СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРКАЛЬЦИЕВОГО КАЗЕИНА
METHOD OF PRODUCTION OF CASEIN CALCIUM CHLORIDE

Изобретение относится к способам получения белков осаждением, в частности к способам получения хлоркальциевого казеина, и может быть использовано в микробиологических исследованиях для получения компонентов сред хранения культур микроорганизмов, а также получения кальциевых копреципитатов для пищевой промышленности.
Хлоркальциевый (или кальциевый) казеин представляет собой водонерастворимую форму казеина, у которого свободные гидроксильные группы аминокислотных остатков серинфосфата связаны через ионы кальция.
Известен способ кислотного осаждения казеина из молока, включающий его кислотную коагуляцию, удаление жидкой фазы, промывание и высушивание осадка [Горбатов К.К. Биохимия молока и молочных продуктов, с.79, 131, 225, 3-е изд., СПб, 2004]. Для кислотной коагуляции и осаждения казеина из жидкой фазы сначала различными способами снижают pH молока до кислых значений: путем добавления молочной кислоты, образующейся в результате молочнокислого процесса под действием закваски; кислой сыворотки (зерненный способ); добавления молочной; соляной или серной кислот. Затем жидкую фазу сливают, осажденный казеин-сырец промывают не менее 3-х раз водой для удаления примесей кислоты, золы, молочного сахара, освобождают от избытка влаги путем прессования или центрифугирования, затем измельчают до зерна размером 3-5 мм в казеинодробилке, волчке или на специальной терке. Измельченный препарат казеина сушат на специальных сушилках периодического или непрерывного действия до остаточной влажности не более 12%. Недостатком данного способа является низкое содержание в конечном продукте хлоркальциевого казеина. Содержание кальция в казеине, полученном данным способом, не превышает 1%.
Общим с заявляемым способом являются следующие этапы:
осаждение казеина из жидкой фазы,
декантация жидкой фазы,
промывание и высушивание осадка.
Основной причиной, не позволяющей в рамках данного способа повысить содержание хлоркальциевого казеина в конечном продукте, является то, что осаждение казеина из жидкой фазы проводится в кислой среде, в результате чего кальций и его соли вымываются из казеина и остаются в жидкой фазе после осаждения коагулята казеина. Объясняется это двумя причинами: 1) казеин в молоке существует в виде казеинаткальцийфосфатного комплекса (ККФК). Получаемый кислотным осаждением казеин (в том числе казеин технический) обеднен кальцием, поскольку в кислых условиях от ККФК отщепляется фосфат кальция и часть органического кальция. В результате этого ККФК разрушается и освобождается казеин, содержащий незначительное количество кальция, который в изоэлектрической точке (pH 4,5-4,6) коагулирует. Фосфат кальция и органический кальций после осаждения коагулята остаются в жидкой фазе;
2) повышение кислотности среды сопровождается превращением коллоидного фосфата кальция в более растворимые соли, которые легко переходят в сыворотку и вымываются водой.
Кроме того, способ кислотного осаждения казеина из молока дает трудно воспроизводимые результаты из-за различного качества исходного сырья.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ термокальциевой коагуляции, состоящий во введении в обезжиренное молоко хлористого кальция в количестве 1,0-1,5 г на 1 л молока и нагревании молока до температуры 95-97°C, в результате чего происходит коагуляция и осаждение казеина с высоким содержанием ионов кальция [ОСТ 49108-76].
Общими с заявляемым способом являются следующие этапы:
добавления к казеинсодержащему сырью хлористого кальция,
коагуляция хлоркальциевого казеина,
его осаждение из жидкой фазы,
декантация жидкой фазы,
промывание, высушивание и измельчение осадка.
Получаемый таким образом продукт представляет собой белок молочный пищевой с содержанием влаги не выше 75%, который в виде однородной упругой без грубых комочков массы выпускается как: белок молочный пищевой свежий, белок молочный консервированный соленый, белок молочный пищевой консервированный замороженный соленый, белок молочный пищевой консервированный замороженный несоленый.
