СПОСОБ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ/РАЗДЕЛЕНИЯ, А ТАКЖЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ПОЛУЧЕНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ИНГРЕДИЕНТОВ И РАСТИТЕЛЬНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ ПРОДУКТОВ
METHOD FOR DISINTEGRATION/SEPARATION, AS WELL AS LEACHING OF PLANT SHELL MATERIALS AND COMPONENTS FOR EXTRACTION AND PRODUCTION OF PLANT INGREDIENTS AND PLANT FIBROUS PRODUCTS

Уровень техники
Почти все растительные продукты, служащие для размножения, такие как семена, ядра или зерна, а также другие растительные продукты, как плоды, окружены по меньшей мере одним оболочечным слоем, чтобы противодействовать активации/запуску процесса роста, чтобы обеспечить сохранность и/или снабжение и/или позволить их структурирование. Это достигается благодаря тому, что такие оболочечные слои гарантируют полностью изолированную защиту от физических или химических изменений. Задачей таких оболочечных слоев в фазе развития растительных продуктов является снабжение водой, а также питательными веществами, и они являются местом образования компонентов, которые содержатся в семенах или зернах, таких как белки, углеводы и жиры, которые окружены этими слоями. Поэтому такие оболочечные слои содержат большое число ферментов, а также соединений, ответственных за выработку компонентов содержимого, которое они окружают. Поэтому в этих оболочечных слоях присутствуют, например, также высокие концентрации исходных веществ и соединений–предшественников этих компонентов, таких как карбоновые кислоты (например, аскорбиновая кислота или коричная кислота), или ферменты, или антиоксиданты, или красящие вещества. Кроме того, оболочечными слоями синтезируются также, или в них откладываются соединения, которые должны противодействовать разложению/воздействию микро– или макроорганизмов. Сюда относятся, например, пахучие или вкусовые вещества, а также токсины. Когда созревание растительных продуктов завершается, оболочечные слои уплотняются, и подача питательных веществ прекращается. Уплотнение у разных семян и зерен выражено в разной степени. При этом в большинстве случаев происходит сшивка лигнина и/или целлюлозы с образованием плотного сплошного слоя. В результате также закрываются находящиеся в нем водопроводящие капилляры. Как следствие, растительные продукты получают механическую защиту от дезинтеграции, а также защиту от набухания окруженных оболочкой компонентов, а также защиту от потери воды. В высушенном состоянии такие оболочечные слои без зазоров соединены с находящейся внутри массой. Поэтому оболочечные слои растительных продуктов, которые предусмотрены для размножения, очень трудно или вообще невозможно отделить физическими средствами от окруженных ими компонентов. Это относится, в частности, к оболочечному слою, который непосредственно прилегает к окруженным компонентам. Физическое отделение невозможно, в частности, когда оболочечный слой является очень тонким и имеет физические свойства, как, например, упругость или плотность, близкие к свойствам окруженных компонентов. Это имеет место, например, в случае оболочечного слоя грецких орехов или соевых бобов, у которых чисто механическое избирательное удаление оболочечного слоя после сушки невозможно.
Семена, ядра или зерна растений являются важными питательными компонентами и предлагаются в качестве продуктов питания иногда не измельченными или полностью или частично измельченными и/или в виде фракций. Для многих семян и зерен необходимо полностью удалять один или все оболочечные слои, поскольку их остаток ведет к нежелательным эффектам в пищевом продукте. Кроме того, дело может доходить до вредных органолептических эффектов, таких как горький вкус или изменение цвета полученных продуктов, может также неблагоприятно меняться вкусовое ощущение во рту при потреблении, из–за того, что полученные в процессе обработки размеры частиц и твердость материала оболочки изменяются по сравнению с таковыми у компонентов растительных продуктов. Многие такие оболочечные слои могут набухать в результате поглощения воды, из–за чего между оболочечным слоем и окруженной им массой компонентов образуется заполненный водой зазор. При этом известно, что такое набухание в водяной бане при комнатной температуре происходит очень медленно или же совсем не происходит, а в горячей воде или в потоке водяного пара этот процесс может существенно ускоряться или начинаться. В результате нагревания предпочтительно разрушаются и/или инактивируются также органические соединения, которые имеют токсичные свойства и/или являются несъедобными, как, например, уреазы или ингибиторы трипсина. Органические соединения, которые приводят к нежелательным органолептическим эффектам, таким как горький вкус или вяжущий эффект, как правило, нельзя устранить нагревом, и они остаются в освобожденных от материала оболочки семенах, зернах или ядрах. При этом недостатком является то, что нагревание во влажных условиях ведет к нескольким нежелательным эффектам. Во–первых, белки, которые находятся в обрабатываемых семенах и зернах растений, по меньшей мере частично денатурируются и инактивируют полезные для здоровья органические соединения, как, например, витамины. Во–вторых, происходит усиленное набухание содержащегося в них крахмала. Кроме того, имеющиеся жирные кислоты могут химически модифицироваться, так что, например, происходит образование трансжирных кислот или эпоксидов, которые вредны для здоровья. Поэтому способы, которые позволяют отделение оболочечных материалов при комнатной температуре или лишь при незначительном нагреве, предпочтительнее способов, при которых происходит нагревание растительных материалов.
Из уровня техники не известны способы, с помощью которых можно было бы при комнатной температуре или даже при более низкой температуре осуществить полное и простое в реализации отделение оболочечных материалов от семян и зерен растений. В частности, ничего не сообщается о том, как при хранении растительных продуктов, которые служат для размножения, можно предотвратить созревание зародышей или прорастание в водной среде, при комнатной температуре или чуть более высокой температуре. Таким образом, существует потребность в способе, который позволил бы полное и простое удаление оболочечного материала растительных оболочек, кожуры или шелухи, не инициируя при этом созревание семян, зерен или ядер или не приводя к изменениям содержащихся компонентов или, к образованию вредных для здоровья/токсичных соединений.
Во многих семенах, ядрах и зернах компоненты содержат также корнеобразователи, так называемые зародыши или ростки. Во многих случаях их присутствие в продукте, предназначенном для потребления человеком, нежелательно, и/или имеется заинтересованность в том, чтобы выделить эти зародыши или корнеобразователи как отдельную перерабатываемую фракцию, например, для получения масла из зародышей. Поэтому во многих областях желательно отделение зародышей и/или корнеобразователей. Чтобы можно было это сделать, необходимо удалить оболочечные слои, так как зародыши и корнеобразователи структурно связаны с остальными компонентами семян или ядер и находятся внутри самого внутреннего оболочечного слоя. В способах предшествующего уровня техники зародыши отделяют механически, при этом зародыши отсекают путем ударного воздействия. При этом неизбежно происходит повреждение/ отламывание компонентов семян, зерен или ядер, а также попадание в или совместный вынос обломков оболочечного материала. Из уровня техники не известны способы, с помощью которых можно было бы в мягких условиях и при сохранении целостности отделяемых зародышей/корнеобразователей, а также прочих компонентов семян, зерен или ядер отделить эти структуры друг от друга. В частности, не существует способа, каким можно в мягких условиях отделить зародыши/корнеобразователи от прочих компонентов семян, ядер и зерен, при одновременном щадящем и полном отделении оболочечных материалов, чтобы можно было легко и в неизменной форме получать различные фракции. Поэтому желательно иметь способ, способный удовлетворить этим условиям, позволяющий получить семена и ядра растений в дезинтегрированном состоянии и получать отделенный оболочечный материал в состоянии, пригодном для дальнейшего применения.
Экономический интерес представляют также оболочки, кожура или шелуха, не подходящие для питания человека, которые отделяются от семян и ядер растений. Иногда они скапливаются в больших количествах, как, например, при обработке риса или семян подсолнечника. Это оболочечный материал, как правило, не имеет питательной ценности, так как он состоит преимущественно из целлюлозы и/или лигнинов в виде высокомолекулярных соединений и поэтому не может перевариваться в процессе пищеварения человека. Кроме того, как написано выше, часто содержатся или являются прочно прикрепленными органические и/или неорганические соединения, которые обусловливают неприятный вкус, или запах, или окраску, или же являются токсичными или несъедобными. С другой стороны, могут содержаться или прикрепляться органические соединения, которые имеют полезные для здоровья эффекты и присутствие которых в пищевом продукте желательно. Поэтому имеется также заинтересованность в том, чтобы сделать оболочки, кожуру или шелуху доступной в форме, подходящей для потребления человеком. Растительные оболочечные материалы применяются в форме, какую можно получить в соответствии с современным уровнем техники, в качестве корма для животных, почвенного удобрения или сырья для процесса ферментации. Способы, с помощью которых можно было бы подготовить оболочечный материал так, чтобы он подходил для применения в питании человека и при этом не имел бы нежелательных органолептических или пищевых эффектов, а также содержал полезные для здоровья соединения и оставался доступным, в уровне техники не известны. Таким образом, существует потребность дезинтегрировать или перевести в растворимую форму растительные оболочечные материалы так, чтобы их можно было освободить от нежелательных компонентов/соединений, а также привести в физическую форму, которая подходит для питания человека.
Неожиданно был найден способ, который позволяет осуществить как щадящее удаление оболочечных материалов из семян и зерен растений при сохранении целостности компонентов, так и щадящее отделение зародышей/корнеобразователей. Кроме того, этим способом можно получить дезинтегрированный и отделенный от прочих компонентов сырья оболочечный материал, в котором благодаря условиям получения токсины, и/или несъедобные соединения, и/или соединения, обусловливающие нежелательные органолептические эффекты, инактивированы, и/или удалены, и/или нейтрализованы. Далее, неожиданно был разработан способ, с помощью которого отделенный оболочечный материал можно дезинтегрировать и перевести в растворимую форму (выщелочить), благодаря чему получаются новые выгодные возможности применения отделенных или выщелоченных оболочечных материалов.
Волокна на основе целлюлозы являются основным компонентом неперевариваемых углеводов растительных материалов, использующихся в пищу, которые составляют основную часть балластных веществ. При этом "неперевариваемый" означает, что эти соединения не расщепляются ферментами желудочно–кишечного тракта человека, такими, например, как амилазы, и, таким образом, могут расщепляться на сахаристые соединения С6, которые являются усвояемыми. Таким образом, волокна на основе целлюлозы остаются в по существу неизменной форме в содержимом кишечника и, следовательно, являются компонентами стула. В частности, благодаря своей способности связывать воду они являются очень важным регулятором консистенции содержимого толстой кишки. Это также определяет время прохождения образующегося в ней кала. Значимость диеты, богатой балластными веществами, для снижения кишечных заболеваний и устранения проблем с прохождением кишечного содержимого было однозначно продемонстрировано в большом числе клинических исследований. Как, было показано, что частоту колоректального рака можно снизить путем диеты с высоким содержанием балластных веществ. Кроме того, было подтверждено снижение повышенного уровня холестерина и связанных с ним сердечно–сосудистых заболеваний. Подтверждена также регулирующая стул функция богатых волокнами балластных веществ при хронических запорах, что особенно распространено у пожилых людей. Кроме того, за документированы также пробиотические эффекты, возникающие в результате частичного разложения волокон на основе целлюлозы микробиомом толстой кишки человека. Считается, что такие эффекты обусловливают меньшую частоту возникновения карциномы вне толстой кишки, например, благодаря короткоцепочечным жирным кислотам или фитостеринам, которые образуются или выделяются в результате микробного разложения волокон на основе целлюлозы и могут проходить через стенку толстой кишки. Всемирная организация здравоохранения и Управление США по надзору в сфере пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA) настоятельно рекомендуют употреблять клетчатку в количестве 30 г сух.в. в день. Эта цель в подавляющем большинстве диет, практикуемых в промышленно развитых странах, а также в странах с переходной экономикой, не достигается. Существует обратная корреляция между потреблением балластных веществ и частотой и степенью тяжести ожирения и сахарного диабета, а также вызванной им смертности. Однако практическая осуществимость рекомендаций по содержанию балластных веществ в рационе по разным причинам, как, например, недостаточное предложение от производителей или неявное социальное поведение, не утвердилась, несмотря на всю известную информацию и разъяснения. Таким образом, существует острая необходимость в обеспечении балластных веществ, которые можно добавлять в пищевые продукты или дополнять их и которые удовлетворяют органолептическим и функциональным требованиям к пищевым продуктам, увеличивая, тем самым, массовую долю балластных веществ в продукте питания.
