Brevet FR2215174A1 — publié le 19740823

L'invention concerne l'extraction de nouvelles protéines des graines de soja. tes graines de soja sont riches en protéines et leur isolement ou leur extraction est très important. L'invention concerne un procédé peu cofteux d'extractlon des protéines des graines de soja et les protéines ainsi obtenues. Les procédés connus d'extraction des protéines des graines de soja comprennent la macération des graines dans l'eau pendant un temps prolongé, la mise en suspension, après broyage des graines imbibées d'eau, l'isolement des matièresinsoluble s par centrifugation de cette suspension et la précipitation des protéines contenues dans le liquide ainsi ex trait. Les protélnes du liquide sont précipitées par ajustement du pH à une valeur voisine de 4,5 qui correspond au point isoélectrique auquel une grande partie, mais non la totalité des protéines du liquide sont insolubles et précipitent. Une quantité faible mais importante des protéines du soja reste soluble au point isoélectrique et est habituellement perdue.Le précipité de protéines ainsi obtenu n' a pas le goût, le pouvoir nutritif et l'aptitude à absorber ou à fixer l'eau, nécessaires à la fabrication, par exemple, d'aliments ou de viandes cuites. Les protéines des graines du soja extraite selon le procédé de l'invention comprennent non seulement les protéines insolubles mais également les protélnes solubles (fraction liquide) au point isoélectrique des protéines du soja (pH 4,5 environ7. Selon l'invenntion, on met en suspension dans l'eau des graines de soja dégraissées, de préférence sous forme particulaire, par exemple broyées, mises en paillettes ou déchiquetées. Cn utilise de préférence au moins 80 à 99 parties d'eau par partie de particules de graines de soja pour la préparation de la suspension, et on mélange vigoureusement .pour assurer une bonne dispersion. La température de l'eau n'a pas d'importance et peut etre égale ou supérieure à la température ambiante. Le pH de la suspension est, de préférence, égal à celui des paillettes de soja, mais peut Etre modifié le cas échéant. La suspension bien mélangée est ensuite traitée dans un homogénéiseur ou dans un autre type de broyeur qui permet l'obtention d'une dispersion relativement fine des matières des graines de soja dans l'eau. Tous les homogénéiseurs classiques conviennent, par exemple ceux utilisés dans i'industrie laitière. Une pression d'homogénéisation de 100 à 700 bars et un jeu entre le rotor et le stator du broyeur de l'ordre de 0,25 mm au maximum conviennent. Les protéines sont libérées pratiquement instantanément lorsqu'après homogénéisation ou pulvérisation, la majorité des particules de graines de soja ont un diamètre au plus égal à 25 000 microns. Cette dimension avantageuse des particules est facile à obtenir selon les procédés connus, par réglage de l'homogénéiseur ou du broyeur. La dispersion fine obtenue à l'issue de l'homogénéisation est soumise à une séparation qui permet d'isoler les protélnes solubles et les oses,d'une part, et les matières insolubles, d'autre part. La séparation par centrification est avantageuse. Le sédiment ainsi isolé peut autre éliminé ou, éventuellement, de nouveau dispersé dans environ 1 à 1Q volumes d'eau,puis soumis à une autre centrifugat-ion analogue, afin que la récupération des-protéines solubles éventuellement retenues par le sédiment soit maximale Te sédiment obtenu à l'issue de la ou des étape(s) d'isolement peut comprendre une petite quantité de protéines et ainsi, du point de vue économique, convient à l'alimentation des animaux ou analogues. Le liquide obtenu lors de l'étape d'isolement est ensuite soumis au procédé connu sous les noms d'osmose inverse, d'ultrafiltration ou de séparation par une membrane. Le prin- cipe de ce procédé consiste à appliquer une pression destinée à faire passer l'eau, seule ou avec des molécules relativement petites de soluté,à travers une membrane semi-perméable. Cette pression provoque le passage de l'eau et des matières choisies d'une solution concentrée à une solution diluée. I1 existe différents types de membrane qui laissent passer certains solutés avec le solvant vers la matière