УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СОЕВОГО БЕЛКОВОГО ИЗОЛЯТА
PLANT FOR OBTAINING SOY PROTEIN ISOLATE

Изобретение относится к производству продуктов из бобов сои, в частности к получению соевого белкового изолята (SPI), и может быть использовано в пищевой промышленности, для нужд мясоперерабатывающей, хлебопекарной и кондитерской индустрии, а также в косметологии, фармацевтике; при производстве продуктов детского и спортивного белкового питания, пищевых добавок, высокоэнергетических напитков, в кормах для животных.
Необходимость развития производства продуктов из бобов сои, в основном, обусловлена нехваткой животных белков для человечества. Ценность сои заключена в большом содержании обладающего высокими биологическими свойствами сбалансированного белка, который прекрасно усваивается организмом человека. Она богата аминокислотами, витаминами, фосфолипидами и изофлавонами - одним из наиболее активных компонентов в соевых белках. Они снижают риск развития сердечно-сосудистых заболеваний и понижают содержание холестерина в сыворотке крови.
Соевый белок используют в колбасных изделиях для замены дорогостоящего миофибриллярного мышечного белка, для производства эмульсий из низкосортного мяса, для снижения содержания жира в рецептуре без ухудшения органолетических характеристик готового продукта. Высокие функционально-технологические свойства изолированного белка в сочетании с повышенной биологической ценностью и многовариантностью технологического применения делают этот продукт очень актуальным при решении вопросов производства продуктов для здорового образа жизни.
Существует много технологических процессов и, соответственно, их аппаратурного оформления, получения изолятов соевых белков. Более предпочтительны технологии, которые основаны на дальнейшей переработке шрота, получаемого после экстракции масла из семян. Большинство соевых изолятов, поступающих на рынок, производят экстракцией, осаждением и нейтрализацией, проводимыми при заданных значениях pH, и последующей распылительной сушкой полученного продукта.
В данном изобретении авторами предложена установка для получения белкового изолята, где исходным сырьем может служить - "Белый лепесток" - обезжиренный гексаном соевый лепесток, полученный из пищевых сортов очищенных от оболочки соевых семян, международная аббревиатура (WF), со следующими показателями:
В вышеприведенной таблице важны два показателя: PDI и толщина лепестка, которые являются основными при переработке белого лепестка на соевые белковые изоляты.
Чем выше индекс растворимости белка (PDI - Protein Dissolubility Index), тем выше выход дорогостоящего изолята в технологическом процессе, и меньше - клетчатки, и наоборот. К сожалению, этот показатель не всегда стабилен из-за неоднородности сырья, поступающего на переработку, а выход изолята прямо пропорционально зависит от этого показателя. Стандартные требования к исходному сырью в общепринятых технологиях переработки белого лепестка на изолированные белки сводятся к тому, что индекс растворимости PDI не должен быть ниже 80, а толщина лепестка не должна превышать 1 мм, в противном случае соевая мука сбивается в труднорастворимые комки.
Предлагаемая установка позволяет работать с сырьем - белым лепестком и/или с его отходами с низкой или высокой растворимостью сырья - растворимость которого PDI - от 55 до 95, при толщине хлопьев от 0,2 мк до 1 мм.
Одной из основных проблем, возникающих при получении соевых белковых изолятов, является проблема низкого выхода дорогостоящего соевого изолята в технологическом процессе. Кроме того, стандартные технологи получения соевого изолированного белка, как правило, сопрягаются с большим потреблением воды, а также огромным количеством промышленных стоков.
Это влечет за собой дополнительные затраты на строительство заводских очистных сооружений, значительно увеличивает расход энергоносителей для прямого нагрева постоянно поступающей в технологический цикл свежей воды, температура которой равна температуре окружающей среды 18-20°С.
Известны технологические линии для производства текстуратов белка, в которых после разделения центрифугированием твердой и жидкой фаз последнюю направляют на повторное использование для приготовления новой порции суспензии при измельчении жмыха, что позволяет уменьшить расход воды (пат. РФ №2195129, 2001)
Однако коэффициент полезного действия такого приема по отношению к затратам на получение продукта крайне незначителен.
