БЕЛКОВЫЙ КОНЦЕНТРАТ И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
METHOD FOR PRODUCTION OF ALBUMEN CONCENTRATE

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к белковым концентратам и способам их производства из источников растительного происхождения, предназначенных для использования в различных отраслях народного хозяйства: пищевой (мясной, молочной, консервной, хлебопекарной, макаронной, кондитерской, пищеконцентратной отраслях промышленности), фармацевтической при производстве лекарств, комбикормовой промышленности при производстве кормов, а также химической и других производственных отраслях.
Обычно белковыми концентратами называют продукты, содержащие от 65 до 72% белка, полученные удалением из указанных натуральных источников сырья веществ липидной и низкомолекулярной природы. Наиболее полный спектр описаний разнообразных способов их получения приведен в книге «Растительный белок», Москва, ВО «Агропромиздат», 1991 г., под редакцией Т.П.Микулович, перевод с французского В.Г.Долгополова, в главе 9 «Технология извлечения и очистки белковых растительных продуктов», написанной авторами С.Беро (S.Berot) и А.Давен (A.Davin).
Анализ превалирующего большинства описанных в монографии способов получения концентратов белков из растительных источников сырья позволяет сделать вывод, что фундаментальный принцип, лежащий в основе их производства, базируется на переведении большей части их белков в нерастворимое в водных растворителях состояние и последующей экстракции растворимых компонентов сырья высоко- и низкомолекулярной природы. При этом решается задача минимальной потери белков в экстрагирующую среду при максимально возможном извлечении низкомолекулярных веществ и высокомолекулярных компонентов небелковой природы.
Несмотря на широкое разнообразие источников сырья для производства концентратов, включающих продукты переработки сои, люпина, льна, рапса, подсолнечника и многих других растительных источников сырья, наибольшее распространение в качестве экстрагентов получили:
1. Водные растворы пищевых кислот при значениях рН, близких к изоэлектрической точке основной массы белков исходного сырья, при температурах экстрагента, не вызывающих термической денатурации белков сырья;
2. Водные растворы пищевых спиртов;
3. Вода с температурой, достаточной для денатурации и потери растворимости основной массы белков сырья.
Использование экстрагентов первого названного типа позволяет максимально сохранить в нативном состоянии содержащиеся основные белки сырья. Как правило, получаемые в результате концентраты растительных белков характеризуются высокой растворимостью и высокими функциональными характеристиками.
Использование экстрагентов второго и третьего типов переводит значительную часть белковых макромолекул в денатурированное и агрегированное нерастворимое состояние. Получаемые при использовании данных экстрагентов белковые концентраты характеризуются меньшей растворимостью и, как правило, более низкими функциональными характеристиками.
Превалирующее распространение в качестве экстрагентов при производстве концентратов белков для пищевой промышленности получили экстрагенты первого и второго типа.
Наибольшее распространение в качестве сырьевых источников для производства белковых концентратов сегодня находит предварительно фракционированный по размерам частиц материал - так называемый «белый лепесток», т.е. раскатанный между вальцами хлопьевидный материал толщиной 0,2-0,5 мм, из которого предварительно удалены растительные липиды. Содержание липидов в них не превышает, как правило, 1%. Его размеры являются оптимальными с точки зрения обеспечения его достаточной прочности для сохранения его формы при транспортировании и в процессах дальнейшей обработки, а с другой стороны, достаточно малыми в поперечнике для осуществления экстракции. Тем не менее, в процессе производства некоторая его часть измельчается чрезмерно. Получаемая в результате тонкая фракция измельченного лепестка вызывает множество проблем при последующей экстракции в промышленных системах противоточной экстракции как при погружном, так и перколяционном способе, наиболее широко применяемых сегодня при производстве белковых концентратов из различных растительных источников в реальных производственных процессах. Эта тонко измельченная фракция лепестка удаляется просеиванием. Считается, что необходимо удалять фракции, проходящие сквозь стандартные американские сита №20-№30.
Химический состав получаемых продуктов несмотря на различие используемых экстракционных сред, различные способы экстракции (погружной или перколяционный метод) и аппаратурное оформление процессов отличается мало. Как правило, они содержат около 70% белка, 0,3-0,9% жира, 6-8% влаги, около 3,5-6,5% сырой клетчатки, около 5% золы и около 17-20% углеводов.
Полученные концентраты белков характеризуются более нейтральными вкусоароматическими характеристиками, чем исходное сырье, и более светлой окраской, хотя для многих применений белковых концентратов в пищевой промышленности необходимо еще более полное отсутствие характерных для сырья нот горького характера во вкусе и специфического бобово-зернового тона в запахе продукта.
Для указанных выше способов производства белковых концентратов из растительных источников сырья характерна большая продолжительность осуществления процесса, обусловленная, прежде всего, низкой эффективностью стадии экстракции подготовленных в виде белого лепестка источников сырья.
Необходимость его предварительного фракционирования существенно влияет на объемы сырья, доступного для переработки указанными способами, так как количество остающейся фракции, пригодной для экстракции, иногда составляет около 50% от обезжиренного сырья и, естественно, влияет, таким образом, на экономическую эффективность экстракционных способов производства белковых концентратов.