diffusée, tandis que d'autres solutés sont retenus.Selon l'in Invention, la membrane choisie laisse passer rapidement les sels naturels habituels, les oses et les matières azotées dont les molécules ont une dimension relativement faible. Simultanément, la membrane doit pouvoir retenir les protéïnes dont les molécules ont une dimension importante et qui sont le produit final cherché. L'appareillage pour osmose inverse est disponible dans le commerce et fabrlqu par Dcrr-Oliver Gorporation et Havens "OSMOTIK" Corporation. Le choix de la membrane est habituel et déterminé par les considérations ci-dessus. Les membranes "XPA" et "APA" de Dorr-Oliver Corporation et la membrane 215 de Eavens conviennent. Selon l'invention, les matières homogénéisées du soja sont éventuellement lavées et/ou concentrées pendant l'osmose inverse, avec un débit égal à celui d'élimination des mstiè Les diffusées, le volume des satires retenues restant ainsi constant.- Ce lavage provoque le passage des matières dont les molécules ont une dimension relativement faible dans les matières diffusées et purifie les protélnes contenues dans les matières retenues. La concentration, pendant l'osmose inver- se, es-t obtenue par simple diminution du volume des matières retenues, les matières diffusées et l'eau passant des matiè es-retenues aux matières diffusées, sans admission d'eau. Le lavage des protéines retenues avec environ 0,5 à 4,0 volumes d'eau suffit généralement à l'obtention par séchage ultérieur da protéines isolées du soja qui ont une qualité élevée. La concentration est un procédé peu coüteux de puri fiction. En pratique, la concentration peut être ainsi multipliée par 3 ou davantage. Les matières retenues au cours de l'osmose inverse sont prélevées et séchées et donnent des protéïnes du soja d qualité lovée. Les matières retenues par la membrane au cours de l'osmose inverse ont un certain nombre de caractéristiques très importantes. Les matières retenues contiennent généralement un supplément de 3 à 14% de protéïnes du soja @ar rapport à celles isolées rU les procédés classiques de précipitation des protéïnes. Ce procédé, non seulement augmente le peurce tage de récupération des protéïnes, ce qui est important du point de vue économique, mais en outre améliore les qualités nutritives du produit, , car les protéines récupérées on-t une teneur élevée en acides aminés soufrés.Le procédé de l'invention est avantageux, car l'appareillage utilisé et son fonctionnement ainsi que l'ensemble de la préparation des protéines isolées du soja sont peu coûteux. Les exemples suivants illustrent l'invention. EXEMPLE 1 On prépare une suspension à 5% en poids/volume de paillettes "blanches" de graines de soja dans l'eau froide du rc- binet. Après mélange total des paillettes de soja et de lteau, on introduit la suspension en continu dans un homogénéisateur à pope du type "Tri-plex" et on homogénéise sous 207 bars. On partage ensuite la suspension de soja homogénéisée en liquide surnageant et en sédiment, par au moins une centrifu gation de la suspension dans une centrifugeuse classique. On élimine le sédiment et on multiplie par 4 la concentration du liquide surnageant, par osmose inverse avec une membrane "XPA" de Dorr-Oliver montée dans des modules de support d'osmose inverse Dorr-Oliver. Gn lave ensuite les matières retenues par 2 ou 3 volumes dteau, pendant l'osmose verse. On élimine les matières retenues de l'appareil d'osmose inverse et on sèche dans un atomiseur classique afin d'obtenir des protéines isolées du soja caractérisées par un pouvoir nutritif élevé, une solubilité élevée des protélnes (taux de solubilité de l'azote supérieur à 75 %) un goût excellent, une couleur claire (blanche ou tan clair), des propriétés excellentes de fixation de l'eau (la vis- cosité d'une solution à 2%, égale 12 cPo à 30 C), l'absence de dénaturation de la presque totalité (plus de 75) des protéines, une stabilité thermique améliorée (moins de 20% des protéines sont dénatures à 99 C, an 5 minutes), des propriétés améliorées d'émulsion des graisses (plus de 200 cm3 d'huile de soja émulsionnés par gramme de matière isolée), des caractéristiques réglables de gélification thermique. Cette