Способ получения белковых гидролизатов
METHOD OF PRODUCING PROTEIN HYDROLYSATES

Изобретение относится к пищевой, микробиологической, кормовой промышленности и направлено на получение гидролизатов белковой и углеводной природы, а также фракции клетчатки из растительного сырья методом ферментативного гидролиза.
Уровень техники.
Гидролиз биополимеров является фундаментальным и распространенным явлением в природе. Посредством гидролиза обеспечивается деструкция и разрушение тканей организмов, что способствует освобождению структурных элементов для новых актов созидания и синтеза новых молекул биополимеров.
В настоящее время гидролизованные белки широко используются в индустрии массового питания, медицине, ветеринарии и микробиологической промышленности. Их применяют также в качестве биологически-активных пищевых добавок и специальных пищевых и кормовых ингредиентов. Они также высоко ценятся в детской диетологии и в рационах животных, в первую очередь, в качестве компонентов стартерных кормов молодняка животных, как основы питательных сред для культивирования клеток тканей и бактерий, в качестве незаменимого компонента питательных сред для выращивания микроорганизмов и их защитных сред при последующем их высушивании. В настоящее время наиболее предпочтительным для пищевых целей является ферментативный гидролиз. Использование гидролиза биополимеров увеличивает сырьевые возможности производителей, позволяя, в том числе, использовать отходы различных производств.
Материалом для гидролиза могут служить любые биополимеры белковой либо полисахаридной природы, будь они животного, растительного или микробного происхождения. При этом исходное сырье и тип используемого ферментного препарата оказывает влияние на состав получаемого гидролизата и, соответственно, дальнейшее его применение.
В качестве источника белка наиболее широко используются бобовые, масличные и злаковые культуры, картофель, батат, томаты, капуста, морковь и другие виды. Бобовые отличаются наиболее высоким содержанием белков. Так, например, в чечевице их 21-36%, в горохе- 20-36%, в люпине - 31-33%. Но наиболее богата белками соя, содержащая их 30-50%. Наряду с основными глобулиновыми белками, она также содержит значительную долю водорастворимых альбуминов, углеводов, жиров, минеральных солей и микроэлементов. Она нашла наибольшее применение при получении белковых гидролизатов пищевого и кормового назначения. Биологическая ценность получаемых гидролизатов также считается наивысшей для белков сои по сравнению с другими растительными материалами.
В зерне злаковых основную массу составляют углеводы (крахмал от 35 до 85%), 12-13% - белок, клетчатка и не столь значительное содержание жиров.
В уровне техники описано множество способов получения гидролизатов белковой и углеводной природы.
В публикации WO 2002069732 описывается способ получения белкового гидролизата из соевой муки, заключающийся в приготовлении суспензии с содержанием сухого вещества 6-12%, гидролизе суспензии грибной протеазой до степени гидролиза 20-40% и последующем гидролизе папаином до степени гидролиза 30-45%. Общая продолжительность гидролиза составляет 2,5-4 часа. Полученный гидролизат отделяют и высушивают до содержания влаги 9,4%, продукт содержит 65-68% сырого протеина.
В патенте US 6896917 В1 24.05.2005 предложен способ получения гидролизата белка из соевой муки, включающий гидролиз водной суспензии соевой муки, содержащей 6-30% сухих веществ, протеолитическим ферментом растительного происхождения в течение 3-4 часов, инактивацию фермента, нейтрализацию уровня рН, центрифугирование и сушку полученного продукта. Степень гидролиза при этом 30-35%.
Из уровня техники известна также возможность предобработки белкового сырья для получения концентрированных белковых продуктов. Так, например, в публикации "Preparation of soy protein Concentrate and isolate from extruded-expelled Soybean Meals", by H. Wang, L, Al Johnson and T. Wang in "Journal of the American Oil Chemists Society, 2004, 81 (7), 713-717" описан один из подходов модификации способа получения концентрированных белковых продуктов. Для получения концентрированных белковых продуктов соевую муку и белый лепесток с влажностью 10-12% предварительно обрабатывали на экструдере-экспеллере в течение 15-30 сек при температуре 135-140°С, давлении 20-50 атм. Последующую экстракцию проводили стандартным способом.