Основная причина недостатков указанных экстракционных процессов обусловлена природой массообменных процессов - относительно медленной диффузией указанных экстрагентов внутрь частиц сырья белковых источников, а также низкой скоростью диффузии в экстракционную среду экстрагируемых из них высоко- и низкомолекулярных веществ. Основная причина этого, по-видимому, связана с тем, что входящие в состав поступающих на экстракцию источников сырья органеллы, за исключением липосом, из которых в процессе обезжиривания извлекается основная масса липидов семян, находятся в состоянии, близком к их состоянию в нативных семенах. Распределение основных биополимерных компонентов подготовленного сырья практически в них не отличается от их распределения в исходном сырье, т.е. большинство макромолекулярных и низкомолекулярных составляющих компонентов сырья распределены в жестком полисахаридном матриксе. Диффузионный механизм экстракции не позволяет обеспечить более высокие скорости процесса, т.е. быстро и полно, а значит, эффективно экстрагировать из материала удаляемые компоненты вследствие невысоких, как отмечено выше, скоростей диффузионных процессов.
Попытка устранения указанных недостатков предпринята в способе производства концентратов белков растительного происхождения, предложенного в 1964 году Мак Анелли в патенте США №3142571.
2
Суть предложенного им способа производства концентрата заключалась в осуществлении последовательности следующих операций. Брали обезжиренную (менее 1% жира) соевую муку, содержащую не менее 75% растворимого белка и имеющую размер частиц менее 65 меш (американская система мер, около 220 микрон). В смешивающем устройстве тщательно готовили смесь, состоящую из 60% муки и 40% воды (это оптимальное соотношение, отклонение от которого приводило к формированию либо слишком сухой, либо наоборот, слишком расплывчатой массы), которая в процессе перемешивания образовывала однородную упругую тестообразную массу. Ее формовали вручную или с помощью различных приспособлений, например устройства типа кухонной мясорубки. В результате получали пучок однородных утолщенных волокон, нитей, напоминающих по форме лапшу, макароны или спагетти, в виде жгутов, пучков, кусочков. Полученный сформованный тестовый материал укладывался в форму (как правило, сито), которая оставляла открытой для последующей обработки большую часть его поверхности. Формы с материалом помещали в автоклав и обрабатывали в водно-паровой среде при избыточном давлении от 5 до 50 psi (американская система мер, фунт/дюйм; от 0,34 до 3,4 атм) и соответствующей температуре в течение времени, достаточного для полной денатурации белков (5-25 мин). После гидротермической обработки давление в автоклаве сбрасывали в течение 1-5 мин. Обработанный таким образом материал приобретал упругую эластичную консистенцию с выраженной высокопористой ячеистой (губчатой) структурой. Полученный продукт измельчали в пищевом куттере до гранул размером 5-6 мм. 100 г полученных гранул интенсивно перемешивали с 900 г воды с температурой от 65,5°С до 83-100°С в течение 15 мин. Операцию промывки повторяли еще раз. После этого образец заливали снова водой и после выдерживания в течение 3 мин проэкстрагированный материал высушивали при температуре около 100°С в течение 2-4 часов. В результате проведения указанной последовательности операций после высушивания получали соевый белковый концентрат, который по химическому составу мало отличался от белковых концентратов, получаемых описанными выше способами, содержащий порядка 70% белка, 20% углеводов, 3,8% которых приходилось на сырую клетчатку, 3% золы и 0,1% жира. Лишь последние две характеристики отличались от аналогичных характеристик продуктов, полученных по другим способам получения белковых концентратов. Кроме того, их отличали более светлая окраска и более нейтральные вкусоароматические характеристики.
Для описанного способа характерно некоторое ускорение процессов диффузии на стадии экстракции водорастворимых высоко- и низкомолекулярных соединений по сравнению с описанными в предыдущей ссылке способами. Это достигалось тем, что при предварительной обработке источников сырья его частицы агломерировали в пространственную структуру с организованной упорядоченностью их в пространстве и большей доступностью их поверхности для взаимодействия с экстрагентом и облегченного выхода проэкстрагированных высоко- и низкомолекулярных веществ, но фундаментальный механизм экстракции компонентов из сырьевых источников при этом не изменялся. Улучшение органолептических характеристик конечного продукта, по-видимому, в гораздо большей степени было обусловлено не экстракционной стадией процесса, а стадией влаготермической обработки материала водно-паровым экстрагентом и последующей отгонкой летучих и красящих компонентов сырья в паровой фазе при сбросе давления в автоклаве. В качестве преимущества описанного способа можно отметить возможность использования тонкоизмельченных фракций сырья. Но все же его характеризуют сложность и многоступенчатость процесса получения белковых концентратов, большая совокупная длительность осуществления процесса производства и большие тепловые затраты и на прогрев тестообразной белковой массы, и на последующую экстракцию горячим экстрагентом (водой).
