способ получения кормового продукта из люпиновых семян

Формула изобретения

1. Способ получения кормового продукта из люпиновых семян, характеризующийся двукратным замачиванием в воде семян люпина с последующей, по меньшей мере, одностадийной ферментативной обработкой, причем при ферментативной обработке используют ферментные препараты с целлюлазной, гемицеллюлазной, ксиланазной, пектиназной, -галактозидазной, фитазной, протеазной активностью, а также мультиферментные препараты, обладающие вышеперечисленными активностями, причем после ферментативной обработки проводят дополнительное замачивание семян люпина.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед ферментативной обработкой с семян люпина удаляют оболочку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биотехнологической промышленности, а именно к области получения кормов сельскохозяйственных животных и птицы путем переработки семян сельскохозяйственных культур, и может быть использовано при приготовлении белоксодержащих кормов, а также продуктов питания.

Семена зернобобовых культур (горох, кормовые бобы, люпин и др.) представляют собой важный источник растительного белка. Семена зернобобовых обладают рядом целебных свойств, характеризуются высоким содержанием и высокой биологической ценностью белка, а также низким уровнем ингибиторов пищеварительных ферментов, фитогемагглютининов и других антипитательных веществ. Основные факторы, ограничивающие использование семян зернобобовых в кормах сельскохозяйственных животных и птицы, - наличие токсичных алкалоидов, обуславливающих горьковатый вкус, а также присутствие -галактозидных олигосахаридов (рафинозы, стахиозы и вербаскозы), неспособных расщепляться ферментами желудочно-кишечного тракта и потому вызывающих метеоризм при потреблении зернобобовых.

Известен способ удаления сахаров, вызывающих метеоризм, из бобовых продуктов (US, патент 4645677, 1987), заключающийся в суспендировании муки семян зернобобовых в воде с последующей ультрафильтрации суспензии через мембрану с порогом отсечения от 30 до 100 кДа, причем ультрафильтрацию проводят в две стадии.

Недостаток способа заключается в невозможности применения его для обработки целых семян люпина.

Известен также способ устранения горького вкуса и свойственного гороху аромата из гороховой муки с целью ее использования в качестве добавки к пищевым системам (US, патент 4022919, 1977). При реализации способа проводят контактирование муки с влажным паром в течение времени, достаточного для удаления горечи из гороховой муки и перевода ароматических компонентов гороха в газовую фазу, с последующим отводом пара и летучих ароматических компонентов, причем эту операцию осуществляют ранее заметного развития в муке аромата вареного гороха.

Основным недостатком известного способа следует признать непригодность его для обработки целых семян люпина. Кроме того, применение способа приводит к высоким энергозатратам, при его реализации происходит разрушение белка (т.е. уменьшается пищевая ценность готового продукта), а также в готовом продукте присутствуют -галактозидные олигосахариды, вызывающие метеоризм.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа можно признать (RU, патент 2207012,2003) способ устранения горького вкуса и аромата, свойственных муке семян зернобобовых, таких как горох, кормовые бобы и люпин, а также снижения содержания в муке семян зернобобовых олигосахаридов. Согласно известному способу муку семян зернобобовых замачивают в воде в течение 10-50 мин при 20-50°С и соотношении мука: вода - 1:2-1:5, подкисляют суспензию разбавленной пищевой кислотой до рН 3,2-5,0, подвергают действию протеазы, активной в кислой среде, например пепсина, пектофоетидина, при 20-50°С в течение 40-90 мин, повышают рН суспензии до 6-8 и выдерживают при этом значении рН в течение 3-8 ч при комнатной температуре, после чего подвергают распылительной сушке или непосредственно вводят в рецептуру пищевого продукта, подвергаемого термической обработке.

Недостатком известного способа следует признать непригодность его для обработки семян люпина.

Техническая задача, решаемая посредством реализации предлагаемого способа, состоит в обеспечении возможности использования семян люпина в качестве одного из компонентов кормов сельскохозяйственных животных и птиц.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого способа, состоит в снижении себестоимости кормов сельскохозяйственных животных и птицы за счет замены соевых бобов на деалкалоидизированные люпиновые семена со сниженным содержанием антипитательных -галактоолигосахаридов.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать способ получения кормового продукта из люпиновых семян, характеризующийся двукратным замачиванием в воде семян люпина с последующей, по меньшей мере, одностадийной ферментативной обработкой, причем при ферментативной обработке используют ферментные препараты с целлюлазной, гемицеллюлазной, ксиланазной, пектиназной, -галактозидазной, фитазной, протеазной активностью, а также мультиферментные препараты, обладающие вышеперечисленными активностями, причем после ферментативной обработки проводят дополнительное замачивание семян люпина. В предпочтительном варианте реализации перед ферментативной обработкой с семян люпина удаляют оболочку.