Неожиданно было обнаружено, что предлагаемый изобретением способ дезинтеграции растительных оболочек и кожуры приводит также к выщелачиванию остальных компонентов растительного сырья, в частности, зерен, ядер и орехов, а также других растительных продуктов. Так, было найдено, что с помощью осуществляемой согласно изобретению дезинтеграции оболочек или кожуры, которая обеспечивает полное выщелачивание или отделение других компонентов растительного сырья от оболочек или кожуры, растворимые компоненты растительного сырья гидратируются и могут быть очень легко полностью переведены в водный распределительный объем и отделены от оболочки и кожуры. Другие положительные свойства были обнаружены в отношение извлекаемости растворенных растворимых органических соединений. Таким образом, был найден способ агрегации, с помощью которого очень просто вызвать агрегацию и конденсацию растворенных растворимых органических соединений, в частности, белков и углеводов, в результате чего они могут быть разделены известными методами и получены в виде чистых фракций.
Описание
Изобретение относится к способу, в котором осуществляется дезинтеграция растительных оболочечных материалов, обеспечивающая ускорение размягчения растительных оболочечных материалов по сравнению со способом согласно уровню техники, при этом в мягких условиях. В этой связи "мягкие" означает, что отделяемый оболочечный материал и остальные компоненты сырья, в частности, ядра, зерна и орехи, сохраняют свою целостность, то есть предпочтительно остаются физически не поврежденными, то есть не происходит никакого фрагментирования. Кроме того, "щадящий продукты" означает, что механическое изменение происходит в заметно меньшей степени, чем это происходит в способах согласно уровню техники. При этом "щадящий продукты" означает также, что повышение температуры предпочтительно ограничено значениями <120°C, более предпочтительно <100°C, более предпочтительно <90°C, более предпочтительно <75°C, более предпочтительно <60°C, более предпочтительно <50°C и еще более предпочтительно <40°C. Но "щадящий продукты" означает также, что в процессе выщелачивания, в котором применяются более высокие температуры, можно получить, например, органические соединения, в частности, волокна на основе целлюлозы и богатую лигнином кожуру, без необходимости для этого механического измельчения сырья. Таким образом, в различных вариантах осуществления способа можно достичь различных щадящих продукты эффектов, которые оказывают прямое влияние на получаемые продукты и/или на экономичность процесса. При этом способ особенно хорошо подходит для осуществления полного отделения оболочечных материалов от других компонентов растительного сырья без нарушения структурной целостности или дезинтеграции окруженных оболочечным материалом растительных продуктов в целом. В одном предпочтительном варианте осуществления это обеспечивается путем введения семян, зерен или ядер, от которых желательно отделить оболочечный материал, в раствор, в котором растворены растворимые дезинтегрирующие соединения. В одном варианте осуществления дезинтегрирующие соединения представляют собой катионные аминокислоты и или пептиды. Неожиданно было обнаружено, что это приводит к резко начинающейся гидратации растительных оболочечных материалов уже при комнатной температуре или при более низких температурах, причем гидратация протекает заметно быстрее и более полно, чем с водным раствором, содержащим соединения, известные из уровня техники, как, например, NaOH. Кроме того, было обнаружено, что растительные оболочки, которые были дезинтегрированы и гидратированы одним из способов согласно изобретению, можно довести до отделения намного проще, чем это возможно путем их обработки другими водными растворенными соединениями. Неожиданно оказалось, что во время проводимых согласно изобретению дезинтеграции и гидратации растительных оболочек семян и зерен, всегда на одном и том же месте или в одной и той же области оболочечного слоя, зависящей от вида растений, происходит истончение/растворение, где затем спонтанно или в результате небольшого механического изменения возникает перфорация оболочечного материала. Отсюда при небольшом механическом сдвиге оболочки разрыв продолжается при сохранении целостности всего остального оболочечного материала. Было найдено, что в зависимости от продолжительности и от концентрации аминокислот/пептидов полная перфорация происходит спонтанно или становится возможной при очень небольшом внесении механической энергии, например, в форме сдвига, благодаря чему оболочечный материал отстает полностью и одним куском от семян, зерен или ядер. Оказалось, что полное удаление оболочечного материала можно с надежностью гарантировать одним из вариантов осуществления способа согласно изобретению.
Предпочтительным является способ щадящей продукты дезинтеграции/перфорации или отделения оболочечного материала семян, зерен или ядер растений.
Неожиданно оказалось, что практически селективной дезинтеграции растительного оболочечного материала с по существу полным сохранением целостности остальных компонентов семян, зерен или ядер, можно достичь, если поместить их в раствор, содержащий растворенные аминокислоты и/или пептиды, в условиях повышенной температуры. При этом происходит спонтанное отслаивание оболочечного материала. Как и ожидалось, процесс дезинтеграции оболочечного материала ускоряется при нагревании до температур >80°C или 90°C. Удивительно, однако, что необходимый для этого период времени может быть настолько коротким, что не происходит значительного набухания, дезинтеграции или повреждения остальных компонентов семян, зерен или ядер, заключенных в оболочечный материал. Таким образом, селективную дезинтеграцию растительного оболочечного материала можно с успехом провести в условиях, мягких для других компонентов семян, зерен или ядер. В одном варианте осуществления для этого раствор согласно изобретению нагревают вместе с полностью погруженными в него семенами, зернами или ядрами, предпочтительно до температур >70°C. Предпочтительно, семена или ядра во время процесса перемешивают. Оказалось, что в этих условиях происходит полное отделение оболочечных материалов. Здесь также оболочечный материал сохраняется целым, за исключением мест перфорации. Неожиданно оказалось, что семена или ядра в растворах, содержащих растворенные аминокислоты и/или пептиды, больше не набухают при повышенной температуре, как это было в холодном водном растворе.
Предпочтительным является способ полного отделения/удаления оболочечного материала из семян или ядер растений.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья, при котором технологическая стадия b) проводится вместе с термической и/или механической дезинтеграций, или термическая и/или механическая дезинтеграция проводится на технологической стадии b1) по окончании технологической стадии b).
Неожиданно было обнаружено, что с повышением концентрации аминокислот и/или пептидов наблюдается замедление или полное ингибирование прорастания/всходов у введенных в такой раствор семян, зерен или ядер. Так, хотя в случае соевых бобов, которые выдерживали 8 дней в растворе, содержавшем лизин в концентрации 0,4 моль/л, наблюдалось увеличение объема до 160 об.%, а также обширное отслаивание оболочечных слоев, но роста зародышей не происходило. Напротив, у соевых бобов, которые выдерживали такое же время в воде, образовались проростки длиной от 2 до 4 см. Одновременно, оболочечный материал удалялся с большим трудом и не полностью. Кроме того, бобы имели увеличение объема на 280 об.%. Этот эффект был также подтвержден и в случае других семян и зерен, например, фасоли. Кроме того, получался очень выгодный эффект, который можно использовать для утилизации зародышей/ростков. Было найдено, что после отслаивания оболочечного материала, которое было достигнуто путем выдерживания сырья в выщелачивающем растворе согласно изобретению и которое произошло самопроизвольно или в результате небольшого механического изменения оболочки, а также при наличии незначительного набухания семян или зерен, уже образовавшиеся проростки/всходы находились в проращиваемом слое в отслоенной форме и могли быть очень просто отделены от семян или зерен. Это может быть достигнуто исключительно путем проведения предварительно обработанных таким способом семян или зерен через трубку или гильзу, при этом как оболочечный материал, так и зародыши/проростки отделялись от семян или зерен. Таким образом, механическое отделение зародышей или проростков можно существенно упростить. Кроме того, зародыши или проростки можно было отделить от семян или зерен вместе с дезинтегрированным оболочечным материалов в одну рабочую операцию и разделить.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья, в котором помимо дезинтеграции, и/или разделения, и/или растворения растительных оболочечных материалов проводится отделение зародышей/проростков.
Предпочтительным является способ облегченного отделения зародышей/проростков.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья, при котором замедляется или предотвращается созревание семян и/или зерен растений.
Неожиданно было обнаружено, что семена и зерна, которые были освобождены от окружающего их оболочечного материала одним из способов согласно изобретению, можно особенно выгодным способом обрабатывать дальше. Это касается, в частности, дальнейшей обработки для перевода в растворимую форму (выщелачивания) отдельных компонентов семян и зерен. Так, оказалось, что при измельчении семян и зерен, у которых были удалены оболочечные материалы согласно изобретению, и набухание соответствовало интервалу от 100 до 200 об.%, можно за короткое время получить мелкозернистую массу с использованием мельницы с ножевым барабаном, и затем в процессе водного выщелачивания полностью разделить на их компоненты. При этом особенно выгодно, что по сравнению с необработанными семенами или зернами требуется внесение существенно меньшей энергии, и не происходит образования пыли при измельчении. Таким образом, один из способов согласно изобретению направлен также на дезинтеграцию и гидратацию растительного сырья, при котором происходит дезинтеграция/отделение оболочки и/или кожуры.
Предпочтительным является способ, в котором помимо дезинтеграции/разделения оболочки и/или кожуры растительного сырья проводится также дезинтеграция/гидратация остальных компонентов растительного сырья. Предпочтительными являются семена, зерна и ядра. В дальнейших исследованиях было показано, что в случае семян или зерен, которые были заранее обработаны подобным образом, можно было очень легко разделить отдельные компоненты посредством способа водного выщелачивания. В одном предпочтительном варианте осуществления способа семена или зерна полностью освобождают от оболочечных материалов одним из способов согласно изобретению и сразу или позднее, в еще набухшем состоянии, подают на процесс размола или измельчения, в результате получается тонкозернистая непылящая масса, которую соединяют с выщелачивающим раствором. В одном варианте осуществления сразу по окончании или после фазы выщелачивания предпочтительно проводится отделение твердых веществ фильтрацией. В результате предпочтительно получают сложные или комплексно–связанные углеводы в виде частиц, а также волокна на основе целлюлозы с фильтровальным остатком, предпочтительно они полностью или по существу полностью освобождены от растворимых компонентов сырья, в частности, белков и растворимых углеводов. Кроме того, из фильтрата получают водный раствор, по существу или совершенно не содержащий волокон, в котором растворены растворимые белки и углеводы.
Неожиданно оказалось, что растворенные растворимые соединения могут быть агрегированы и конденсированы очень выгодным образом, что позволяет очень легко отделить их от водной распределительной фазы. Предпочтительно, белковая фракция селективно удаляется путем конденсации/ агрегации/ комплексообразования и/или фильтровальными или центробежными методами разделения и получается в виде чистого продукта. Такой селективной конденсации/ агрегации/ комплексообразования растворенных белков можно достичь, например, путем добавки органической кислоты, как, например, лимонная кислота или уксусная кислота. Таким образом, с помощью одного из способов согласно изобретению можно отделить семена и ядра растений от материала оболочки/кожуры, а также очень просто разделить полученные семена, ядра и зерна растений на их отдельные компоненты. Оказалось, что после набухания семян, зерен или ядер в водном растворе, который не содержит предлагаемых изобретением соединений для дезинтеграции или выщелачивания, выщелачивание компонентов семян, зерен или ядер с последующим диспергированием в водном распределительном объеме было невозможным. Неожиданно оказалось, что разделение компонентов, гидратированных способом согласно изобретению, возможно провести в водном распределительном объеме, если для дезинтеграции/выщелачивание использовать один из растворов согласно изобретению, содержащих растворенные соединения для дезинтеграции. При этом предпочтительными соединениями для дезинтеграции/выщелачивания являются аминокислоты и/или пептиды. Можно показать, что для вариантов осуществления способа, в которых сначала проводится дезинтеграция оболочечного материала в сочетании с набуханием семян, зерен или ядер в растворах согласно изобретению, а затем механическая дезинтеграция, для полного выщелачивания компонентов растительного материала дальнейшее воздействие водного раствора согласно изобретению, содержащего дезинтегрирующие соединения, не требуется, в отличие от способа, при котором отделение оболочки/кожуры осуществлялось другим способом. Таким образом, способ в одном варианте осуществления позволяет провести как дезинтеграцию, так и выщелачивание и отделение растительной оболочки и кожуры, а также последующую дезинтеграцию/выщелачивание остальных компонентов сырья, а также их разделение и извлечение. Таким образом, неожиданно оказалось, что с водным выщелачивающим раствором согласно изобретению можно достичь как дезинтеграции растительного оболочечного материала и его отделения от семян, зерен или ядер, так и осуществить последующее выщелачивание компонентов семян, зерен или ядер способом водного выщелачивания.