В научной 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 новый подход к производству белковых концентратов, основанный на использовании традиционных методов экстракции растительного сырья, предварительно обработанного экструзионно-экспеллерным методом обработки растительных источников сырья. Такая предварительная обработка проводилась при температуре 135-140°С, давлении 20-50 атм, влажности источников сырья, не превышающей 10-12%, в течение 15-30 с. Следует подчеркнуть, что здесь используется так называемый процесс сухой экструзии источников сырья без какого-либо дополнительного их увлажнения, протекающий при содержании влаги, не превышающем, как правило, 10%. Следует подчеркнуть, что данный способ обработки источников сырья весьма далек от процесса традиционной классической экструзии для получения качественных текстурированных белковых продуктов, имитирующих структуру мясной ткани продуктов слоистой, пластинчатой тонкопористой структуры. Приведенные условия обработки сырья позволяли регулировать и сохранять определенную часть белков в неденатурированном состоянии, обеспечивали разрыв клеточных стенок и облегчали вытекание содержащегося в них масла при последующем прессовании, в значительной степени подавляли активность присутствующих в сырье антинутриентов, таких как ингибиторы трипсина и уреазы, активность которой падала до значений 0,1-0,2 единиц рН. Использование традиционных описанных выше экстракционных методов к источникам сырья, обработанным описанным в данном изобретении способом, позволяло получать продукты, по химическому составу и функциональным свойствам аналогичные продуктам, получаемым из стандартных источников сырья.
Данный способ производства белковых концентратов представляет несомненный научно-практический интерес, расширяя круг сырьевых источников за счет возможности использования жирного нативного или полуобезжиренного зернобобового сырья, но, к сожалению, не всегда может обеспечить экономически целесообразный выход целевого продукта и требуемый уровень его качества. В частности, предложенный способ не обеспечивает получение уровня содержания липидов в конечном продукте, доля которых может достигать значений более чем 20%. Такие продукты, как известно, подвержены окислительной порче при хранении. Ввиду стремления максимального сохранения нативности составных органелл сырья, в которых заключены основные запасные белки, данному способу также присущ набор всех описанных выше недостатков других способов производства концентратов белков, обусловленный механизмом диффузионных экстракционных процессов.
Наиболее близким к заявляемому способу является описанный Конвинским А.Х. (Konwinski, Arthur H.) в патенте США №5097017 «Процесс изготовления соевого белкового концентрата».
Данный способ производства соевого концентрата направлен не на прямую, а на косвенную интенсификацию процесса его получения за счет решения, как мы уже отмечали выше, крайне сложной проблемы - присутствия большой доли в сырье тонко размолотых фрагментов лепестков, порошкообразного материала или даже тонкодисперсной пылевидной фракции, получаемых в процессе производства белого лепестка, содержание которых в некоторых сырьевых источниках достигает 30%-50%. Дело в том, что использование такого нефракционированного сырья в традиционном способе производства концентрата противоточной погружной или перколяционной экстракцией водными растворами спиртов снижает эффективность экстракции за счет забивания отверстий в днищах экстракционных устройств фракций, их отложения на внутренних поверхностях корпусов экстракционных устройств, а за счет оседания и отложения этих тонких фракций на поверхностях нагревающих элементов падает эффективность теплопередачи, снижая, таким образом, общую производительность процесса производства. Это явление вызывает также необходимость частых остановок всей линии, проведения внеплановой очистки, что также резко уменьшает производительность и увеличивает расходы на обслуживание. Одно из решений - отделение тонкой фракции сырья на стандартном американском сите №25, которое, однако, уменьшает количество сырья для производства концентрата, а также требует поиска других направлений использования отделенной тонкой фракции.
Сущность способа производства белковых концентратов, описанного в ближайшем аналоге, сводится к следующему. Тонкоизмельченный источник сырья смешивают с водой и паром до конечной влажности массы от 18% до 30%, преимущественно 20-25%, и экструдируют в экструдерных устройствах двухшнекового типа или одношнековых экструдерах-экспандерах, которые модифицируют путем удаления концевых матриц для обеспечения свободного выхода массы, прошедшей влаготермическую обработку при температурах, не превышающих 151,1°С, и для предотвращения создания дополнительного давления и возникновения сдвиговых деформаций в концевой выходной части устройств. В результате такой обработки достигается агломерирование частиц исходного сырья в непрерывную тестовую массу макропористой структуры и частичная денатурация белков сырья, которая, однако, сопровождается незначительным изменением внутренней структуры входящих в агломерат исходных частичек. Об этом свидетельствуют представленные в патенте микрофотографии исходного сырья и агломерированного продукта, данные об изменении индекса NSI продукта, который меняется от начальных значений в 50-80 единиц до значений в 25-45 единиц после его обработки, и ферментативной активности фермента уреазы, которая незначительно меняется в результате используемых в изобретении режимов обработки. По утверждению автора