Недостатки данного способа следующие:
получаемый продукт не пригоден для длительного хранения при температуре 2-8°C и подлежит использованию в течение 5 суток. Замороженный продукт хранится не более 6 мес при температуре -18°C;
невозможность получения очищенного хлоркальциевого казеина;
сложность воспроизведения способа.
Эти недостатки ближайшего аналога вызваны тем, что при выполнении этапа осаждения казеина из жидкой фазы путем термокальциевой коагуляции, происходит химическое взаимодействие ионов кальция со свободными гидроксильными группами серинфосфата молекулы казеина с образованием казеината кальция. Однако образование кальциевых мостиков между молекулами казеина приводит к высвобождению катионов водорода и трудно контролируемому подкислению молока с pH 6,5 до pH 5,0, что способствует снижению устойчивости коллоидных частиц казеина и к их агрегации. При насыщении казеинаткальциевого комплекса хлористым кальцием резко снижается его термоустойчивость, и нагревание до температуры 95-97°C приводит к полной коагуляции казеина, однако одновременно с казеином осаждаются и термолабильные сывороточные белки (их наличие в конечном продукте ограничивает срок годности). Сложность воспроизведения данного способа также зависит от используемого для получения хлоркальциевого казеина скоропортящегося сырья. Качество молока зависит от множества постоянно меняющихся факторов (различия в породах коров, в сезонных рационах их кормления и др.), и требует обезжиривания до 0,05%.
Задачей изобретения является упрощение способа получения хлоркальциевого казеина. Данный технический результат достигается благодаря тому, что в способе получения хлоркальциевого казеина, включающего добавление к казеинсодержащему сырью хлористого кальция, коагуляцию хлоркальциевого казеина, его осаждение из жидкой фазы, декантацию жидкой фазы, промывание и высушивание осадка, предусмотрены следующие отличия:
в качестве исходного сырья используется казеин технический (ГОСТ 17626-81), его растворяют не в кислой (прототип), а в слабощелочной среде, содержащей 0,10-0,13% (вес/объем) натрия гидроксида.
Растворение происходит при постоянном перемешивании на кипящей водяной бане в течение 40-60 мин;
образование мелкодисперсной суспензии хлоркальциевого казеина происходит в результате добавления к щелочному раствору технического казеина хлористого кальция до конечной концентрации 2,4-3,7 г /л;
коагуляция хлоркальциевого казеина из жидкой фазы осуществляется после охлаждения смеси до температуры 30-40°C и подкисления pH смеси до 6,9-7,3 раствором 5%-ной соляной кислоты, затем смесь вновь нагревают на кипящей водяной бане до формирования хорошо оседающего хлопьевидного коагулянта.
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
Казеин технический кислотный (ГОСТ 17626-81) растворяют (25-40 мг/мл) в 0,10-0,13% растворе (вес/объем) натрия гидроксида на кипящей водяной бане при непрерывном перемешивании (в течение 40-60 мин). Значение pH полученного раствора должно быть в диапазоне 9,3-9,9 (обычно pH 9,5-9,9). В горячий (специально не охлажденный) раствор казеина вносят при перемешивании растворенный в небольшом объеме дистиллированной воды (2 г в 10-15 мл) кальция хлорид из расчета его конечной концентрации в растворе казеина 2,4-3,7 г/л (20-кратный молярный избыток, молекулярная масса казеина около 24000 дальтон). Образующаяся мелкодисперсная взвесь белого цвета («молоко») хлоркальциевого казеина после 10-20 мин прогревания на кипящей водяной бане (при перемешивании) начинает коагулировать, давая более густое белое окрашивание. Затем взвесь хлоркальциевого казеина охлаждают до 30-40°C, титруют 5% соляной кислотой до значения pH 6,9-7,3 и подвергают повторному нагреванию при непрерывном перемешивании на кипящей водяной бане в течение 10-20 мин: от появления пузырьков на поверхности суспензии до видимой коагуляции (образования белого хлопьевидного осадка) хлоркальциевого казеина. Коагулянт быстро оседает на дно стакана, что позволяет удалять опалесцирующую надосадочную жидкость (жидкую фазу) и промывные воды методом декантации. Промытый дважды горячей и 3-4 раза холодной