Предпочтительным является способ, в котором водное выщелачивание и разделение компонентов семян, зерен или ядер становится возможным путем дезинтеграции, и/или отделения оболочечного материала, и/или набухания семян, зерен или ядер в водном растворе, содержащем растворенные аминокислоты и/или пептиды.
Предпочтительным является способ разделения растительного оболочечного материала с сохранением структурной целостности отделенных оболочечных материалов и/или компонентов семян, зерен или ядер растений.
Предпочтительным является способ получения препаратов растительного оболочечного материала с использованием волоконных композиций.
Предпочтительны препараты растительного оболочечного материала, которые могут быть получены способом дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья.
Предпочтительным является применение препаратов растительного оболочечного материала для волоконных композиций.
Предпочтительным является способ выщелачивания семян, зерен или ядер растений.
Неожиданно оказалось, что проводимая в соответствии с изобретением дезинтеграция растительного сырья позволяет также извлечь компоненты, которые в нем содержатся. В одном предпочтительном варианте осуществления дезинтеграция осуществляется для извлечения растворимых белков и углеводов, а также волокон на основе целлюлозы и/или богатой лигнином оболочки. В частности, для дезинтеграции согласно изобретению с помощью сульфитов и мочевины, в дополнение к дезинтеграции может происходить также выщелачивание семян, зерен и ядер, что при применение описанного здесь способа приводит к полному растворению белков, которые затем находятся в растворенном состоянии и которые можно подвергнуть агрегации, конденсации, сепарации и извлечению посредством описанного здесь способа. Так, например, для соевых бобов было показано, что если их полностью погрузить в водный раствор для дезинтеграции, в котором растворены сульфит натрия и/или мочевина в концентрации 1 вес.%, и нагреть среду до 125°C при атмосферном давлении 1,4 бара, то затем можно полностью диспергировать компоненты в водном распределительном объеме, если провести суспензию через коллоидную мельницу с высоким сдвиговым воздействием. Фильтрация полученной водной распределительной фазы позволила получить фракцию твердых веществ, которая, согласно микроскопическому анализу, не содержала растворимых остатков. С другой стороны, растворенные белки, присутствующие в фильтрованной технологической жидкости могут агрегировать/ образовывать комплексы с агрегирующими/комплексообразующими соединениями, в результате чего последние конденсируются и осаждаются, и после осаждения могут быть отделены от свободной водной фазы путем фильтрации или методами центробежного разделения и затем находиться в виде пастообразной/кремообразной массы. Химическим анализом была определена концентрация белка 75 вес.%. Аналогичные результаты были обнаружены и для дезинтеграции других растительных исходных материалов, таких как семена подсолнечника, кукурузная крупа или ятрофа, а также рапсовый жмых. Регулярно получали белковые изоляты или концентраты.
Таким образом, в одном предпочтительном варианте осуществления способа дезинтеграция проводится с или без одного из способов выщелачивания согласно изобретению для извлечения растворимых компонентов растительного сырья.
Таким образом, предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья со следующими технологическими стадиями:
a) приготовление растительного сырья,
b) соединение сырья с дезинтегрирующим раствором и выдерживание в дезинтегрирующем растворе до достижения дезинтеграции,
c) распределение компонентов дезинтегрированного сырья в распределительном объеме,
d) отделение твердых компонентов от растворенных компонентов,
e) извлечение фракций ценных веществ из отделенных компонентов путем
e1) отделения волокон на основе целлюлозы от богатой лигнином оболочки посредством метода вихревых токов и получение очищенных фракций волокон на основе целлюлозы и богатой лигнином оболочки,
e2) агрегирования/комплексообразования растворенных белков с помощью комплексообразователя и отделение осажденных агрегированных/ комплексно–связанных конденсированных белков с получением агрегированной/ комплексно–связанной белковой массы.
При этом технологическая стадия b) факультативно может проводиться вместе с термической и/или механической дезинтеграцией или, по выбору, термическая и/или механическая дезинтеграция проводится на факультативной технологической стадии b1) по окончании технологической стадии b).
Твердые компоненты, полученные способом дезинтеграции, при котором дезинтегрирующий раствор не содержал аминокислот и/или пептидов согласно изобретению, имели заметный характерный для вида запах. Поэтому предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья со следующими технологическими стадиями:
a) приготовление растительного сырья,
b) соединение сырья с дезинтегрирующим раствором, содержащим аминокислоты и/или пептиды, и выдерживание в дезинтегрирующем/выщелачивающем растворе до достижения дезинтеграции,
c) распределение компонентов дезинтегрированного сырья в распределительном объеме,
d) отделение твердых компонентов от растворенных компонентов растительного сырья,
e) извлечение ценных фракций из отделенных компонентов путем
e1) отделения волокон на основе целлюлозы от богатой лигнином оболочки посредством метода вихревых токов и получение очищенных фракций волокон на основе целлюлозы, а также богатой лигнином оболочки,
e2) агрегирования/комплексообразования растворенных белков с помощью комплексообразователя и отделение осажденных агрегированных/ комплексно–связанных конденсированных белков с получением агрегированной/ комплексно–связанной белковой массы.
При этом предпочтительный вариант осуществления способа характеризуется следующими технологическими стадиями:
Способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья с технологическими стадиями
a) приготовление растительного сырья,
b) соединение сырья с дезинтегрирующим раствором и выдерживание в дезинтегрирующем растворе до достижения дезинтеграции,
c) распределение компонентов дезинтегрированного сырья в распределительном объеме с получением твердых компонентов и растворенных компонентов растительного сырья,
d) отделение твердых компонентов от растворенных компонентов растительного сырья,
e) извлечение ценной фракции из отделенных компонентов растительного сырья путем
e1) отделения волокон на основе целлюлозы от богатой лигнином оболочки твердых компонентов растительного сырья посредством метода вихревых токов и получение очищенных фракций волокон на основе целлюлозы, а также богатой лигнином оболочки,
e2) агрегирование/комплексообразование растворенных белков растворенных компонентов растительного сырья с помощью комплексообразователя и отделение осажденных агрегированных/ комплексно–связанных конденсированных белков, с получением агрегированной/ комплексно–связанной белковой массы.
При этом технологическая стадия b) факультативно может проводиться вместе с термической и/или механической дезинтеграцией или, по выбору, термическая и/или механическая дезинтеграция проводится на факультативной технологической стадии b1) по окончании технологической стадии b).
В сравнительных исследованиях удалось показать, что при использовании аминокислот и/или пептидов согласно изобретению получаемые волокна на основе целлюлозы и/или богатая лигнином оболочка уже не содержала пахучих и/или вкусовых веществ.
Далее, особенно выгодным является то, что дезинтегрированный оболочечный материал предпочтительно можно полностью и одним куском отделить и удалить из семян, зерен или ядер растений. В одном предпочтительном варианте осуществления отделение дезинтегрированного оболочечного материала/кожуры предпочтительно проводится с использованием устройства, которое воздействует с одной или нескольких сторон тангенциальными сдвиговыми усилиями на подготовленные согласно изобретению семена и зерна растений. При этом сдвиговое усилие может иметь форму давления на наружную сторону семян, зерен или ядер растений или форму поперечного смещения. Подходящими устройствами, известными из уровня техники, являются, например, рычажные прессы. В одном особенно предпочтительном варианте осуществления съем оболочечного слоя достигается тем, что семена, зерна или ядра растений сначала проводят через устройство для сортировки по размерам, известное из уровня техники, где эти семена или ядра в приемных резервуарах разделяют на определенные диапазоны диаметров. Из этих резервуаров с помощью другого устройства отдельные семена, зерна или ядра вводят в бункер или шахту, так чтобы семена или ядра располагались предпочтительно в продольном направлении. В одном предпочтительном варианте осуществления одно или несколько семян или ядер продавливают посредством пуансона или устройства с сжатым воздухом через упругую гильзу/трубку, или через одну или несколько перфорированных перегородок. При этом оболочечный материал предпочтительно полностью снимается. Предпочтительно, семена, зерна или ядра растений из–за ускорения, которое они испытывали, изгоняются/ катапультируются из съемного устройства и принимаются в следующий приемный резервуар. Оболочечный материал, также выталкиваемый, при этом предпочтительно отделяется, описывая траекторию движения, отличную от траектории освобожденных от оболочечного материала семян, зерен или ядер, задаваемую, например, силой тяжести или сепарацией провеиванием, и доставляется в другой резервуар. В следующем предпочтительном варианте осуществления отделение оболочечного материала осуществляется с помощью устройства, в котором семена, зерна или ядра растений, подготовленные согласно изобретению, сортируют по диаметру или несортированными отправляют на по меньшей мере 2 приблизительно или полностью параллельно расположенные трубы, которые вращаются равномерно, и/или неравномерно, и/или в противоположные стороны. Семена, зерна или ядра вращаются и переносятся в промежутке, образованном между трубами. При этом предпочтительно имеется непараллельность по меньшей мере одной из труб или нескольких труб. В результате возникает тангенциальное сдвиговое усилие, действующее на оболочечный материал соседних семян, зерен или ядер, что ведет к разрывам оболочечного материала, что во время вращательного перемещения семян, зерен или ядер в описываемом рычажном механизме приводит, например, из–за ускоряющего движения и/или воздушного потока, к их отделению и выносу. Благодаря этому освобожденные от оболочечного материала семена, зерна или ядра, а также оболочечный материал могут быть собраны в разных резервуарах.
Предпочтительным является устройство для отделения и удаления дезинтегрированных оболочечных материалов и кожуры из семян, зерен или ядер, в котором на дезинтегрированный оболочечный материал/компоненты оболочки действуют сдвиговые усилия.
Предпочтительным является устройство для перфорации/ отделения/ разделения оболочечного материала от семян, зерен или ядер растений.
Неожиданно оказалось, что одним из способов согласно изобретению можно с большим успехом и очень легко удалить соединительные слои, которые существуют или возникают между оболочечным материалом и семенами, зернами или ядрами растений. Так, оказалось, например, что при отделении кожицы с миндаля и соевых бобов, если оно проводится с использованием воды или одним из способов согласно изобретению, и набухлую кожицу удаляют механически, на семенах, зернах или ядрах присутствует мыло– или слизеподобный слой, который в ходе сушки становится клейким и пристает к очищенным от кожицы семенам, зернам или ядрам. Было найдено, что промежуточный слой, набухший в выщелачивающем растворе согласно изобретению, который находится на поверхностях обнаженных семян, зерен или ядер растений, а также может находиться на поверхностях отделенных оболочечных материалов, можно очень легко удалить промывкой холодной водой. С обнаженными промежуточными слоями, которые были получены способом не по изобретению, это было невозможным или достигалось только в процессе промывки горячей водой. Ополаскивание промежуточного слоя можно проводить, например, водой. Таким образом, предпочтительным является дезинтеграция/удаление промежуточных/соединительных слоев оболочки и кожуры из растительного сырья также с применением одного из водных растворов согласно изобретению, которые содержат соединения для дезинтеграции. Особенно предпочтительны растворенные аминокислоты и/или пептиды. Но можно также использовать водные или спиртовые растворы, которые содержат другие соединения, предпочтительным является добавление ионных и/или неионных ПАВов. Предпочтительным является процесс промывки с использованием чистящих устройств согласно уровню техники, как, например, применение направленной струи воды или пара, или организация перемещений очищаемого растительного материала, которые ведут к возникновению сдвиговых усилий, с какими очищаемые материалы действуют друг на друга, и/или механических перемещений, как в стиральной машине. Неожиданно оказалось, что обработанные таким образом семена или ядра растений имели измененное поведение при сушке. Так, сушка, например, фасоли или тыквенного семени, происходила быстрее, если промежуточный слой был размягчен/отделен одним из способов согласно изобретению и полностью удален в процессе промывки. Например, в случае сухого тыквенного семени оказалось, что после удаления, в соответствии с изобретением, промежуточного слоя не происходило образования корки во время сушки. Кроме того, отделение было существенно более легким, чем когда проводилась дезинтеграция/отслаивание промежуточного слоя.