описываемого изобретения, предлагаемый им способ представляет собой уникальный процесс, промежуточный между используемым для производства уплотненных гранулированных продуктов из жирного лепестка на экструдерах-эспандерах и текстурированных продуктов из обезжиренного сырья - высокопористых, слоистых, имитирующих структуру мясной ткани продуктов, производимых на двухшнековых экструдерах. Как известно, для этих продуктов характерно значение индекса PDI 18-20 единиц, а активность уреазы менее 0,01 единицы. Об этом также свидетельствует сопоставление приведенных в патенте микрофотографий гистологических срезов продуктов с использованием световой микроскопии, полученных при реализации различных режимов экструзии (агломерирования, экструдерно-экспандерной и двухшнековой экструзии). Для традиционной классической экструзии получения текстурированных белковых продуктов в экструдерных шнековых устройствах или экструдерах-эспандерах, как известно, обязательным условием производства качественных текстурированных продуктов является наличие ограничительных матриц в концевой зоне оборудования, которые препятствуют свободному выходу обработанной массы и обеспечивают создание в этих концевых зонах этих устройств значительных давлений и высоких сдвиговых деформационных воздействий. Именно эти условия обработки обеспечивают получение продукта слоистой, пластинчатой тонкопористой структуры. В случае получения крупноразмерных кусков агломерированных белковых концентратов из модифицированных экструзионных устройств их в случае необходимости измельчают во влажном и горячем состоянии в режущих устройствах типа «Комитроль» до достижения оптимального размера образованных гранул агломератов, соответствующих размеру стандартного американского сита №4 (размер ячеек сита 0,187 дюйма). При таком измельчении доля частиц малого размера, препятствующих проведению последующей экстракции, не превышает, как правило, 5%, что не вызывает сильного влияния на процесс последующей экстракции. Полученные гранулы агломерированного материала экстрагируют водными растворами спиртов. Оптимальными условиями экстракции полученных частиц являются: интервал концентраций спирта в воде 60-70% и температура экстракционной среды 125-165°F (51,7-73,9°C).
К числу основных недостатков описанного способа получения концентратов белков можно отнести традиционное для всех описанных выше способов сохранение структуры органелл исходного сырья, а значит, и традиционного механизма экстракции, основанного на медленных диффузионных процессах растворителя и экстрагированных веществ. Это приводит к невозможности достижения полноты извлечения экстрактивных веществ сырья за реальное время осуществления процесса экстракции и использованию относительно узкого приведенного выше концентрационного диапазона концентраций растворителя. Ввиду присутствия относительно высокой доли неденатурированных белков применение более низких концентраций спиртов в растворе будет приводить к существенным потерям белка в экстрагент. Кроме того, для описанного изобретения наиболее выгодно и целесообразно использовать только полученную в результате экстракции органическими растворителями обезжиренную тонкую фракцию сырья. Использование всего объема лепестка неэффективно в результате увеличения затрат на переработку и отсутствия какого-либо дополнительного положительного эффекта. Это обстоятельство существенно сужает сырьевую базу для осуществления описанного способа производства белковых концентратов.
Сущность предлагаемого способа производства белковых концентратов состоит в том, что исходные источники растительного сырья, выбранные из ряда соя, люпин, горох, гречка, рапс, подсолнечник и других культур в форме муки, подвергают классической варочной термопластической экструзии с получением качественных текстурированных белковых продуктов, имитирующих структуру мясной ткани продуктов, в экструдерных шнековых устройствах или экструдерах-эспандерах, обязательным условием работы которых является наличие ограничительных матриц в концевой зоне оборудования в месте выхода обработанного конечного продукта, которые препятствуют свободному выходу обработанной массы из устройства и обеспечивают создание в этих концевых зонах оборудования значительных давлений и высоких сдвиговых деформационных воздействий. В результате конечный белковый концентрат представляет собой продукт слоистой, пластинчатой тонкопористой структуры. Варочную термопластическую экструзию осуществляют в следующих интервалах варьирования основных параметров обработки источников сырья:
температура
120-180°С
давление
40-120 атм
длительность обработки
5-60 с
влажность
17-35%
Продукт, выходящий из экструдера, экстрагируют непосредственно или после его высушивания до стандартной влажности 7-12% и хранения полученного продукта водными растворами пищевых спиртов, преимущественно этиловым, изопропиловым и бутиловым спиртами.
Таким образом, способ производства белкового концентрата согласно предлагаемому изобретению представляет собой способ, предусматривающий смешивание растительных белковых сырьевых источников с водой и паром, проведение экструзии в экструзионных устройствах, экстракцию образующегося конечного высокопористого продукта водноспиртовыми экстракционными средами, отделение проэкстрагированных низкомолекулярных веществ и высушивание проэкстрагированного продукта, отличающийся тем, что экструдирование сырья проводят при влажности экструдируемой массы 20-35%, температуре на выходе из экструдера 120-180°С, давлении 40-120 атм и длительности обработки сырья в экструдере от 5 до 60 с.