Для получения гидролизатов углеводной природы используют ферментные препараты, обладающие активностью в отношении полисахаридов растений. В патенте US 3640723 предложен способ получения соевого продукта, полученного гидролизом суспензии соевого сырья пектиназой и целлюлазой в течение 5 часов. Полученный продукт содержит 22% сахаров (в исходном материале - 0,77%). 25 частей гидролизата смешиваются с 75 частями порошкового молока, получается корм для животных.
Патенты US 4483874, 4376127, 4216235, 3632346 описывают различные варианты ферментативной обработки олигосахаров, вызывающих газообразование (стахиоза, раффиноза, сахароза) до перевариваемых моно- и дисахаридов. Патент US 4485874 описывает приготовление заменителя молока из растительного белка и углеводных источников с использованием фермента, имеющего множественные карбогидразные активности.
В патенте US 5100679 предложен способ обработки суспензии растительного источника белка и углеводов, содержащей 21% сухих веществ, агентом, уменьшающим вязкость. Предобработанный субстрат затем обрабатывается альфа-галактозидазой (в смеси с карбогидразой и протеазой или отдельно). Карбогидраза - мультиэнзимный комплекс, разрушающий некрахмальные полисахариды (Viscozyme).
Патент US 5508172 относится к ферментативно модифицированной соевой клетчатке с улучшенными функциональными характеристиками, модификация проводится смесью целлюлазы и карбогидразы. Патент WO 2009048917 А2 описывает способ увеличения содержания глюкозы и других углеводов, получаемых при гидролизе низкокрахмальной или некрахмальной клетчатки в присутствии протеазы, целлюлазы и гемицеллюлазы. Гидролиз ведут в системах с содержанием сухих веществ 5-10%.
Для получения белково-углеводных растворов применяют смеси ферментных препаратов, обладающих как протеолитической, так и целлюлазной или амилазной активностями. Так, в патенте US 6451359 В1 предложен способ получения растворимых (не образовывающих коллоидных масс) фракций белков и углеводов путем последовательного гидролиза белков и углеводов (с помощью целлюлазы).
В описанных примерах можно выделить существенный недостаток. Мука, полученная из растительного сырья и богатая пищевой клетчаткой и крахмалом, формирует очень вязкие суспензии, что приводит к необходимости работать с разбавленными суспензиями, обычно до 15%. При большем содержании сухих веществ (20 и более) необходимо специальное оборудование, либо, как описано выше в патенте US 5100679, необходима предварительная обработка сырья агентами, уменьшающими вязкость суспензии, что усложняет и удорожает процесс и увеличивает его длительность.
Таким образом, существует потребность оптимизации способов получения гидролизатов с целью улучшения степени гидролиза и увеличения выхода белковых или углеводных соединений в жидкую фазу (гидролизат).
Задачей изобретения является разработка способа обработки белкового сырья, используемого для получения гидролизатов, который будет обеспечивать получение гидролизатов с заданной степенью гидролиза и свойствами (желаемым содержанием протеина или углеводов).
Задача решается путем предоставления способа обработки муки из зерновых, бобовых и масличных культур или их смеси для экстракции и ферментативной обработки при получении гидролизатов, включающего 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. Согласно нашему способу, экстракция компонентов ведется из предварительно баротермически обработанного сырья с развитой площадью поверхности, что облегчает доступ фермента к сайтам атаки. В описываемом нами процессе начальная концентрация субстрата при проведении ферментативного гидролиза может достигать 25-30%, что приводит к образованию более концентрированных продуктов белковой и углеводной природы и удешевляет процесс их сушки.
Сущность изобретения.
