способ получения изолята белка и крахмала из гороха

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОЛЯТА БЕЛКА И КРАХМАЛА ИЗ ГОРОХА, предусматривающий шелушение, измельчение семян гороха, экстракцию белка, отделение нерастворимого остатка от раствора белка, осаждение белка из раствора, отделение и нейтрализацию белкового осадка с получением изолята белка, фракционирование нерастворимого остатка с отделением мезги от крахмала, промывку, нейтрализацию и сушку крахмала с получением готового продукта, отличающийся тем, что экстракцию проводят технологическим рассолом, имеющим ионную силу 0,0015-0,15 при pH 6,5-9,0, осаждение белка проводят при pH 4,3-5,6, а технологический рассол с ионной силой 0,0015-0,15 для экстракции получают объединением супернатантов, образующихся при разделении, промывке и нейтрализации крахмала и мезги, с добавлением или без добавления солей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измельчение гороха осуществляют в технологическом рассоле с ионной силой 0,0015-0,15.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отделение крахмала от мезги и остаточного белка осуществляют путем фракционирования нерастворимого остатка суспензии на гидроцилиндрах с одновременной противоточной водной промывкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к биотехнологии и касается способа получения изолята белка (белковой пасты) и крахмала для использования в пищевой промышленности.

Известные способы переработки гороха с получением крахмала и белка, относящиеся к типу "влажных", основаны на суспендировании гороховой муки в воде и отделении растворимого белка от нерастворимых компонентов суспензии крахмала и мезги, и различаются по условиям проведения экстракции, процедурам выделения белка из растворов и степенью очистки крахмального продукта.

Известен способ [1] получения белка из гороха путем многоступенчатой экстракции при рН 2,5-3,0 и разделения продуктов центрифугированием.

Существенным недостатком способа является разрушение крахмала в кислой среде.

Другой известный способ [2] предусматривает экстракцию белка из гороховой муки раствором едкого натра 0,11%-ной концентрации в соотношении сырье: экстрагент 1:5, разделение крахмального осадка и белкового раствора центрифугированием, нейтрализацию и распылительную сушку обеих фракций с получением крахмала и концентрата белка.

Недостатками данного способа являются потери белка с фракцией крахмала, низкое содержание белка в белковом продукте, значительное содержание в нем антипитательных компонентов, низкая степень очистки крахмала, содержащего значительное количество мезги и остаточного белка.

Разработан способ [3] позволяющий сократить потери белка с крахмальной фракцией, и снизить содержание белка в крахмальном продукте. Способ предусматривает

суспендирование гороховой муки в промывной воде при добавлении извести до достижения рН 9,0;

отделение раствора белка от крахмального осадка;

сушку раствора белка с получением 60% концентрата;

промывку крахмала водой;

отделение крахмала от промывной воды, направляемой на смешение с гороховой мукой;

сушку крахмала с получением готового продукта.

Недостатком такого способа являются низкое содержание белка в концентрате и невысокая степень очистки крахмала.

Более высокая концентрация белка в белковом продукте достигается применением ультрафильтрации или изоэлектрическим осаждением белка при подкислении его раствора.

Известен способ [4] предусматривающий экстракцию раствором щелочи, разделение белка и крахмала центрифугированием или фракционированием на гидроциклонах, получение изолятов белка ультрафильтрацией или изоэлектрическим осаждением.

Ультрафильтрация через пористые мембраны позволяет извлекать основную массу белка из растворов, но сопряжена с серьезными техническими сложностями, возникающими вследствие отложения белка на поверхности мембран и забивания пор, и не находит широкого применения из-за низкой производительности.

Вариант способа [5] предусматривающий получение изолята белка изоэлектрическим осаждением и позволяющий получать белок и крахмал высокой степени чистоты с высоким выходом (77% и 95% соответственно), принят за прототип.

Способ-прототип включает следующие операции:

шелушение семян гороха,

измельчение шелушеных семян с получением муки,

экстракцию 0,03 н.раствором едкого натра в соотношении мука:растворов 1: 4,

отделение мезги ситованием экстракта на сите 75 мкм,

разделение суспензии экстракта центрифугированием или фракционированием на гидроциклонах с получением белкового раствора и крахмала,

отделение мелкой мезги от крахмала ситованием,

сушку крахмала с получением готового продукта,

осаждение белка из раствора при рН 4,4,

отделение и нейтрализацию белкового осадка,

сушку с получением сухого изолята белка.