Уникальной особенностью предлагаемого изобретения, недостижимой в ближайшем аналоге, является то, что процессы подготовки источников сырья для производства концентратов белков и последующей экстракции текстурированных продуктов могут быть разделены во времени и пространстве. Показатели качества белковых концентратов, полученных текстурированием и непосредственной экстракцией или экстракцией хранившегося в течение нескольких месяцев высушенного текстурированного продукта, не различаются. Таким образом, нет необходимости сосредоточения данного производства на единой производственной площадке, что в ряде случаев создает большое удобство для организации такого производства. Эта особенность предлагаемого способа производства концентратов белков позволяет организовывать их производство и при непосредственном использовании в качестве сырья текстурированных продуктов, поставляемых в настоящее время многими производителями и предназначенных для использования в качестве пищевых добавок - разбавителей и частичных или полных заменителей мясного сырья, а также основы для имитации натуральных мясных и рыбных продуктов. Процесс производства текстурированых растительных источников является достаточно стандартным производственным процессом переработки сельскохозяйственного сырья и может быть без значительных затрат организован в условиях большинства действующих пищевых производств. В то же время экстракция обработанного текстурированного сырья ввиду использования горючих органических растворителей требует организации специальных производственных условий и обеспечения особых мер безопасности. Как правило, они организуются на специальных производственных площадках, среди которых можно выделить современные маслоэкстракционные производства, которые соответствуют как указанным выше критериям обеспечения безопасности, так и необходимой их технической вооруженности, так как на их вооружении находится большинство технических средств, необходимых для осуществления данного производства.
Предлагаемый в настоящем изобретении способ производства белковых концентратов с целью получения дополнительных продуктов с высокой добавленной стоимостью может быть осуществлен в виде двухстадийной экстракции. На первой стадии проводят экстракцию раствором спирта 95%-ной концентрации для извлечения фракции сапонинов и флавоноидов сырья, таких, например, как текстурированная соевая мука, а затем водными растворами спирта для извлечения не экстрагируемых экстрагентом при первой экстракции высоко- и низкомолекулярных растворимых соединений. Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет реализовать принцип комплексности использования сырья при производстве белковых концентратов и получение ряда побочных дополнительных ценных продуктов, повышающих общую эффективность процесса и улучшающих его экономику, за счет получения продуктов с высокой добавленной стоимостью.
Предлагаемый процесс производства концентратов белков может быть реализован на самых различных сырьевых источниках, таких как обезжиренный белый лепесток без его предварительного фракционирования на фракции, любая полученная путем рассева его фракция или получаемые в виде муки источники сырья. Для его реализации пригодны также и источники сырья, содержащие до 10% жира, способные к переработке методом классической варочной термопластической экструзии в самых разнообразных экструзионных устройствах, традиционно применяемых для этой цели без их специальной модификации и внесения конструктивных дополнительных изменений. Таким образом, имеется возможность существенного расширения как базы сырьевых ресурсов, так и технических средств для производства белковых концентратов по предлагаемому способу.
Текстурирование продукта проводят через тонкие отверстия в матрице диаметром 0, 8-3,0 мм с последующим нарезанием продукта концевым вращающимся ножом режущего устройства с получением максимальных размеров поперечника частиц, выходящих из экструдера, не превышающих 2-5 мм, которые могут непосредственно, без предварительной сушки поступать на экстракционные устройства или с целью их накопления или длительного хранения высушиваться и применяться на стадии экстракции в сухом виде. Предлагаемый способ производства белковых концентратов может быть реализован и при выпуске крупнокусковых форм экструзионных продуктов, обычно используемых при выпуске специальных продуктов (основы так называемых аналогов мясопродуктов или крупномерных изделий типа гуляша, или фрикаделек, или шницелей) после дополнительного измельчения получаемых кусков текстурированных продуктов до указанных оптимальных размеров, не превышающих в поперечнике 2-5 мм.
В результате обработки сырьевых источников согласно предлагаемому в изобретении способу разрушается органельное строение ткани и, в частности, жесткий полисахаридный матрикс сырья. Это существенно облегчает проникновение растворителя во все структурные элементы экструдированного сырья и существенно увеличивает скорость протекания диффузионных процессов и выведение проэкстрагированных низкомолекулярных веществ. Кроме того, скорость диффузионных процессов существенно возрастает благодаря образованию высокопористой губчатой структуры текстурированного материала и тому, что толщина стенок пористого материала, из которого производится экстракция, становится более чем на порядок тоньше, чем толщина исходного белого лепестка (большая доля получаемого материала представляет собой слоисто-пластинчатые и волокнисто-слоистые образования с размером их поперечника 0,01-0,1 мм). Это становится возможным в результате формирования тончайших пластинчатых волокнистых слоев белков сырья, образуемых за счет сдвиговых деформаций, происходящих в указанных режимах. Кроме того, доступная для действия растворителя и оттока проэкстрагированных веществ площадь поверхности, появляющаяся и за счет действия сдвиговых напряжений и взрывного испарения паров воды, находящейся под давлением 40-100 атмосфер, резко возрастает и также становится на порядки большей, чем у частиц исходного сырья и частиц, подвергаемых экстракции в прототипе. Еще один немаловажный положительный эффект достигается в результате того, что обработка сырья в указанных интервалах параметров осуществления «истинной» экструзии предлагаемого изобретения обеспечивает получение продукта с хорошей смачиваемостью его поверхности, то есть увеличивается скорость смачивания продукта. Как известно, для традиционного белого лепестка и особенно его тонких фракций эта важнейшая характеристика материала не обеспечивается в нужной степени. По-видимому, отсутствие хорошей смачиваемости материала также является одной из важнейших причин неэффективности извлечения из него экстрагируемых высоко- и низкомолекулярных веществ.