Неожиданно заявителем было обнаружено, что измельчение муки до определенного размера оказывает существенное влияние на процесс гидролиза и позволяет сократить время гидролиза и количество фермента при получении конечного продукта с высоким содержанием протеина или высокой степенью экстракции углеводов.
Изобретение представляет собой способ обработки муки из зерновых, бобовых и масличных культур или их смеси для ферментативной обработки при получении белковых гидролизатов, включающий 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.
Последующую экстракцию и ферментативную обработку проводят любым стандартным способом.
При этом способ получения гидролизата из растительного сырья может включать в одном из вариантов выполнения:
- ферментативную обработку муки, полученной из растительного сырья стандартными методами, перед проведением гидролиза обработанную указанным способом, протеолитическими ферментами с получением белкового гидролизата и негидролизованного остатка, обогащенного растительными полисахаридами, включая пищевую клетчатку;
- ферментативную обработку муки, полученной из растительного сырья стандартными методами, перед проведением гидролиза обработанную указанным способом, ферментами, обладающими целлюлазными, ксиланазными, пектиназными и амилазными активностями с получением углеводного гидролизата и негидролизованного остатка, обогащенного растительным протеином;
- получение концентратов белка традиционными методами из предварительно обработанной муки с дальнейшей обработкой концентрата протеолитическими препаратами с получением гидролизатов с высоким содержанием сырого протеина. Таким образом, в ходе реализации указанного способа может быть получен ряд продуктов:
1) Растворимая фаза после ферментативного гидролиза: в зависимости от ферментного препарата, может являться белковым гидролизатом при использовании протеолитических ферментов или раствором сахаров при использовании целлюлазно-ксиланазного комплекса. В зависимости от продолжительности гидролиза молекулярные массы белков в гидролизате варьируют от 60-70 кДа до низкомолекулярных пептидов.
2) Негидролизованный осадок: в зависимости от использованного ферментного препарата может быть фракцией растительных полисахаридов, включая пищевую клетчатку (при обработке протеолитическими ферментами), или обогащенным белком продуктом (при обработке целлюлазно-ксиланазным комплексом)
3) При малом времени гидролиза в концентрированных системах без последующего разделения фракций гидролизата и твердого остатка получается вязкий продукт с высокими гелеобразующими свойствами за счет образования комплексов между частично прогидролизованным белком и растительными полисахаридами
Измельчение до размера частиц хотя бы в одном измерении менее 50 микрон, при условии, что не менее 50% этих частиц имеет размер менее 25 микрон, может быть осуществлено с использованием баротермических методов.
Осуществление изобретения согласно предложенному варианту позволяет уменьшить дозировку ферментного препарата в среднем в 1,6 раза, увеличить выход белка в гидролизат в среднем на 10%, уменьшить массу негидролизованного осадка в среднем на 7%, что подтверждается изложенными ниже примерами.
Подробное описание изобретения.
Исходное сырье, представляющее собой муку зерновых, бобовых, масличных культур с объемной плотностью 500-600 г/литр, 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/литр (в измельченном до размеров частиц муки виде, полученный продукт имеет объемную плотность от 500 до 700 г/литр).
Мука, полученная из растительного сырья, или концентрат белка, полученный на основе растительной муки, подвергают действию ферментных препаратов протеолитической группы или комплексом целлюлаз, ксиланаз, пектиназ и амилаз. Концентрация субстрата в системе составляет 100-300 г/л, соотношение фермент : субстрат 0,3-2,0% по массе, температура процесса 40-65°С, рН системы 6,0-10,0, продолжительность процесса от 2 мин до 24 часов. В зависимости от использованных ферментных препаратов получают различные конечные продукты, указанные выше.