Предпочтительным является способ дезинтеграции/ размягчения/ отслаивания промежуточного слоя между растительным оболочечным материалом и семенами, зернами и ядрами растений.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья, в котором проводится дезинтеграция/ размягчение/ отслаивание промежуточного слоя между растительным оболочечным материалом и семенами, зернами и ядрами растений.
Неожиданно оказалось, что способом согласно изобретению можно также дезинтегрировать/размягчить и отделить отложения и соединительные структуры семян и ядер растений. Так, например, можно показать, что семена тыквы или дыни можно очень легко и без остатков удалить из питающих их и механически стабилизирующих, похожих на жгуты или перегородкам, тканевых структур, если эти семена или ядра вместе с приставшими структурами ввести в один из растворов согласно изобретению и дезинтегрировать. Такого легкого удаления приставших тканевых структур невозможно было достичь путем обработки водой или водными растворами, которые содержали, например, ПАВы при в остальном сопоставимых условиях.
Неожиданно оказалось, что семена, зерна или ядра, которые были получены одним из способов по изобретению и достаточно долгое время находились в одной из жидкостей по изобретению, содержащей катионные аминокислоты и/или пептиды, имели заметно меньший собственный вкус, или вкус полностью отсутствовал. В расширенных исследованиях удалось установить, что уменьшение или устранение неприятного/вяжущего вкуса зависит от длительности воздействия дезинтегрирующих жидкостей согласно изобретению, содержащих катионные аминокислоты или пептиды, или зависит от длительности перфорации оболочечного слой(ев) семян, зерен или ядер растений. Кроме того, оказалось, что снижение или устранение характерного для сорта собственного вкуса семян или ядер растений, обработанных одним из способов согласно изобретению, происходит по времени после удаления неприятных/вяжущих органолептических эффектов. Как результат, способом согласно изобретению можно очень выгодным образом устранить/исключить нежелательные органолептические эффекты и собственный вкус обработанных семян, зерен или ядер либо изолированно, либо в комбинации с оболочечным материалом. Таким образом, можно в щадящих продукты условиях получать семена, зерна или ядра растений, имеющие слабый вкус или вообще не имеющие вкуса, которые сохранили свою целостность и полностью освобождены от оболочечного слоя. Оказалось, что это уменьшение воспринимаемых органолептически компонентов семян, зерен или ядер растений, достигаемое в результате воздействия дезинтегрирующих жидкостей согласно изобретению, содержащих катионные аминокислоты или пептиды, оказывает существенный эффект на продукты, получаемые из обработанных семян, зерен или ядер растений. Так, например, оказалось, что компоненты, которые можно было извлечь в дальнейших процессах выщелачивания в виде отдельных фракций, совсем или практически совсем не содержат пахучих и вкусовых веществ, которые вызывают характерный для сорта или неприятный или вяжущий органолептический эффект. Это особенно выгодно для извлекаемых фракций крахмала и белка.
Предпочтительным является способ дезинтеграции/ отделения/ разделения растительных оболочечных материалов и получения отделенного оболочечного материала и/или растительных продуктов со слабым запахом и/или вкусом или без запаха и/или вкуса.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья, в котором дезинтегрирующий раствор содержит аминокислоты и/или пептиды.
Другие выгодные эффекты вариантов осуществления способа достигаются для получаемых отделенных оболочечных материалов. Неожиданно оказалось, что можно получить отделенные оболочечные материалы, которые практически не имеют или почти не имеют неприятного вкуса или вяжущих органолептических эффектов. Кроме того, растительные оболочечные материалы, дезинтегрированные в соответствии со способом по изобретению, очень сильно набухают и легко формуются с получением произвольной формы. Так, например, из них можно сформовать пластину и/или спрессовать и можно резать без излома. Оказалось, например, что из таких оболочек можно вырезать тонкие полоски или другие геометрические формы, поскольку, в частности, оболочки можно деформировать равномерно, без разломов. Благодаря этому эффекту можно прессовать полученные и еще набухшие оболочки, с образованием, например, листов или пленок. Кроме того, предпочтительно, чтобы отделенные оболочки, которые были получены одним из предлагаемым изобретением способов дезинтеграции, не имели или практически не имели неприятного вкуса или не выделяли веществ, которые воспринимаются вяжущими. Поэтому полученные оболочки можно также использовать для приготовления пищи. В частности, волокна, которые можно получить из оболочек, полученных подобным образом, особенно хорошо подходят для текстурирования продуктов питания и приготовления пищи. Кроме того, получаемые дезинтегрированные оболочечные материалы имеют улучшенную набухаемость по сравнению с оболочечным материалом, полученным другими методами. Таким образом, способы согласно изобретению особенно хорошо подходят для получения волоконных текстур со слабым или нейтральным вкусом, отличающихся хорошей перерабатываемостью и хорошей набухаемостью. Варианты способа согласно изобретению позволяют получать препараты оболочечного материала, которые можно использовать в различных областях применения, например, для структурирования блюд. При этом понятие "препарат оболочечного материала" означает объединение/ комплекс/ текстуру дезинтегрированных оболочечных материалов, которые благодаря дезинтеграции согласно изобретению стали пригодны к формованию.
Предпочтительным является способ получения текстур из растительного оболочечного материала, который имеют нейтральный запах или вкус, и/или который можно собрать в плоские и готовые к резке или сборке листы или пленки, и/или который способен хорошо набухать.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья для получения волокнистых продуктов из растительных оболочечных материалов.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья для получения препаратов растительного оболочечного материала.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья, при котором проводится щадящая продукт дезинтеграция/перфорация или отделение оболочечного материала семян, зерен или ядер растений.
Неожиданно оказалось, что одним из способов дезинтеграции согласно изобретению можно также растворить уплотненный растительный оболочечный материал и позволить извлечение компонентов оболочечного материала. Было найдено, что растительные оболочки, которые выдерживали в водном растворе согласно изобретению в течение длительного времени, набухали и позволяли отделять слоями волокна на основе целлюлозы. Кроме того, было обнаружено, что растительные оболочки растворяются быстро и полностью, если их обработать раствором согласно изобретению в автоклаве при подходящих условиях по температуре и давлению. Полученная в таком случае масса состояла преимущественно из растворенных волокон на основе целлюлозы, которые можно было легко очистить водой от содержащихся в них белков и растворимых углеводных соединений с применением методов фильтрации. При этом волокна на основе целлюлозы содержали растворенные оболочечные материалы иногда с заметно другими свойствами, чем у волокон на основе целлюлозы из зерен или ядер, которые ранее были окружены ими как оболочечным материалом и которые были обработаны вышеописанным способом водного выщелачивания. Волокна на основе целлюлозы, получаемые в результате дезинтеграции и выщелачивания оболочечного материала, отличаются, например, размерами и формой. Так, волокна на основе целлюлозы, полученные при выщелачивании оболочечного материала, имеют более высокий коэффициент формы (отношение длины к поперечному размеру), чем полученные при дезинтеграции и выщелачивании прочих компонентов семян, зерен или ядер. Полагают, что эти различия ответственны также за разное органолептическое восприятие, обнаруженное в случае волокон на основе целлюлозы из семян, зерен или ядер и в случае соответствующего растворенного оболочечного материала. Кроме того, волокна на основе целлюлозы, получаемые из оболочечных материалов, имели другие функциональные свойства, чем волокна на основе целлюлозы, которые были получены при дезинтеграции/выщелачивания семян, зерен или ядер растений. Так, например, можно получить сильно пигментированные волокна на основе целлюлозы из растворенного оболочечного материала фасоли обыкновенной. Далее, например, дезинтегрированная и растворенная кожура сухого миндаля и косточек авокадо имела особенно нежный тающий вкус при дегустации. Кроме того, при получении теста и приготовлении пищи оказалось, что такие волокна на основе целлюлозы имеют лучшие эмульгирующие и стабилизирующие свойства, чем целлюлозные волокна.
Предпочтительным является способ извлечения волокон на основе целлюлозы из оболочечного материала семян, зерен или ядер растений.
Кроме того, оказалось, что для осуществления дезинтеграции волокон на основе целлюлозы подходят карбонаты и сульфиты. Если для дезинтеграции растительного сырья используются щелочные соединения, то кроме волокон на основе целлюлозы и/или богатой лигнином оболочки получаются также белки и растворимые углеводы, и происходит интенсивное побурение растворов и растворенного растительного материала, что нежелательно. Неожиданно было обнаружено, что когда уже произошло выщелачивания сырья и, в частности, когда уже произошло отделение растворенных или растворимых белков и углеводов, изменения цвета, которое ведет к снижению качества волокон на основе целлюлозы, не происходит, если в водной выщелачивающей среде содержатся карбонаты или сульфиты. Так, например, при дезинтеграции соевого шрота с использованием раствора мочевины концентрацией 1 вес.%, содержащего аргинин в концентрации 0,05 моль/л, можно достичь полной дезинтеграции оболочечного материала после выдерживания при 90°C в течение 60 минут. При этом достигается также выщелачивание, которое позволяет почти полностью отделить растворимые белки и углеводы, которые отфильтровываются с технологической жидкостью. Полученная оптически светлая волокнистая масса не имела вкуса и запаха и содержала волокна, из которых до 38 вес.% (сух.в.) имели размер 100 мкм, до 82 вес.% (сух.в.) < 250 мкм и до 18 вес.% (сух.в.) > 250 мкм. Волокнистую массу дезинтегрировали дополнительно раствором карбоната натрия 0,5 вес.% при 80°C в течение 20 минут, причем ни в одном случае не происходило изменения окраски технологической жидкости или волокон на основе целлюлозы. Полученные волокна на основе целлюлозы после дополнительной дезинтеграции были мягче на ощупь, чем перед ней, и до 65 вес.% (сух.в.) из них имело размер < 100 мкм, до 98 вес.% (сух.в.) < 250 мкм. Волокнистая масса имела при дегустации отличные вкусовые качества, которые были описаны как кремообразные и похожие на сливки. Поэтому в соответствии с изобретением осуществляют также двухстадийный способ дезинтеграции/выщелачивания, в котором сначала проводится дезинтеграция/выщелачивание кожуры/оболочечного материала с отделением растворенных растворимых компонентов сырья, а затем дезинтеграция волокон на основе целлюлозы и/или богатой лигнином оболочки. Неожиданно было обнаружено, что растворы, содержащие сульфиты, подходят также для дезинтеграции волокон на основе целлюлозы. Так, оказалось, что барду, которая после ферментативного выщелачивания еще содержала небольшое количество растворимых белков и углеводов и которая подвергалась дезинтеграции в водном растворе 1 вес.% сульфита натрия при 85°C в течение 90 минут, можно с помощью коллоидной мельницы диспергировать до получения суспензии волокон на основе целлюлозы. Полученные волокна на основе целлюлозы были очень мягкими на ощупь и до 78 вес.% (сух.в.) из них имели размер < 100 мкм, и >95 вес.% (сух.в.) < 250 мкм.
Предпочтительным является способ извлечения волокон на основе целлюлозы из оболочечного материала семян, зерен или ядер растений.