Наиболее близким к предложенной является установка для получения соевого белкового изолята, выполненная в соответствии с технологией, описанной в пат. РФ №2233097, 2000, содержащая соединенные трубопроводами узел дозирования сырья, узел его измельчения, емкость для замачивания сырья, патрубки ввода сырья, воды, щелочи, жидкостей процесса и вывода продуктов, устройства для экстракции сырья, декантеры для отделения экстракта и клетчатки, емкость для кислотного осаждения белка, декантер для отделения белка, емкость для промывки белка, декантер для отделения промытого белка, устройство для сушки белка и устройство для упаковки готового продукта.
В данном источнике для создания условий выделения белка из твердого вещества перед экстракцией и во время ее используют ферменты, а также применяют жесткие условия экстракции, что ведет к большим повреждениям белка. Такие соевые изоляты не пригодны для производства пищевых продуктов, их можно использовать только в косметическом производстве.
Из описанного источника известна также подача надосадочной жидкости после осаждения белков на стадии экстракции для уменьшения потерь белка и экономии воды, однако подготовку сырья и его растворение осуществляют либо с помощью воды, либо с помощью раствора щелочи.
Между тем исследования авторов показали, что использование надосадочной жидкости (сыворотки), состоящей из остаточных растворенных сахаров и минералов и твердой фазы, содержащей в себе осажденные белки, на стадии подготовки сырья и его растворения позволяет сократить время растворения (замачивания) сырья, повысить однородность смеси, увеличить выход белка за счет повышения его экстрагируемости, а также снизить количество потребляемой воды.
Задачей настоящего изобретения является создание установки для получения соевого белкового изолята, в которой технологический процесс происходит при многократном уменьшение количества потребляемой воды (в 2,5 раза), при отсутствии сточных вод, и позволяющей, кроме того, сократить потери белка на основных стадиях процесса.
Техническим результатом изобретения является сокращение расхода воды на 80%, экономия энергоресурсов, необходимых для нагрева воды до температуры процесса, поскольку возврат жидкой фазы происходит при температуре процесса - 55°С, а вода вновь поступающая, как правило, имеет температуру 20°С.
Жидкая фракция после промывки в целях экономии воды и энергоресурсов поступает в рецикл для использования в процессе замачивания сырья. В результате использования ее в рецикле удается сократить использование свежей воды до минимума, всего 10% свежей воды от общего количества. При этом поступающие 10% свежей воды позволяют исключать максимальную концентрацию минералов, сахаров и других микроэлементов в жидких фазах, которая могла бы ухудшить химико-физические свойства процессов.
Техническим результатом изобретения является также повышение выхода высокомолекулярного белка, за счет обеспечения качественной подготовки сырья, сокращения времени пребывания сырья на стадиях экстракции, использованию в процессе практически всех жидкостей после осаждения и промывки белков. При этом в качестве сырья могут быть использованы отходы белого лепестка, экстрагировать белок из которых в других случаях не удается.
Предлагаемая установка по производству белковых изолятов предусматривает таким образом «чистую» технологию, т.е. полное отсутствие промышленных стоков, что позволит, с одной стороны, сэкономить существенные средства на утилизации сывороточных вод и строительстве очистных сооружений, с другой стороны, значительно сократит объем водопотребления в технологическом процессе и, в третьих, позволит производить высококачественный соевый изолят.
Общая потребность в водной подпитке составит около 5000 литров в час.
Установка рассчитана на 330 рабочих дней в году, 24 часа в сутки при производительности в час (может варьироваться в зависимости от состава сырья):
- сырье на экстракцию - 2,5 тонны,
- выход изолята - 1000 кг,
- выход диетической клетчатки - 670 кг,
- выход мелассы (50% влажность) - 1700 кг.
Для решения вышеобозначенной технической задачи установка для получения соевого белкового изолята, содержащая соединенные трубопроводами узел дозирования сырья, узел его измельчения, емкость для замачивания сырья, патрубки ввода сырья, воды, щелочи, жидкостей процесса и вывода продуктов, устройства для экстракции сырья, декантеры для отделения экстракта и клетчатки, емкость для кислотного осаждения белка, декантер для отделения белка, емкость для промывки белка, декантер для отделения промытого белка, устройство для сушки белка и устройство для упаковки готового продукта, дополнительно снабжена размещенным перед емкостью для замачивания сырья гравитационно-турбулентным смесителем,
вихревым смесителем, расположенным перед емкостью для кислотного осаждения белков,
системой выпаривания и емкостью для конденсата,
при этом трубопроводы отвода конденсата подсоединены к узлу для измельчения сырья, к емкости для замачивания сырья, к устройству для повторной экстракции сырья и емкости для промывки белка, а трубопроводы отвода жидкостей процесса из декантера для отделения клетчатки и декантера для отделения промытого белка подсоединены к гравитационно-турбулентному смесителю.