При использовании протеолитических ферментов (щелочные бактериальные протеазы, например, Protex 6L) при длительных временах воздействия более 6 часов получают низковязкую суспензию. Ее разделение, например, на центрифуге при 3000 g в течение 10-15 мин позволяет получить водный раствор белкового гидролизата и осадок соевой клетчатки. Для очистки растительных полисахаридов от неотделившихся белковых компонентов осадок промывают дистиллированной водой (0,5-1,5 объема от взятой для проведения ферментативного гидролиза). Их высушивание приводит к получению сухого гидролизата белка и фракции растительных полисахаридов, в зависимости от типа исходного сырья,  представляющих собой крахмал, пищевую клетчатку, пектины.
Использование той же группы ферментов при коротких временах воздействия (менее 30 мин) приводит к образованию вязкой суспензии, представляющей собой комплекс функционального растворимого белкового концентрата с растительными полисахаридами.
При ферментативной обработке растительной муки или концентратов растительного белка целлюлозно-ксиланазным комплексом получают фракцию растворимых низкомолекулярных углеводов (моносахариды, дисахариды, трисахариды) и концентрат, содержащий увеличенное количество белка по сравнению с исходным субстратом.
При последующей ферментативной обработке полученного концентрата ферментным комплексом протеолитических ферментов в сочетании с целлюлазами и ксиланазами получают жидкий белковый-углеводный комплексный концентрат.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Соевую муку с содержанием сухих веществ 92% и сырого протеина 52% в расчете на сухие вещества разбавляют водой до концентрации твердых веществ в суспензии 200 г/л, с помощью пищевой соды доводят рН системы до 9,5, добавляют бактериальную щелочную протеазу, проводят ферментативный гидролиз в течение времени, достаточного для перевода белковых веществ в растворенную фазу при температуре 60°С. После окончания гидролиза водную фазу отделяют от остатка центрифугированием, остаток промывают дистиллированной водой в количестве  от объема воды, взятой для проведения гидролиза. Промывную воду отделяют центрифугированием и объединяют с гидролизатом, полученным на первой стадии отделения. Гидролизат и твердый остаток сушат распылительным способом.
Для получения предобработанной муки исходное сырье, представляющее собой соевую муку с объемной плотностью 500-600 г/литр, 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/литр (в измельченном до размеров частиц муки виде, полученный продукт имеет объемную плотность от 500 до 700 г/литр). Далее используют полученный продукт для проведения ферментативного гидролиза стандартными способами.
Дозировка фермента и продолжительность процесса указана в таблице 1 ниже. Выход белка также указан в нижеприведенной таблице.
Пример 2. Послеспиртовой концентрат, полученный из соевой муки, с содержанием сухих веществ 93% и сырого протеина 72% в расчете на сухие вещества разбавляют водой до концентрации твердых веществ в суспензии 200 г/л, с помощью пищевой соды доводят рН системы до 9,5, добавляют бактериальную щелочную протеазу, проводят ферментативный гидролиз в течение времени, достаточного для перевода белковых веществ в растворенную фазу при температуре 60°С. После окончания гидролиза водную фазу отделяют от остатка центрифугированием, остаток промывают дистиллированной водой в количестве  от объема воды, взятой для проведения гидролиза. Промывную воду отделяют центрифугированием и объединяют с гидролизатом, полученным на первой стадии отделения. Гидролизат и твердый остаток сушат распылительным способом.
Предобработанную муку готовят указанным выше способом. Дозировка фермента и продолжительность процесса указана в таблице 2 ниже. Выход белка также указан в нижеприведенной таблице 2.
Примеры 3-25
Таким образом, при проведении ферментативного гидролиза экструдированной муки и концентрата белка, полученного из экструдированной муки, измельченной до размера частиц хотя бы в одном измерении менее 50 микрон, при условии, что не менее 50% этих частиц имеет размер менее 25 микрон, дозировка ферментного препарата в среднем в 1,5 раза ниже, продолжительность процесса сокращается на 30-50%, выход белка в гидролизат на 10-20% выше, масса негидролизованного осадка меньше на 7-12%, что суммарно приводит к увеличению эффективности ферментативного гидролиза на 20-40%.