Способ фракционирования жмыха и измельченного жмыха масличных семян - RU2295250C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу фракционирования жмыха и измельченного жмыха масличных семян и к получаемым при этом фракциям, включая их конечное использование.

Главной целью промышленной переработки масличных семян является максимальная экстракция масла. Это достигается путем использования процессов экстракции растворителями или сочетанием механической экстракции (шнекового прессования) и экстракции растворителем. Продукты, получаемые такими способами экстракции, т.е. масло и измельченный жмых, широко используются и в пищевых продуктах, и в корме.

Хотя не существует полного согласия в терминологии, используемой для определения остатков масличных семян, термин "измельченный жмых масличных семян" используется ниже для обозначения богатого протеиновыми волокнами остатка масличных семян, полученного в результате или 1) экстракции растворителем или 2) комбинации шнекового прессования и экстракции растворителем, тогда как термин "прессовый жмых масличных семян" используется ниже для обозначения богатого протеиновыми волокнами остатка масличных семян, полученного в результате только шнекового прессования.

Кроме источников масла и эмульгаторов семена масличных культур являются очень интересным источником протеинов, пищевых волокон и других биологически активных компонентов. В последние годы существует растущий интерес к получению и использованию таких компонентов. Существующие промышленные процессы, используемые для извлечения таких компонентов, являются преимущественно химическими процессами, направленными на измельченный жмых масличных семян, а не на прессовые жмыхи.

В продаже доступны большие количества не содержащих химикаты жмыхов, которые могут подвергаться дальнейшей переработке без химикатов и дать продуты, интересные с технической и коммерческой точки зрения. В настоящее время все такие жмыхи продаются как малоценные продукты. Вдобавок для фракционирования могут стать доступны многотонные количества прессовых жмыхов, которые в настоящее время экстрагируют растворителями на второй стадии экстракции.

Настоящее изобретение относится к способу нехимического фракционирования прессовых жмыхов и измельченных жмыхов масличных семян на по меньшей мере три богатых протеином фракции, по меньшей мере одну фракцию волокон, фракцию сахарного сиропа и фракцию фитата, и, возможно, фракцию эмульгированного масла.

Изобретение основано на обработке прессовых жмыхов или измельченных жмыхов масличных семян, при которой специфичные расщепляющие углеводы ферменты типа ксиланазы, гемицеллюлазы, таких как пентозаназа, арабиназа, пектиназа и бета-глюканаза, используют в сочетании с мокрым размолом в соответствующих условиях, т.е. при температуре от 20 до 90°С, предпочтительно от 30 до 50°С, и при pH от 4 до 6,5. Полученный гидролизат нагревают при 50-95°С и разделяют на перечисленные выше фракции, используя методы разделения центрифугированием и исключением по размеру при такой повышенной температуре. Необязательная быстрая тепловая обработка в теплообменнике, предназначенном специально для инактивации экзогенных ферментов, может быть проведена сразу после ферментативного гидролиза или перед сушкой каждой фракции.

Уровень техники

Для экстрагирования и извлечения различных компонентов, в частности протеинов, из масличных семян и соответствующих жмыхов были разработаны различные технологии, основанные на использовании химикатов (щелочей и солей).

Технологии, основанные на солюбилизации протеинов при щелочном pH с последующим отделением нерастворимой фракции и конечным доведением pH содержащего протеины раствора до их изоэлектрической точки, чтобы вызвать осаждение протеинов, широко представлены в уровне техники такими документами, как GB 671935; GB 900126; ЕР 0289183; ЕР 0466524; ЕР 0522800; CN 1121926. Несмотря на приемлемые выходы протеинов, получаемые в таком процессе, большой расход химикатов, который приводит к прямым и косвенным затратам, присутствие химических загрязнений в конечных продуктах и потеря функциональности протеинов из-за их денатурации могут быть перечислены, среди прочих, как наиболее серьезные недостатки такого подхода. Чтобы исключить или минимизировать денатурацию протеинов, патент US 4188399 предлагает способ, в котором протеин солюбилизируется при мягких условиях pH (pH 5,1-5,9), твердые вещества отделяют от жидкой фракции, и pH жидкой фракции доводят до изоэлектрической точки протеина (рН 3-5) для дальнейшего отделения функционального протеина ультрафильтрацией.

