Исследование кинетики извлечения белковых агрегатов из щелочных экстрактов нута путем электрофлотации

УДК 664.38:66.087.4

И.Л. Казанцева, С.С. Попова, И.В. Тимофеев, В.М. Седелкин, С.Н. Бутова

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ БЕЛКОВЫХ АГРЕГАТОВ

ИЗ ЩЕЛОЧНЫХ ЭКСТРАКТОВ НУТА ПУТЕМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ

Представлены результаты изучения кинетики процесса извлечения белкового препарата из щелочных экстрактов нута методом электрофлотокоагуляции. Установлено, что для математического описания кинетики электрофлотации может быть использовано уравнение первого порядка, с учетом которого рассчитано значение константы скорости процесса. Проведена количественная оценка эффективности захвата частиц белка пузырьками газа.

Нут, белковый изолят, электрофлотация

I.L. Kazantseva, S.S. Popova, I.V. Timofeev, V.M. Sedelkin, S.N. Butova

KINETICS OF EXTRACTING PROTEIN FRACTIONS FROM CHICK-PEA ALKALINE EXTRACTS USING ELECTROFLOTATION

The paper describes the results of research into extraction process kinetics for protein preparation received from the alkaline extract of chickpea by electro-flotocoagulation. It is found that for mathematical description of electroflotation kinetics we can use the first-order equation. The rate constant of the electroflotation process has been calculated. Efficiency of the protein particles trapping by the gas bubbles has been estimated.

Chick-pea, protein isolate, electroflotation

Развитие современной науки привело к широкому использованию исследователями математического аппарата для рационального планирования экспериментов, анализа количественных данных, полученных в результате экспериментов, подтверждения статистических гипотез, нахождения взаимосвязей, прогнозирования, построения математических моделей различных физико-химических процессов. В настоящее время наблюдается бурный рост числа математических приложений, связанный, прежде всего, с развитием компьютерных технологий и программирования. При изучении закономерностей протекания различных физико-химических процессов выявленные математические закономерности позволяют прогнозировать конкретное поведение системы в целом, выделить параметры, которые необходимо учитывать для интенсификации изучаемого процесса. Авторами данной работы рассмотрено применение математического аппарата при исследовании кинетики извлечения нутового белка методом электрофлотокоагуляции, являющейся отдельной стадией разработанной технологии глубокой переработки нута.

В структуре мировых ресурсов пищевого белка растительный белок занимает ведущую роль [1]. Несмотря на приведенные в литературе убедительные данные, демонстрирующие отработанную технологию и ассортимент белковых продуктов из традиционного растительного сырья (сои, пшеницы) [2, 3], следует отметить, что отечественное промышленное производство белковых изолятов из растений отсутствует. В свете необходимости решения важнейшей в настоящее время в нашей стране проблемы импортозамещения создание отечественного производства по переработке местного высокобелкового растительного сырья, например нута [4, 5], является актуальным.

Реализованные в настоящее время в лабораторных условиях технологии глубокой переработки нута [4, 5] характеризуются достаточно низким выходом белка, являются многостадийными, связаны с многократностью стадии нейтрализации после обработки кислотами, обладают высокой аппарато-емкостью. Поиск более экономичных, экологически чистых и эффективных нетрадиционных методов обработки сырья, позволяющих внедрять ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии нового поколения, является актуальным. Это, прежде всего, электрофизические и электрохимические методы обработки жидких сред [6, 7], среди которых можно выделить методы электрофлотации и

электрокоагуляции. Неоспоримым преимуществом этих методов является возможность благодаря полиэлектролитным свойствам белков на стадии их выделения из раствора осуществлять безреагент-ную корректировку рН среды путем регулирования плотности тока. Большим преимуществом методов электрофлото- и электрокоагуляции является низкая концентрация электролита фона, вводимого в раствор для обеспечения необходимой электропроводности, а подбор определенной конструкции ячейки (электролизера) и определенного расположения электродов позволяет обеспечить совместное протекание процессов электрофлотации и электрокоагуляции и обеспечить более высокий процент извлечения белка.

Сущность электрофлотационного процесса заключается в переносе частиц белка газовыми пузырьками из объема раствора на его поверхность, образующимися в результате электролитического разложения воды: водорода (на катоде) и кислорода (на аноде). Изоэлектрическое состояние белка (рН 4,1-4,4) достигается без использования дополнительных химических реагентов [7].

10 0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 Продолжительность электрофлотокоагуляции, с

Рис. 1. Зависимость выхода белка от продолжительности процесса электрофлотокоагуляции при концентрации белка в растворе 15 мг/мл (на фоне КОН 0,1 масс %).

Экспериментальная зависимость степени извлечения нутового белка от времени электролиза при плотности тока (105±5) А/м2 представлена на рис. 1. Указанное значение плотности тока, установленное ранее экспериментально [8], обеспечивает достижение максимального выхода белка при концентрации его в растворе (15± 1) мг/мл. Для контроля содержания белка в рабочем растворе (до и после электрофлотации) использовали биуретовый метод [9], основанный на образовании в щелочной среде окрашенных в фиолетовый цвет комплексов белковых молекул по месту пептидных связей с ионами меди (II). Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре СФ-46 по стандартной методике. Выход белка (или степень извлечения) (а), %, рассчитывали по формуле

а = С -С2 х 100,

С1

где с1 - концентрация белка в исходном растворе до электрофлотации, мг/мл; с2 - концентрация белка в растворе после электрофлотации, мг/мл.