Наиболее существенным недостатком способа является жесткость условий проведения экстракции. Применение 0,03 н.раствора едкого натра в качестве экстрагента приводит к тому, что в начале процесса экстракции рН достигает 12,5 и по мере растворения белка, снижается до значения 8,5. Проведение экстракции при столь высокой щелочности обеспечивает высокий выход белка, но приводит к денатурации белка, частичному гидролизу аминокислотных остатков аргинина, изолейцина, треонина и особенно цистеина, являющегося дефицитным для белка гороха. Одновременно в этих условиях происходит рацемизация аминокислотных остатков аланина, серина и триптофана, а также образование нефротоксичного лизиноаланина. Получаемый белковый продукт имеет низкую пищевую ценность, несвойственную нативному белку кремовую окраску и функциональные свойства, присущие химически модифицированному белку. Экстракция белка при рН 12,5-9,5 сопровождается частичной деструкцией крахмала, набуханием и растрескиванием части крахмальных зерен. Получаемый крахмал характеризуется пониженной вязкостью суспензий при нагреве. Вследствие неравномерности набухания зерен в процессе переработки продукт неоднороден и не обладает требуемой современными пищевыми технологиями воспроизводимостью состава и свойств.

Задачей предлагаемого изобретения является получение изолята белка, обладающего высокой биологической ценностью и хорошими функциональными свойствами, и высококачественного вязкого крахмала из гороха при обеспечении высокой степени извлечения обоих компонентов и сохранении их нативной структуры.

Решение поставленной задачи достигается проведением экстракции в области рН 6,5-9,0 в присутствии ионов солей в сочетании с рециркуляцией остаточного растворимого белка, содержащегося в нерастворимой части суспензии, и предполагает проведение циклического процесса переработки, включающего следующие операции:

шелушение семян гороха,

сухое измельчение семян или измельчение в технологическом рассоле,

экстракция белка технологическим рассолом с ионной силой 0,0015-0,15 при рН 6,5-9,0,

отделение нерастворимой части суспензии от белкового раствора,

осаждение белка при рН 4,3-5,6,

отделение белкового осадка от сыворотки,

нейтрализацию белкового осадка с получением готового продукта,

нейтрализацию, фракционирование и промывку нерастворимого остатка на ситах или гидроциклонах с разделением крахмала и мезги,

сушку крахмала с получением готового продукта,

получение технологического рассола с ионной силой 0,0015-0,15 объединением супернатантов, образующихся при разделении, нейтрализации и промывке крахмала и мезги, с добавлением или без добавления солей.

Способ осуществляется следующим образом.

Шелушеный горох измельчается до образования муки с диаметром частиц не более 150 мкм, которая смешивается с технологическим рассолом в соотношении горох: рассол 1:5-1:9, или измельчается в смеси с технологическим рассолом в соотношении горох: рассол 1:5-9 до образования суспензии с диаметром частиц не более 150 мкм. Экстракция белка осуществляется при рН 6,5-9,0 при добавлении или без добавления раствора щелочи к суспензии.

Проведение экстракции технологическим рассолом, полученным путем объединения супернатантов, образующихся в процессе разделения, промывки и нейтрализации крахмала и мезги, приводит к увеличению выхода белка до 75-80% При этом увеличение выхода белка обусловлено не только возвращением в процесс белка, содержащегося в нерастворимом остатке суспензии, но и, как оказалось, увеличением экстрагируемости белка. Данный эффект, приводящий к дополнительному увеличению выхода белка на 5-7% обусловлен влиянием солей, образующихся при нейтрализации и накапливающихся в результате рециркуляции. Ионы солей изменяют электрический заряд молекул белка, снижают их тенденцию к агрегации и приводят к увеличению растворимости при тех же значениях рН. При проведении экстракции в диапазоне рН 6,5-9,0 данный эффект становится заметен при ионной силе используемого экстрагента 0,0015 и реализуется в широком диапазоне концентраций солей, получаемых как при накоплении, обусловленном количествами добавляемой щелочи, кислоты и воды, так и при непосредственном добавлении соли. Увеличение ионной силы технологического рассола, применяемого для экстракции, свыше 0,15 препятствует последующему осаждению белка. Влияние ионной силы на степень извлечения белка увеличивается по мере удаления значений рН от изоэлектрической точки, однако увеличение щелочности среды при экстракции свыше 9,0 приводит к снижению биологической ценности белка и ухудшению функциональных свойств крахмала.