Предпочтительно, что гравитационно-турбулентный смеситель выполнен в виде вертикальной трубы с размещенной внутри нее спиралью, а патрубки ввода сырья, воды, щелочи и жидкостей процесса расположены в верхней части трубы.
Предпочтительно, что вихревой смеситель установлен в трубопроводе перед емкостью для кислотного осаждения белков и представляет собой спиральную воронку.
Предпочтительно, что установка дополнительно снабжена узлами для стабилизации, модификации и пастеризации белков, установленными перед устройством для сушки.
Водно-щелочная обработка сырья в гравитационно-турбулентном смесителе, выполненном в виде вертикальной трубы с размещенной внутри нее спиралью, с патрубками ввода сырья, воды, щелочи и жидкостей процесса, расположенными в верхней части трубы, позволяет осуществить полноценное замачивание сырья и получить таким образом сырье однородной формы и одинакового удельного веса, что важно, т.к. сырье в этом случае поступает на экстракцию в виде абсолютно однородной массы, со стабильным показателем pH и полностью готовым к экстрагированию белков. В итоге, это позволяет выделить дополнительно 5-7% высокомолекулярного дорогостоящего белка. При этом, в верхней части вертикальной трубы на начальном этапе обеспечивается соотношение сырье/жидкость 1:2, а не 1/10, как в известных установках, что сокращает общие затраты воды.
Подсоединение трубопроводов отвода жидкостей процесса из декантера для отделения клетчатки и декантера для отделения промытого белка к гравитационно-турбулентному смесителю позволяет жидкую фазу, образующуюся в процессе выделения белков, подавать в начало технологического цикла для растворения и активизации экстрагируемых свойств поступающего на обработку сырья. Это дает возможность значительно снизить потребление воды (на 80%), и в тоже время с помощью содержащихся в жидкой фазе белков и сахаров, смешанных с щелочным раствором, максимально активировать экстрагируемые свойства сырья.
Перед этапом кислотного осаждения осуществляют предварительное смешивание жидкой фазы с кислотой в трубопроводе с помощью вихревого смесителя, установленного в трубопроводе перед емкостью для кислотного осаждения белков и представляющего собой спиральную воронку.
Это позволяет снизить pH экстракта до изоэлектрической точки уже в самом потоке, и в емкости кислотного осаждения не происходит колебаний значения pH от уровня РН 4.5 - изоэлектрической точки соевых белков. Тем самым белок полноценно выпадает в осадок, и при последующем декантировании высокомолекулярные белки полностью отделяются от минералов, сахаров, а также других небелковых соединений. На практике это приводит к повышенному выходу дорогостоящего белка на 3-4% и сокращению расхода воды за счет отсутствия дополнительной подготовки расходного раствора кислоты.
Снабжение установки системой выпаривания и емкостью для конденсата, причем трубопроводы отвода конденсата подсоединены к узлу для измельчения сырья, к емкости для замачивания сырья, к устройству для повторной экстракции сырья и емкости для промывки белка, позволяет сократить потери воды на этих операциях и увеличить выход белка за счет активации экстрагируемых свойств сырья. Кроме того, это дополнительно позволяет выпускать ценный кормовой продукт - соевую мелассу, которая используется в производстве комбикормов.
Снабжение установки узлами для стабилизации, модификации и пастеризации белков, установленными перед устройством для сушки, позволяет придать конечному продукту заданные функциональные свойства и получить высушенный продукт (изолят) в порошкообразной форме с содержанием влаги около 5%.
