Комплексный способ получения белкового концентрата и изофлавоноидов

Изобретение относится к пищевой, микробиологической, кормовой промышленности. Обрабатывают соевую муку баротермическим способом, включающим измельчение указанной муки до размера частиц хотя бы в одном измерении менее 50 микрон, при условии что не менее 50% этих частиц имеет размер менее 25 микрон. Экстрагируют 60-80%-ным этанолом или водой при нейтральном рН с получением экстракта растворимых веществ. Концентрируют экстракт растворимых веществ с получением мелассы. Обрабатывают мелассу органическим растворителем, не смешивающимся или ограниченно смешивающимся с водой при соотношении 1:1-1:5, подкисленным пищевыми кислотами до кислой области рН с получением раствора олигосахаров и концентрата изофлавоноидов с их содержанием 15-30%. Получают концентрат изофлавоноидов с их содержанием 40-60% путем очистки с помощью ионообменной хроматографии. Изобретение обеспечивает улучшенный способ получения фракций изофлавоноидов и олигосахаридов из соевой муки, проведение экстракции не только водно-спиртовыми растворами, но и обычной водой при нейтральных значениях pH с получением водной мелассы, упрощение режима проведения процесса. 1 табл., 16 пр.

 

Изобретение относится к пищевой, медицинской, микробиологической, кормовой промышленности и направлено на выделение фракций изофлавоноидов и олигосахаров из соевой муки.

Уровень техники

Приготовление соевой мелассы путем экстракции соевых хлопьев («белого лепестка») или соевой муки этанолом в концентрации 60-80% описано в патентной литературе. В частности, непрерывный процесс экстракции в противоточном режиме описан в патентах Израиля №19168 и US 3365440, где экстракция проводится водным раствором низших спиртов из обезжиренного белого лепестка. При проведении процесса необходима предварительная сортировка частиц «лепестка» (муки) по размеру в целях более интенсивного проведения процесса. В патенте US 5097017 описан способ предварительной подготовки соевого сырья, включающий агломерацию мелкодисперсных частичек белого лепестка в винтовом аппарате под действием добавления воды до влажности 18-30% и поддержания температуры в районе 160-300°С, с последующей экстракцией агломерированного материала 55-75% раствором этанола.

В патенте US 3897574 описывается способ очистки этанольного экстракта, получаемого в процессе производства соевого концентрата. Спиртовой экстракт содержит растворимые соевые компоненты, и необходима технология, позволяющая получать чистый регенерированный спирт, возвращаемый на стадию экстракции, не обладающий «соевым» запахом. Для этого экстракт подается в колонну тарельчатого типа, при этом дистиллят скапливается в верхней части колонны, кубовый остаток - в нижней. Из средней части колонны отводятся небольшие порции этанола вместе с контаминантами.

Наиболее простым способом получения концентрата изофлавоноидов из мелассы является осаждение фракции изофлавоноидов из мелассы при определенных pH и температуре, при которых данные соединения наименее растворимы. В патенте US 6228993 описывается способ получения концентрата изофлавоноидов путем разбавления твердых веществ мелассы, центрифугирования осадка, его перерастворения и повторного центрифугирования. Продукт содержит 4% изофлавоноидов, 20-60% белка. В патенте US 6369200 предлагается способ получения концентрата изофлавоноидов, заключающийся в растворении сухих веществ мелассы до содержания СВ 10-30%, отделении нерастворившейся фракции, содержащей 4% изофлавоноидов. Концентрат затем смешивают с ацетоном, нагревают и смешивают с гексаном, получая второй экстракт. Высушенная гексановая фракция представляет собой фракцию изофлавноидов с чистотой 40%. В патенте US 6706292 предлагается способ получения обогащенного изофлавоноидами материала путем доведения pH мелассы до 3,0-6,5 и ее охлаждения. В осадок выпадает фракция изофлавоноидов. Обогащенную изофлавоноидами фракцию предлагается перерастворять, доводить pH до 6-13,5, чтобы гидролизовать конъюгированные формы изофлавноидов до гликозидов. Для превращения гликозидов в агликоны в суспензию затем добавляют β-галактозидазу. Каждую из полученных фракций возможно получить отдельно при соответствующих pH и температуре, они содержат около 2% изофлавоноидов. Патент US 20030082248 A1 описывает получение композиции соевых компонентов, полученных удалением растворенных веществ из подкисленной до pH 1,3-4,0 мелассы с получением осадка, содержащего 6% изофлавоноидов, 18% сапонинов, 13% низкомолекулярного белка. Патент US 5919921 описывает приготовление концентрата изофлавоноидов из мелассы. Разбавленная меласса обрабатывается при pH 3,0-6,5 и низкой температуре для увеличения нерастворимости изофлавоноидов. Затем осадок изофлавоноидов отделяется, получается продукт с их содержанием 2-5%. Основным недостатком подобных способов является невысокая концентрация изофлавоноидов в полученном осадке (2-5%) и, соответственно, значительное количество примесных веществ. Для повышения концентрации целевого компонента необходимы дополнительные методы очистки.

