Способ растворения белка

 

Использование: в пищевой промышленности и биотехнологии, в частности, при получении белковых растворов из белоксодержащего сырья. Сущность изобретения: способ предусматривает измельчение сырья, смешивание его с раствором электролита, электрообработку в катодной камере двухкамерного электролизера и нагревание таким образом, чтобы при достижении pH смеси значения 10,0 - 12,5 температура последней не превышала температуры коагуляции белка, а процесс ведут до скачкообразного увеличения коэффициента светопропускания. 9 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к пищевой промышленности и биотехнологии в т.ч. препаративной биохимии, а более конкретно к способам получения белковых растворов из белоксодержащего сырья преимущественно природного происхождения, например отходов рыбоперерабатывающей, зерновой, мясной и других отраслей пищевой промышленности, и может быть также использовано в медицинских и косметических целях.

Известен способ растворения белка в основном для получения белковых гидролизатов из белоксодержащего сырья (например, авт.св. СССР N 1695868, кл. A 23 J 1/18, 1991), включающий кислотный гидролиз сырья концентрированной кислотой и нагревание до 100 - 250^oC перед смешиванием.

Недостатками способа являются относительно низкая степень растворения белка и соответственно ухудшенное качество конечного продукта - белоксодержащего раствора, а также необходимость использования сильнодействующих концентрированных кислот, в значительной степени ухудшающих экологию такого производства.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, принятым за прототип изобретения, является способ растворения белка для получения белкового гидролизата из гидробионтов (авт.св. СССР N 1687213, кл. A 23 J 1/04, 1991). Указанный способ предусматривает экстракцию предварительно измельченного и промытого водой сырья 0,5 - 2,0%-ным раствором NaCl в соотношении 1 : 6 в катодной камере диафрагменного электролизера при плотности тока 300 - 600 А/м² в течение 10 - 15 мин до достижения pH 12,0 - 12,5 с последующим нагревом при 80 - 90^oC в течение 15 - 40 мин.

Недостатками прототипа являются излишняя сложность и длительность всего производственного цикла в целом, в т.ч. многостадийность технологического процесса, служащая основной причиной значительного повышения энергозатрат, особенно в условиях непрерывного крупномасштабного промышленного производства.

Изобретение направлено на создание технологий получения белоксодержащих растворов различного назначения с возможностью переработки нетрадиционных видов белоксодержащего сырья, в т.ч. отходов от переработки сырья преимущественно природного происхождения (шротов, сои, подсолнечника, отходов от разделки рыбы, сывороток подсырной, творожной и др.), а также побочных белоксодержащих продуктов микробиологических производств, например грибная масса, остающаяся при производстве лимонной кислоты, и дрожжевых грибов и др.

При этом решена задача создания эффективного способа растворения белка, позволяющего совместить высокое качество конечного продукта - белоксодержащего раствора с одновременной гарантированной максимально высокой степенью содержания растворенного в нем белка, минимизацией энерго- и трудозатрат и расширением диапазона видов перерабатываемого сырья.

Это достигается тем, что в предполагаемом способе растворения белка, включающем измельчение сырья, смешивание его с раствором электролита, обработку исходной смеси в электрическом поле, преимущественно в катодной камере двухкамерного электролизера, и нагревание, в отличие от прототипа, электрообработку и нагревание исходной смеси осуществляют таким образом, чтобы при достижении pH смеси значения 10,0 - 12,5 температура последней не превышала температуры коагуляции белка (соответствующего вида сырья), а процесс ведут до скачкообразного увеличения коэффициента светопропускания исходной смеси, на основании чего делают вывод о полном растворении белка и окончании процесса. При этом скачкообразное увеличение коэффициента светопропускания среды исходной смеси сопровождается и совпадает по времени с образованием во всем объеме исходной смеси светопрозрачной, преимущественно однородной, структуры. После этого прекращают процесс подвода тепла для поддержания температуры смеси. Коэффициент светопропускания определяют путем измерения степени мутности среды, например, при помощи фотоэлектрокалориметра.

Процессы электрообработки и нагревания исходной смеси осуществляют одновременно таким образом, что имеет место корреляция между скорость увеличения значений pH и температуры, позволяющая избежать термокоагуляции белка, а процесс ведут до скачкообразного увеличения светопропускания во всем объеме исходной смеси, на основании его делают вывод об окончании процесса экстракции белка. Вид корреляционной кривой зависит от термолабильности белков, содержащихся в исходном сырье, например отходов зерно-, рыбо- и мясоперерабатывающей промышленности и определяется на основании теоретических предпосылок и эмпирически.