Предшествующее экстракции измельчение семян гороха в технологическом рассоле способствует реализации эффекта путем формирования "ионной атмосферы" белковых молекул в процессе измельчения, облегчающего их последующее растворение.

Осаждение белка из раствора, отделенного от нерастворимого остатка, осуществляется в диапазоне рН 4,3-5,6, отвечающем области минимальной растворимости белка при ионной силе 0,0015-0,15. Повышенное содержание солей в растворе препятствует необратимой агрегации белка, вызываемой резким изменением характера электрических взаимодействий в растворе при изменении рН от щелочной до кислой.

Осажденный белок отделяется от сыворотки и нейтрализуется с получением изолята белка в виде пасты, содержащей 28-35% сухих веществ и 87-93% белка на сухое вещество.

Получаемый белок имеет высокую биологическую ценность, оцениваемую методом аминокислотного скора по отношению к эталонному белку ФАО/ВОЗ 114-115% не содержит токсичного лизиноаланина и не усваиваемых организмом человека D-изомеров аминокислот. Белок обладает хорошими пеностабилизирующими свойствами и высокой растворимостью (75-100% при рН).

Белковая паста может быть использована в составе мясных продуктов эмульсионного типа (колбасы, сосиски, паштеты и др.), заменителей молока, хлебобулочных изделий, кремов, майонезов и др. При необходимости длительного хранения белковая паста может быть высушена с получением сухого изолята белка.

Нерастворимый остаток, отделенный от белкового раствора, нейтрализуется и фракционируется на гидроциклонах или ситах с получением крахмала и мезги.

При ситовании нерастворимого остатка крахмал отделяется от фракции мезги, имеющей диаметр частиц более 50 мкм, и промывается водой от растворимого остаточного белка.

Гидроциклонное фракционирование нерастворимого остатка позволяет отделить как крупные, так и более мелкие частицы мезги, размеры которых сравнимы с размерами зерен крахмала, и совмещено с противоточной водной промывкой от остаточного растворимого белка. Фракционирование осуществляется на трех каскадах гидроциклонов, состоящих из пяти гидроциклонов, соединенных таким образом, что нижний сход с каждой ступени поступает на вход следующей, а верхний сход на вход предыдущей. Фракционирование осуществляется в три этапа. На первом этапе от фракции крахмала и мезги отделяют содержащий белок и растворенные соли супернатант (технологический рассол). На втором этапе от мезги отделяется суспензия крахмала. На третьем этапе крахмал выделяется из суспензии.

Супернатанты, образующиеся после проведения разделения, нейтрализации и промывки крахмала и мезги, объединяются. При использовании процедуры гидроциклонного фракционирования объединение происходит непосредственно в процессе фракционирования. При необходимости восполнения требуемой концентрации соли, теряемой вместе с белковым раствором, к объединенному супернатанту добавляют соль. Полученный технологический рассол содержит остаточный белок, отделенный от крахмала и мезги и возвращаемый в цикл, а также имеет ионную силу 0,0015-0,15, обеспечивающую высокую степень извлечения белка при рН 6,5-9,0 в процессе экстракции.

После сушки получают крахмал, содержащий 88-89% сухих веществ, в том числе крахмала 95,0-98,0% на с. в. белка 0,1-0,4% на с.в. и липидов 0,2-0,7% на с.в. Получаемый крахмал представляет собой зерна овальной формы диаметром 10-40 мкм, не имеющие поверхностных трещин. Крахмал отличается очень высокой вязкостью суспензий при 96^оС 1540-1680 ВЕ, определяемой в стандартных условиях на приборе Брабиндера, и может быть использован не только в составе различных пищевых продуктов, но и в качестве функциональной добавки в картофельный, кукурузный или пшеничный крахмалы для улучшения их качества.