Предлагаемая установка показана на чертеже фиг. 1, где:
1 - узел дозирования сырья
2 - узел измельчения сырья с патрубком подвода конденсата (на чертеже не показан)
3 - гравитационно-турбулентный смеситель с патрубками подвода жидкостей процесса (на чертеже не показаны)
4 - емкость для замачивания сырья с патрубком подвода конденсата (на чертеже не показан)
5 - устройство для экстракции сырья
6 - декантер для отделения экстракта
7 - устройство для повторной экстракции сырья
8 - узел обработки суспензии паром
9 - вакуумная емкость для понижения температуры суспензии
10 - декантер для отделения клетчатки
11 - сборник клетчатки
12 - емкость для кислотного осаждения белка
13 - декантер для отделения белка
14 - емкость для промывки белка
15 - декантер для отделения промытого белка
16 - емкость для стабилизации влажности и pH
17 - емкость для окончательной стабилизации
устройство для пастеризации, включающее паровой диффузор для стерилизации - 18 и гомогенизатор - 19
20 - вакуумная емкость для понижения температуры белка
21 - устройство для сушки белка
22 - устройство для упаковки готового продукта
23 - емкость для хранения мелассы
24 - система выпаривания
25 - вихревой смеситель
26 - емкость для конденсата
Установка работает следующим образом
Посредством узла дозирования сырья 1 необходимое количество сырья (например, белого лепестка с индексом растворимости PDI - от 55 до 95, при толщине белого лепестка или его отходов от 0,1 мк до 1,5 мм) подают в узел измельчения сырья 2, куда через соответствующие патрубки (патрубки ввода сырья, воды, щелочи, жидкостей процесса и вывода продуктов на чертеже не показаны) подают воду, раствор щелочи, пеногаситель и конденсат из емкости для конденсата 26. В процессе замачивания добавляют пеногаситель, так как возможно образование большого количества пены. В качестве пеногасителя возможно использование FOAM BLAST 300K.
Щелочь NaOH (10%-98%) разводят в воде для увеличения уровня pH и улучшения растворимости белка.
Затем измельченную массу подают в верхнюю часть гравитационно-турбулентного смесителя 3 в гравитационный закрученный поток для замачивания поступающего сырья без образования комков. Туда же поступает жидкости процесса из декантера для отделения клетчатки 10 и декантера для отделения промытого белка 15. Гравитационно-турбулентный смеситель 3 может быть выполнен любым известным способом, подходящим для получения гравитационного закрученного потока, но предпочтительно представляет собой вертикальную трубу с размещенной внутри нее спиралью (на чертеже не показан).
Затем вся эта масса, уже смешанная и обработанная при гравитационном падении, поступает в емкость для замачивания сырья 4 примерно на 40 минут; затем подается в емкость для экстракции сырья 5 при температуре (48°С - 65°С) и pH (6,8-8,8), влажности 90%. Время экстракции от 2 минут до 40 минут, в зависимости от технологического баланса процесса. Осадка жидкой фазы нет.
Из емкости для экстракции сырья 5 суспензию подают в декантер для отделения экстракта 6 (жидкой фазы, содержащей экстрагированный белок и водорастворимые белки и сахара) от твердой фазы (содержащей нерастворимые углеводы - в основном клетчатку и непроэкстрагированные белки).
Экстракт проходит через вихревой смеситель 25 (куда подается кислота HCL), установленный в трубопроводе перед емкостью для кислотного осаждения белков 12. Вихревой смеситель 25 может быть выполнен любым известным способом, подходящим для получения закрученного потока, но предпочтительно представляет собой спиральную воронку (на чертеже не показана).
В емкость для кислотного осаждения белков 12 экстракт подают при pH, соответствующем изоэлектрической точке соевых белков. Для достижения уровня pH в интервале 4,45-4,55 в раствор добавляют соляную кислоту HCL.
Предварительное смешивание жидкой фазы с кислотой уже в трубопроводе с помощью вихревого смесителя 25 дает возможность равномерно понизить pH жидкой фазы уже на этапе движения в трубопроводе перед попаданием экстракта в емкость кислотного осаждения 12. Практическое преимущество такого введения кислоты приводит к тому, что в емкости кислотного осаждения 12 не происходит колебания значений pH от уровня изоэлектрической точки, равного 4.5. Этот уровень pH, контролируемый специальным сенсором (pHметром), известный как изоэлектрическая точка соевых белков или уровень минимальной растворимости белка, при которой примерно 85% растворимых белков выпадают в осадок (осаждаются) и могут быть отделены от растворимых сахаров и так называемых «сывороточных» белков.