Обычно процесс первого замачивания проводят при температуре 40-80°С в течение 3-5 часов. Второе замачивание предпочтительно проводят при температуре 40-80°С в течение 2-5 часов. Необходимость каждого последующего замачивания задает содержание удаляемых алкалоидов в воде после предыдущего замачивания. Кроме воды для замачивания может быть использован слабокислый буфер с рН 3-7 (например, 0,1 М Na-ацетатный буфер с рН 5) для поддержания оптимальной ферментативной активности (зависит от типа используемого для обработки фермента), а также для улучшения растворимости алкалоидов в водной фазе. Для подкисления среды может использоваться также разбавленный раствор слабой кислоты, например уксусной. При замачивании семена люпина могут перемешиваться любым известным способом. Объем жидкой среды примерно в 3-5 раз превышает объем обрабатываемых семян. Процесс ферментативной обработки может быть повторен два раза. В процессе ферментативной обработки семена люпина также могут перемешиваться. Необходимость повторной ферментативной обработки (или замачивания без фермента) определяют по содержанию удаляемых алкалоидов в жидкой среде предыдущей обработки. В некоторых случаях проводят замачивание семян люпина одновременно с ферментативной обработкой. Обычно это бывает второе (и последующие) замачивание. В предпочтительном варианте реализации перед ферментативной обработкой с семян люпина удаляют оболочку.

Для удаления максимального количества алкалоидов и -галактоолигосахаридов при минимальных потерях белка люпина используют индивидуальные ферментные препараты или смеси ферментных препаратов, обладающие целлюлазной, гемицеллюлазной, ксиланазной, пектиназной, -галактозидазной, фитазной, протеазной активностью. Наилучшие результаты были получены при использовании ферментных препаратов с высокой целлюлазой, ксиланазной, пектиназной, -галактозидазной активностью. При этом было установлено, что независимо от типа активности используемых ферментативных препаратов необходимо предварительное замачивание семян люпина с последующей ферментативной обработкой.

При реализации предлагаемого способа, как в ходе замачивания, так и в ходе ферментативной обработки, в жидкую среду из семян люпина переходят алкалоиды, белок, -галактоолигосахариды и образуются восстанавливающие сахара. Установлено, что при одностадийном замачивании и одноразовой ферментативной обработке количество алкалоидов в среднем уменьшается на 40-60% от исходного количества, белка - на 2-4% от исходного количества. При двухстадийном замачивании и одноразовой ферментативной обработке количество алкалоидов в среднем уменьшается на 75% от исходного количества, белка - на 5-6% от исходного количества.

При двухстадийном замачивании и двойной ферментативной обработке количество алкалоидов в среднем уменьшается на 90% от исходного количества, белка - на 8-9% от исходного количества, а содержание антипитательных -галактоолигосахаридов (сумма раффинозы, стахиозы, вербаскозы) уменьшается на 90-99%. Снижение содержания галактоолигосахаридов зависит от наличия в составе ферментного препарата -галактозидазной активности.

В среднем при каждой дополнительной стадии обработки после первой количество алкалоидов в зерне уменьшается на 40-60%, количество белка на 0,7-2,0% от исходного количества. Следовательно, количество стадий замачивания при прочих равных условиях определяется и исходным содержанием алкалоидов в исходном сырье. В сливаемой жидкости после каждой стадии обработки следующей после первой (с ферментом или без) концентрация белка (определенная по методу Лоури) составляет примерно 0,7-1,5 г/л, восстанавливающих сахаров (определенная по методу Шомоди-Нельсона) 0,8-4 г/л.

Процесс проводили в термостатируемом шейкере. Обрабатываемые семена люпина помещали в герметичную пластиковую канистру, закрепляемую на платформе шейкера. Скорость вращения платформы составляла от 120 до 180 об/мин. Время обработки на каждой стадии составляло от 2,5 до 4 часов. Ферментативный препарат добавляли в количестве от 0,1 до 0,5% от массы обрабатываемых семян люпина. В каждой стадии семена люпина в канистре заливали свежей водой и анализировали после проведения стадии содержание алкалоидов, белка и восстанавливающих сахаров в сливе из канистры. Для определения содержания указанных компонентов использовали стандартные аналитические методики.

Ниже приведены примеры реализации предлагаемого способа.