Кроме того, при использовании способа обработки источников сырья при режимах, предлагаемых настоящим изобретением, сокращается время экстракции и ее полнота как высоко-, так и низкомолекулярных растворимых соединений. В результате этого продукты, получаемые при использовании настоящего изобретения, характеризуются более нейтральными вкусовыми и ароматическими характеристиками. По органолептическим характеристикам и цвету они выгодно отличаются от других известных экструдированных белковых концентратов.
Последующая после экструзии экстракция текстурированных частиц продукта выводит не только остаточные высоко- и низкомолекулярные вещества, изначально присутствующие в источнике сырья, но и появляющиеся в процессе экструзии продукты реакции Майяра, обладающие выраженными собственными вкусоароматическими и цветовыми характеристиками. В результате образуется высокопористый продукт, характеризующийся нейтральными вкусоароматическими характеристиками и более светлой окраской. Осуществление способа производства белковых концентратов согласно предлагаемому изобретению дает возможность существенно улучшить окраску и вкусоароматику таких «трудных» белковых объектов, как рапс, подсолнечник и ряд других, окрашенных или приобретающих нежелательные цветовые характеристики при обработке указанных источников сырья. Эта особенность дает возможность использовать для экструзии, как правило, более дешевые указанные сырьевые источники.
3
4
2
В результате осуществления способа согласно изобретению получают продукт низкой микробиологической обсемененности. Так, если для продуктов традиционных технологических процессов характерен показатель порядка 10-10, то для предлагаемого изобретения он на порядок - два меньше и составляет величину менее 10.
Немаловажным достоинством предлагаемого изобретения является вариация форм получаемых конечных продуктов. Так, белковые концентраты производятся в виде экструзионных текстурированных продуктов, которые непосредственно представляют интерес для производителей мясной и рыбной продукции, консервов. Последующее их измельчение позволяет получать продукты в порошковой форме, пригодной для использования в самых различных аппликациях у хлебопеков, кондитеров, при производстве смесей для спортивного питания и многих других применениях.
Немаловажным преимуществом предлагаемого способа производства концентратов белков является и то, что в качестве сырьевого источника могут быть использованы как и традиционные обезжиренные гексаном источники сырья с остаточной жирностью до 1%, так и источники сырья, содержащие гораздо большее количество липидов, такие, например, как полученные прессовым методом полуобезжиренные продукты с остаточным содержанием липидов до 10%. Использование предлагаемого изобретения для данных сырьевых источников позволяет получать стандартные продукты с остаточным содержанием липидов в них, не превышающим 2%, а не 10-20%, как в способе, избранном в качестве ближайшего аналога, что позволяет получать концентраты белков с длительными сроками хранения.
В отличие от большинства применяемых сегодня способов согласно предлагаемому изобретению непосредственно из муки, одной из наиболее дешевых форм белкового сырья, в процессе экструзии и последующей водно-спиртовой экстракции получают непосредственно текстурированные концентраты, что является уникальной особенностью данного изобретения.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами.
Пример 1
Используют измельченный приблизительно до 0,1-0,2 мм белый лепесток производства отечественной компании "Амурагроцентр" со следующими характеристиками:
Влажность
7,9%
Белок
52,24%
Жир
0,7%
Клетчатка
4,1%
Зола
4,9%
Показатель NSI
72,9
Исходный белый лепесток равномерно подавали на двухшнековый экструдер Штак 72 производства компании Штак (Санкт-Петербург, Россия) со скоростью 492 кг/ч, имеющий четыре зоны, снабженные электрическими нагревающими и водяными охлаждающими элементами. Процесс экструдирования исходного сырья осуществляли таким образом, чтобы температура концевой выходной зоны экструдера составляла 185°С, а давление в стволе экструдера достигало значения в 70 атм. В концевую матрицу экструдера были установлены фильеры с диаметром отверстий 1,2 мм. В приемную камеру экструдера вводили очищенную на ионообменных смолах (катионите и анионите) воду со скоростью, обеспечивающей влажность экструдируемой массы 25%. Время обработки увлажненной массы в стволе экструдера составило 35 секунд.
Из матрицы обработанная масса выходила в виде расширенного (по сравнению с диаметром выходного отверстия матрицы) вспененного текстурированного материала, который разрезали вращающимися ножами на кусочки (текстурирвоанные гранулы) со средними размерами от 2 до 5 мм. При выходе из экструдера часть содержащейся воды удалялась из материала в виде пара и вместе с ним удалялись специфические вкусоароматические вещества. Остаточная влажность текстурированных гранул составляла около 19,5% и температура - около 95°С.