dernière propriété est un trait caractéristique des protéines isolées du soja, dont l'importance est considérable. Les protéines du soja isolées par les procédés de pré- cipitation de la technique -antérieure forment gènéralement des gels en solution aqueuse à 7%, à 650 C et en environ 10 à 15 minutes. Cependant, les protéines du soja isolées par le procédé de l'invention ne forment pas de gels dans ces conditions, même en un temps très supérieur. La gélification thermique des protéines du soja isolées selon le procordé de l'invention nécessite l'absorption de calcium.Normalement, la gélification thermique dans les conditions données ci-dessus nécessite l'addition d environ 0,2 mg de calcium soluble par gramme de protéines du soja isolées selon le procédé de l'in Invention En général, l'addition d'environ 0,3 mg de calcium soluble par gramme de protéines provooue la gélification d'une solution aqueuse à 7% des protéines du soja isolées selon l'invention, à la température ambiante (250 C) et en 30 minutes. Cette propriété est très intéressante lorsque les protéines isolées sont utilisées dans l'industrie alimentaire, par exemple dans la préparation de viandes dans lesquelles la fixation de calcium et la gélification thermique sont avantageuses.D'autres cations divalents, par exemple ceux de magnésium et de manganèse et des cations monovalents, par exemple ceux de sodium et de potassium n'ont pas,ou pratiquement pas,d'effet sur la gélification thermique des matières isolées. Les protéines isolées selon le procédé de l'invention sont en outre caractérisées par une composition caractéristique en acIdes aminés, composition particulièrement avantageuse du point de vue de la nutrition. Le tableau suivant donne la composItion en acides aminés aes protéines du soja isolées selon le procédé de l'invention et celle des protéines du soja isolées selon les procédés de précipitation de la technique antérieure. TABLEAU I COMPOSITION EN ACIDES AMINES DES PROTEINES DU SOJA Grammes d'acide aminé Acide aminé par 16 grammes d'azote Protéines du soja Protélnes du soja isolées selon le isolées selon la procédé de technique l'invention antérieure Alanine 3,9 3,9 Arginine 6,4 7,8 Acide aspartique 11,2 11,9 Cystine 1,3 1,2 Acide glutamique 18,4- 20,5 Glycine 4,5 4,0 Histidine 2,5 2,5 Isoleucine 5,2 4,9 Leucine 8,0 7,7 Lysine 6,6 6,0 Méthionine 1,4 1,1 Phénylalanine 5,5 5,4 Proline 5,2 5,3 Sérine 5,8 5,5 Thréonine 3,8 5,7 Tryptophane 1,3 1,3 Tyrosine 4,3 1,7 Valine 5,5 4,8 EXEMPLE 2@ à 3 T en poids/volume On prépare une suspension/de paillettes de graines de soja, dégraissées et non chauffées, par mélange intime des paillettes de soja et de l'eau, à 650 C. Cette suspension alimente en continu un broyeur dont le rotor et le stator sont espacés de 0,25 mm. On introduit la suspension obtenue dans un ensemble de cyclones de traitement des liquides afin d'isoler les matières solubles des matières insolubles. On multiplie ensuite par 4 la concentration du liquide qui contient les protéines du soja et on lave avec 4 volumes d'eau, pendant l'osmose inverse. On élimine les matières retenues du dispositif d'osmose inverse et on sèche. Les protéïnes du soja ainsi isolées ont des caractéristiques analogues à celles obtenues dans l'exemple 1. EXEMPLE 3 Deux expériences isolées donnent une preuve supplémentaires de l'amélioration de la récupération des protéïnes par application du procédé d'osmose inverse. Au cours de ces deux expériences, on homogénéise une suspension de paillettes de graines de soja, décortiquées, dégraissées et brutes, à 173 et 36 bars respectivement, dans le premier et le second étages d'un homogénéiseur "Manton-Gaulin". On agite vigoureusement la suspension, on en prélève des échantillons qu'on analyse avec soin, et on détermine la teneur an protéines et en solides totaux. On centrifuge ensuite la suspension à 1 000 g pendant 10 minutes afin d'éliminer les matières insolubles et de les isoler des matières solubles de la suspension de graines de soja.On pèse les 2 parties, et on analyse afin de déterminer la teneur en protéïnes et en solides totaux. Le liquide surnageant obtenu a l'issue de la centrifugation contient les matières solubles du