В патенте US 5141746 предлагается способ получения малонатов генистина и даидзина, заключающийся в экстракции раствора экстрактивных веществ сои н-бутанолом в области pH 6,0-9,0, затем повторной экстракции водной фазы после первой экстракции в области pH 2,0-5,4. При первой экстракции в органическую фазу переходят генистин и даидзин, в водной фазе остаются малонаты. Патент US 6517840 описывает процесс экстракции изофлавоноидов из разбавленной мелассы одним растворителем с последующей экстракцией первого экстракта неполярным растворителем. Недостатком способов является двукратное использование органических растворителей.

В патенте US 5670632 предлагается способ очистки раствора экстрактивных веществ сои путем его пропускания через хроматографическую колонку, заполненную сильно полярным катионитом (функциональные сульфогруппы). Автор показывает, что за счет наличия заряда на таком ионите лучше сорбируются изофлавоноиды в форме гликозидов, которые потом десорбируются с колонки с помощью водных растворов низших (С1-С3) спиртов, с получением продукта, содержащего около 50% изофлавоноидов. Однако автор использует очень разбавленный раствор соевых экстрактивных веществ (2%). В качестве сорбентов используются не только полярные катиониты, но и другие матрицы. В патенте US 5679806 предлагается способ, предусматривающий разбавление спиртового экстракта экстрактивных веществ сои до концентрации этанола 20% и подачу его на колонку, заполненную полиметакрилатом, или на матрицу с обращенный фазой (С-18). Десорбцию с колонки проводят пятью объемами метанола или этанола. В патенте US 4428876 предлагается способ извлечения сапонинов и изофлавноидов из щелочного водного экстракта растительного сырья с помощью колонки, заполненной неполярной или слабополярной смолой. Перед подачей экстракта на колонку возможно предварительное осаждение из экстракта белковых веществ. Десорбцию сапонинов и изофлавоноидов с колонки проводят полярным сорбентом, их разделение - ацетоном. В патенте US 6703051 предлагается способ выделения изофлавоноидов из белкового экстракта растительного материала путем его пропускания через анионит. Использование ионитов или неполярных сорбентов в качестве основного метода очистки предполагает сильное разбавление исходной мелассы, что приводит к использованию значительных объемов смол и образованию значительного количества стоков.

Для дополнительной очистки фракции изофлавоноидов может быть использована ультрафильтрация (или ультрафильтрация в комбинации с другими методами). Патент US 20040121059 А1 описывает получение концентрата изофлавоноидов при использовании комбинации ультрафильтрации разбавленной мелассы и жидкость-жидкостной экстракции изофлавоноидов из пермеата этилацетатом (при соотношении этилацетат:пермеат 1:1-20:1, оптимально 5:1). Для проведения ультрафильтрации мелассу разводят 2:1-3:1. В патенте US 7524526 предлагается способ, предусматривающий предварительную ультрафильтрацию экстракта растительного сырья через мембрану с таким размером пор, чтобы изофлавоноиды оказались в фильтрате. Фильтрат затем подвергают двум последовательным хроматографическим стадиям: сначала на колонке с ионитом (ионным сорбентом), затем - на неполярном (не ионном) сорбенте. Смолы имеют матрицу дивинилбензола, стирол-дивинилбензола, полистирола. В качестве недостатков указанных способов можно указать большую продолжительность процесса ультрафильтрации, а также большую энергоемкость и небезопасность процессов, протекающих под давлением.