Далее, было обнаружено, что с дезинтегрирующими/выщелачивающими соединениями согласно изобретению можно получить также не имеющие вкуса и/или окраски волокна на основе целлюлозы. Так, в случае свекольной стружки после экстракции патоки, которая имеет низкое остаточное содержание растворимых углеводов, проводилась дезинтеграция с использованием 1%–ного раствора бисульфита натрия или 2%–ного раствора гидрокарбоната натрия при 90°C в течение 90 минут, и при котором дезинтегрированная масса стружки обрабатывалась в сдвиговом смесителе, в результате получали суспензию волокон на основе целлюлозы. Однако полученная волокнистая масса все еще имела сильный землистый запах и вкус и поэтому была не пригодной для употребления в пищу. При дальнейшем выщелачивании с растворами аминокислот и/или пептидов согласно изобретению, в которых обезвоженную волокнистую массу выдерживали 60 минут при 50°C, после обезвоживания и повторного промывания волокнистой массы волокна на основе целлюлозы не имели запаха и вкуса и при органолептической экспертизе были оценены как очень мягкие и кремообразные. Далее, при ситовом анализе оказалось, что до 80–85 вес.% (сух.в.) волокон на основе целлюлозы имели размер < 100 мкм и от >94 до 96 вес.% (сух.в.) имели размер < 250 мкм.
В разносторонних исследованиях по применению волокон на основе целлюлозы было показано, что очень хороших органолептических свойств (например, кремообразность) и функциональных качеств, как например, объем набухания, можно достичь, в частности, когда дезинтеграция и выщелачивание растворимых компонентов сырья проводится при низком остаточном содержании растворимых углеводов и белков, а также других растворимых органических соединений в получаемых волокнах на основе целлюлозы. Поэтому предпочтителен способ дезинтеграции и выщелачивания растительного материала, который обеспечивает остаточное содержание в волокнах на основе целлюлозы легко растворимых в воде органических соединений предпочтительно <5 вес.%, более предпочтительно <2,5 вес.% и более предпочтительно <1,0 вес.%.
Предпочтительным является способ дезинтеграции волокон на основе целлюлозы и выщелачивания и отделения получаемых при этом растворимых компонентов.
Предпочтительным является способ дезинтеграции волокон на основе целлюлозы и выщелачивания и отделения получаемых растворимых компонентов, в котором получают не имеющие запаха и/или вкуса волокна на основе целлюлозы, с остаточным содержанием легко растворимых в воде органических соединений <5 вес.%.
Предпочтительным является способ согласно изобретению, в котором легко растворимые в воде органические соединения имеют растворимость в воде >100 г/л при 20°C, предпочтительно >140 г/л при 20°C, а плохо растворимые в воде органические соединения имеют растворимость в воде <100 г/л при 20°C, предпочтительно <75 г/л при 20°C.
Предпочтительным является способ дезинтеграции волокон на основе целлюлозы и выщелачивания и разделения содержащихся в них растворимых компонентов, с получением не имеющих запаха и/или вкуса волокон на основе целлюлозы, с остаточным содержанием легко растворимых в воде органических соединений <5 вес.%, в котором водные дезинтегрирующие растворы содержат сульфиты и/или карбонаты.
Далее, было найдено, что органолептические и функциональные свойства имеются у волокон на основе целлюлозы тогда, когда разуплотнение проводится способом дезинтеграции/выщелачивания, и разуплотнение сочетается с отделением растворимых компонентов, образующих комплексы с волокнами на основе целлюлозы. Соответствующее разуплотнение было обнаружено также для богатых лигнином оболочек, получаемых одним из способов согласно изобретению.
Предпочтительным является способ дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья, при котором происходит разуплотнение волокон на основе целлюлозы и/или богатой лигнином оболочки.
4
Кроме того, неожиданно было обнаружено, что с помощью одного из способов согласно изобретению может быть дезинтегрирован и растворен даже уплотненный и содержащий лигнин оболочечный материал, и можно извлечь выщелачиваемые волокна на основе целлюлозы. Было найдено, что введение добавок подходит для дезинтеграции, и/или отщепления, или даже для полного растворения лигнинсодержащих структур, которые препятствуют выщелачиванию волокон на основе целлюлозы. При этом комбинации водных растворов согласно изобретению, содержащих растворенные аминокислоты и/или пептиды, с выщелачивающими добавками согласно изобретению оказались решающими для возможности извлечения волокон на основе целлюлозы из содержащих лигнин растительных оболочечных материалов, а также для растворения лигнополимеров в щадящих для продукта условиях. В этом случае дезинтеграцию лигнополимерных структур можно осуществить уже при умеренном повышении температуры, до 60–80°C. Было показано, что при применении повышенного давления и при температурах от 90°C до 140°C дезинтеграцию/выщелачивание можно значительно ускорить, в частности, при одновременном приложении давления, что возможно в автоклаве. При этом волокна на основе целлюлозы сохраняют структурную целостность и имеют особенно низкую, ощущаемую органолептически, жесткость. Кроме того, было найдено, что эти волокна имеют особенно низкий погонный вес, < 50 мг/100м. Эти волокна на основе целлюлозы имеют также очень хорошие органолептические свойства, такие как ощущение нежного таяния во рту. Неожиданно оказалось, что такой технологией дезинтеграции можно получить также волокна на основе целлюлозы, например, из волокнистого материала кокосовых орехов или апельсиновых корок. Подходящими добавками для раствора и/или для растворения лигнополимерных или содержащих лигнин полимерных структур, которые подходят для использования вместе или в последовательном порядке с водными растворами согласно изобретению и которые могут использоваться по отдельности или в комбинации друг с другом, предпочтительно являются сульфитные соединения, такие как сульфит натрия или бисульфит натрия, а также сульфатные соединения, как NaSO, а также мочевина и производные мочевины, такие как тиомочевина, и кроме того, детергенты, как лаурилсульфат натрия или ДДТ, а также карбонаты, как карбонат натрия.
Предпочтительным является способ дезинтеграции/ выщелачивания лигнин–содержащих структур и извлечения компонентов оболочки на основе лигнина и волокон на основе целлюлозы.
Предпочтительным является способ растворения растительного оболочечного материала.
Предпочтителен лигнин–содержащий оболочечный материал, который может быть получен способом дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья.
Неожиданно было обнаружено, что растительные волокна на основе целлюлозы из различных растительных источников, которые не годятся для приготовления пищи, а также которые могут быть экстрагированы или получены очисткой из растительных отходов, а также волокна, полученные способами согласно изобретению, которые могут быть предлагаться волокна на основе целлюлозы, как не имеющие запаха и вкуса, имеют отличные функциональные свойства для получения пищевых блюд и одновременно оказывают положительное действие, регулирующее стул. Поэтому задачей изобретения является также разработать способы и методы извлечения, а также приготовления функциональных или функционализируемых волокон на основе целлюлозы.
Так, оказалось, что в результате применения волокон на основе целлюлозы для получения пищи, содержащей муку и/или крахмал, муку, соответственно крахмал можно сэкономить в том же количестве, по порядку величины соответствующем количеству добавленных волокон на основе целлюлозы, без негативного влияния на количество или качество выпечки. В случае волокон на основе целлюлозы, которые были покрыты разрыхлителем, таким как дрожжи или бикарбонат натрия, на их внутренних поверхностях, удалось добиться увеличения объема выпекания и более равномерного распределения образовавшихся воздушных камер по сравнению с исходной рецептурой. В то же время выпеченные изделия с волокнами на основе целлюлозы имеют более высокую стойкость к давлению и имеют лучший вкус и более гармоничные вкусовые качества по сравнению со стандартной рецептурой.
Далее, было показано, что волокна на основе целлюлозы можно использовать как замену жира при приготовлении пищи. При этом можно, например, путем замены 50 вес.% масла или жира волокнами на основе целлюлозы, полученными согласно изобретению, достичь аналогичной консистенции/объема блюда и эквивалентных или улучшенных органолептических признаков качества, чем в блюдах, приготовленных с обычным количеством жиров или масел.
Кроме того, неожиданно было обнаружено, что одним из способов согласно изобретению можно получать биогенные абразивные и неабразивные чистящие и моющие средства. Было найдено, что содержащие лигнин оболочечные материалы, в частности, оболочку на основе лигнина можно полностью или частично размягчить/растворить с помощью технологических стадий согласно изобретению. В результате образуются мелкие или мельчайшие частицы, шероховатость поверхностей которых повышается с увеличением продолжительности и интенсивности процесса водной дезинтеграции/выщелачивания с растворами, содержащими растворенные дезинтегрирующие соединения, и одновременно скругляются их внешние контуры, в итоге они больше не имеют острых кромок. Особенно предпочтительными дезинтегрирующими соединениями являются при этом аминокислоты и/или пептиды. В результате размягчения и/или частичного растворения оболочки на основе лигнина на поверхности образуются пространственные структуры, которые, по–видимому, имеют очень хорошую способность поглощать органические и неорганические частицы и обеспечивают хорошую солюбилизацию ПАВов. При чистке сосудов оказалось, что компоненты оболочки на основе лигнина, которые были получены предлагаемым изобретением способом водной дезинтеграции/выщелачивания, в частности, в сочетании с ПАВом, обеспечивают значительно улучшенный результат очистки, в частности, от крустифицированных органических или неорганических отложений. Однако, в отличие от чистящих средств предшествующего уровня, не было никаких следов царапин, если очистка глянцевой лаковой поверхности от наслоений проводилась с использованием материала оболочки на основе лигнина, дезинтегрированным и растворенным согласно изобретению. Таким образом, способы согласно изобретению подходят для получения абразивных и неабразивных биогенных чистящих средств из оболочечных материалов на основе лигнина.
Предпочтительным является способ получения абразивных и неабразивных биогенных чистящих средств.
Предпочтительным является применение содержащего лигнин оболочечного материала в качестве абразивных и неабразивных биогенных чистящих средств.
Неожиданно оказалось, что простым в осуществлении способом, проводимым в воде, можно осуществить как дезинтеграцию растительных оболочечных материалов, которая обеспечивает последующее технически просто осуществимое полное разделение оболочечных материалов, так и возможность растворения оболочечных материалов, что позволяет расщепить и выделить твердые компоненты растительного оболочечного материала. Таким образом, можно получить растительные оболочечные материалы в виде чистых фракций, которые до настоящего времени извлечь было совсем невозможно или лишь с огромными трудностями, причем загрязненными другими органическими примесями. Кроме того, дезинтеграция/выщелачивания позволяют сохранить основные составляющие (компоненты) растворенных оболочечных материалов, которые можно использовать как ценные вещества. Таким образом, способ может применяться для получения волокнистых продуктов из растительного оболочечного материала путем дезинтеграции/ разделения, а также растворения оболочечного материала.
Предпочтительным является способ получения волокнистых продуктов, которые могут быть получены путем дезинтеграции, и/или разделения, и/или растворения/выщелачивания растительных оболочечных материалов с помощью водных растворов, содержащих растворенные соединения для дезинтеграции/выщелачивания.
Таким образом, задача изобретение может быть решена посредством способа получения волокнистых продуктов, получаемых путем дезинтеграции, и/или разделения, и/или растворения растительных оболочечных материалов с помощью водных растворов.
Подробное описание
Оболочечный материал семян или ядер растений изменяется структурно и функционально по окончании фазы роста. При этом происходит, наряду с прочим, усадка и необратимое закрытие водопроводящих капиллярных структур. Кроме того, происходит кератинизация волокон на основе целлюлозы. В результате семена, зерна и ядра растений, которые окружены такими оболочечными слоями, не способны набухать в воде или набухают лишь при длительном времени воздействия воды. Кроме того, в результате образуется преимущественно очень прочный слой, который очень эффективно защищает растительный продукт от механических изменений. Неожиданно было обнаружено, что водные растворы растворенных аминокислот и пептидов подходят для дезинтеграции уплотненных и кератинизированных растительных оболочечных материалов. Кроме того, удивительным было, что способ дезинтеграции подходит также для того, чтобы разложить дезинтегрированный растительный оболочечный материал на его отдельные компоненты или растворить, с получением чистой фракции твердых веществ, а также растворимых соединений, находящихся растворенными в водном растворе.
