Использование мембранных процессов при переработке растительного сырья

НОВЫЕ ИДЕИ - НОВЫЕ ПРОДУКТЫ

\ТЕМА НОМЕРА]

УДК 541.1; 663.1; 664.2

Использование мембранных процессов

при переработке растительного сырья

В.Л. Кудряшов, канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии

По экспертным оценкам, отечественное сельское хозяйство, пищевая промышленность, а также машиностроение для АПК в результате вступления в ВТО могут потерять до 30 % оборота. Противодействовать этому призваны налоговые льготы, доступные кредиты, дотации, субсидии, госзаказ и другие способы господдержки.

Мембранные процессы позволяют сохранять в нативном состоянии все БАВ, а следовательно, производить продукты питания повышенной пищевой и биологической ценности.

Наиболее эффективная из них-выведение технологий, используемых в АПК, на мировой уровень за счет достижений современной науки. Эти меры, относящиеся к так называемой «зеленой корзине», ВТО не регулируются и могут применяться без ограничений.

Конкурентоспособность пищевых продуктов можно обеспечить только при использовании конкурентоспособного по цене и качеству сельхоз-сырья, а также внедрении производств, основанных на высоких технологиях, обеспечивающих его безотходную глубокую переработку при низких энергозатратах.

Для выделения, очистки и концентрирования биологически активных веществ (БАВ) применяют разнообразные относящиеся к нанотехноло-гиям мембранные процессы (МП): микрофильтрация (МФ), ультрафильтрация (УФ), нанофильтрация (НФ) и обратный осмос (ОО).

Основные преимущества МП предопределяются отсутствием нагревания, фазовых переходов, дополнительных реагентов и теплоносителей [1]. МП позволяют сохранять в нативном состоянии все БАВ, а следова-

Ключевые слова: растительный белок; флавоноиды; мембранные процессы; листостебельная биомасса; кукурузный экстракт.

Key words: vegetable protein, flavonoids, membrane processes, leafy biomass, corn extract.

тельно, производить продукты питания повышенной пищевой и биологической ценности. За счет применения МП достигается не только конкурентоспособность по энергозатратам (таблица), но также: исправление некачественного сырья и воды селективным удалением из них радионуклидов, ядохимикатов и других ксенобиотиков; вовлечение вторичного, обедненного и нетрадиционного сырья путем выделения из него и концентрирования только ценных веществ; холодная «стерилизация» с сохранением термолабильных БАВ.

Перспективным сырьем для крупнотоннажного производства растительного белка (потенциально до 5 млн т/год) в РФ является листостебельная масса сеяных трав (биомасса), и прежде всего красного клевера, люцерны, коровяка, топинамбура и др. Практически на всей территории РФ выход из сеяных трав значительно выше, чем в наиболее широко распространенном в мире сырье - сое. Так, по протеину в люцерне он составляет 15 ц/га, клевере - 10,5, а при возделывании сои - только 9 ц/га.

Целесообразность широкого использования такого сырья косвенно подтверждает тот факт, что в конце 80-х годов ХХ века правительством страны была принята программа по созданию на сегодняшней территории России, Украины, Беларуси и Казахстана 3,1 тыс. комплексов по производству кормового белка мощностью 10 т/ч по перерабатываемой биомассе, причем по устаревшей к настоящему времени технологии термо-химической коагуляции. В ре-

зультате замены последней на МП технология была существенно улучшена.

Зеленый сок, отжатый из люцерны и красного клевера, содержит большое количество белка (до 45 %), витаминов группы С, Е, К, В, D и бета-каротина и других БАВ. Кроме того, красный клевер содержит большое количество флавоноидов, которые чрезвычайно эффективны для лечения и профилактики атеросклероза. БАВ люцерны обладают антиаллергическими, антистрессовыми, общеукрепляющими и противовоспалительными свойствами, нейтрализуют гепатотоксическое и побочное действие лекарств.