В патенте US 6565912 предлагается способ выделения изофлавноидов из водного экстракта растительного материала путем его нагревания до определенной температуры, при которой наиболее растворима конкретная форма изофлавоноидов. Экстракт определенной температуры сорбируют на колонке, элюируют желаемый изофлавон с колонки этиловым спиртом, концентрируют десорбат с помощью ультрафильтрации или обратного осмоса, сушат сконцентрированный раствор. Недостатком способа является его высокая продолжительность и необходимость поддержания определенной температуры в ходе всего процесса.

В патенте US 6146668 предлагается способ получения изофлавноидов из растительного материала, предусматривающий смешивание растительного материала с водным раствором фермента (β-глюканаза, β-ксиланаза) и органическим растворителем, не смешивающимся с водой. При этом изофлавноиды гидролизуются до агликонов и переходят в органическую фазу. Продолжительность процесса - порядка 18 часов, затем органическая фаза выпаривается, осадок изофлавоноидов отмывается гексаном. В патенте US 5352384 предлагается способ получения клетчатки, обогащенной изофлавоноидами. Проводят экстракцию растительного белка при pH 6,0-10,0, затем, не проводя отделения твердого остатка, доводят pH до нейтральной области и добавляют фермент бета-гликозидазу, гидролизующую гликозиды изофлавноидов до агликонов. Агликоны мало растворимы в воде, поэтому они остаются в остатке клетчатки. Однако использование ферментных препаратов для гидролиза конъюгированных форм изофлавоноидов удорожает процесс.

Заявителями разработан улучшенный способ получения фракций изофлавоноидов и олигосахаров из соевой муки, в котором устранены известные недостатки.

Заявителем было обнаружено, что при предварительной баротермической обработке соевой муки путем измельчения указанной муки до размера частиц хотя бы в одном измерении менее 50 микрон, при условии что не менее 50% этих частиц имеет размер менее 25 микрон, увеличивается количество изофлавоноидов в спиртовом экстракте, возрастает скорость экстракции компонентов. Также в ходе предобработки наблюдается денатурация белковых молекул, что позволяет проводить экстракцию не только водно-спиртовыми растворами, но и обычной водой при нейтральных значениях pH с получением водной мелассы.

Таким образом, изобретение представляет собой способ получения фракций изофлавоноидов из соевой муки, включающий:

1) обработку соевой муки баротермическим способом, включающую измельчение указанной муки до размера частиц хотя бы в одном измерении менее 50 микрон, при условии что не менее 50% этих частиц имеет размер менее 25 микрон,

2) экстракцию 70%-ным этанолом с получением спиртового концентрата белка и экстракта растворимых веществ или водой при нейтральном pH для муки, предварительно обработанной баротермическим способом,

3) концентрирование полученного на стадии 2) экстракта растворимых веществ с получением мелассы,

4) обработку мелассы органическим растворителем, не смешивающимся или ограниченно смешивающимся с водой, при соотношении 1:1-1:5, подкисленным пищевыми кислотами до кислой области pH с получением раствора соевых олигосахаров и концентрата изофлавоноидов с их содержанием 15-30%,

5) получение концентрата изофлавоноидов с их содержанием 40-60% путем очистки с помощью ионообменной хроматографии.

Способ предполагает получение ряда продуктов:

1) фракция изофлавноидов с содержанием основного вещества 15-30% (влажность 8-10%, содержание сахаров 40-60%, зола 5-10%);

2) фракция изофлавоноидов с содержанием основного вещества 40-60% (влажность 8-10%, содержание сахаров 20-40%, зола 5-10%);

3) концентрат соевых олигосахаров (содержание сухих веществ 30-35%, сахаров - 60-80% от СВ).

Для проведения предварительной обработки исходное сырье, представляющее собой соевую муку с объемной плотностью 500-600 г/л, смешивают с водой до достижения концентрации сырья 65-75%.

Полученную увлажненную массу подвергают ступенчатому нагреву от 20 до 140-220°С в течение 60-90 сек при давлении от 50 до 120 атм.

Резко сбрасывают давление до 1 атм и высушивают до остаточной влажности 10%, получая гранулированный пористый продукт с объемной плотностью от 50 до 350 г/л (в измельченном до размеров частиц муки виде полученный продукт имеет объемную плотность от 500 до 700 г/л).