Тем самым белок полноценно выпадает в осадок, и при последующем декантировании высокомолекулярные белки полностью отделяются от минералов и сахаров, а также других небелковых соединений. На практике это приводит к повышению выхода дорогостоящего белка на 3-4%.
Твердая фаза из декантора для отделения экстракта 6 подается в емкость для повторной экстракции 7, где она смешивается с водой и жидкостью процесса - конденсатом из емкости для конденсата 26 для дальнейшего более полного выделения остаточных белков и сахаров. Во время повторной экстракции дополнительно растворяется примерно 5-10% белков, не растворившихся при первой экстракции.
Параметры повторной экстракции: температура (48°С - 65°С) и pH (6,8-8,8), влажности 89-92%. Время экстракции от 2 минут до 40 минут, в зависимости от технологического баланса процесса. Осадок жидкой фазы 2-3%.
При снижении индекса растворимости PDI менее 75 (при котором уже возникают потери белка), который контролируют в режиме On-Lain спектрометром MATRIX-F, включается в работу система дополнительного «термического шокового демпинга» - узел обработки суспензии паром 8. Суспензию обрабатывают остро-насыщенным паром по всему поперечному сечению потока, чтобы обеспечить тщательное перемешивание и равномерное распределение температуры, что способствует резкому увеличению температурного режима с 60°С до (82°-102°)С. При этом давление в трубопроводе поддерживают (2,2-4,0) Bar в течение (0,5-2,5). Затем резко снижают температуру до 48°С - 65°С путем направления потока в вакуумную емкость для понижения температуры суспензии 9.
Это способствует усилению эффекта экстрагирования белка из клетчатки, который ранее не мог быть экстрагирован. Дальнейшее резкое снижение температуры экстракта до 48°С - 65°С за счет направления его в вакуумную емкость 9 позволяет избежать денатурации белка и также усиливает способность к экстрагированию. Это сохраняет стабильный выход белка при наличии высокой сорности сырья и низком индексе растворимости (PDI).
Затем суспензию подают в декантер для отделения клетчатки 10, где происходит отделение экстракта, содержащего дополнительно выделенные 5-7% водорастворимых белков и сахара, от твердой фазы (содержащей нерастворимые углеводы - в основном клетчатку и остатки водонерастворимых белков). Жидкую фазу - экстракт подают в гравитационно-турбулентный смеситель 3, а твердую (при влажности около 80%) подают в сборник клетчатки 11.
Из емкости для кислотного осаждения белков 12 осажденную суспензию выдерживают в течение определенного времени для созревания и «успокоения» белков и подают в декантер для отделения белка 13.
Из декантера для отделения белков 13 жидкую фазу (сыворотку) с влажностью 97% направляют в систему выпаривания 24, где ее влажность уменьшают до 50%, и она в виде соевой мелассы поступает в емкость для хранения мелассы 23 и на участок производства комбикормов.
Для производства высококачественного изолята с содержанием не менее 90% белка, сгусток осажденных белков подают в емкость для промывки белка 14 для более качественного удаления сахаров и минералов и в декантер для отделения промытого белка 15. Неконцентрированная сыворотка, состоящая из остаточных растворенных сахаров и минералов из декантера для отделения промытого белка 15 подается в гравитационно-турбулентный смеситель 3.
Осажденный белок может быть подвергнут нейтрализации, модификации, пастеризации, удалению бобового запаха. Для этого его подают в емкость для стабилизации влажности и pH 17 и в емкость для окончательной стабилизации 17; затем в устройство для пастеризации, включающее паровой диффузор для стерилизации - 18 и гомогенизатор - 19, после чего направляют в вакуумную емкость для понижения температуры белка 20, в устройство для сушки белка 21 и в устройство для упаковки готового продукта 22.
Используют распылительную сушку, а высушенный продукт (изолят) в порошкообразной форме с содержанием влаги около 5%, поступает на упаковку.
Характеристика и объем выпускаемого продукта.
Объем и характеристики потребляемых продуктов (в час):
Таким образом, предлагаемая установка позволяет осуществить «чистую» технологию, т.е. полное отсутствие промышленных стоков, что дает возможность, с одной стороны, сэкономить существенные средства на утилизации сывороточных вод и строительстве очистных сооружений, с другой стороны, значительно сократит объем водопотребления в технологическом процессе и, в третьих, дополнительно позволит выпускать ценный кормовой продукт - соевую мелассу.