В [10-12] показано, что для математического описания кинетики электрофлотации белковых агрегатов можно использовать основное уравнение кинетики химических реакций - дифференциальное уравнение (2) [13]:

^с , п

— = -к х сп

Ж

где ^ - продолжительность электролиза; к - константа скорости процесса; п - кинетический порядок процесса; = V- скорость реакции в данный момент времени, определяется как производная от концентрации по времени.

Для определения порядка n реакции обычно используют графический метод, в основе которого лежит построение и анализ графика, выражающего зависимость различных функций концентрации от времени, и определении, для которого из них зависимость выражается прямой линией:

- в случае реакции первого порядка линейную зависимость от t дает tog с;

- из уравнения кинетики реакций второго порядка следует, что для этих реакций линейной функцией t является 1/c;

- для реакций третьего порядка линейную зависимость от времени показывает 1/c2 [13].

При построении моделей рационально использовать линии тренда, которые позволяют графически отображать тенденции данных или их прогнозировать. Надежность линии тренда - R2. Наиболее надежна линия тренда, для которой значение R2 равно или близко к 1. R2, или величина достоверности аппроксимации - это число от 0 до 1, которое отражает близость значений линии тренда к фактическим данным. Чем больше величина этого показателя, тем достовернее линия тренда.

С использованием программы Excel нами были построены линейные одномерные модели в системах координат tog с от t, 1/c от t и 1/c2 от t. Полученные графики представлены на рис. 2.

О 500 1000 1500 2000

t, с

а

0 500 1000 1500 2000

и С

в

Рис. 2. Зависимость различных функций концентрации белка в растворе от времени

Наибольшее значение величины «достоверность аппроксимации данных В2» получено для линейной линии тренда в координатах lоg с от Следовательно, можно считать, что кинетика процесса электрофлотации описывается уравнением первого порядка:

ёс , ёс ,

— = -к х с или--= к х с .

Ж &

Разделяя переменные в уравнении (3), получаем выражение

ёс , ,

--= к х Ж

с

и, интегрируя его, получаем

1п с = -к • ?+В.

Обозначая через с0 начальную концентрацию (при ^ = 0), определяем постоянную интегрирования:

В = 1п с0.

Отсюда

. с 1 1п— = -к • /

с0

или

С = С0 • е~ы.

Если через х=с0-с обозначить уменьшение концентрации исходного вещества к моменту времени 1;, то этому уравнению можно придать вид

1п = -к • /,

с0

откуда степень извлечения (или выход) а может быть рассчитана по уравнению

а = 1- е~ы.

В [4, 5] приводится теоретическое уравнение для константы скорости процесса флотации:

3 • о • Е

к = ——,

4 • В 0

где о - удельный расход газа или скорость барботажа, равная объему газа, продуваемого в единицу времени через единицу поперечного сечения флотационной камеры, м3/м2 мин; Я„ - усредненный эффективный радиус пузырька, м; Е - эффективность захвата частицы пузырьком.

Согласно [12], скорость барботажа о при стационарном режиме барботирования не может превышать величину

2•Ю-3 • е• ё2

Отах =-^-,

где е - ускорение силы тяжести; V - кинематическая вязкость среды; ё - средний диаметр частиц.

Известно, что размер пузырьков, выделяющихся в результате электролиза, составляет 0,0150,2 мм [5]. Примем для расчетов средний радиус пузырьков 50 мкм. Тогда удельный расход газа составит

= ^О-ЧИШМ0-6)2 = 2-10- м/с = 0,2 мм/с,

1 А-6

где кинематическая вязкость воды V = 10 2 см2/с = 10 6 м2/с

Для определения эффективности захвата используем выражение

3/

а/2

Е = А--7,

К2

где а - радиус частиц; Rn - радиус пузырьков; А - величина, определяемая силами, действующими между частицей и пузырьком [5].

Величину А можно оценить по формуле

А = 1,5-F-а12,

где F при правильном подборе реагентов может составить 0,1-0,8 [5].

В условиях рассматриваемой системы: «частица белка - пузырек газа» (водорода или кислорода) на основании данных снимков, полученных с помощью электронного микроскопа VEGA 3 TESCAN, средний размер частицы белка составляет d » 20 мкм = 20-10-6 м = 2 -10-4 мм.

Рис. 3. Микрофотография белковых частиц нута

Принимая F = 0,5, получаем

А = 1,5 - F - а^ = 1,5 - 0,5 - (10 -10-6 = 0,0024. Тогда эффективность захвата составит

з/ г з

Е = А.^г = 0,0024 •(1°'1° /Г = 0,0024 • —10-12 = —.Ю-4-7'5-2+12 = 0,96 101'5 = 30,3 .