Совмещение в одном технологическом процессе стадий электрообработки и нагрева исходной белоксодержащей смеси, которая осуществляется, например, в одном из вариантов, в двухкамерной электролизере, снабженном рубашкой для нагрева, позволяет, с одной стороны уменьшить число технологических операций (по сравнению с прототипом) и соответственно время технологического цикла, снизить потери тепла, сократить число единиц оборудования, с другой - достичь полного растворения ткани в более щадящих условиях, т.е. за меньшее время и при более низких значениях pH, что обусловлено комплексным воздействием этих двух факторов на сырье.

При осуществлении способа одновременное регулирование процессов электрообработки и нагревания, в т.ч. выдерживание (достижение) конкретных заданных значений pH и температуры исходной смеси в каждый отдельный момент времени на протяжении всего процесса, осуществляют путем установления корреляции с помощью регулирующего органа, подключенного к электрической схеме потенциометра, измеряющего pH и контактного термометра, измеряющего температуру.

В другом варианте процесс нагревания исходной смеси осуществляют после окончания процесса ее электрохимической обработки, например, в отдельном реакторе, снабженном устройством для подвода тепла и механизмом для перемешивания смеси, при этом на начальной стадии электрообработку смеси ведут преимущественно при комнатной температуре, контролируя возможный нагрев смеси в результате пропускания постоянного тока в случае недостаточной электропроводности последней, до значений температуры, не превышающих величины термокоагуляции белка.

Для обработки традиционных видов белоксодержащего сырья, например гидробионтов, используют сильные электролиты - водные растворы солей преимущественно щелочных металлов, например хлорид натрия, калия или сульфат натрия, или фосфат натрия, но для обработки отдельных нетрадиционных видов сырья, в частности отходов производства, могут использовать их смесь в различных сочетаниях в зависимости от физико-химического состояния сырья. Концентрацию солей в растворе и соотношение сырье : раствор электролита, как правило, выбирают в диапазоне 0,1 - 8,0 мас.% и 1:0,1 до 1:20 соответственно, что достаточно для создания хорошей электропроводности, получения устойчивой однородной структуры исходной смеси и является целесообразным с экономической точки зрения, например расходы химических компонентов. Плотность тока выбирают в диапазоне 200 до 515 А/м². Это объясняется тем, что в этих пределах в зависимости от вида и состояния исходного сырья процесс растворения белка протекает оптимальным образом.

На стадии первичной обработки сырья перед смешиванием с электролитом при его необходимости измельчают и доводят до фаршеобразной структуры, например, с помощью любого из известных механических устройств, в т.ч. фаршмашины или волчка. Стадия измельчения сырья может быть совмещена с процессом смешивания с электролитом, в т.ч. в катодной камере электролизера, снабженного измельчителем и перемешивающим устройством, или происходить на начальной фазе процесса обработки в электрическом поле. В другом варианте для более эффективного хода процесса структуру исходной смеси до начала экстракции доводят до получения стойкой однородной эмульсии преимущественно высокой степени эмульгирования, что значительно ускоряет процесс растворения белка, т. к. разрушение структур последнего под действием электрического тока будет происходить непосредственно, начиная с поверхности каждой отдельной клетки вещества, в т.ч. ее оболочки, и, следовательно, более интенсивно.

Для осуществления электрохимического процесса экстракции белка в катодной камере анодную камеру электролизера заполняют любым электропроводящим составом или материалом, наиболее целесообразным является использование раствора электролита той же концентрации, что и для приготовления исходной смеси.

Сущность заявляемого способа поясняется следующими примерами.

Предложенный способ был реализован в лабораторных условиях с помощью двухкамерного электролизера, разделенного диафрагмой на анодное и катодное пространства с предусмотренными графитовыми электродами, соединенными с положительным и отрицательным полюсами постоянного источника тока.