soja. Dans les deux cas, on partage ce liquide surnageant en deux parties sensl blasent égales qu'on pèse. On soumet une des parties à l'osmose inverse et l'autre à une précipitation par l'acide. On ajuste à 4,5 le pH de la partie soumise à la préci pltation par l'acide, par addition d'une solution aqueuse d'acide chlorhydrique. On centrifuge ensuite la suspension acidifiée afin d'obtenir les protéines, d'-e part,et le sur- nageant acide, d'autre part. On ajuste ensuite le pH des pro télnes à 6,8 pour les sécher. On effectue des pesées et on prélève des échantillons de chaque partie d'effluent et au cours de cheque étape du procédé. On prépare les ma@ières isolées du soja par osmose inverse. Au cours de la première expérience, on pasteurise le liquide sur@ageant obtenu par centrifugation, à 60-65 C pendant 50 minutes. On soumet ensuite ce liquide surnageant pasteurisé à l'osmose inverse dans un appareil approprié de Dorr-Oliver (du type de laboratoi@e) à 20-25 C et avec des membranes "APA" et "XPA". On multiplie par 4 la concentration des matières retenues du soja (antérieurement le surrageant) puis on les lave avec 1,4 volume d'eau Acide du robinet et enfin, on les seche.Dans la première des deux expéricnces, on récupère par osmose inverse 95,3 des protéines solubles du soja. Les préparations de protéines du soda isolées par pre- cipitation (procédé de la technique antérieure) ne p-ermettent de récupérer que 82,2% des protéines du liquide surnageant. Le procédé de l'invention améliore dcc le rendement de 13%. Dans la seconde des deux expériences, on récupère, par osmose inverse, 94,7 des protéines solubles du soga isolées selon le procédé de l'irvention et 83% des protéines solubles du soja isolées selon le procédé de la technique antérieure. Le rendement est donc amélioré d'environ 12%. Les protéines supplémentaires recueillies par osmose inverse, selon l'invention sont des protéines solubles en milieu acide, dont le pouvoir nutritif est plus impor-tant que celui des protéines récupérées par les procédés de 1 techni- que antérieure. EXEMPLE 4 On prépare une suspension à 10% en poids/volume de paillettes de graines de soja dégraissées, décortiquées et non-chauffées dans l'eau, par mélange intime des paillettes et d'eau froide du robinet. On homogénéise en continu la suspension, sous 345 bars. On partage ensuite la suspension homogénélsée en liquide surnageant et en sédiment par au moins une centrifugation. On chauffe ensuite légèrement le liquide surnageant pour inactiver tout le facteur anti-trypsine éven- tuellement présent. On refroidit rapidement le liquide surnageant à la température ambiante et on le lave au cours ue osmose Inverse; la membrane utilisée est une membrane N 215 de Havens et l'appareil est du type tubulaire, de Havens.On lave les matières retenues avec trois volumes d'eau et on obtient des matières qui peuvent autre soit se chées, soit concentrées ultérieurement par d'autres dispositifs, avant séchage. On prélève les matières retenses dans l'appareil d'osmose inverse et on les sèche. On obtient des protéïnes isolées du soja dont les caractéristiques sont analogues à celles décrites dans l'exemple 1. EXEMPLE 5 On prépare une suspension à 5% an poids/volume de paillettes de soja, dégraissées, décortiquées et non-chauffées, par mélange intime des paillettes et d'eau du robinet à 400 C. On homogénéise en continu la suspension sous 207 bars. Cette suspension contient toutes les protéines des paillettes. On centrifuge ensuite la suspension homogénéisée à environ 1 000 g pendant 10 minutes, et on isole les matières solubles des matières insolubles solides des graines de soja. La partie soluble contient 80% des protéines d'origine du soja. On concentre la partie soluble jusqu'à ce qu'elle ait une teneur en protélnes de 8% environ et on la lave avec 1,5 volume d'eau, par osmose inverse à l'aide d'une membrane "XPA" de Dorr-Oliver. Les matières retenues par osmose inverse, après séchage, contiennent environ 94% des protéines solubles d'origine.Par contre, on ne récupère que zou (dans des conditions idéales de laboratoire) des protéines solubles d'origine obtenues par précipitation à l'acide selon le procédé de la technique