Этот эффект был особенно выраженным при использовании катионных аминокислот. Поэтому особенно предпочтительны аминокислоты, которые содержат одну или несколько катионных заряженных групп, или пептиды, которые содержат одну или несколько катионных заряженных групп. Предпочтительными аминокислотами являются аргинин, лизин, гистидин, а также их производные.
Пептиды, подходящие для применения согласно изобретению, могут представлять собой ди–, три– и/или полипептиды. Пептиды согласно изобретению содержат по меньшей мере одну функциональную группу, которая связывает или может связывать протон. Предпочтительный молекулярный вес не превышает 500 кДа, более предпочтительно <250кДа, более предпочтительно <100 кДа и особенно предпочтительно <1000 Да. При этом предпочтительными являются, в частности, функциональные группы гуанидино, амидино, амино, амидо, аммоний, гидразино, гидразоно, гидроксиимино или нитро. Аминокислоты могут содержать одну функциональную группу или несколько из одного и того же класса соединений, или одну или несколько функциональных групп из разных классов соединений. Предпочтительно, аминокислоты и пептиды согласно изобретению содержат по меньшей мере одну положительно заряженную группу или имеют суммарный положительный заряд. Особенно предпочтительными являются пептиды с катионными функциональными группами. Предпочтительно устанавливать pH раствора катионных аминокислот или пептидов в диапазоне от 7 до 14, более предпочтительно от 8 до 13 и более предпочтительно от 8,5 до 12,5. В одном варианте осуществления pH можно устанавливать добавлением кислоты или основания на любом уровне в диапазоне pH от 6 до 14. При этом можно использовать кислоты и основания, известные из уровня техники, как, например, раствор едкого натра или HCl.
2
2
Особенно предпочтительные пептиды содержат по меньшей мере одну из аминокислот аргинин, лизин, гистидин и глутамин в любом количестве и в последовательном порядке. Особенно предпочтительны аминокислоты и/или их производные, которые содержат по меньшей мере одну группу гуанидино и/или амидино. Группой гуанидино называют химический остаток HN–C(NH)–NH–, а также его циклические формы, а группой амидино химический остаток HN–C(NH)–, а также его циклические формы. Предпочтительны гуанидиновые соединения, которые в дополнение к группе гуанидино содержат по меньшей мере одну карбоксилатую группу (–COOH). Кроме того, предпочтительно, чтобы карбоксилатная группа была отделена от группы гуанидино в молекуле по меньшей мере одним атомом углерода. Предпочтительными также являются амидиновые соединения, которые в дополнение к группе амидино содержат по меньшей мере одну карбоксилатную группу (–COOH). Кроме того, предпочтительно, чтобы карбоксилатные группы были отделены от группы амидино в молекуле по меньшей мере одним атомом углерода.
Кроме того, подходят ди–, три– или олигопептиды, а также полипептиды, которые состоят из одной, двух или более аминокислот. Предпочтительны короткоцепочечные пептиды, например, RDG. Особенно предпочтительными являются пептиды, состоящие из аминокислот, которые содержат как гидрофобные, так и гидрофильные боковые группы, как, например (обозначения согласно Указателю наименований аминокислот) GLK, QHM, KSF, ACG, HML, SPR, EHP или SFA. Еще более предпочтительны пептиды, которые одновременно содержат гидрофобные и катионные и/или анионные боковые группы, как, например, RDG, BCAA, NCR, HIS, SPR, EHP или SFA. Другими примерами с 4 аминокислотами являются NCQA, SIHC, DCGA, TSVR, HIMS или RNIF, а с 5 аминокислотами HHGQC, STYHK, DCQHR, HHKSS, TSSHH, NSRR. Особенно предпочтительны RDG, SKH или RRC.
Применение осуществляется в форме водных дезинтегрирующих растворов, в которых аминокислоты и/или пептиды согласно изобретению находятся полностью растворенными. Концентрацию аминокислот и/или пептидов в принципе можно выбирать свободно, но предпочтительны концентрации от 10 мкмоль/л до 3 моль/л, более предпочтительно от 1 ммоль/л до 1 моль/л и более предпочтительно от 100 мкмоль/л до 0,5 моль/л. При этом аминокислоты или пептиды согласно изобретению могут присутствовать в водных растворах по отдельности или в любой комбинации. Отношение объема водной фазы, содержащей растворенные аминокислоты или пептиды, к объему обрабатываемых растительных продуктов или оболочечных материалов в принципе можно выбирать свободно, но необходимо обеспечить полное смачивание оболочечных материалов, которые подлежат дезинтеграции/отделению или растворению. Предпочтительно полностью вводить обрабатываемые растительные материалы в один из растворов согласно изобретению.
3
Кроме того, было обнаружено, что процесс дезинтеграции растительных оболочек и кожуры может быть ускорен дезинтегрирующими добавками, которые растворены в водных дезинтегрирующих растворах. Такие добавки включают, например, следующие соединения, но не ограничиваются ими: мочевина, NH, триэтиламин, диэтиламин; ионные или неионные ПАВы, такие как SDS или DMSO; антиоксиданты или сульфаты, а также сульфиты, как сульфит натрия или бисульфит натрия; кроме того, карбонаты, как карбонат натрия или гидрокарбонат натрия. Предпочтительно, соединения растворены в воде в концентрации от 0,1 до 30 вес.%, более предпочтительно в концентрации от 0,5 до 15 вес.% и наиболее предпочтительно от 1 до 5 вес.%. Эти соединения могут использоваться по отдельности или в любой комбинации.
Процесс дезинтеграции растительного оболочечного материала может регулироваться в зависимости от желаемого эффекта через различные установки параметров. Так, например, в одном варианте осуществления проводится гидратация оболочечного материала и дезинтеграция в области зародышей, например, в случае соевых бобов. Этого достаточно, например, для проведения механического снятия всей оболочки с помощью плющильного устройства. Для этого, например, достаточно выдержать целые бобы в выщелачивающем растворе, содержащем 0,2 моль/л аргинина, при 25°C в течение 6 часов. Это можно проверить по тому, что оболочку можно легко удалить в результате "выталкивания" пальцами. В другом случае применения грецкие орехи, очищенные от кожуры, вводили в 0,2–молярный раствор лизина при 35°C на 3 часа. После слива раствора было возможно полное отслаивание оболочки ядра с помощью водоструйного устройства, причем полученная кожица оставалась по существу полной и неповрежденной. Полученные грецкие орехи были очищены от кожицы более чем на >98. Вся шелуха/кожица, которая была получена в процессе выщелачивания/дезинтеграции, была мягкой и гибкой. В другом варианте осуществления измельченный миндаль выдерживали 20 минут в растворе гистидина 100 ммоль/л при 20°C. Затем проводили отделение от раствора и удаление размягченных частей оболочки ядра в гидроциклоне. Удалось достичь >95%–ного удаления оболочки ядра. В другом варианте осуществления очищали от кожуры фасоль обыкновенную. Для этого фасолины вводили в автоклав в раствор полилизина и гистидина и обрабатывали при температуре 120°C и давлении 1,2 бар в течение 3 минут. После этого кожуру можно было легко удалить полностью двумя пальцами.
В предпочтительных вариантах осуществления способ дезинтеграции растительных оболочечных материалов может применяться для гидратации оболочки/кожицы, и/или для отделение текстуры оболочки и кожицы на заранее образованных местах, и/или для удаления промежуточных слоев оболочечных материалов, и/или для размягчения оболочки и кожицы. В соответствии с разными требованиями в различиями в исходных материалах, сначала необходимо определить конкретные условия процесса. Обычно, правда, предпочтительными являются нижеописанные установки параметров.
Продолжительность воздействия на растительный материал водных дезинтегрирующих растворов согласно изобретению в принципе можно выбирать свободно. Предпочтительной является продолжительность воздействия от 5 минут до 48 часов, более предпочтительно от 10 минут до 24 часов и более предпочтительно от 15 минут до 12 часов. Достаточность продолжительности воздействия можно очень легко определить путем проверки на обработанных растительных продуктах, был ли достигнут желаемый эффект, например, снимаемость кожицы или шелухи. Температуру, при которой осуществляется воздействие на растительный материал водных дезинтегрирующих растворов, содержащих растворенные аминокислоты и/или пептиды и/или другие растворенные соединения для дезинтеграции, в принципе можно выбирать свободно. Однако предпочтителен температурный диапазон от 5°C до 145°C, более предпочтительно от 10°C до 140°C, более предпочтительно от 15°C до 80°C. Воздействие предпочтительно осуществляется в условиях нормального давления. В одном предпочтительном варианте осуществления в реакционной смеси устанавливается пониженное или повышенное давление, при этом предпочтительными являются давления от 0,1 бар до 10 бар, более предпочтительно от 0,5 бар до 5 бар и более предпочтительно от 0,8 бар до 3 бар. Предпочтительным является одновременное повышение температуры и повышение давления во время воздействия на обрабатываемый растительный материал водных дезинтегрирующих растворов согласно изобретению. Предпочтительным является воздействие на растительный материал водных дезинтегрирующих растворов согласно изобретению в автоклаве. Предпочтительное время обработки в автоклаве составляет от 30 секунд до 60 минут, более предпочтительно от 1 минуты до 30 минут и более предпочтительно от 2 минут до 15 минут.
В одном предпочтительном варианте осуществления гидратированные и частично или полностью дезинтегрированные оболочечные материалы подают на устройство, которое позволяет удалить оболочечный материал. Такие устройства широко представлены в уровне техники. Предпочтительными являются щадящие продукт варианты, так как благодаря этому можно перенести выгодные эффекты щадящей обработки согласно изобретению на разделение растительного оболочечного материала. Например, подходят гидродинамические способы, в которых к оболочечному материалу посредством водяной струи прикладываются сдвиговые усилия, что ведет к его отделению. Но могут быть выгодны также и механические способы. В одном особенно предпочтительном варианте осуществления предварительно обработанные семена, зерна или ядра сортируют по размеру и подают на продувочное устройство. При этом на входе в гибкую или жесткую трубу/рукав или только во время транспортировки туда происходит разрыв дезинтегрированного оболочечного материала и транслокация/отделение оболочечного материала от семян, зерен или ядер. При выходе из трубы/рукава, что может проводиться под давлением, семена, зерна или ядра различными подходящими способами, такими как использование сдвиговых усилий или путем провеивания, пространственно отделяются от оболочечного материала. Пригодность дезинтегрированного растительного сырья для осуществления отделения и удаления оболочечного материала можно установить, например, по способности отшелушивания дезинтегрированного оболочечного материала путем легкого растирания ладонями.
В одном предпочтительном варианте осуществления проводимая согласно изобретению дезинтеграция растительных оболочечных материалов осуществляется по окончании процесса механической дезинтеграции. Особенно предпочтительными являются шроты, которые обезжиривают и/или из которых отделяют другие ценные фракции, как, например, белки и/или углеводы. Было показано, что даже такие растительные продукты, от крупных до тонкозернистых, могут быть очищены от компонентов оболочки дезинтегрирующими растворами согласно изобретению. Для их отделения можно также применять методы вихревых токов или методы просеивания.
В одном варианте осуществления гидратируемость и размягчаемость растительного оболочечного материала водными дезинтегрирующими растворами, содержащими растворенные аминокислоты, и/или пептиды, и/или другие растворенные соединения для дезинтеграции, повышается благодаря добавлению ПАВов и/или выщелачивающих агентов. В одном варианте осуществления водные растворы могут содержать вспомогательные вещества или добавки для дезинтеграции, как, например, спирты или ПАВы. Предпочтительными спиртами являются метанол и этанол. Предпочтительными ПАВами являются мочевина, тиомочевина, лаурилсульфат натрия и DMSO. Предпочтительными выщелачивающими агентами являются бисульфит натрия и сульфит натрия. Концентрации, необходимые для конкретного применения, должны определяться индивидуально.