Полученные пористо-волокнистые текстурированные гранулы подавали в экспериментальный противоточный петлевой экстрактор со скоростью около 1 кг/ч. Экстракцию проводили водным раствором этанола с концентрацией 69,5% при скорости его подачи около 3 кг/мин. Экстрагированный материал высушивали в вакуумной сушилке для удаления остаточной влаги и спирта. Определение белка по методу Кьельдаля (коэффициент пересчета для аминного азота составлял 6,25) показало, что конечный продукт содержал 71,3% белка (в пересчете на абсолютно сухой вес). Показатель NSI конечного продукта составлял 19 единиц.
Органолептическая оценка образца показала, что он практически лишен специфического соевого запаха, характеризуется очень светлой, слегка кремоватой окраской. Образец легко и быстро увлажняется и при разжевывании не обнаруживает какого-либо специфического вкуса и запаха. Сравнительная оценка с вкусоароматическими характеристиками доступных на рынке образцов концентратов соевого белка других производителей показывает, что его показатели запаха, цвета и вкуса как в сухом, так и увлажненном виде являются наименее выраженными. Так, в частности, его сравнение с промышленными концентратами соевого белка ProTec Con G компании «Сойпротек» и Solcon компании «Solbar», близких по химическому составу к полученному продукту, позволяет констатировать его более нейтральные органолептические характеристики. Его сравнение с текстурированным концентратом соевого белка «Данпротекс ФЛ - 571» компании «Solae» с близкими показателями химического состава также обнаруживает менее выраженные вкусоароматические характеристики.
Сравнение данных экстракции данного образца белого лепестка и текстурированных соевых гранул в лабораторных условиях показывает, что в идентичных условиях экстракции из лепестка получается концентрат белка, содержащий как минимум на 1,0-1,5% меньше белка и на 0,5-0,9% больше растворимых углеводов. Получение соевого белкового концентрата с содержанием белка 70% (в пересчете на абсолютно сухой вес) требовало времени в случае лепестка на 20% больше, чем в случае текстурированных соевых гранул. Таким образом, способ обработки сырья, предлагаемый в настоящем изобретении, обеспечивает более (полное) эффективное удаление растворимых высоко- и низкомолекулярных веществ из продукта.
Пример 2
Используют измельченную приблизительно до 0,1-0,2 мм полуобезжиренную соевую муку, произведенную предварительной экструзионной обработкой и последующим прессованием на оборудовании компании "Инста-Про" (США), со следующими характеристиками:
Влажность
9,9%
Белок
50,2%
Жир
7,7%
Клетчатка
5,2%
Зола
5,9%
Показатель NSI
29,0
Муку равномерно подавали в прекондиционер одношнекового экструдера компании "Инста-Про" со скоростью 530 кг/ч, в который подавали воду и пар с целью получения однородной увлажненной массы с температурой 90°С, которую затем транспортировали в приемную камеру экструдера, имеющего четыре зоны. Во время последовательного прохождения зон ствола экструдера увлажненная масса постепенно разогревалась за счет внутреннего трения между шнеками и баррелями экструдера, а также при прохождении кольцевых паропреградителей, установленных между камерами, и в выходной концевой камере экструдера ее температура достигала 175°С, а давление достигало значения в 70 атм. В приемную камеру экструдера дополнительно вводили очищенную на ионообменных смолах (катионите и анионите) воду со скоростью, обеспечивающей влажность экструдируемой массы 23%. Концевая матрица экструдера была оборудована фильерой с диаметром отверстия 15 мм. Время прохождения материала по стволу экструдера составило 30 секунд. Выстреливаемый из фильеры пористо-волокнистый текстурированный материал ленточным транспортером подавали на измельчитель типа "Камитроль", в котором массу нарезали на кусочки с поперечным размером текстурированных гранул около 2-5 мм.
Экстракцию материала и последующую сушку проводили аналогично примеру 1, только в качестве экстрагента использовали раствор этилового спирта с концентрацией 10%.
Полученный конечный продукт - соевый концентрат - содержал 74,5% белка, 1,8% жира и имел показатель NSI, равный 18 ед.
Можно отметить, что продукт характеризовался более выраженной тонковолокнистой сетчатой структурой, чем продукт, полученный в примере 1. Его вкусоароматические характеристики практически не отличались от характеристик продукта, полученного на основе обезжиренной соевой муки, описанной в примере 1. Остаточные липиды никак себя не проявляли. Гидратация полученного продукта в воде и его последующее кипячение в течение 30 мин не сопровождалось выделением масляных пятен на поверхности воды. На этом основании можно предполагать, что продукт практически не содержит липидов в свободном виде, а его остаточные липиды находятся в прочно связанном состоянии, скорее всего в микрокапсулированной форме.
Пример 3
Способ осуществляли аналогично примеру 1, только вместо соевого белого лепестка использовали муку рапса следующего состава:
Влажность
6,9%
Белок
46,8%
Жир
0,9%
Клетчатка
5,8%
Зола
7,9%
После экстракции и высушивания в вакууме получили продукт светлой серовато-кремовой окраски с содержанием белка 65,6% (N X 6,25), содержание полифенольных соединений составило только 0,1%, а содержание растворимых сахаров менее 0,4%.
Органолептические характеристики продукта были нейтральными, без присутствия «сернистых» нот во вкусе и запахе белкового концентрата.