Способ предусматривает традиционную экстракцию муки 60-80%-ным этиловым спиртом или водой при нейтральном pH при суммарном соотношении мука:экстрагент 1:10-1:15 с получением спиртового экстракта. Экстракт упаривают до содержания сухих веществ 30-40%, получая соевую мелассу (общие сахара - 70-80% от сухих веществ, сырой протеин - 2-20% от сухих веществ, изофлавоноиды - 0,5-2% от сухих веществ).

Полученную мелассу обрабатывают органическим растворителем, не смешивающимся или ограниченно смешивающимся с водой (этилацетат, н-бутанол) при соотношении 1:1-1:5, подкисленным пищевыми кислотами до кислой области pH. Оставляют стоять на 30 мин. В результате система расслаивается на две фазы. Водная фаза представляет собой 65-80%-ный раствор соевых олигосахаров, в то время как органическая фаза, после удаления органического растворителя, представляет собой концентрат изофлавоноидов с их содержанием 15-30%.

Полученный концентрат изофлавоноидов направляется на дополнительную очистку с применением метода ионного обмена. Концентрат, разбавленный до концентрации изофлавоноидов 0,5-1,0 г/л, подается на колонку, заполненную катионитом с полистирольной матрицей или неполярным сорбентом той же природы. Сорбция проходит при соотношении объемов раствора изофлавоноидов и ионита 1:1-1:2, скорости протока 0,7-1,2 объема используемой колонки/час с последующей отмывкой неспецифически сорбированных компонентов раствора дистиллированной водой в количестве одного объема колонки.

Десорбцию изофлавоноидов проводят 60-70% этиловым спиртом в объеме 2-4 объемов колонки при скорости протока 2-3 объема колонки/час. Из спиртового десорбата удаляют этиловый спирт, полученную водную фракцию сушат с получением очищенной фракции изофлавоноидов с их содержанием 40-60%.

Предлагаемый нами способ получения фракции изофлавоноидов имеет ряд преимуществ. Во-первых, гидролиз конъюгированных форм изофлавоноидов протекает при помощи предварительного подкисления мелассы, что проще и дешевле использования ферментных препаратов. Во-вторых, проведение жидкость-жидкостной экстракции на первой стадии очистки позволяет использовать в качестве первичного продукта концентрированную мелассу, что сокращает объемы используемого органического растворителя и позволяет получить концентрат соевых сахаров. Использование предварительно очищенной фракции изофлавоноидов на стадии ионного обмена позволяет упростить режим проведения процесса.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Соевую муку дважды обрабатывают раствором этилового спирта с концентрацией 70% в режиме противотока при соотношении мука:этиловый спирт 1:10 на обеих стадиях экстракции. Экстракт от обработанной муки отделяют центрифугированием, обработанную муку промывают дистиллированной водой в соотношении 1:6 в течение 1 часа. Твердый остаток высушивают распылительным способом.

Из полученного спиртового экстракта регенерируют этиловый спирт, водную фракцию упаривают до получения соевой мелассы. Подкисленную до pH 2,0-2,5 соляной кислотой мелассу обрабатывают этилацетатом в соотношении 1:3 при интенсивном перемешивании в течение 20 минут. После разделения фаз (отстаивание в течение 30 минут) получают органическую и водную фазы. Из органической фазы удаляют этилацетат с получением частично очищенной фракции изофлавоноидов. pH водной фазы возвращают в нейтральную область, при необходимости подвергают нагреванию под вакуумом для удаления следовых количеств этилацетата и получают темно-коричневую жидкость - фракцию олигосахаров.

Фракцию изофлавоноидов разбавляют дистиллированной водой с получением розовато-желтой жидкости и подают на ионообменную колонну, заполненную катеонитом. Сорбцию проводят, пропуская через ионит раствор со скоростью 1 объем смолы/час. После сорбции колонну промывают одним объемом воды в течение 15 минут, после чего десорбируют изофлавоноиды раствором этилового спирта с концентрацией 70% в количестве двух объемов колонки в течение часа. Из полученной спиртовой фракции регенерируют этанол, водную часть сушат и получают очищенную фракцию изофлавоноидов.