Сущность изобретения поясняется примерами.

Во всех примерах используется шелушеный горох, содержащий 92,4% сухих веществ, 55,2% на с. в. крахмала и 20,0% на с. в. белка.

П р и м е р 1. 100 кг шелушеного гороха измельчаются до образования муки с диаметром частиц не более 150 мкм и диспергируются в 500 л водопроводной воды. Белок экстрагируется при рН 8,5, поддерживаемом добавлением 0,5 н.раствора едкого натра. Белковый раствор отделяется от нерастворимого остатка центрифугированием (3500 об/мин, 25 мин). Добавлением 1,2 н.раствора соляной кислоты рН белкового раствора доводится до 4,3, выпавший осадок отделяется центрифугированием (4500 об/мин, 30 мин). Белковый осадок нейтрализуется добавлением раствора едкого натра с получением 47,4 кг белковой пасты, содержащей 28,0% Нерастворимый остаток диспергируется в 200 л воды. Полученная суспензия фракционируется и одновременно промывается 200 л воды на сите 50 мкм с отделением мезги от суспензии крахмала. Крахмал отделяется от супернатанта центрифугированием (3500 об/мин, 15 мин, разбавляется 100 л воды, нейтрализуется добавлением 1 н. HCl, отделяется от супернатанта центрифугированием (3500 об/мин, 15 мин) и сушится в распылительной сушилке с получением 51,5 кг крахмала с содержанием сухих веществ 88,0% Выход белка и крахмала 63,5% и 88,9% соответственно. Мезга, отделенная на сите, промывается супернатантом, отделенным после промывки и нейтрализации крахмала и отделяется центрифугированием. Супернатанты, отделенные от крахмала и мезги, объединяются с получением 500 л технологического рассола, имеющего рН 7,6, ионную силу 0,0015 и концентрацию сухих веществ 1,1%

П р и м е р 2. 100 кг шелушеного гороха измельчаются до образования муки с диаметром частиц не более 150 мкм и диспергируются в 500 л технологического рассола, полученного аналогично описанному в примере 1. Белок экстрагируется при рН 8,5. Значение рН 8,5 поддерживается в процессе экстракции путем добавления 0,5 н.раствора едкого натра. Белковый раствор отделяется от нерастворимого остатка центрифугированием (3500 об/мин, 25 мин). Добавлением 1,2 н.раствора соляной кислоты рН белкового раствора доводится до 4,3, выпавший осадок отделяется центрифугированием (4500 об/мин, 30 мин) и нейтрализуется добавлением раствора едкого натра с получением 56,0 кг белковой пасты, содержащей 28,0% сухих веществ, белка 88,6% на с. в. Выход белка 75,2% Нерастворимый остаток суспензии диспергируется в 200 л воды и нейтрализуется добавлением 0,5 н.соляной кислоты. Суспензия нерастворимого остатка ситуется на сите 50 мкм с отделением суспензии крахмала от мезги и одновременно промывается 200 л воды. Крахмал отделяется от супернатанта центрифугированием (3500 об/мин, 15 мин), промывается 100 л воды, повторно отделяется центрифугированием и сушится в распылительной сушилке с получением 54,6 кг крахмала с содержанием сухого вещества 88,0% Выход крахмала 94,2% Мезга промывается супернатантом, отделенным при второй промывке крахмала, отделяется центрифугированием и сушится с получением 27,0 кг продукта с содержанием сухого вещества 80,2% Супернатанты, отделенные от крахмала и мезги после нейтрализации и промывки, объединяются с получением 500 л технологического рассола, имеющего рН 7,0, ионную силу 0,0043 и концентрацию сухих веществ 1,1%

П р и м е р 3. 100 кг шелушеного гороха измельчаются до образования муки с диаметром частиц не более 150 мкм, которая диспергируется в 500 л технологического рассола, имеющего рН 7,0, ионную силу 0,0043 и сухих веществ 1,1% полученного аналогично описанному в примере 2. Дальнейшая процедура получения белка и крахмала осуществляется аналогично описанному в примере 2, за исключением того, что осаждение белка проводят добавлением 1 М уксусной кислоты при рН 4,4. Получают 53,4 кг белковой пасты, содержащей 30,1% сухих веществ, белка 89,0% на с. в. и 54,3 кг крахмала с содержанием сухого вещества 88,5% Выход белка и крахмала 77,4 и 94,2% соответственно. Супернатанты, отделяемые после нейтрализации, разделения и промывки крахмала и мезги, объединяются с получением 500 л технологического рассола, имеющего рН 7,0, ионную силу 0,005 и концентрацию сухих веществ 1,1%