Пример 1. Сырье - нестатированный соевой шрот замачивался в 0,1%-ном растворе хлорида натрия в течение 1 ч в соотношении 1 : 20, затем суспензия подавалась на электрообработку в катодную камеру лабораторного двухкамерного электролизера с плоскопараллельным расположением катода, анода и катионообменной диафрагмы. Обработка суспензии велась до достижения pH среды 12, причем регулирующим органом осуществлялась корреляция между величиной pH и температурой, выраженная пропорциональной зависимостью, например, таким образом, что при pH≅ 10 t≅ 45^oC, при pH≅ 11 t≅50^oC и т.д. При достижении pH = 12,2 температура достигала 70 ± 1^oC и реакционная масса термостатировалась при этой температуре 20 ± 5^oC и реакционная масса термостатировалась при этой температуре 20 ± 5 мин. Общее время электрообработки 30± 5 мин при плотности тока = 200 А/м². Об окончании процесса судили по увеличению коэффициента светопропускания в 20 и более раз по сравнению с исходным, определенным замером на ФЭК-22 (фотоэлектроколориметре).

Затем масса центрифугировалась на центрифуге с F ≥5000 g, после чего осветленный раствор соевого белка подвергался сепарированию на сепараторе с целью удаления остаточных количеств соевого масла (при необходимости). Обезжиренный белковый раствор нейтрализовался до нейтральных значений pH в анодной камере электролизера при плотности тока 200 А/м² 30 ± 5 мин и расфасовывался в тару или направлялся на сушку (лиофиную, распылительную или др.), или расфасовывался в тару без нейтрализации.

Пример 2. Сырье - сухой гаммарус. Аналогично примеру 1, но перед стадией замачивания сырье диспергировалось на электромясорубке или другом диспергирующем оборудовании до размера частиц 1 ·10^-1 - 5 · 10^-3 м, в качестве электролита использовали 0,5%-ный раствор сульфата натрия, а электрообработку вели при плотности тока 315 А/м² до достижения pH 12, и термостатировали при температуре 80 ± 1^oC.

Пример 3. Сырье - отходы рыборазделки (калтычки, приголовки), аналогично примеру 2, но стадия замачивания исключалась из технологического цикла, а электрообработку вели при гидромодуле 1 : 10 при плотности тока 420 А/м² до достижения pH 11,8 и термостатировали при температуре 76 ± 1^oC 10 ± 5 мин.

Пример 4. Сырье - отходы производства лимонной кислоты - биомасса грибов Aspergillus Heger. Аналогично примеру 3, но в качестве электролита использовали 1%-ный раствор хлорида калия, а электрообработку вели при плотности тока 250 А/м² до достижения pH 10,8 и термостатировали при температуре 60 ±1^oC.

Формула изобретения

1. Способ растворения белка, включающий измельчение сырья, смешивание его с раствором электролита, обработку исходной смеси в электрическом поле, преимущественно в катодной камере двухмерного электролизера, и нагревание, отличающийся тем, что электрообработку и нагревание исходной смеси осуществляют так, чтобы про достижении рН смеси значения 10,0 - 12,5 температура последней не превышала температуры коагуляции белка, а процесс ведут до скачкообразного увеличения коэффициента светопропускания исходной смеси, на основании чего делают вывод о растворении белка и окончании процесса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревание исходной смеси осуществляют одновременно с процессом ее электрообработки, например, в катодной камере электролизера.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревание исходной смеси осуществляют после окончания процесса ее электрообработки, например, в реакторе, снабженном устройством для подвода тепла.

4. Способ по одному из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водный раствор солей преимущественно щелочных металлов, например хлорида натрия, или сульфата натрия, или фосфата натрия, или карбоната натрия, или их смеси, при этом в зависимости от вида сырья концентрацию раствора устанавливают в пределах 0,1 - 5,0 мас.%, соотношение сырье - раствор электролита - в диапазоне 1 : 3 - 1 : 28, а плотность тока 200 - 670 А/м².

5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что по достижении рН исходной смеси 10,0 - 12,5 осуществляют дополнительное нагревание последней до температуры 60 - 80^oС с последующим термостатированием до начала появления светопрозрачных областей.

6. Способ по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что измельчение сырья осуществляют до достижения последним фаршеобразной структуры, например, с помощью устройства для приготовления фарша.

7. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что электрообработку ведут при постоянном перемешивании исходной смеси, преимущественно в режиме, обеспечивающем достижение однородной гомогенной структуры, например эмульсии.

8. Способ по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что измельчение сырья осуществляют одновременно с процессом электрообработки в присутствии раствора электролита, например, с помощью измельчителя, предусмотренного в катодной камере.

9. Способ по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что предварительно готовят смесь сырья с раствором электролита, при этом перемешивание ведут до получения стойкой однородной эмульсии.

10. Способ по одному из пп. 1 - 9, отличающийся тем, что в качестве анолита используют раствор электролита, предназначенный для приготовления исходной смеси.