1. Для обработки семян люпина сорта Декаф-14 с содержанием алкалоидов 0,056% был использован вариант реализации способа с двухстадийным замачиванием перед одностадийной ферментативной обработкой. Эксперимент проводился при перемешивании. На 1 кг люпина на стадиях замачивания и ферментативной обработки использовали по 4 л воды. Замачивание проводили в воде при температуре 50°С в течение 3 часов. После двухстадийного замачивания содержание алкалоидов в семенах в пересчете на сухой вес составило 74% от исходного, потеря белка с раствором составила 0,9% от исходного. После слива воды, использованной для замачивания, набухшие семена люпина залили раствором ферментного препарата с ксиланазной, -галактозидазной и фитазной активностью, в качестве которого использовали лабораторный ферментный препарат, продуцируемый микроскопическим грибом Penicillium sp. с ксиланазной активностью (при рН 5,0, 50°С, условия измерения активности далее те же, активность выражена в международных единицах) - 1500 ед/г, -галактозидазной активностью 125 ед/г, фитатазной активностью 12680 ед/г, содержание белка 406 мг/г. Содержание препарата на обеих стадиях ферментативной обработки составило 0,5% от исходной массы сухих семян. Ферментативную обработку проводили при температуре 50°С в течение 3 часов в присутствии 20 мМ ацетатного буфера с рН 4,5. После проведенной ферментативной обработки зерна подвергли еще одной дополнительной стадии замачивания в объеме 4 л воды при перемешивании и температуре 50°С в течение 3 часов. После указанной комплексной обработки в семенах содержание алкалоидов составило 0,03% от исходного, потери белка с раствором (в сливах) составили 3% от исходного, содержание восстанавливающих сахаров в растворе - 1,6 г/л (в глюкозном эквиваленте). Поскольку допустимое содержание алкалоидов в семенах люпина составляет 0,01%, то данной обработки оказалось достаточно.

2. Эксперимент был проведен по примеру 1, но использовали лабораторный тот же ферментный препарат, продуцируемый микроскопическим грибом Penicillium sp. с ксиланазной активностью - 1550 ед/г, -галактозидазной активностью 114 ед/г, фитатазной активностью 12430 ед/г, содержание белка 433 мг/г. После обработки содержание алкалоидов в зернах люпина составило 0,026%, потери белка с раствором (в сливах) составили 5,5% от исходного. Использованная обработка оказалось достаточна для получения указанного технического результата.

3. Эксперимент был проведен по примеру 2, но после проведенной ферментативной обработки зерна подвергли еще одной аналогичной стадии ферментативной обработки в аналогичных условиях. После обработки содержание алкалоидов в зернах люпина составило 9% от исходного, потери белка с раствором (суммарно в сливах) составили 10% от исходного. Содержание восстанавливающих сахаров в растворе - 0,9 г/л (в глюкозном эквиваленте). Допустимое содержание алкалоидов в семенах люпина составляет 0,01%, поэтому данной обработки оказалось достаточно, поскольку достигнутое содержание алкалоидов в зернах люпина составило 0,005%. Со сливными водами было удалено 91% алкалоидов зерна. Кроме этого было значительно снижено содержание -галактоолигосахаридов. Олигосахариды анализировали хроматографически на колонке с привитой аминофазой Диасорб-130-амин («Биохиммак», Россия), 4*250 мм, 6 мкм, элюент ацетонитрил:вода 70:30,1 мл/мин, с рефрактометрической детекцией.

Содержание антипитательных олигосахаридов (сумма раффиноза, стахиоза, вербаскоза) в зерне после обработки составило 0,11%, а в исходном 3,2% от веса. Содержание антипитательных олигосахаридов было снижено на 97%. Таким образом, по этому параметру зерна люпина после обработки значительно превосходят кормовую соевую муку, суммарное содержание антипитательных олигосахаридов, в которой в среднем 3%.

4. Эксперимент был проведен по примеру 3 с разными ферментными препаратами при обработке семян люпина узколистного сорта «Кристалл» с содержанием алкалоидов 0,040%. Эксперимент проводился при перемешивании при соотношении люпин:вода = 1:10 при температуре 50°С в течение 8 часов. Для поддержания рН в реакционной смеси использовали 100 мМ Натрий-ацетатный буфер с рН 5,0. Дозировка ферментных препаратов составила 0,5% от веса люпина (препараты дозировали по содержанию белка в расчете на «усредненный» препарат с содержанием белка 50 мг/г). Использовали следующие ферментные препараты:

1) фитазный препарат, продуцент Penicillium sp. (белок 625 мг/г, фитазная активность - 23125 ед/г, -галактозидаза - 328 ед/г);

2) -галактозидазный, фитазный, пектин-лиазный препарат, продуцент Penicillium sp. (белок 9,4 мг/мл, фитаза 116 ед/мл, -галактозидаза - 276 ед/мл, пектин-лиаза - 61 ед/мл);