дистиллированной водой белый осадок хлоркальциевого казеина, по консистенции напоминающий творог, собирают центрифугированием при 3000 об/мин или фильтрованием через плотную хлопчатобумажную ткань, обезвоживают прессованием в бумаге или ткани, механически разрыхляют и высушивают в потоке теплого воздуха (под вентилятором) с периодическим измельчением по мере высыхания до крупинок размером 1-3 мм. Полученный таким образом хлоркальциевый казеин представляет собой сыпучий порошок с остаточной влажностью 6-10%, который может храниться неограниченно долго в закрытой емкости при комнатной температуре. Определение содержания общего и белкового азота с реактивом Несслера в исходной и осажденной фракциях показывает, что в техническом казеине содержится около 25% небелковых примесей. Получаемый хлоркальциевый казеин является 100%-ным белковым препаратом.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно:
1) исходным сырьем в заявляемом способе является не коровье обезжиренное молоко, как в способе-прототипе, а коммерческий технический казеин (ГОСТ 176-81), получаемый кислотным способом, доступный и стандартизованный. Поэтому использование технического казеина в качестве исходного сырья для получения хлоркальциевого казеина является существенным признаком заявляемого изобретения;
2) полученный кислотным способом казеин растворяется только в слабощелочных растворах при нагревании. Поэтому растворение казеина происходит в слабощелочном растворе 0,10-0,13% (вес/объем) натрия гидроксида при нагревании смеси на водяной бане или слабом прямом нагреве при непрерывном перемешивании. При растворении казеина pH раствора снижается, указанный диапазон концентрации натрия гидроксида позволяет получать раствор казеина со значением pH 9,3-9,9.
2
2
-8
<mrow><mi>H</mi><mi>P</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>4</mn><mrow><mn>2</mn><mo>−</mo></mrow></msubsup></mrow>
Проведение термокальциевой коагуляции при значении pH 6,9-7,3 также приводит к получению мелкодисперсной взвеси, однако дальнейшее его прогревание не вызывает образования быстро оседающего хлопьевидного осадка и было не пригодно для способа получения необходимого нам продукта (выход по массе составлял не более 20%). Осаждение термокальциевого коагулята при pH 6,45-6,75 (ближайший аналог) способствует снижению устойчивости и агрегации коллоидных частиц казеина и приводит к еще худшим результатам: вместе с термокальциевым коагулятом осаждаются и термолабильные сывороточные белки (их наличие в конечном продукте ограничивает продолжительность его хранения). Необходимость проведения термокальциевой коагуляции на первой стадии при pH 9,3-9,9 возможно объясняется тем, что ионы кальция должны занять свое место в разрушенной кислотным осаждением структуре казеинаткальцийфосфатного комплекса, взаимодействуя с фосфатной группой серинфосфата. Как известно, трехосновная фосфорная кислота имеет несколько констант диссоциации, причем рК=6,2×10, т.е при pH 8 ионизованы только 50% остатков фосфорной кислоты, взаимодействующих с катионами кальция. Значение рК связанной фосфатной группы может варьировать. Однако при значении pH, отличающимся от рК более, чем на единицу, количество ионизованных
групп максимально, что обеспечивает полноту реакции с ионами кальция. Поэтому использование слабощелочного раствора 0,10-0,13% (вес/объем) натрия гидроксида для растворения казеина является существенным признаком заявляемого изобретения;
3) для завершения процесса коагуляции и получения хорошо оседающего хлопьевидного осадка хлоркальциевого казеина в предлагаемом способе pH охлажденного раствора снижается до значения pH 6,9-7,3 (титруется 5% соляной кислотой) с последующим прогреванием его при температуре 95-97°C. Охлаждение, подкисление до значения pH 6,9-7,3 и повторное прогревание раствора являются существенными признаками заявляемого изобретения, поскольку проведение процесса при щелочных значениях pH не позволяет получить быстро оседающий осадок, понижение значения pH вносит дополнительные факторы дестабилизации мелкодисперсной фазы и агрегации ее с образованием хлопьевидного хорошо оседающего коагулянта.