В/ (50 10-6)2 2500'10"12 25

С учетом рассчитанных значений составляющих уравнения (10) константа скорости процесса электрофлотации составит

= 3^ оЕ = 3•2•10 -430,3 =

к — — г 91 с .

4" Я„ 4•50•10-6

2 (10-10-У2 ЛЛО/1 10-7,5 24

п

Полученные данные способствуют более глубокому пониманию механизма процесса флотации и позволяют выявить факторы, влияющие на эффективность процесса извлечения нутового препарата при реализации глубокой переработки нута.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кудинов П. И., Щеколдина Т.В., Слизская А.С. Современное состояние и структура мировых ресурсов растительного белка // Известия вузов. Пищевая технология. 2012. № 5-6. С. 7-10.

2. Толстогузов В.Б. Новые формы белковой пищи. М.: Агропромиздат, 1987. 303 с.

3. Бегеулов М.Ш. Основы переработки семян сои. М.: ДеЛиПринт, 2006. 181 с.

4. Пат. 2346456 Российская Федерация, МПК 7 А23Л/14. Способ получения белкового изолята из нутового сырья / Н.В. Аникеева; заявитель и патентообладатель: Аникеева Н.В.; заявл. 07.06.2007; опубл. 20.02.2009. Бюл. № 5.

5. Пат. 2246226 Российская Федерация, МПК 7 А23Е1/20 . Способ получения пищевого белка из нута / И.Ф. Горлов, А.З. Митрофанов, Л.Г. Сапожникова; заявитель и патентообладатель: «ГУ Волгоград-

ский научно-исследовательский технологический институт мясомолочного скотоводства и переработки продукции животноводства РАСХН»; заявл. 10.09.2003; опубл. 20.02.2005. Бюл. № 5.

6. Janson Henno V. Mike J. Lewis Electrochemical coagulation of whey protein // J. Soc. Dairy Tech-nol. 1994. Vol. 47. № 3. Р. 87-90.

7. Кисиленко П.Н., Колесников В.А., Капустин Ю.И. Извлечение белка из технологических растворов методом электрофлотации // Химическая промышленность. 2002. № 10. С. 19-22.

8. Разработка электрохимической технологии выделения пищевого белка из нута / Ю.А. Тыр-син, И.Л. Казанцева, С.С. Попова, И.В. Тимофеев // Пищевая промышленность. Хранение и переработка сельхозсырья. 2014. № 6. С. 10-14.

9. Методы биохимического исследования растений / А.И. Ермаков, В.И. Араимович, М.И. Смирнова-Иконников и др. Л.: Колос, 1972. 456 с.

10. Реология в процессах и аппаратах химической промышленности / Н.В. Тябин, А.А. Мама-ков, А.Б. Голованчиков, Г.Л. Дахина // Труды Волгоградского политехнического университета. Волгоград: Волгогр. политехи. ин-т, 1978.

11. Исследование кинетики процесса электрофлотации гидроксида кадмия / В. А. Колесников, Г А. Кокарев, Е.А. Шалыт и др. // Электрохимия. 1989. № 9. С. 1265-1267.

12. Дерягин Б.В., Духин С.С., Рулев Н.Н. Микрофлотация. М.: Химия, 1986. 112 с.

13. Киреев В.А. Курс физической химии. М.: Химия, 1975. 776 с.

Попова Светлана Степановна -

доктор химических наук, профессор кафедры «Химические технологии» Энгельсского технологического института (филиала) СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Казанцева Ирина Леонидовна -

кандидат технических наук, доцент, заведующий отделом «Исследование материалов, веществ и изделий» Федерального бюджетного учреждения «Саратовская лаборатория судебной экспертизы» Министерства юстиции России

Тимофеев Игорь Вячеславович -

аспирант

кафедры «Машины и аппараты нефтегазовых, химических и пищевых производств» Энгельсского технологического института (филиала) СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Седелкин Валентин Михайлович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Машины и аппараты нефтегазовых, химических и пищевых производств» Энгельсского технологического института (филиала) СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Бутова Светлана Николаевна -

доктор биологических наук, профессор кафедры «Биотехнология и технология продуктов биоорганического синтеза» Московского государственного университета пищевых производств

Svetlana S. Popova -

Dr. Sc., Professor

Department of Chemical Engineering

Engels Technological Institute

of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Irina L. Kazantseva -

Ph.D., Associated Professor

Head of the Department Investigation of Materials,

Substances and Products

Federal Budget Institution «Saratov Laboratory

of forensic examination» Department of Justice

of Russia

Igor V. Timofeev -

Postgraduate

Department of Machinery and Equipment of Oil and Gas, Chemical and Food Industries Engels Technological Institute (branch) of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Valentin M. Sedelkin -

Dr. Sc., Professor

Department of Machinery and Equipment of Oil and Gas, Chemical and Food Industries Engels Technological Institute (branch) of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Svetlana N. Butova -

Dr. Sc., Professor Department of Biotechnology and Bioorganic Synthesis Technology Moscow State University of Food Production»

Статья поступила в редакцию 17.09.15, принята к опубликованию 10.11.15