Пример 4
Способ осуществляли аналогично примеру 1, только вместо соевого белого лепестка использовали обезжиренную муку подсолнечника, содержавшую 59, 9% белка.
После экстракции и высушивания в вакууме получили продукт светлой окраски, с содержанием белка 67,2% (N X 6,25), содержание хлорогеновой кислоты составило менее 0,05%, а содержание растворимых сахаров - менее 1,4%. Диспергирование продукта в воде не приводило к появлению в суспензии зеленоватой ее окраски.
Пример 5
Аналогично примеру 1 провели обработку соевого белого лепестка, только использовали матрицу с диаметром выходных отверстий 0,8 мм, температура концевой зоны экструдера составляла 148°С, и время обработки - 45 с.
В качестве экстрагента использовали водный раствор бутанола с концентрацией 25%.
Полученный конечный продукт - соевый концентрат - содержал 72,3% белка, 0,5% жира и имел показатель NSI, равный 21 ед.
Пример 6
Способ осуществляли аналогично примеру 1. При этом влажность экструдируемой массы составляла 20%, температура - 180°С, давление - 120 атм, длительность обработки - 5 с.
В качестве экстрагента использовали этиловый спирт в концентрации 80%.
Полученный конечный продукт - соевый концентрат - содержал 70,2% белка и имел показатель NSI, равный 18 ед.
Пример 7
Способ осуществляли аналогично примеру 1. При этом влажность экструдируемой массы составляла 35%, температура - 120°С, давление - 40 атм, длительность обработки - 60 с.
Полученный конечный продукт - соевый концентрат - содержал 72,2% белка и имел показатель NSI, равный 19 ед.
Пример 8
Способ осуществляли аналогично примеру 1. При этом влажность экструдируемой массы составляла 25%, температура - 165°С, давление - 90 атм, длительность обработки - 30 с.
Полученный конечный продукт - соевый концентрат - содержал 71,8% белка и имел показатель NSI, равный 21 ед.
Пример 9
Способ осуществляли аналогично примеру 1 за исключением того, что при этом влажность экструдируемой массы составляла 27%, температура - 160°С, давление - 90 атм, длительность обработки - 20 с, а полученные текстурированные гранулы обрабатывали 95%-ным спиртом в колбе с обратным холодильником при температуре 80°С в течение 25 мин в соотношении гранулы:спирт 1:10. После осуществления экстракции в течение 30 мин экстракт фильтровали через фильтровальную бумагу в течение 5 мин. Оставшийся на фильтре осадок снова заливали спиртом в соотношении 1:5 и после трехминутного перемешивания снова фильтровали. Полученные спиртовые экстракты объединяли и высушивали до образования густой темно-желтой жидкости, которую передавали на дальнейшее фракционирование. Выход высушенной субстанции составлял 2% от массы текстурированных соевых гранул (в пересчете на их абсолютно сухой вес). Текстурированные гранулы помещали в экстракционное устройство и далее экстрагировали в условиях примера 1.
Полученный конечный продукт - соевый концентрат - содержал 73,5% белка и имел показатель NSI, равный 22 ед.
Пример 10
Способ осуществляли аналогично примеру 1. При этом влажность экструдируемой массы составляла 29%, температура - 175°С, давление - 80 атм и длительность обработки 30 с.
Полученные гранулы текстурированной соевой муки сушили в ленточной сушилке до остаточной влажности 8,7%. Полученную текстурированную сухую соевую «крупку» хранили в сухом складе при температуре 18-23°С в течение 3 месяцев. Экстракцию этой сухой текстурированной соевой крупки проводили в устройстве и условиях, соответствующих примеру 1.
Полученный продукт - соевый концентрат - содержал 71,1% белка и имел показатель NSI, равный 19.
Пример 11
Использовали текстурированную соевую муку стороннего известного российского производителя, полученную из коммерческих источников. Состав данного продукта:
Влажность
8,9%
Белок
50,6%
Жир 0,9% Клетчатка
3,8%
Зола
5,9%
Данную текстурированную соевую муку экстрагировали в устройстве и условиях, соответствующих примеру 1.
Полученный продукт - соевый концентрат - содержал 67,6% белка и имел показатель NSI, равный 19.
Пример 12
Способ осуществляли аналогично примеру 1. При этом влажность экструдируемой массы составляла 30%, температура - 170°С, давление - 75 атм, длительность обработки - 25 с.
Экстракцию полученных в результате текстурированных гранул продукта осуществляли водным раствором этилового спирта концентрацией 20%.
Полученный конечный продукт - соевый концентрат - содержал 74,9% белка и имел показатель NSI, равный 17 ед.
Пример 13
Способ осуществляли аналогично примеру 1. В качестве экстрагента использовали раствор изопропилового спирта с концентрацией 25%.
Полученный продукт - соевый концентрат - содержал 68,5% белка и имел показатель NSI, равный 20 ед.
Пример 14
Способ осуществляли аналогично примеру 1. В качестве экстрагента использовали раствор изобутилового спирта с концентрацией 50%.
Полученный продукт - соевый концентрат - содержал 71,5% белка и имел показатель NSI, равный 20 ед.