Дальнейшие этапы способа осуществляются по стандартным процедурам, указанным в ограничительной части формулы. Опалесцирующий супернатант удаляется декантацией, осадок хлоркальциевого казеина промывается 2-3 раза горячей и 3-4 раза холодной дистиллированной водой, до прозрачности промывной воды. Осадок собирается центрифугированием или на тканевом фильтре, отжимается для удаления избытка влаги в ткани или подходящей бумаге, разрыхляется и высушивается в потоке теплого воздуха, с периодическим механическим измельчением подсыхающего препарата. Полностью обезвоженный сушкой в течение 1 ч при температуре 180°C хлоркальциевый казеин приобретал все необходимые физические свойства спорообразующего компонента питательной среды - практически не набухал, сохраняя прозрачность среды.
Заявленный способ позволяет воспроизводимо получать в лабораторных условиях из доступного стандартного сырья очищенный препарат хлоркальциевого казеина, с высоким выходом по белку (80-99%). Все стадии очистки хорошо сочетаются друг с другом.
Определяемая влажность в высушенном хлоркальциевом казеине составляет 5-10%. Такой препарат мог бы использоваться в качестве спорообразующего компонента среды хранения культур микроорганизмов, однако он сохраняет способность к набуханию, и вызывает помутнение питательной среды при длительном (в течение года) хранении. Этот недостаток исчезает после термоденатурации препарата (сушка в течение 1 ч при температуре 180°C).
Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.
Пример 1. Получение хлоркальциевого казеина из 20 г казеина технического, растворенного в 0,12% растворе натрия гидроксида, и определение белкового азота с реактивом Несслера
Навеску 20 г казеина технического (ГОСТ 17626-81) производства «Ижмолоко» растворили в 800 мл 0,12% раствора натрия гидроксида (концентрация 25 мг/мл или около 0,001 М) на кипящей водяной бане в течение 30 мин, объем довели до первоначального (800 мл) дистиллированной водой и отобрали пробу №1 для определения общего и белкового азота с реактивом Несслера (ФС 42-3874-99). Полученный раствор (pH 10,3) довели несколькими каплями 5% соляной кислоты до значения pH 9,8.
В раствор казеина при перемешивании внесли 1,9 г кальция хлорида безводного, растворенного в 10-15 мл дистиллированной воды (конечная концентрация хлорида кальция около 0,02 М) - раствор приобрел вид «молока» с небольшими хлопьями. После прогревания раствора на кипящей водяной бане в течение 10-13 мин «молоко» стало более насыщенного белого цвета. После охлаждения до 30°C значение pH 9,3 (снизилось на 0,5 ед. за счет образования кальциевых мостиков и выделения Нойонов). Смесь подтитровали до значения pH 7,0 и выдержали 10 мин в кипящей водяной бане при непрерывном перемешивании. После разделения фаз смесь прогревали еще 8 мин (объем осевшего осадка около 1/3 общего объема - 230 мл). Надосадочную жидкость слили, осадок собирали центрифугированием (20 мин при 3000 об/мин). Из супернатанта (600 мл) отобрали пробу №2 для определения общего и белкового азота. Осадок промыли дважды горячей (1750 мл×2) и холодной (1500 мл×2) дистиллированной водой, осадок (хлоркальциевый казеин) собрали центрифугированием. По внешнему виду препарат был похож на прессованный творог, и хотя в цели нашей работы не входило получение пищевых добавок, именно хлоркальциевый казеин на этой стадии потенциально может использоваться в качестве кальциевого копреципитата в пищевой промышленности.
Полученный хлокальциевый казеин измельчали ланцетом на двух чашках Петри и сушили в потоке теплого воздуха в течение 1 ч, периодически перемешивая, измельчая и разрыхляя, до состояния сыпучести. Вес хлоркальциевого казеина составил 13,26 г (выход по массе 60,7%).
Для определения остаточной влажности брали точную навеску на аналитических весах (до 4 знака после запятой) и сушили 1 ч при 180°C. Определяемая влажность составила 8,5%, сухой вес - 12,13 г.
Результаты определения общего и белкового азота с реактивом Несслера в процессе получения хлоркальциевого казеина представлены в таблице 1. Полученные данные показывают, что при содержании белка в исходном препарате технического казеина 74%, выход хлоркальциевого казеина по белку составляет 82%.