Сведения о выходе протеина отсутствуют, но описанные в указанном патенте мягкие условия обработки позволяют предположить, что достигаемые выходы являются низкими.

Патент US 1041717 описывает способ солюбилизации и выделения растительных протеинов путем использования комбинации обработки перекисью водорода (щелочная обработка) и ферментативного гидролиза протеазами. Указанные низкие коэффициенты извлечения протеинов (<50%) и избыточное использование перекиси водорода (до 13,6%) наносят серьезный удар экономичности предложенной технологии.

Альтернативой щелочной солюбилизации протеинов с последующим осаждением при изоэлектрической точке является высаливание протеинов. Патенты US 4208323 и 5877086 описывают методы экстракции протеинов с использованием пищевого хлорида натрия при определенных pH и ионной силе. Вышеупомянутые технологии достигают успеха в получении изолятов высоко функционального и неденатурированного протеина из измельченного жмыха масличных семян. Противовесом этому, однако, являются низкие выходы протеина и большие количества используемых в процессе воды и соли.

Хотя большинство разработок по экстракции протеина из растительного протеинового сырья было сфокусировано на химических технологиях, как описано в вышеприведенных примерах, были разработаны также и другие, нехимические, способы.

Патент GB 598641 описывает способ экстракции протеинов из бобовых протеиновых материалов, предварительно обработанных протеазами. Частично гидролизованные протеины и продукты их гидролиза (пептиды и аминокислоты) извлекают в раствор, который затем концентрируют выпариванием или сушкой. Авторы не сообщают об использовании ферментов для разрушения клеточных стенок и о других ключевых признаках настоящего изобретения.

Еще один способ применения ферментов для содействия извлечению протеинов из обезжиренных растворителем жмыхов сухого размола масличных семян описан в патенте DE 19907723. Этот способ использует ферменты, разрушающие углеводы, перед отделением протеина при изоэлектрической точке. Изобретение сфокусировано исключительно на извлечении фракции протеинов (белкового концентрата), который осаждается при изоэлектрической точке, и волокнистого побочного продукта. Оставшаяся протеиновая масса, не осажденная при указанных в патенте условиях, остается в сахарном растворе, полученном при гидролизе волокон, и рассматривается как малоценный побочный продукт, который как таковой используют для кормления животных. В этом патенте осталось непонятым, что они являются ценными протеинами и должны быть извлечены другими способами. Следующей проблемой является то, что непитательные вещества, в частности фитаты, присутствующие в исходном сырье, будут концентрироваться во фракции побочного продукта. Это в конечном счете приведет к проблемам при попытке использования этой фракции для кормления животных. Никакие изобретательские шаги по удалению такого непитательного вещества в этом патенте не предусмотрены. Далее, патент полностью исключает использование или переработку богатых жиром остатков масличных семян, таких как прессовый жмых и, следовательно, не дает предложений по отделению жира.

Новая технология, альтернативная процессу шнекового прессования или экстракции растворителем, была разработана первоначально для экстракции масла из семян рапса с использованием ферментов и мокрого разделения (Olsen, 1987, Olsen & Christiansen, 1987). Способ основан на начальной инактивации ферментов капустных семян тепловой обработкой. Затем семена подвергают гидролизу полисахаридазами типа пентозаназы, гемицеллюлазы, целлюлазы и пектиназы для того, чтобы разрушить волокнистую массу, облегчив тем самым последующее удаление масла центрифугированием. Кроме масла способ обеспечивает также получение протеиновой муки, волокна и сахара в качестве побочных продуктов, которые содержат различные количества масла и загрязнений. Более низкий относительный выход масла по сравнению с обычными экстракционными процессами (на 10-20% ниже), низкий выход протеиновой муки (<15%) и низкая выгода, получаемая при предлагаемом конечном использовании фракций протеиновой муки, волокна и сахаров, явились важными препятствиями для осуществления данной технологии в качестве альтернативы традиционному процессу экстракции масла. Для более привлекательной технологии с экономической точки зрения требуется лучшее фракционирование и больше конечных продуктов с различной функциональностью и более высокой рыночной стоимостью. Кроме того, удаление и извлечение непитательных веществ, таких как фитаты, из фракции сахаров является критическим и для повышения рыночной стоимости такой фракции (более высокая пищевая ценность), и для получения в процессе еще одной ценной фракции (такой как фитат).