А. В качестве исходного сырья используют стандартную молотую соевую муку с размером частиц 150-180 микрон (100 меш). На стадию экстракции этиловым спиртом берут 1000 г (930 г по сухому веществу) с содержанием сырого протеина 52%. В ходе первичной экстракции этиловым спиртом продолжительность одной ступени экстракции составляет 50-60 минут. После сушки промытого водой осадка получают 630 г (68% от исходной навески) концентрата соевого белка с содержанием сырого протеина 70%.

Из полученного в ходе спиртового извлечения экстракта в количестве 7400 г после удаления растворителя и части влаги получают 860 мл соевой мелассы с содержанием сухих веществ 33%. После обработки этилацетатом и разделения органической и водной фаз получют 2600 мл органической и 860 мл водной фазы. После удаления этилацетата из органической фазы получают 100 мл вязкой субстанции с содержанием сухих веществ 40%, содержащей в составе 24% соевых изофлавоноидов. После выпаривания влаги из водной фазы получают темно-коричневую жидкость с содержанием сухих веществ 30%, из которых 70% приходится на соевые олигосахара.

Фракцию соевых изофлавоноидов в количестве 100 мл разбавляют до 1000 мл дистиллированной водой до получения желто-розовой жидкости и подают на колонну, заполненную 1000 мл ионообменной смолы. После регенерации этанола из спиртовой фракции и распылительной сушки жидкости получают 2,1 г продукта с содержанием изофлавоноидов 52%.

Б. В качестве исходного сырья используют предварительно обработанную обезжиренную соевую муку. В результате получают пористый слоисто-волокнистый продукт с толщиной стенок пор менее 50 микрон, большая часть которых имеет размер толщины стенок 15-25 микрон. На стадию экстракции этиловым спиртом берут 1000 г (930 г по сухому веществу) с содержанием сырого протеина 52%. В ходе первичной экстракции этиловым спиртом продолжительность одной ступени экстракции составляет 20-30 минут, что в 2-2,5 меньше, чем при использовании стандартной муки. После сушки промытого водой осадка получают 610 г (66% от исходной навески) концентрата соевого белка с содержанием сырого протеина 72%.

Из полученного в ходе спиртового извлечения экстракта в количестве 7400 г после удаления растворителя и части влаги получают 860 мл соевой мелассы с содержанием сухих веществ 34%. После обработки этилацетатом и разделения органической и водной фаз получают 2600 мл органической и 860 мл водной фазы. После удаления этилацетата из органической фазы получают 100 мл вязкой субстанции с содержанием сухих веществ 38%, содержащей в составе 26% соевых изофлавоноидов. После выпаривания влаги из водной фазы получают темно-коричневую жидкость с содержанием сухих веществ 31%, из которых 71% приходится на соевые олигосахара.

Фракцию соевых изофлавоноидов в количестве 100 мл разбавляют до 1000 мл дистиллированной водой до получения желто-розовой жидкости и подают на колонну, заполненную 1000 мл ионообменной смолы. После регенерации этанола из спиртовой фракции и распылительной сушки жидкости получают 2,2 г продукта с содержанием изофлавоноидов 54%.

Примеры 2-16 (см. таблицу)

Таким образом, при использовании указанного способа обработки содержание изофлавоноидов после первой стадии очистки достигает 28,4%, после ионного обмена - до 59,1%.

Способ получения фракций изофлавоноидов и олигосахаров из соевой муки, включающий:

1) обработку соевой муки баротермическим способом, включающую измельчение указанной муки до размера частиц хотя бы в одном измерении менее 50 микрон, при условии что не менее 50% этих частиц имеет размер менее 25 микрон,

2) экстракцию 60-80%-ным этанолом или водой при нейтральном рН с получением экстракта растворимых веществ,

3) концентрирование полученного на стадии 2) экстракта растворимых веществ с получением мелассы,

4) обработку мелассы органическим растворителем, не смешивающимся или ограниченно смешивающимся с водой при соотношении 1:1-1:5, подкисленным пищевыми кислотами до кислой области рН с получением раствора олигосахаров и концентрата изофлавоноидов с их содержанием 15-30%,

5) получение концентрата изофлавоноидов с их содержанием 40-60% путем очистки с помощью ионообменной хроматографии.