П р и м е р 4. К технологическому рассолу с ионной силой 0,005 и концентрацией сухих веществ 1,1% полученному аналогично описанному в примере 3, добавляют хлорид натрия до получения значения ионной силы 0,03. 100 кг шелушеного гороха измельчаются в смеси с 500 л полученного технологического рассола до образования суспензии с диаметром частиц не более 150 мкм. Процедура получения белка и крахмала из полученной суспензии осуществляется аналогично описанному в примере 2, за исключением того, что осаждение белка из раствора проводится при рН 4,9 при добавлении 1,2 М соляной кислоты. Получают 50,4 кг пасты белка, содержащей 33,5% сухих веществ и белка 87,8% на с. в. и 54,0 кг крахмала с содержанием сухого вещества 88,7% Выход белка и крахмала 80,3% и 94,0% соответственно. Супернатанты, отделенные в процессе нейтрализации, разделения и промывки крахмала и мезги, объединяются с получением 500 л технологического рассола с ионной силой 0,009, рН 7,0 и содержанием сухих веществ 1,1%

П р и м е р 5. 100 кг шелушеных семян гороха измельчаются в смеси с 750 л технологического рассола с рН 7,0, ионной силой 0,1 и концентрацией сухих веществ 0,75% до получения суспензии с диаметром частиц не более 150 мкм. Белок экстрагируется при рН 7,8 добавлением 0,5 н.едкого натра. Белковый раствор отделяется от нерастворимого остатка центрифугированием (3500 об/мин). Процедура получения пасты изолята белка из белкового раствора аналогична описанной в примере 2, но осаждение белка осуществляется при рН 5,2 добавлением 1 М уксусной кислоты. Получают 49,9 кг белковой пасты с содержанием сухих веществ 32,0% и белка 90,6% на с. в. Выход белка 78,3% Нерастворимый остаток диспергируется в воде до образования 11%-ной суспензии, нейтрализуется раствором соляной кислоты и фракционируется на трех каскадах гидроциклонов, каждый из которых состоит из 5 гидроциклонов. Суспензия под давлением 3,5 атм и при объемной скорости 15 л/мин подается на вход 3-й ступени первого каскада. Промывная вода с объемной скоростью 1,0 л/мин подается на вход 5-й ступени. Технологический рассол с ионной силой 0,014 и концентрацией сухих веществ 0,75 отделяется в виде верхнего схода с 1-й ступени и после доведения ионной силы до значения 0,1 добавлением хлорида натрия используется для экстракции. Нижний сход с 5-й ступени (смесь крахмала и мезги) разбавляется водой до 13% концентрации и под давлением 4,0 атм и при объемной скорости 20 л/мин подается на вход 3-й ступени второго каскада. Верхний сход со второго каскада (суспензия крахмала) подается на вход 3-й ступени третьего каскада под давлением 3,5 атм и при объемной скорости 20 л/мин. Нижний сход со второго каскада (фракция, обедненная по крахмалу) разбавляется водой до 13%-ной концентрации и возвращается на вход второго каскада. После троекратного повторения процедуры фракционирования на втором и третьем каскадах мезга отделяется в виде результирующего нижнего схода с 5-й ступени второго каскада, а крахмал в виде результирующего нижнего схода с 5-й ступени третьего каскада. После распылительной сушки крахмальной фракции получают 54,0 кг крахмала с содержанием сухого вещества 88,5% Выход крахмала 93,8%