Предпочтительным является отделение/сепарация оболочечного материала или оболочечных материалов непосредственно после воздействия на растительные продукты одним из водных дезинтегрирующих растворов согласно изобретению. Однако отделение/сепарацию можно также провести в более поздний момент времени. Оказалось, что если дезинтеграцию или размягчение оболочечного материала осуществляют одним из способов согласно изобретению, то повторно высушенные в промежутке оболочечные материалы можно очень легко отделить/удалить путем размягчения/набухания в воде. Таким образом, способ согласно изобретению можно также применять для подготовки растительных продуктов для проводимого позднее отделения оболочечного материала. Было найдено, что уже в результате этого подготовленный оболочечный материал частично или полностью теряет запах и/или вкус. Поэтому в одном варианте осуществления способ согласно изобретению применяется также для нейтрализации вкуса/удаления горьких веществ из оболочечных материалов с или без одновременных дезинтеграции/отделения оболочечных продуктов. Необходимые для этого продолжительность воздействия, а также температура и условия по давлению должны устанавливаться индивидуально.
В следующем предпочтительном варианте осуществления способа дезинтегрированный и отделенный от растительного сырья оболочечный материал и/или механически отделенный от растительного сырья оболочечный материал вводят в один или последовательно в несколько дезинтегрирующих растворов с растворенными аминокислотами, и/или пептидами, и/или другими соединениями для дезинтеграции. Предпочтительно, благодаря этому процесс дезинтеграции продолжается или инициируется, причем может происходить всестороннее смачивание оболочечного материала. Как результат, можно, например, достичь размягчения ранее хрупких и легко ломающихся оболочечных материалов, благодаря чему эти дезинтегрированные оболочечные материалы имеют очень высокую гибкость и больше не ломаются. Предпочтительную для этого форму дезинтеграции осуществляют путем длительного выдерживания в одном из водных растворов согласно изобретению. Предпочтительной является продолжительность от 15 минут до 30 дней, более предпочтительно от 60 минут до 14 дней и более предпочтительно от 10 часов до 7 дней. Концентрации растворенных аминокислот и/или пептидов должны рассчитываться в соответствии с этим, в качестве ориентира можно использовать указанные выше значения. Предпочтительно проводить дезинтеграцию при комнатной температуре. Предпочтительно устанавливать pH на уровне от 6,5 до 13, более предпочтительно от 7 до 12 и более предпочтительно от 8 до 12,5. В следующем предпочтительном варианте осуществления кондиционирование/размягчение растительного оболочечного материала проводится путем кратковременной обработки в автоклаве. Было найдено, что размягчение отделенного оболочечного материала можно провести также при более высокой температуре и более высоком давлении при короткой продолжительности воздействия. Предпочтительным является температурный диапазон от 80°C до 140°C, более предпочтительно от 90°C до 130°C и более предпочтительным от 100°C до 121°C. Предпочтительное давление составляет от 0,5 до 10 бар, более предпочтительно от 0,8 до 5 бар и более предпочтительно от 1,0 до 2 бар. Продолжительность воздействия предпочтительно составляет от 20 секунд до 10 минут, более предпочтительно от 30 секунд до 8 минут и более предпочтительно от 40 секунд до 3 минут. Оболочечные материалы, дезинтегрированные и размягченные в соответствии с указанными вариантами способа, предпочтительно подвергают обильной промывке водой. Такие дезинтегрированные оболочечные материалы больше не растворяются, если их оставить в нейтральной воде. Они могут храниться в ней в течение длительного периода времени, который может оставлять более 6 месяцев, в неизменном состоянии. Но их можно также высушить и хранить сухими. Предпочтительным является получение композита /текстуры из отдельных компонентов оболочечного материала. Этого с успехом можно достичь путем прессования оболочечных материалов, например, на ситовом прессе, посредством чего можно получать, например, формованные панели. Эти пресс–изделия можно высушить, например, в сушильном шкафу. Получаемые комбинированные панели из уплотненного оболочечного материала отличаются очень высокой набухаемостью при введении в воду, которая предпочтительно составляет >200 вес.%, более предпочтительно >300 вес.% и более предпочтительно >400 вес.%. Предпочтительно, в процессе получения дезинтегрированных формующихся оболочечных материалов, в одном или нескольких дополнительных или реализуемых одновременно процессах проводится также кондиционирование и/или функционализация дезинтегрированного оболочечного материала одним из способов, описанных выше или описываемых ниже. Предпочтительно также, в частности, этим способом получают дезинтегрированные размягченные/гибкие растительные оболочечные материалы, которые совсем или почти совсем не имеют запаха и/или вкуса. При этом "почти" означает более чем на 98%. Другими словами, количество ранее присутствовавших пахучих и/или вкусовых веществ снижено более чем на 98%. Далее, дезинтегрированные и размягченные оболочечные материалы не выдают в водную среду никаких или почти никаких красящих веществ. Так, в одном применении было показано, что из оболочечного материала чеснока можно сформировать очень гибкий лист, не имеющий вкуса.
Кроме того, в водные дезинтегрирующие растворы согласно изобретению, содержащие растворенные аминокислоты и/или пептиды, можно добавлять добавки, благодаря чему достигаются дальнейшие особенно выгодные эффекты, которые например, могут вызвать или усилить кондиционирование и/или функционализацию, и/или дезинтеграцию растительного оболочечного материала. В одном варианте осуществления карбоновые кислоты полностью растворены в водных растворах, содержащих катионные аминокислоты и/или пептиды. Это особенно выгодно, поскольку карбоновые кислоты благодаря катионным соединениям могут привести в водной среде к полному растворению с образованием наноэмульсий. Это особенно выгодным образом позволяет во многих областях применения уменьшить продолжительность воздействия до достижения отделения растительного оболочечного материала. Кроме того, во время процесса гидратации, инициированного водными растворами согласно изобретению, оболочечные материалы можно насытить растворенными карбоновыми кислотами или предпочтительно ввести и/или нанести в/на гидрированные волокна на основе целлюлозы. Это позволяет, с одной стороны, получать оболочечные материалы с измененными поверхностными свойствами, в том числе, например, гидрофобными свойствами или антимикробной активностью. С другой стороны, при дезинтеграции/растворения оболочечных материалов можно получить волокна на основе целлюлозы, которые наполнены карбоновыми кислотами, как например, омега–3–жирные кислоты. Предпочтительными карбоновыми кислотами, которые растворяются в водных растворах согласно изобретению, являются жирные кислоты, как, например, моно– или полиненасыщенные жирные кислоты, такие как олеиновая кислота или линоленовая кислота, а также органические кислоты, как уксусная кислота или аскорбиновая кислота. При этом предпочтительная концентрация карбоновых кислот составляет от 1 мкмоль/л до 3 моль/л, более предпочтительно от 1 ммоль/л до 1 моль/л и более предпочтительно от 100 мкмоль/л до 0,5 моль/л. Предпочтительно, карбоновые кислоты полностью растворены в водном дезинтегрирующем растворе согласно изобретению. Поэтому полное количество карбоновых кислот ограничено числом и концентрацией катионных соединений, которые находятся в смеси растворов и позволяют растворить карбоновые кислоты.
В водные дезинтегрирующие растворы можно добавлять также другие соединения. В одном предпочтительном варианте осуществления в качестве добавок добавляются ионные или неионные ПАВы. Это особенно выгодно при извлечении волокон на основе целлюлозы из оболочечных материалов, которые содержат заметную долю жиров или восков. Кроме того, предпочтительным является применение мочевины или креатина в качестве добавки. В одном варианте осуществления добавки используют, чтобы добиться улучшенного/более полного выщелачивания волокон на основе целлюлозы из органической матрицы.
В следующем варианте осуществления способа помимо дезинтеграции проводится также выщелачивание и разделение составляющих (компонентов) растительных оболочечных материалов.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа проводится выщелачивание/растворение лигнина и/или лигнинсодержащих полимерных структур, а также кератинизированных волокон на основе целлюлозы с использованием комбинации соединений для дезинтеграции в форме водного раствора или ряда водных растворов с одной или несколькими дезинтегрирующими добавками. Особенно предпочтительными являются сульфит натрия, бисульфит натрия, мочевина, тиомочевина, лаурилсульфат натрия и DMSO, а также карбонаты, как гидрокарбонат натрия. Концентрация дезинтегрирующих добавок в водном растворе, в котором они предпочтительно присутствуют в растворенной форме, при этом предпочтительно составляет от 50 мкмоль/л до 3 моль/л, более предпочтительно от 1 ммоль/л до 2 моль/л и более предпочтительно от 200 ммоль/л до 1 моль/л. Соединения или водные растворы могут использоваться вместе с растворенными аминокислотами и/или пептидами согласно изобретению или в хронологическом порядке. Предпочтителен способ выщелачивания, при котором растворенные аминокислоты и/или пептиды используются вместе с добавками. Предпочтительная температура, при которой происходит выщелачивание лигнина и/или содержащих лигнин полимерных структур, предпочтительно выбирается в интервале от 40°C до 140°C, более предпочтительно от 60°C до 130°C и еще более предпочтительно от 80°C до 120°C. Предпочтительно, к реакционной смеси одновременно прикладывается давление. Предпочтительным является избыточное давление от 0,5 до 10 бар, более предпочтительно от 0,8 до 8 бар и более предпочтительно от 1 до 6 бар. Продолжительность воздействия на сырье водных растворов должна устанавливаться индивидуально, так как степень сшивки лигнополимеров и степень кератинизации волокон на основе целлюлозы в сырье могут очень сильно колебаться. Достаточную продолжительность воздействия можно очень просто определить, взяв образец из реакционного сосуда. Продолжительность воздействия является достаточной, в частности, когда темно–коричневых или черных структур растительных оболочечных материалов больше не имеется, или они присутствуют лишь в очень малой доле или распались на очень мелкие частицы. Кроме того, продолжительность воздействия является достаточной, когда при микроскопическом анализе больше не обнаруживается связных волокнистых структур.
Было найдено, что в результате применения способа согласно изобретению оболочечный материал на основе лигнина дезинтегрирует и может быть извлечен, например, в форме неповрежденной кожуры/оболочки или фрагментов кожуры. Содержащие лигнин материалы оболочки имеются, например, в семенах или зернах ятрофы, рапса, подсолнечника или косточек яблок и груш. При этом растительный оболочечный материал может присутствовать в неповрежденной или частично или полностью механически или термически дезинтегрированном состоянии, как, например, после экстракции масляной фракции, или в форме жома после извлечения сока. Способы согласно изобретению служат при этом для получения еще извлекаемых фракций веществ.
В другом варианте осуществления способа остатки от прессования семян растений, как, например, жмых рапса или ятрофы, полученный, например, в процессе водного выщелачивания, обрабатывали растворами согласно изобретению, путем пропитки ими. При этом пропитывание означает, что жмых является полностью смоченным, но не мокрым. Через 4 часа осуществляли распределение твердых компонентов в воде с помощью смесителя. Твердые компоненты отделяли с помощью фильтра и подавали на следующую стадию процесса с водными выщелачивающими смесями. В одном варианте осуществления для этого можно использовать, например, раствор с 0,2 моль/л лизина и 10 вес.% мочевины, в который твердый остаток на фильтре вводили в течение 6 часов. Затем жидкую фазу удаляли в камерном фильтр–прессе и остаток на фильтре распределяли в воде и затем с помощью гидроциклона разделяли на образованные фракции твердых веществ: волокна на основе целлюлозы и компоненты оболочки на основе лигнина. Оказалось, что способом дезинтеграции и отслаивания компонентов на основе лигнина можно достичь разделения компонентов фракции волокон и можно осуществить разъединение различных компонентов волокон и в результате напрямую извлечь в большом количестве компоненты оболочки на основе лигнина в виде разделяемой фракции ценных веществ.