Мембранная технология получения из биомассы пищевых и кормовых высокобелковых добавок была доработана в лаборатории мембранных технологий (ЛМТ) ВНИИпи-щевой биотехнологии (ВНИИПБТ) совместно с ВНИИкормов им. В.Р. Вильямса [2]. Она рассчитана на получение высокоценных растворимых недорогих (дешевле соевых) пищевых изолятов и концентратов белка из цитоплазматической фракции (коричневого сока) биомассы, отделенной на УФ-мембранах от клетчатки, и хлоропластовой (кормовой) фракции с последующей ее очисткой и концентрированием на ОО- и НФ-мембранах.

Все вышеперечисленные БАВ концентрируются совместно с этой фракцией, повысить биологическую ценность которой можно за счет дополнительного ферментолиза содержащегося в ней белка до коротких полипептидов и аминокислот.

Эти растительные недорогие лечебно-профилактические добавки (цена порядка 6 руб/кг, что в 2-3 раза ниже аналогов) эффективны для обогащения белком и других БАВ мясных, молочных, хлебобулочных, кондитерских и прочих пищевых продуктов.

Технология предусматривает также производство влажного или сухого жома (образующегося при отжатии из биомассы зеленого сока), содержащего порядка 65 % клетчатки, а также белково-витаминной пасты (БВП) из хлорпластовой фракции трав, содержащей около 40 % протеина.

Жом скармливается скоту на месте и/или идет на силосование, а БВП используется в комбикормах взамен травяной муки, соевого и подсолнечного шрота и других белковых премиксов.

Разработаны также технологии переработки жома на пищевые волокна (ПВ), а БВП на белковую пищевую добавку.

Энергозатраты в типовых процессах разделения и концентрирования

Тип процесса разделения (удаления влаги) Энергозатраты на разделение, МДж/м3

Проницание через мембрану: теоретическое значение при давлении 5 МПа достигаемое на современных ОО-НФ-установках; Концентрирование на УФ- и МФ-установках 4,9 15-25 100-150

Выпарка под вакуумом в четырехкорпусной установке 566

Сушка 2270

Вымораживание 336

Центрифугирование 13

Фильтрование на вакуумных фильтрах 35-45

Для устранения основного недостатка растительных белков (низкое содержание лизина и некоторых других незаменимых аминокислот) технология предусматривает биосинтез на пермеате коричневого сока L-лизина, L-триптофана и L-треонина, а также кормовых дрожжей.

С целью адаптации технологии к работе в межсезонье (при отсутствии биомассы в холодное время года) предусмотрена гибкая структура, позволяющая переналаживаться на переработку другого местного длительно сохраняемого растительного (топинамбура, цикория, сте-вии, свеклы, яблок, моркови, сушеных трав) и вторичного (молочной сыворотки, зерновой барды, пивных дробины и дрожжей, картофельных сока и мезги, кукурузного экстракта, свекловичного жома и др.) сырья.

Остается актуальным и создание комбинированных производств пищевых и кормовых концентратов и изолятов белка из сои, гороха и других бобовых, эффективность использования МП в которых также доказана [3]. Наш анализ физико-химических составов УФ- и НФ-пермеатов, образующихся в таких производствах, показал, что их также можно использовать в составе субстратов для биосинтеза лизина и прочих продуктов микробиосинтеза.

Перспективное растительное сырье - зерновые, урожайность которых за последние 30 лет увеличилась в РФ на 60 %. При этом востребованной, высокой для АПК технологией остается производство пшеничной клейковины, для которой также эффективно применение МП в целях регенерации воды на стадии ее отмывки от растворимых белков и углеводов и концентрирования двух последних.

Особенно эффективно использование МП на стадиях переработки вторичного сырья, образующегося при производстве спирта, пива, крахмала и патоки.

Так, при переработке послеспир-товой барды на основе применения

МП разработана технология производства трех пищевых и кормовых добавок с повышенным содержанием белка, ПВ (клетчатки) и аминокислот [4]. Для устранения дефицита лизина создана технология его биосинтеза с использованием в составе субстрата барды [5, 6].