П р и м е р 6. 100 кг шелушеных семян гороха измельчаются в смеси с 580 л технологического рассола с ионной силой 0,15 и содержанием сухих веществ 1,0% полученного при добавлении двухзамещенного фосфата натрия. Полученная суспензия имеет диаметр частиц до 150 мкм и значение рН 6,5, устанавливающееся самопроизвольно. Экстракция белка осуществляется при рН 6,5 без добавления щелочи. Дальнейшая процедура получения белка и крахмала аналогична описанной в примере 2, за исключением того, что осаждение белка осуществляется 0,5 М фосфорной кислотой при рН 5,6, а нейтрализация нерастворимого остатка проводится 0,5 н. едким натром. Получают 43,0 кг белковой пасты, содержащей сухого вещества 35,2% белка 92,0% на с. в. и 55,0 кг крахмала с содержанием сухих веществ 88,0% Выход белка и крахмала 75,4% и 94,9% соответственно. Супернатанты, отделяемые в процессе промывки крахмала и мезги, объединяются с получением 580 л технологического рассола с ионной силой 0,027 и содержанием сухих веществ 1,0%

П р и м е р 7. 100 кг шелушеного гороха измельчаются до образования муки с диаметром частиц до 150 мкм и диспергируют 500 л технологического рассола, имеющего концентрацию сухих веществ 1,0% и значение ионной силы 0,01. Процедура получения белка и крахмала из полученной суспензии осуществляется аналогично описанному в примере 2, за исключением того, что экстракция осуществляется при рН 9,0, осаждение белка проводится при рН 4,8, а для нейтрализации нерастворимого остатка используется 0,3 М фосфорная кислота. Получают 47,1 кг пасты белка, содержащей 34,3% сухих веществ и 91,5% на с. в. белка, а также 54,0 кг 88,7% крахмала. Выход белка и крахмала 79,9% и 94,0% соответственно. Промывные супернатанты объединяют с получением технологического рассола с ионной силой 0,006 и концентрацией сухих веществ 1,0%

П р и м е р 8. 100 кг шелушеного гороха измельчаются до муки с диаметром частиц не более 150 мкм и диспергируются в 900 л технологического рассола с ионной силой 0,1 и концентрацией сухих веществ 0,6% полученного при добавлении хлорида калия к возвратному технологическому рассолу с ионной силой 0,012. Экстракция осуществляется при рН 7,0 при добавлении 0,5 н.раствора едкого кали. Дальнейшая процедура получения белка и крахмала аналогична описанной в примере 5. При этом получают 49,2 кг белковой пасты, содержащей сухих веществ 32,4% и белка 89,8% на с. в. а также 54,2 кг крахмала, содержащего 88,0% сухого вещества. Выход белка и крахмала 77,5% и 93,5% соответственно.

Характеристики получаемых продуктов представлены в табл. 1 и 2.

Преимущества предлагаемого способа.

Сопоставление пищевой ценности белка, получаемого предлагаемым способом, с пищевой ценностью модельного белка, полученного с целью сравнения в условиях способа-прототипа (экстракцией 0,03 н.раствором едкого натра и осаждением при рН 4,4), показывает следующее:

белок, получаемый предлагаемым способом, имеет содержание незаменимых аминокислот на 100 г белка выше на 2-3%

содержание метионина и цистеина, являющихся лимитирующими для белка гороха в белке, получаемом предлагаемым способом, выше на 4,2-4,8%

белок, получаемый предлагаемым способом, не содержит неусваиваемых организмом человека D-изомеров аланина, серина и треонина в отличие от белка, полученного в условиях способа-прототипа, где до 5% указанных аминокислот присутствует в виде D-изомера;

в белке, получаемом предлагаемым способом, в отличие от белка, полученного в условиях способа-прототипа, лизиноаланина не обнаружено.

Получаемый белок обладает более высокими пенообразующими свойствами и растворимостью при рН 7,0, чем белок, получаемый по способу-прототипу.

Крахмал, получаемый в предлагаемых условиях, обладает очень высокой вязкостью суспензий при 96^оС, на 40-53% превышающей вязкость суспензий крахмалов, являющихся аналогами по назначению [5] и на 25,5% превышающей вязкость суспензии крахмала, полученного с целью сравнения в условиях способа-прототипа. Вследствие сохранения нативной структуры крахмал, получаемый предлагаемым способом, имеет растворимость при 90^оС на 14-15% ниже, а водосвязывающую способность на 18-19% выше, чем крахмал, полученный для сравнения в условиях способа-прототипа.