Пример 2. Получение хлоркальциевого казеина из 20 г казеина технического, растворенного в 0,1% растворе натрия гидроксида
Навеску 20 г казеина технического (ГОСТ 17626-81) производства «Ижмолоко» растворили в 800 мл 0,1% раствора натрия гидроксида (концентрация 25 мг/мл или около 0,001 М) на кипящей водяной бане в течение 50-60 мин. После охлаждения раствора казеина до температуры 30-35°C значение pH 9,6-9,7. После внесения 1,9 г кальция хлорида, растворенного в 10-15 мл дистиллированной воды, появилась мелкодисперсная взвесь («молоко»), которую прогревали в кипящей водяной бане в течение 15-20 мин. После охлаждения до температуры 30-35°C смесь подтитровали добавлением около 2,5 мл 5% соляной кислоты до значения pH 7,2, и нагревали на кипящей водяной бане при непрерывном помешивании суспензии стеклянной палочкой до образования хлопьевидного осадка и просветления жидкости. Прогревание продолжали в течение 12-15 мин после появления на поверхности раствора признаков кипения (мелких пузырьков). После отстаивания быстро оседающего хлоркальциевого казеина опалесцирующую надосадочную жидкость удаляли декантацией. Осадок промывали в том же стакане дважды горячей и 4 раза холодной дистиллированной водой. Однако уже после первой промывки холодной водой надосадочная жидкость была совершенно прозрачная и ее значение pH при последующих промывках уже не изменялось (pH 6,45). Осадок хлоркальциевого казеина собирали центрифугированием, освобождали от избытка влаги и сушили аналогично примеру 1.
Высушенный казеин взвешивали (масса 15,8 г, т.е. выход по весу 74,6%) и подвергали полному обезвоживанию (термоденатурации) сушкой в сухожаровом шкафу (Binder) в течение 1 ч при температуре 180°C. Масса обезвоженного хлоркальциевого казеина составила 14,91 г, определяемая влажность - 5,6%. Для 20 г исходного технического казеина выход по белку составил 99%.
Пример 3. Получение хлоркальциевого казеина из 75 г казеина технического
-3
-2
Навеску 75 г казеина технического (ГОСТ 17626-81) производства «Ижмолоко» растворили в 2 л 0,1% раствора натрия гидроксида (концентрация 37,5 мг/мл или около 1,56×10 М) на кипящей водяной бане в течение 1 ч. После охлаждения раствора казеина до температуры 30-35°C значение pH 7,9. На доведение значения pH от 7,9 до 9,1 потребовалось около 5 мл 10% натрия гидроксида. Таким образом, концентрация щелочной воды повысилась до 0,125%, значит при повышении концентрации казеина до 37,5 мг/мл для растворения нужно брать как минимум 0,13% раствор натрия гидроксида. После внесения 5,5 г кальция хлорида, растворенного в 70 мл воды (конечная концентрация хлорида кальция 2,48×10 М - 16-кратный молярный избыток), значение pH 8,9. Добавили еще около 1 мл 10% раствора натрия гидроксида до pH 9,2. Образовавшуюся суспензию («молоко») обрабатывали аналогично примеру 2. Осадок промывали 5 раз холодной дистиллированной водой до значения pH 6,3-6,4, однако супернатант сохранял опалесценцию и доля мелкой фракции (медленнее оседающей) была больше, чем в примере 2. Осадок собирали центрифугированием в три этапа загрузки. Часть хлоркальциевого казеина перед сушкой теплым воздухом пробовали подсушить с помощью этилового спирта-ректификата. Однако пластичный, по консистенции напоминающий творог, хлоркальциевый казеин после такой обработки становился тягучим и упругим, поэтому труднее измельчался (партия 1), чем необработанный спиртом (партия 2). Другую часть осадка хлоркальциевого казеина оставили в воде в центрифужных стаканах на 3 суток и осадок после центрифугирования (3000 об/мин, 20 мин) оказался более рыхлым, вероятно, из-за набухания (партия 3). Суммарная масса 3-х партий высушенного хлоркальциевого казеина составила 63,17 г (84,2% по весу). Определяемая влажность после термоденатурации составила 8,99%, 9,7% и 4,6% для партий 1, 2, 3 соответственно. Суммарная масса обезвоженного хлоркальциевого казеина 57,84 г, что по белку составило 98%. Внешний вид, физические свойства и стимуляция спорообразования в составе среды хранения у казеина всех трех партий была одинакова.