Инактивация или отделение непитательных веществ, таких как фитаты, которые могут в значительных количествах присутствовать в растительных материалах, описано в патенте US 3736147. Этот патент описывает процедуру ультрафильтрации для удаления фитата в различных диапазонах pH. Он предлагает использовать двухвалентные катионы, ферменты фитазы или сильные хелатирующие агенты в диапазонах pH соответственно 2-4,5; 4,5-7 или 7-11.

Очевидно, что ни один из вышеупомянутых способов не является свободным от химикатов процессом, основанным на использовании полисахаридов и разработанным так, чтобы удовлетворить требованиям переработки жмыха и измельченного жмыха масличных семян, обеспечивающей высокое извлечение (до 60%) более чем одной протеиновой фракции с различными функциональностями, производя одновременно богатую волокнами фракцию, возможно фракцию эмульгированного масла, фракцию сахаров, содержащую значительно пониженные концентрации фитата, и фракцию фитата.

Задачи настоящего изобретения состоят в следующем:

1. Разработать экономичный и эффективный способ влажного фракционирования для получения высокоценных фракций протеина, жира, сахара, волокна и фитата с различными свойствами.

2. Сочетать применение ферментативной переработки полисахаридазами с мокрым размолом и последующей тепловой обработкой для облегчения удаления растворимых веществ из гидролизата посредством центрифугирования.

3. Максимизировать извлечение после обработки полисахаридазами посредством центрифугирования и ультрафильтрации несвязанных клеточными стенками протеинов в различные богатые протеинами фракции, которые проявляют отчетливую функциональность и химический состав и потому пригодны для различных пищевых и кормовых применений.

4. Максимизировать экстракцию фракции жиров из жмыхов масличных семян, которая состоит, главным образом, из эмульсии масла, для использования в качестве высокоценной пищевой добавки.

5. Избежать по возможности инактивации ферментов так, чтобы скомпенсировать расходы на ферменты путем получения пищевых фракций, имеющих высокую полисахаридазную активность.

6. Максимизировать удаление фитата, первоначально присутствующего во фракции сахаров, без использования экзогенных двухвалентных катионов, фитаз или хелатирующих агентов, в качестве средства как повышения пищевой ценности фракции сахаров, так и получения еще одной высокоценной фракции, богатой фитатами.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ

Авторы настоящего изобретения разработали промышленный способ влажного фракционирования для получения, без использования химикатов, различных протеиновых фракций, волокна, сахаров с низким содержанием фитата, возможно, масляной эмульсии и фракции фитата из прессовых или измельченных жмыхов масличных семян для различных коммерческих применений.

Пример 1

Жмых семян рапса, полученный в процессе шнекового прессования и содержащий 31% протеина и 23,5% масла, подвергали ферментативному гидролизу полиферментным комплексом, содержащим бета-глюканазу, пентозаназу, гемицеллюлазу и пектиназу, в количестве 1000 МЕ/г субстрата. Реакционную смесь, содержащую около 3,9% сухого вещества, непрерывно перемешивали и периодически размалывали, с 1-часовыми интервалами, в мокрой мельнице для облегчения доступа ферментов в матрицу субстрата и диспергирования конечных продуктов гидролиза. После 3 часов гидролиза реакционные смеси нагревали до 95°С и центрифугировали горячими для отделения растворимых веществ от осажденных фракций, состоящих преимущественно из волокна (шелухи). Растворимые вещества ресуспендировали в воде и центрифугировали, и получали пять слоев, которые идентифицировали и разделяли, т.е. два верхних слоя эмульгированного масла, один средний слой растворимых веществ и два нижних слоя протеиновых, богатых волокнами, осадков. Растворимый средний слой затем фильтровали ультрафильтрацией с мембраной 10 кДа, получая ретентат (протеин) и пермеат (сахара). После центрифугирования ретентата получали богатый протеином осадок и супернатант. Фазу пермеата центрифугировали, получая первый осадок (богатую фитатом фракцию). Пермеатную растворимую фазу затем упаривали до 40° Брикса и центрифугировали, получая второй богатый фитатом осадок и богатый сахарами супернатант. За исключением сахарных супернатантов все остальные фракции перед анализом высушивали замораживанием.