На основе применения МП разработана также низкоэнергоемкая гибкая технология переработки образующихся на пивзаводах дробины, остаточных дрожжей, белкового отстоя, лагерных осадков, замочных и промывных вод с производством пищевой или кормовой добавки «ВИТА-СОРБ» или сухих дрожжей и ПВ [7].

За счет применения МП и ультразвука (УЗ) усовершенствована также ранее разработанная технология производства ферментолизатов пивных, пекарских и кормовых дрожжей [8].

Актуальная проблема кукурузо-крахмальных заводов - утилизация скоропортящегося кукурузного экстракта (КЭ), концентрация СВ которого в нативном виде в зависимости от способа замачивания составляет 512 %. КЭ - ценное вторичное сырье для кормопроизводства предприятий микробиологической, пищевой и медицинской промышленности, так как содержит до 40 % протеина, причем в легкоусваиваемом растворенном виде.

В нативном КЭ (при общем количестве азота порядка 8 мг %) содержится 16 аминокислот, в том числе порядка 300 мг на 1 г абсолютно сухих веществ (а.с.в.) связанных и 100 мг-свободных.

Для увеличения срока (до года и более) и уменьшения объема хранения КЭ концентрируют до концентрации СВ 45-50 % выпаркой, которая имеет ряд существенных недостатков: интенсивное пенообразование, наки-пе- и нагарообразование, загорание поверхностей нагрева, коррозионный износ и высокие инвестиционные и энергетические затраты. Кроме того, выпарка не обеспечивает химической и микробиологической чистоты КЭ, необходимой для производства до-

бавок и препаратов пищевого и медицинского назначения.

Устранить все эти недостатки (как показали научно-исследовательские работы, проведенные совместно ВНИ-ИПБТ и ВНИИ крахмалопродуктов) можно заменой выпарки на МП [9].

Концентрированный КЭ реализуется на рынке отдельно или в качестве комплексной кормовой добавки после сушки совместно с кукурузной мезгой и добавкой глютена или без него.

Как показал наш анализ, существенно повысить экономическую эффективность переработки КЭ можно за счет биосинтеза лизина с включением в субстрат экстракта в нативном виде или, что еще эффективней, путем оптимизации состава последнего за счет предварительного удаления излишнего количества белковых веществ с помощью МП. Для реализации этого метода разработана специальная технология, блок-схема которой в упрощенном виде представлена на рис. 1.

Перспективным сырьем для крупнотоннажного производства растительного белка (потенциально до 5 млн т/год) в РФ является листостебельная масса сеяных трав (биомасса).

Биосинтез лизина осуществляется в течение 56-72 ч в биореакторе 1 на субстрате, в состав которого входят нативный КЭ (или его пермеат), патока и питательные соли, при непрерывной подаче воздуха в количестве 0,8-1,0 объема на объем питательной среды в 1 мин.

После окончания биосинтеза культура лизина подается на УФ-установку 2, где из нее отделяются и концентрируются взвешенные балластные вещества (куда входят остатки питательной среды, штамм-продуцент лизина, коллоиды и др.) с получением ультраконцентрата. Последний подается в существующий цех кормов, где высушивается совместно с кукурузной мезгой и сконцентрированным КЭ.

Ультрапермеат (фильтрат, прошедший через УФ-мембрану) представляет собой кристально прозрачную жидкость, содержащую в растворенном состоянии лизин.

Содержащийся в УФ-пермеате лизин концентрируется на комбинированной многоступенчатой НФ - ОО-мембранной установке 3, а затем высушивается в сушилке 4.