3) пектин-лиазный ферментный препарат, продуцент Penicillium sp. (белок 554 мг/г, -галактозидаза - 90 ед/г, пектин-лиаза - 5170 ед/г);

4) мультиферментный пектиназно-гемицеллюлазный ферментный препарат, продуцент Aspergillus foetidus (белок 254 мг/г, -галактозидаза - 80 ед/г, пектин-лиаза - 4,0 ед/г, полигалактуроназа - 20400 ед/г, ксиланаза - 515 ед/г);

5) целлюлазно-гемицеллюлазный ферментный препарат, продуцент Trichoderma reesei (белок 280 мг/мл, КМЦаза - 4700 ед/мл, ксиланаза - 1750 ед/мл);

6) -галактозидазный ферментный препарат, продуцент Aspergillus sp.(белок 420 мг/мл, -галактозидаза - 13700 ед/г, пектин-лиаза - 74 ед/г);

7) мультиферментный препарат, продуцент Aspergillus sp.(белок 56 мг/г, -галактозидаза - 43 ед/г, пектин-лиаза - 16 ед/г, полигалактуроназа - 4985 ед/г, КМЦаза - 200 ед/г, ксиланаза -80 ед/г);

8) мультиферментный препарат, продуцент Penicillium sp. (белок 406 мг/г, фитаза - 12680 ед/г, -галактозидаза 125 ед/г, пектин-лиаза - 22 ед/г, КМЦаза - 350 ед/г, ксиланаза - 1500 ед/г).

После обработки содержание алкалоидов в семенах в пересчете на сухой вес уменьшилось (таблица 1). Потеря белка с раствором и выход восстанавливающих сахаров в раствор даны в таблице 1.

Табл.1.
№препарата	Содержание алкалоидов,%	Потеря белка, %	Выход восстанавливающих сахаров в раствор, г/л
1	0,005	3,6	2,5
2	0,008	3,8	2,4
3	0,007	3,3	1,5
4	0,009	3,6	2,6
5	0,009	4,1	2,1
6	0,010	4,0	4,5
7	0,010	3,9	2,7
8	0,010	3,7	3,7
Без фермента (контроль)	0,021	3,8	1,5
Исходный	0,040	-	-

После двухстадийного замачивания и двухстадийной ферментативной обработки в семенах содержание алкалоидов составило 23-53% от исходного, потери белка с раствором составили 3,3-4,1% в зависимости от типа ферментного препарата. Поскольку допустимое содержание алкалоидов в семенах люпина составляет 0,01%, то данной обработки оказалось достаточно, поскольку конечное содержание алкалоидов в зернах составило 0,009-0,01% (см. таблицу 1). В то же время обработки без фермента (контроль) оказалось недостаточно, поскольку конечное содержание алкалоидов в зернах составило 0,021%.

5. Эксперимент был проведен по примеру 4 с ферментным препаратом №8 но при двух разных температурах 40 и 50°С. После ферментной обработки в семенах содержание алкалоидов составило 0,017 и 0,010%, потери белка с раствором составили 1,3 и 3,3% соответственно. Содержание алкалоидов было снижено на 57 и 75% соответственно. Поскольку допустимое содержание алкалоидов в семенах люпина составляет 0,01%, то обработки по варианту с 50°С оказалось достаточно, а по варианту с 40°С недостаточно.

6. Эксперимент был проведен по примеру 4 с ферментным препаратом №8, но с использованием двух разных сортов люпина в низкоалкалоидного «Кристалл» - с исходным содержанием алкалоидов 0,04% и высокоалколоидного "Сидерат-38» с исходным содержанием алкалоидов 0,63%. После ферментной обработки в семенах содержание алкалоидов было снижено на 76 и 77% от исходного, потери белка с раствором составили 3,3 и 5,5% соответственно. Поскольку допустимое содержание алкалоидов в семенах люпина составляет 0,01%, то обработки низкоалкалоидного сорта «Кристалл» оказалось достаточно, поскольку конечное содержание алкалоидов составило 0,01%, а в случае с высокоалкалоидным сортом «Сидерат-38» конечное содержание алкалоидов составило 0,15% и требуются дальнейшие стадии обработки. Важно отметить, что данный вариант реализации способа привел к одинаковому снижению содержания алкалоидов на 76-77% независимо от исходного содержания алкалоидов, потому данный способ применим к зерну с разным исходным содержанием алкалоидов.

Разработанный способ позволяет заменить в кормах для сельскохозяйственных животных и птицы продукты переработки сои на продукты переработки семян люпина с уменьшением себестоимости кормов на 18 - 22%, а также принципиально полученный продукт может быть использован и для пищевых целей.