Выход волокон, эмульгированного масла и богатых сахарами фракций составил 37,6; 16,1 и 12,8% соответственно. Содержание протеина в 4 протеиновых фракциях было в интервале от 32,6 до 92%, и общая экстракция протеинов составила 71,3%. Легкая фаза эмульгированного масла являлась преобладающей фазой, представлявшей 85% масляной фазы, и состояла из, помимо прочего, 73% масла и 20% протеинов. Содержание фитата в двух богатых фитатом фракциях варьировало от 30,1 до 73%.

Пример 2

Прессовый жмых рапсовых семян подвергали обработке в условиях, подобных примеру 1, за исключением того, что применяли мультиферментный комплекс, содержавший вдвое большую активность гемицеллюлазы. Степень гидролиза волокон была существенно более высокой (29%), чем в примере 1. В равной степени был достигнут более высокий коэффициент извлечения протеина. Выход волокон, эмульгированного масла и богатых сахарами фракций составил 29,5, 17,3 и 19,7% соответственно.

Результаты показывают, что ускорение гидролиза волокон путем изменения активностей специфичных ферментов улучшает коэффициенты экстрагирования растворимых компонентов, т.е. протеинов и масел.

Пример 3

Аналогичный эксперимент с прессовым жмыхом рапсовых семян был на этот раз проведен с повышенной активностью ферментирования гемицеллюлозы и сильно разветвленных пектинов. Было достигнуто дальнейшее улучшение гидролиза волокон с выходом 23%. Были достигнуты суммарные коэффициенты экстрагирования протеина и масла 83% и 86%, рассматриваемые как значительно превосходящие коэффициенты экстрагирования, описанные в уровне техники для нехимических способов фракционирования.

Пример 4

Эксперимент по фракционированию обезжиренного измельченного жмыха рапсовых семян (39,3% протеина и 2,3% жиров), который был предварительно экстрагирован шнековым прессованием и гексаном, проводили, как описано в примере 1. Растворимую фазу после первого разделения ресуспендировали и центрифугировали. Идентифицировали и выделяли три слоя, а именно один верхний слой растворимых веществ и два нижних слоя протеиновых, богатых волокном осадков. Растворимый верхний слой затем фильтровали ультрафильтрацией с мембраной на 10 кДа, получая ретентат (протеин) и пермеат (сахара). После центрифугирования ретентата получали богатый протеином осадок с содержанием протеина 94,2% и супернатант. Фазу пермеата упаривали до 40° Брикса и центрифугировали, чтобы отделить богатый фитатом осадок от богатого сахарами супернатанта.

Выход волокон и богатых сахарами фракций составил 31,3 и 17,3%, соответственно. Содержание протеина в 4 протеиновых фракциях было в интервале от 33,0 до 94,2%, а общая экстракция протеинов составила 75, 6%.

Экстрагирование данных протеиновых фракций может внести вклад в увеличение общего выхода протеина не менее чем на 100% от ожидаемого выхода в упомянутом выше патенте DE-A-19907723.

КОНЕЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Фракция волокон

Несмотря на высокие коэффициенты извлечения как протеинов, так и масла, остаточная нерастворимая фракция, далее - «богатая волокном фракция», является все же интересным сырьевым материалом для кормления животных, в частности жвачных.

Богатые волокном фракции, полученные из жмыхов и измельченных жмыхов масличных семян, содержат меньше протеина и масла, чем обнаруживается в исходном материале. Питательную ценность богатых волокном фракций определяли по полному проксимальному анализу и перевариваемости "in vitro", и она составила приблизительно 70% от исходного материала.

Высокое содержание лигнина (15-27%) и сыпучая природа богатой волокном фракции указывают также на ее потенциал в качестве сырья для сжигания биомассы.

Протеиновые фракции

Протеиновые фракции, полученные по изобретению, имеют различные состав, питательную ценность и функциональность. Две протеиновые фракции, извлеченные на ранних стадиях процесса, имеют обычно высокое содержание волокна, которое может варьироваться от 20 до 55% в зависимости от состава сырья и степени гидролиза. Содержание протеина варьируется от 30 до 65%. Данные протеиновые фракции являются идеальными пищевыми ингредиентами благодаря а) высокому содержанию и качеству протеина; b) хорошей перевариваемости волокон и с) низкому содержанию фитата.

Такие плохорастворимые протеиновые фракции могут также использоваться в пищевых применениях, в частности, в качестве текстуризаторов.