Пример 4. Получение хлоркальциевого казеина из 50 г казеина технического
-3
-2
Навеску 50 г казеина технического (ГОСТ 17626-81) производства «Ижмолоко» растворили в 1450 мл 0,127% раствора натрия гидроксида (концентрация 34,5 мг/мл или около 1,44·10 М) на кипящей водяной бане при непрерывном помешивании в течение часа. Внесли 4,83 г кальция хлорида, растворенного в 40-50 мл дистиллированной воды (конечная концентрация 2,9·10 М или 20-кратный молярный избыток), получив мелкодисперсную суспензию («молоко»), которую прогревали еще 5 мин. После охлаждения до 30-40°C значение pH суспензии доводили 5%-ной соляной кислотой до 7,17 и вновь прогревали в течение 40 мин на кипящей водяной бане до образования крупных хлопьев и просветления супернатанта. Осадок промывали в двухлитровом стакане с декантацией жидкости, предварительно удаляя образующуюся пену, 2 раза горячей и 5 раз холодной дистиллированной водой (уже после третьей промывки вода была прозрачная). Осадок собирали центрифугированием, 4-кратно отжимали из него влагу, заворачивая в безворсовую бумагу, измельчали шпателем и сушили под вентилятором до состояния сыпучести. Остаточную влагу удаляли сушкой в течение 1 ч при 180°C. Получили 33,4 г обезвоженного хлоркальциевого казеина. Выход по массе 66,8%, а по белку 90,3%.
Пример 5. Получение хлоркальциевого казеина без использования водяной бани и центрифуги
-3
-2
2
50 г казеина технического (ГОСТ 17626-81), 40 г смешали с 1650 мл 0,12% натрия гидроксида (концентрация 30,3 мг/мл или 1,26 10 М) и растворяли при перемешивании (скорость 2) на магнитной мешалке (IKA С-МА HS-7, Германия) с подогревом (температура платформы 350°C). После растворения казеина добавили 5,2 г кальция хлорида, растворенного в 50 мл воды (конечная концентрация CaCl 2,84·10 М или 22,5-кратный молярный избыток). Полученная мелкодисперсная взвесь («молоко») после аналогичных примеру 4 операций дает разделение фаз, однако осадок представляет собой мелкие хлопья, занимающие вдвое больший объем, хотя надосадочная жидкость была достаточно прозрачная, без пены, слабоопалесцирующая. После промывки горячей и холодной водой осадок хлоркальциевого казеина собирали на тканевом хлопчатобумажном фильтре (бязь, выстилавшая большую воронку Бюхнера), сушили аналогично примеру 4. Получили 31,5 г обезвоженного хлоркальциевого казеина, выход 62,8% по массе и 84,8% по белку. Внешний вид и свойства полученного продукта в примере 4 и 5 были одинаковы.
Аналогичным образом, с учетом раскрытия изобретения в описании, специалистом в данной области могут быть получены, выполнены другие варианты изобретения, которые охватываются формулой изобретения, приводимой ниже.
Табл.1
Определение общего и белкового азота в процессе получения хлоркальциевого казеина
Проба
Общий азот, мг/мл
Белковый азот, мг/мл
Объем, мл
Суммарный общий азот, мг
Суммарный белковый азот, мг
Суммарный белок (×6.38), мг
Содержание белка в препарате, % (20 г-100%)
Исходный раствор (проба №1)
3,265±0,015
2,909±0,025
800
2528
2327
14846
74(100)* *выход по белку
Супернатант (проба №2)
0,675±0,023
0,613±0,027
600
405
367.8
2346.6
11,72 (15,8)*
Препарат хлоркальциевого казеина обезвожен
-
-
-
-
-
12133
(81,7)*