НОВЫЕ ИДЕИ - НОВЫЕ ПРОДУКТЫ

\ТЕМА НОМЕРА]

Воздух

ЕК| стадию 1амач11 ва н н н

Рис 1. Упрощенная блок-схема производства лизина на кукурузопаточным (крахмальном) заводе: 1 - биореактор; 2 и 3 - ультрафильтрационная и комбинированная нанофильтрационно-обратноосмотическая мембранные установки, 4 - сушилка

1С ар I офе. I мп>| и 1ч> к мезга

Конденсат (рецикл » исх крахмал я1

Рис. 2. Обобщенная блок-схема комплекса по переработке картофельного сока и мезги в корма, пищевые добавки и биопрепараты: 1 и 2 - УФ- и НФ- (или ОО-) мембранные установки; 3 и 4 - сушилки; 5 - сборник-смеситель; 6 - вакуум-выпарка; 7 - дрожжегенератор

Лизин подмешивается в оптимальном количестве к выпускаемым на крахмальном заводе кормам и/или реализуется на рынке отдельно.

В связи с тем, что основные и дорогостоящие компоненты питательных сред для микробиосинтеза лизина - кукурузный экстракт и глюкоза, то строить цеха по его производству целесообразно при кукурузопа-точных заводах. Так как цена суб-

страта достигает 30 % в себестоимости производства лизина, это позволит значительно ее снизить, что служит дополнительным аргументом такого размещения.

Одна из наиболее важных проблем картофелекрахмального производства (ККП)- переработка побочных продуктов (ПБ)- картофельного сока (КС) и мезги, которые содержат большое количество БАВ.

Сам картофель (основное сырье ККП), кроме целевого продукта крахмала, содержит в составе протеин, жиры, клетчатку, органические кислоты, витамины (С, Е, РР, группы В и фолиевую кислоту), ß-каротин и минеральные элементы (калий, магний, кальций, фосфор, железо, натрий и др.). Картофельный белок по биологической ценности уступает только яичному белку.

В ККП из картофеля на пищевые цели используется в основном крахмал, а остальные не менее ценные БАВ переходят во вторичное сырье. Из 25 % СВ картофеля извлекается порядка 15,7 % крахмала, а остальные 9,3 % СВ распределяются примерно поровну между мезгой и КС.

В зависимости от технологии и оборудования соответствующего ККП образуются ПБ в виде: обезвоженной мезги с содержанием СВ до 25 % и неразбавленного КС (6-7 % СВ); разбавленного картофельного сока (4-5 % СВ); соковой воды (разбавленный в 5-8 раз КС) или смеси мезги с КС (7-10 % СВ).

Сок содержит до 22 аминокислот (в том числе все незаменимые), лимонную, яблочную, щавелевую, янтарную и другие органические кислоты, ферменты (амилазу, фосфатазу и др.).

Мезга и КС используются как кормовые добавки в нативном жидком или вареном виде (как с применением консервантов, так и без), а также в сиропообразном, пастообразном и сухом виде после дополнительной обработки.

Белорусский ученый И.В. Стахеев доказал эффективность применения КС и мезги для биосинтеза протеина и других БАВ путем культивирования дрожжей и грибов.

Для концентрирования КС и продуктов биосинтеза используются энергозатратные вакуум-выпарка и сушка. Более эффективными для этого также являются МП.

Перспективная технология производства из КС биостимулятора роста растений «Тубелак» и средства защиты растений «Туберит» создана в ИФОХ НАН Беларуси на основе МП.

Разработана универсальная перспективная линия переработки КС совместно с мезгой, блок-схема которой приведена на рис. 2. Она рассчитана на производство (в зависимости от спроса на рынке) кормов, пищевых добавок и биопрепаратов, в том числе «Тубелака» и «Тубери-та». При этом наиболее эффективное использование дрожжегенера-тора 7 - выращивание в нем кормовых дрожжей Candida tropicalis CK-4 и продуцентов лизина.

В связи с сезонностью ККП возни-

кает проблема его загрузки в летнее время. Проведенный нами анализ показал, что оптимальное ее решение состоит в совмещении этого производства с вышеописанным производством пищевых и кормовых добавок из листостебельной массы трав.