Более растворимые протеиновые фракции извлекают на более поздних стадиях процесса, и они обычно имеют гораздо более высокое содержание протеина, более высокую растворимость и значительно пониженное содержание волокон. Такие протеиновые фракции могут содержать от 45 до 95% протеина в зависимости от параметров процесса и состава сырья. Они также могут использоваться как кормовые ингредиенты, особенно в высокоценных применениях, таких как стартерный корм (для рыб), рыбный корм, корм для домашних животных и заменитель коровьего молока, но предпочтительно должны использоваться в функциональных пищевых протеиновых продуктах.

Фракции эмульгированного масла

Фракции эмульгированного масла получают при фракционировании прессовых жмыхов масличных семян. В качестве альтернативы выделению масла и других компонентов из данной фракции предложено новое целевое использование всей фракции. Тот факт, что она содержит протеины и фосфолипиды, делает ее интересным источником хорошо перевариваемого масла в корме для животных. Она представляет особый интерес как ингредиент комбикорма повышенной ценности, содержащего или очень высокую энергетическую ценность или хорошо перевариваемое масло.

Установка для осуществления способа по изобретению

Установка для осуществления способа по изобретению описана ниже со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором представлен схематичный вид предпочтительного варианта установки.

На чертеже показана установка для фракционирования жмыха и измельченного жмыха ("шрота"), которая содержит соединенные между собой аппарат 1 для суспендирования, ферментативного гидролиза и нагревания, мокрую мельницу 2, теплообменник 3 для инактивации ферментов нагреванием, декантаторы 4,8, аппараты 7,12 для ресуспендирования, ультрафильтр 9, испаритель 10, сепараторы 11, 13 и сушилки 5, 6, 14.

Установка, показанная на чертеже, работает следующим образом.

В аппарате 1 проводят гидролиз жмыха, измельченного в мельнице 2 для улучшения действия ферментов и для лучшего диспергирования конечных продуктов гидролиза. После завершения гидролиза суспензию в аппарате 1 нагревают острым паром и подвергают дополнительной тепловой обработке в теплообменнике 3 для инактивации ферментов. Стадию инактивации ферментов можно пропустить, если конечные продукты предполагается использовать для изготовления кормов. Гидролизат с содержанием около 20% сухого вещества направляют в 3-фазный декантатор 4, в котором отделяются волокнистый остаток, эмульгированное масло и растворимые вещества. Волокнистый остаток и эмульгированное масло сушат в сушилках 6 и 5 соответственно. Растворимую фазу ресуспендируют в воде в аппарате 7 и разделяют в декантаторе 8 на две фазы. Надосадочную жидкость (супернатант) фильтруют в ультрафильтре 9, получая фазу пермеата и фазу ретентата. Фазу пермеата концентрируют в испарителе 10 и остаточный сироп фракционируют в сепараторе 11 на богатую сахарами фракцию и богатую фитатами фракцию. Фазу ретентата сушат в сушилке 14, получая богатую протеином фракцию (60-95% протеина). Осадок из декантатора 8 ресуспендируют в воде в аппарате 12 и разделяют в сепараторе 13 на две богатые протеином фракции с различным составом протеина (30-65% протеина), питательной ценностью и функциональностью, которые затем сушат в сушилке 14.

Реферат

Изобретение касается способа фракционирования жмыхов и измельченных жмыхов масличных семян (например, прессового жмыха семян рапса, измельченного жмыха соевых бобов и прессового жмыха хлопковых семян). В процессе фракционирования по изобретению указанный жмых или измельченный жмых подвергают ферментативной обработке полисахаридазами с одновременным мокрым измельчением и последующей тепловой обработке для облегчения отделения нерастворимой фазы от растворимой фазы под воздействием центробежных сил. Последующие центрифугирование и ультрафильтрацию проводят для того, чтобы получить богатую волокнами фракцию, по меньшей мере три богатых протеином фракции, а в случае прессовых жмыхов масличных семян - также по меньшей мере одну фракцию эмульгированного масла, богатую сахарами фракцию и богатую фитатами фракцию. Изобретение описывает также применение вышеупомянутых фракций в пищевых продуктах, кормах, косметических и фармацевтических продуктах, и установку для осуществления предлагаемого способа. 7 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула