH. Однако эта зависимость не пропорциональная. Так при увеличении концентрации NaOH с 0.05М до 0.1М извлечение глютелинов увеличивается в 10 раз, тогда как дальнейшее увеличение концентрации NaOH не приводит к существенному увеличению выхода глютелинов.

Использование целлюлолитических ферментов при экстракции альбуминов приводит к увеличению выхода фракции глютелинов в 1.5 раза, что, по-видимому, может быть объяснено частичным разрушением ферментами целлюлозного скелета фитомассы амаранта, приводящим к увеличению доступности белка действию щелочи.

Табл. 2 Фракционирование белка фитомассы амаранта с использованием различных экстрагентов

Добавлении HCl до рН 3.8 при ферментативной экстракции альбуминов приводит к увеличению выхода фракции глютелинов на 35%. Увеличение выхода глютелинов вызвано деструкцией целлюлозного скелета за счет сочетания ферментативного и кислотного гидро-лизов. Это подтверждается тем, что после окончания ферментативной экстракции альбуминов в эксперименте № 8 (табл. 2) концентрация растворенных сахаридов в 2 раза больше, чем в эксперименте № 7.

Как видно из табл. 2, содержание проламинов в фитомассе амаранта низкое, что говорит о небольшом количестве гидрофобных белков.

Эксперимент № 5 проведен без разделения фракций, т.е. после экстракции фракций альбуминов она не отделяется, а к ней прибавляется щелочь и проводят экстракцию щелочным раствором альбуминов. Такая технология показала свою несостоятельность, что видно сравнивая результаты эксперимента № 1 и № 5 (табл. 2). Это, видимо, вызвано снижением активности NaOH, в результате взаимодействия с альбуминами, а также с сопутствующими им растворенными веществами.

Максимальное извлечение белка достигается последовательным экстрагированием его раствором целловиридина и HCl при рН 3.8, затем 0.1М NaOH в эксперименте № 8 (табл. 1). В эксперименте использовали целловиридин Г20Х.

Следующий этап наших исследований - осаждение белка, выделенного из фитомассы амаранта. Установлено, что белки фракции альбуминов не осаждаются в изоэлектрической точке ни при каком значении рН, даже при нагревании раствора.

Кривая осаждения глютелинов в зависимости от рН раствора представлена на рис. 1.

Исходя из условий растворимости белков фитомассы амаранта, предложена схема технологического процесса получения белкового концентрата (рис. 2.).

Рис. 1 Кривая осаждения глютелинов в зависимости от рН раствора

Для достижения минимальной себестоимости белкового концентрата предложена технология получения жидкого концентрата альбуминов и сухого концентрата глютелинов.

Особенностями предложенной технологии являются:

1. Применение экстрактора кавитационного типа, позволяющего в 10 раз сократить время проведения экстракции.

2. Применение ультрафильтрационной установки со сменными мембранными блоками с различными размерами пор, обеспечивающей очистку экстракта в случае необходимости.

3. Выполнение разделения твердой и жидкой фаз после осаждения белка центрифугированием, не требующим изменения фазы растворителя.

4. Применение аппарата для получения яичного порошка ФМУ-1 для сушки белковых концентратов в кипящем потоке горячего воздуха с использованием инертного носителя - фторопластовых пластинок.

Табл. 3 Технологические параметр получения кормовых тдобавок из белквого концентрата амаранта

Для отработки процесса сушки белковые водные экстракты амаранта концентрировали на вакуум-выпарных установках (рис. 2) емкостью 50 л фирмы “Simax” до концентрации 28% (на абсолютно сухой вес) и сушили в кипящем потоке горячего воздуха с использованием инертного носителя - фторопластовых пластинок в аппарате для получения яичного порошка ФМУ-1 на птицефабрике “Юбилейная” Лаишевского района Республики Татарстан.

Концентрат плохо сушится, так как происходит карамелизация сухого продукта со спеканием фторопластовых пластин. Карамелизованный продукт хорошо растворяется в горячей воде с образованием растворов красного цвета.

В ходе проведенных исследований нами показана возможность практического применения полученных белковых гидролизатов.

В настоящее время в птицеводстве и животноводстве все чаще используются кормовые добавки для повышения производственных показателей сельскохозяйственной птицы.

Нами исследовано влияние пектиновых и белковых гидролизатов амаранта на рост и функциональное состояние ремонтного молодняка кур яичного направления на базе птицефабрики “Юбилейная” Лаишевского района Республики Татарстан [4, 5].

В проведенных опытах под действием всех исследованных гидролизатов выявлено увеличение живого веса молодняка кур в среднем на 10-12% по сравнению с сухим контрольным рационом.

Под влиянием всех испытанных белково-витаминных добавок (БВД) наблюдали и существенное повышение сохранности птицы: отход поголовья на оптимальных дозировках исследованных добавок снижался почти вдвое.

Исследованные гидролизаты оказались эффективными за счет повышения питательной ценности в результате хорошей гомогенизации корма, частичного расщепления сложных белковых структур и клетчатки, увеличения в кормовой смеси биологически активных веществ (белков, пектинов, моно- и дисахаридов), благодаря чему они легче усваиваются.

Для получения белковых препаратов в качестве добавок к кормам для цыплят мы получали сухие смеси яичного порошка и белкового концентрата из амаранта. Сухие смеси представляли из себя рассыпчатые мелкодисперсные порошки от желтого до кремового цвета с содержанием влаги не более 10% масс.

Технологические параметры получения кормовых добавок приведены в табл. 3. Таким образом в результате проведенных исследований получен продукт, который можно использовать в качестве кормовой добавки в виде смеси или в отдельности, разделив на жидкие и твердые фракции. Установлено, что полученные экстракты обладают высокой биологической ценностью и перевариваемостью (95.2-97.5%).

Рис. 2 Схема технологического процесса получения белков и белковых концентратов из фитомассы амаранта

Литература

1 Коновалов А.И., Соснина Н.А., Офицеров Е.Н., Минзанова С.Т., Карасева А.Н., Лапин А.А. Извлечение белковых препаратов из амаранта с предварительным удалением антипитательных веществ. Научно-практическая конференция “Амарант и люпин - источники новых и диетических продуктов”. С.-П. 1996. С.82.

2 Патент РФ № 2045980, кл. В/ 01 D 11/ 04. Бюлл. №29. 1995.

3 Патент РФ № 2134991, кл. А 23 J 1/14. Бюлл. №24. 1999.

4 Офицеров Е.Н., Карасева А.Н., Лапин А.А., Миронов В.Ф., Соснина Н.А., Цепаева О.В., Минзанова С.Т., Магафурова И.В., Костин В.И., Коновалов А.И. Химический состав растений амаранта как основа разработки направлений его использования. Тез. докл. II Международн.симпозиума “Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования“. Пущино. 1997. С.22-24.

5 Патент РФ № 2160994, кл. А 23К 1/16. Бюлл. №36. 2000.

Размещено на Allbest.ru