antérieure. La différence entre les rendements (140 , n'est qu'en partie (9ss) due à la perte par précipitation à l'acide des protéines. EXEMPLE 6 Un procédé caractéristique de la technique antérieure destiné à l'obtention des protéines du soja par précipitation à l'acide comprend les étapes suivantes : on extrait pendant 4 heures un mélange de 95 parties d'eau, de 5 parties de paillettes de graines de soja, dégraissées et d'hydroxyde de sodium à pH 8,0, on centrifuge et on obtient, d'une part, des paillettes résiduelles, d'autre part, un extrait qui contient les protéines, on acidifie ce dernier par l'acide chlorhydrique jusqu'à ce que le pH soit égal à 4,6, les protéines du soja précipitent, on centrifuge et on isole,d'une part; un surnageant acide, d'autre part, un précipité de ovotéines du soja qu'on agite vigoureusement avec 1-5 volumes d'eau (lavage), puis on centrifuge afin d'isoler, d'une part l'eau de lavage, d'autre part un précipité de protéines du soja auquel on ajoute de l'hydroxyde de sodium jusqu'à ce que le pH soit égal à 7,0 + 0,-3, puis on sèche par atomisation et on ensache. On compare, dans le tableau suivant, les propriétés des protéines du soja obtenues par le procédé de l'invention et de celles obtenues par le procédé de la technique antérieure décrit précédemment dans cet exemple. Protéines du soja Protéïnes du soja obtenues selon obtenues selon Propriétés le procédé de le procédé l'invention de la technique antérieure Solubilité de la protéine 75-100% 20-60 Goût Excellent, très Goût de fève, légèrement sec, astringent astringent Couleur Blanc à tan clair Blanc à tan clair, et parfois une lé gère coloration verdâtre Pourcentage de protéïnes dénaturées 0-25% 40-80% Stabilité thermique ( de protélnes dénaturées à 100# C en 5 minutes) 0-20 40-60 Pouvoir d'émulsion des graisses (en ml dthuile/g de protéines) 200-300 90-130 Viscosité d'une solution à 2% (en cPo à 30 C) 12,0 9,5 Gélification (concentration la plus faible à laquelle la gélification Pas de 7% a Eu lieu à 650 C) gélification Le procédé de l'invention présente de nombreux avantages parmi lesquels : a) les protéines ae soja obtenues comprennent des protéïnes insolubles à Ph 4,5 et des protéines solubles à pli 4,5; b) le rendement en protéines du soja est amélioré; c) les protéines récupérées ne sont pratiquement pas dénaturées. d) les protéines obtenues ont des propriétés particulièrement bonnes de goût, de solubilité à l'eau, de nutrition, de capacité d'émulsion des graisses, de réglage de la gélification thermique et de capacité de fixation d'eau; e) les protéines obtenues peuvent autre extraites du soja rapidement, la vitesse dc production étant améliorée; f) la récupération des protéines habituellement perdues dans les déchets est avantageuse du point de vue économique, et diminue les problèmes de pollution associés à l'élimination de 1 fraction liquide. g) les protéines produites ont une composition amélio- rée en acides minés; h) le procédé ne met pas en oeuvre de c-olloosé chimique fort. Comme le montre la description précédente, la mise en suspension de graines de soja dégraissées, dans l'eau, est obtenue par homogénéisation mécanique. L'eau utilisée est pratiquement exempte de chlorure de sodium, car l'extraction par une solution saline ne donne pas de protéines du soja avec un rendement cu des propriétés comparables à ceux obtenus selon le procédé de l'invention.La différence de rendement et de propriétés des protéïnes du soja obtenues par homogénéisation mécanique, et de celles obtenues par extraction saline est évidente dans l'expérience suivante et d'après les résultats obtenus on alite une partie de paillettes de graines de soja dégraissées et 10 parties d'une solution saline à 10%, on centrifuge et on partage en une fraction contenant les protéïnes et une fraction résiduelle. On lyophylise ensuite les échan@illons. Dans le cas d'homogénéisation mécanique, on mélange une partie des paillettes de graines de soja à 10 parties d'eau, et on homogénéise. On centrifuge ensuite, et on partage en deux fractions, puis on lyophylise de façon analogue. Le tableau II donne les résultats des deux procédés. On soumet une partie de chaque protéïne