Приведенные здесь перспективные технологии переработки растительного сырья рассчитаны на производство пищевых и кормовых добавок с высокой добавленной стоимостью и могут служить основой создания большого количества высокотехнологичных производств и соответствующих рабочих мест.

Дополнительным аргументом этого служит то, что все необходимое для реализации описанных технологий промышленное, а также высокотехнологичное оборудование может производиться на отечественных машиностроительных заводах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Свитцов, А.А. Введение в мембранные технологии/А.А. Свитцов. -М.: ДеЛипринт, 2007. - 280 с.

2. Кудряшов, В.Л. Производство белково-витаминных добавок из ли-

стостебельной биомассы/В.Л. Куд-ряшов//Пищевая промышленность. - 2010. - № 2. - С. 13-15.

3. Шишков, В.А. Получение изоля-тов соевого белка с применением ферментативного гидролиза и мембранных процессов/В.А. Шишков, В.А. Поляков, В.Л. Кудряшов//Хра-нение и переработка сельхозсы-рья. - 2007. - № 3. - С. 49-52.

4. Кудряшов, В.Л. Применение мембранных процессов при переработке сточных вод и вторичного сырья спиртзаводов/В.Л. Кудряшов// Экология промышленного производства. - 2009. - № 3.

5. Римарева, Л.В. Микробная конверсия растительного сырья и вторичных сырьевых ресурсов АПК в высокоэффективный лизино-белко-вый препарат/Л.В. Римарева, М.Б. Оверченко, Н.И. Игнатова//Хране-ние и переработка сельхозсырья. -2008. - № 12. - С. 48-51.

6. Пат. РФ 2396007. Способ комплексной переработки зернового сырья на спирт и кормовой продукт/ Л.В. Римарева [и др.]; заявитель и патентообладатель ВНИИпищевой биотехнологии; заявл. 30.03.2009; опубл. 10.08.2010.

7. Кудряшов, В.Л. Комплексная линия переработки вторичного сырья

Приведенные перспективные технологии переработки растительного сырья могут служить основой создания большого количества высокотехнологичных производств.

пивзаводов на основе мембранных процессов/В.Л. Кудряшов, А.С. Кис-лов, О.П. Преснякова//Пиво и напитки. - 2008. - № 2. - С. 22-25.

8. Римарева, Л.В. Влияние ферментативного комплекса гриба Aspergillus oryzae на степень гидролиза биополимеров дрожжевой биомассы/Л.В. Римарева, М.Б. Оверченко, К.А. Морозова/Хранение и переработка сельхозсырья. -2006. - № 4. - С. 39-43.

9. Кудряшов, В.Л. Технология производства глубокоочищенного кукурузного экстракта на основе мембранных процессов/В.Л. Кудряшов// Инновационные технологии в пищевой промышленности: материалы XI Межд. научно-практ. конф. - Минск, 2012. - С. 129-135.

0

1 2 *

<Х1 1»

£ N

Ч

и о

12-я МЕЖДУНАРОДНАЯ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

Москва, ME 29 - 31 октября

р! Разделы [выставки:  Листовое стекло. Производство и переработка. *> Стеклянная тара. Сортовая посуда. Хрусталь. Художественное стекло, |Г> Медицинское стекло. Химико-лабораторное стекло. Стекловолокно.

> Стеклоблоки.

> Светотехническое стекло, о Оптическое стекло.

> Электротехническое стекло => Архитектурное стекло. Витражи.

> Стекло для всех видов транспорта.

> Машины, оборудование и инструменты для производства, обработки и переработки всех видов стекла.

> Сырьевые материалы.

> Огнеупорные материалы. '> Инжиниринг. Консалтинговые исследования в стекольной отрасли.

> Научно-исследовательские центры. Проект но-технологич веки в институты.

V у

Экс ГКО

1При|подцержке:|

|Пене ра лсжГй^И^^^^^^И |инфррмационнБ1иТпар^нЯ

ищДмЩЭВ1