obtenue à une dialyse, de sorte qu'elles sont dans le mC-me milieu ionique, puis on soumet l'extraction ayant subi une dialyse ou non, à des essais de gélification et d'émulsion des huiles. Dans l'essai de gélification, on chauffe une solution à 7% de protéïnes, pendant 20 minutes, à 100 C.Le tableau III donne les résultats, Une dialyse aurait la rigidité du gel dans les deux fractions.Les protéines préparées par homogénéisation mécanique, qu'elles aient subi une dialyse ou non, donnent un gel plus résistant que les protélnes extraites par une solution saline. I1 faut remarquer que les résultats de la gé gélification donnés dans l'exemple 1, étaient obtenus à 650 C, tandis que les résultats de cette expérience sort obtenus à 1000 C. Ces températures utilisées sont nécessaires pour mettre en évidence la différence entre les fractions essayées. Dans le cas de l'exemple 1, si l'expérience avait été mise en oeuvre à 1000 C, les deux fractions auraient donné un gel et la différence réelle entre ces deux fractions aurait été masquée. De même, si dans cet essai, la température était de 650 , aucune des fractions n' aurait donné de gel et de nouveau, la différence réelle entre les fractions aurait été masquée. Le tableau IV donne les résultats de l'essai d'émulsion de l'huile. Comme dans le cas de l'essai de gélification, la dialyse améliore les qualités des deux fractions, et les fractions soumlses ou non à une dialyse, préparées par homogénéisation, émulsionnent davantage d'huile que celles préparées par extraction par une solution saline. TABLEAU Il Résultats de l'Essai d'Extraction des paillettes de SoSa Procédé Fraction Rendement en Pureté de la d'extraction Protéïnes, % Protéïne, % Essai Essai 1 2 2 1 2 Solution saline Produit 55 60 61 24 25 26 Résidu 45 40 39 33 30 31 homogénéisation Produit 74 75 72 65 63 65 Résidu 26 25 28 37 36 40 TABLEAU III Résultats de l'Essai de Gélification Extraction traitement Résultats Solution saline néant Pas de formation de gel (écoulement lors du retournement) Homogénéisation néant Gel de qualité moyen- - ne (qui perd lente ment sa forme par retournement) Solution saline Dialyse Gel de qualité médio cre (qui s'écoule par retournement Homogénéisation Dialyse Gel résistant (qui ne change pas de forme par retournement) TABLEAU IV Résultats de l'Essai d'Emulsion des Huiles Extraction Traitement M1 d'huile émulsionné par ~~~~~~~~~~ par g de Protéïne Solution saline néant 244 Homogénéisation néant 3 5 Solution saline Dialyse 303 Homogénéisation Dialyse @ 361 I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent autre apportées au procédé décrit sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction des protéines des graines du soja, caractérisé en ce qu'il comprend la préparation d'une dispersion aqueuse relativement homogène de particules de graines de soja dégraissées, l'isolement des matières insolubles du liquide, et le traitement du liquide par osmose inverse, les protéines du soja étant contenues dans les matières retenues. 2. Procédé d'extraction des protélnes des graines du soja, caractérisé en ce qu'il comprend l'homogénéisation mécanique d'une dispersion aqueuse relativement homogène de particules de graines de soja dégraissées, l'eau de la suspension ne contenant pratiquement pas de chlorure de sodium, puis l'isolement des matières insolubles du liquide, et le traitement de celui-ci par osmose inverse, les protéines du soja étant contenues dans les matières retenues. 3. Protélnes du soja obtenues dans les matières retenues par traitement d'une dispersion aqueuse de particules d graines de soja dégraissées dont les matières insolubles ont été éliminées par osmose inverse à l'aide d'une membrane semi-perméable, cette protéine du soja étant caractérisée par une solubilité dans l'eau au moins égale à 75 en poids, un pourcentage de dénaturation de la protéine inférieur à 25 environ, un pouvoir d'émulsion de l'huile de soja au moins égal à 200 cm3 d'huile par gramme de protélne, une viscosité en solution aqueuse à 2% en poids et à 300 C, d'environ 12,0 cPo et l'incapacité d'une solution aqueuse à 7% en poids à donner un gel lorsqu'elle est maintenue à 650 C pendant au moins 15 minutes.