В зависимости от происхождения сырья, а также от выбранного способа дезинтеграции/выщелачивания, процесса обезвоживания или воздействия отбеливателей получаемые волокна на основе целлюлозы имеют разную степень кератинизации. При этом образуются кристаллические области, которые приводят к отчетливому ощущению присутствия во рту твердых веществ, а при разжевывании присутствия крошек, что нежелательно. Неожиданно было обнаружено, что при способе дезинтеграции/выщелачивания, в котором использовались аминокислоты и/или пептиды согласно изобретению, практически не происходило кератинизации волокон на основе целлюлозы. Кроме того, было найдено, что если кератинизация волокон на основе целлюлозы возникает, можно заметно уменьшить степень кератинизации или сделать ее полностью обратимой путем дезинтеграции раствором, содержащим аминокислоты и/или пептиды согласно изобретению. Так, оказалось, что в случае свекловичной стружки, когда дезинтеграция проводилась с использованием раствора сульфита натрия при 130°C и избыточном давлении 1,2 бар в течение 10 минут, масса волокон на основе целлюлозы, полученная после гомогенизации и отделения несвязанной жидкости, имела высокую степень кератинизации и из–за этого была непригодной к употреблению в пищу. Благодаря введению раствора аргинина концентрацией 0,3 моль/л при размешивании кератинизация устранялась, так что через 3 часа зернистости больше практически не наблюдалось.
Предпочтительным является способ дезинтеграции/ выщелачивания ороговевших волокон на основе целлюлозы.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа кожура/оболочка на основе лигнина или фрагменты от дезинтеграции, полученные одним из описанных здесь способов или другим способом, подвергаются процессу выщелачивания с использованием выщелачивающего раствора. При этом предпочтительно достичь размягчения и/или растворения лигнополимерных структур. Конечно, сложность этих структур в разных оболочечных материалах разная, так что точные реакционные условия необходимо подбирать индивидуально. Предпочтительно дезинтегрировать и расщеплять оболочку/кожуру на основе лигнина или фрагменты в растворе сульфита натрия, предпочтительно вместе с растворенной аминокислотой и/или пептидом, и/или мочевиной, и/или карбонатами, при повышенной температуре и предпочтительно при повышенном давлении. Предпочтительны концентрации сульфита или бисульфита натрия, а также карбоната или гидрокарбоната натрия от 0,1 до 3 моль/л, более предпочтительно от 0,3 до 2 моль/л. Предпочтительные концентрации растворенных аминокислот и/или пептидов (по отдельности или вместе) составляют от 0,1 до 3 моль/л или до предела растворимости, более предпочтительно от 0,2 до 2 моль/л. Предпочтительным является pH дезинтегрирующего раствора от 8 до 14, более предпочтительно от 8,5 до 13 и более предпочтительно от 9 до 12,5. Предпочтительная температура составляет от 60°C до 180°C, более предпочтительно от 70°C до 160°C и более предпочтительно от 80°C до 140°C. Предпочтительное повышение давления составляет от 0,1 до 20 бар, более предпочтительно от 0,2 до 10 бар. Продолжительность дезинтеграции зависит от параметров процесса и от сырья. Предпочтительным является продолжительность дезинтеграции от 10 минут до 24 часов, более предпочтительно от 15 минут до 10 часов и более предпочтительно от 15 минут до 6 часов. Предпочтительно, дезинтегрированные, и/или размягченные и/или растворенные оболочку/кожуру или фрагменты подвергают обильной промывке водой или подходящей смесью ПАВов. Когда промывочный раствор больше не мутнеет, процесс промывки завершается. Полученную фракцию оболочки на основе лигнина предпочтительно подвергают процессу сушки. В одном предпочтительном варианте осуществления способа отделение несвязанной воды осуществляется с помощью просеивающего устройства или посредством центробежного процесса. Предпочтительными являются устройства с виброгрохотами и центрифуги. Затем материал оболочки на основе лигнина, как правило, уже сыпучий, можно высушить полностью, например, на ленточной сушилке или в вакуумном сушильном шкафу, до остаточной влажности предпочтительно <20 вес.%, более предпочтительно <15 вес.% и более предпочтительно <10 вес.%. До использования он хранится в сухом виде.
Поскольку в процессе дезинтеграции размягчаются/отделяются также волокна на основе целлюлозы, в одном предпочтительном варианте осуществления способа фракцию волокон на основе целлюлозы перед, во время или после дальнейшей обработки отделяют. Это предпочтительно может быть выполнено известными технологическими способами. Предпочтительным является метод вихревых токов, при котором происходит полуселективное удаление частиц разной плотности и с разными характеристиками осаждения. Предпочтительным является применение гидроциклона. Чистота полученной фракции компонентов оболочки на основе лигнина может быть установлена, например, микроскопическим анализом. Предпочтительным является чистота получаемых фракций >90%, более предпочтительно >95% и более предпочтительно >98,5%. С другой стороны, наличие волокон на основе целлюлозы во фракции компонентов оболочки на основе лигнина, как правило, не мешает. Оказалось, что в присутствии >5% волокон на основе целлюлозы во фракции компонентов оболочки на основе лигнина снижается вероятность появления царапин на чувствительных к царапинам поверхностям, которые могут возникать из–за высоких контактных давлений абразивных чистящих средств.
В одном предпочтительном варианте осуществления в любой момент способа проводят выбор размеров и/или измельчение компонентов оболочки на основе лигнина до определенного уровня. Предпочтительно это проводится к концу процесса. Предпочтительно проводить сортировку по размеру, которую осуществляют с помощью просеивающих устройств. Это можно сделать как с сухими, так и с суспендированными в воде компонентами оболочки на основе лигнина. Измельчение можно проводить как на сухих, так и на намокших компонентах оболочки на основе лигнина. Годятся, например, ножевые или шлифовальные мельницы. Получаемые распределения по размерам можно определить с помощью имеющихся в продаже аналитических ситовых устройств.
В зависимости от исходного растительного материала, интенсивности процесса дезинтеграции и фрагментации оболочечного материала, образуются плоскостные или корпускулярные частицы компонентов оболочки на основе лигнина. При химическом анализе было установлено содержание лигнина >40 вес.%. Предпочтительным является получение корпускулярных частиц с долей лигнина >40 вес.%, более предпочтительно >50 вес.%, более предпочтительно >60вес.%, еще более предпочтительно >75 вес.% и особенно предпочтительно >90 вес.%. Состав можно установить аналитическими методами.
Предпочтительным является способ, при котором в результате дезинтеграции растительного сырья получают корпускулярные частицы/компоненты оболочки, которые имеют содержание лигнина >40 вес.%.
Было найдено, что эти компоненты оболочки на основе лигнина обладают абразивными свойствами или способностью счищать органические или неорганические отложения на различных поверхностях. Неожиданно удалось обнаружить дифференциальные абразивные свойства компонентов оболочки на основе лигнина, образованных в технологическом процессе. Оказалось, что если чувствительные к царапинам поверхности, такие как глянцевый лак или глянцевая пластмассовая поверхность, обрабатывать механически измельченным материалом оболочки на основе лигнина, который скапливается в процессе выщелачивания оболочечных материалов, при сохранении постоянного давления прижима для удаления отложений, происходило образование царапин и бороздок при удалении отложений. Напротив, когда для выщелачивания растительного оболочечного материала использовался способ дезинтеграции согласно изобретению, никакого образования царапин/бороздок на поверхности не происходило при прочих равных условиях очистки/удаления прочно приставших загрязнений и при одинаковом выбранном давлении прижима. Таким образом, богатая лигнином оболочка приобретает в результате дезинтеграции дифференциальные абразивные свойства, которые позволяют удалить поверхностные загрязнения, в частности, крустифицированные загрязнения, например, органические материалы, такие как белки, не приводя при этом к дискретному снятию (борозды/царапины) чувствительных к эрозии (чувствительных к царапинам) поверхностей, как в случае глянцевых пластмассовых поверхностей или глянцевых лаков.
При этом "абразивный" относится к снятию налипаний, спеков или корок, которые находятся на поверхности материала, например, металлов, керамики, стекла, пластмасс, лаков или биологических материалов, как, например, кожа. В этой связи абразив не означает, что произойдет причинение вреда/повреждение поверхности или целостности поверхности обработанных абразивом материалов /поверхностей материалов. В микроскоп на таких оболочках/кожуре на основе лигнина или фрагментах, которые были получены на одной из технологических стадий, можно было различить микро– и/или нанонеоднородности поверхности, однако внешние контуры были с острыми краями и/или заостренными. Эти богатые лигнином компоненты оболочки имели очень хорошие абразивные свойства по отношению к отложениям на металлах, стекле или керамике, которые заметно легче удалялись по сравнению с использованием чистящих средств согласно уровню техники. При этом при очистке лаковых и пластмассовых поверхностей такими богатыми лигнином компонентами оболочки никаких следов царапин видно не было. Неожиданно было обнаружено, что в результате дальнейшей дезинтеграции компонентов оболочки на основе лигнина согласно описанному здесь способу получались частицы, которые имеют округлые и плоскодонные внешние контуры, но все же оказывают абразивное действие на остатки, отложившиеся на поверхности. Эти округлые компоненты оболочки на основе лигнина не создавали никаких царапин, когда они находились суспендированными в мыльном растворе и перемещались при давлении прижима 0,2Н по глянцевой лаковой поверхности или глянцевой поверхности пластмассы. Общим для обеих форм компонентов оболочки на основе лигнина является высокая способность к снятию/отделению налета. Кроме того, обе формы имеют микро– и/или нано шероховатости поверхности. Предпочтительные компоненты оболочки на основе лигнина, которые можно использовать для абразивного применения без образования царапин, имеют любой объем. Предпочтительно это частицы в форме диска. Но могут присутствовать и другие пространственные структуры. В одном предпочтительном варианте осуществления частицы предпочтительно имеют средний размер от 100 мкм до 3 мм, более предпочтительно от 200 мкм до 1 мм и еще более предпочтительно от 300 мкм до 800 мкм. В одном варианте осуществления калибровка по размеру осуществляется с помощью просеивающего устройства. Предпочтительны сита с перемешиванием, такие как вибрационные просеивающие машины или устройства с провеиванием.
Предпочтительным является получение абразивных частиц из растительного сырья для снятия/отслаивания поверхностных корок.
Предпочтительным является получение абразивных частиц из компонентов оболочки на основе лигнина для снятия/отслаивания поверхностных корок.
Поэтому в одном варианте осуществления дезинтеграция компонентов оболочки на основе лигнина предпочтительно продолжается до тех пор, пока предпочтительно 95 вес.%, более предпочтительно >97вес.%, более предпочтительно > 99 вес.%, и более предпочтительно пока все компоненты оболочки на основе лигнина не будут иметь со всех сторон округлую форму. Благодаря этому качественному признаку можно получить не создающее царапин абразивное чистящее средство, которым можно очистить чувствительные к царапинам поверхности, например, лака и пластмасс. Приготовление получаемого согласно изобретению, не вызывающего царапин, абразивного чистящего средства осуществляют тем, что полученные согласно изобретению компоненты оболочки на основе лигнина добавляют в раствор ПАВа/мыла и суспендируют в нем. Компоненты оболочки на основе лигнина могут добавляться в раствор ПАВа/мыла в еще влажной или сухой форме, предпочтительно с использованием высокооборотной сдвиговой мешалки.
Для применения в качестве чистящего средства можно использовать компоненты оболочки на основе лигнина во влажном, подсушенном или сухом и порошкообразном состоянии. Особенно подходящими для получения абразивных чистящих средств из компонентов оболочки на основе лигнина являются компоненты оболочки семян ятрофы и рапса.
В одном предпочтительном варианте осуществления согласно изобретению дезинтеграция/выщелачивание растительного оболочечного материала протекает вместе с или сразу после дезинтеграции/выщелачивания семян, ядер или зерен растений. Это особенно выгодно, поскольку это можно осуществить с теми же водными дезинтегрирующими/выщелачивающими растворами. Для этого, как правило, требуется более длительное время воздействия и/или другие технологические параметры, чем выбираемые для дезинтеграции/размягчения/растворения оболочечных материалов. В частности, может потребоваться увеличение времени воздействия, предпочтительно время воздействия составляет от 10 минут до 48 часов, более предпочтительно от 30 минут до 24 часов и более предпочтительно от 1 часа до 12 часов. Кроме того, предпочтительно повысить температуру реакционной смеси во время воздействия водных растворов согласно изобретению, предпочтительными являются температуры от 20°C до 140°C, более предпочтительно от 30°C до 120°C и более предпочтительно от 40°C до 80°C. В одном особенно предпочтительном варианте осуществления после дезинтеграции всего растительного сырья происходит выщелачивание компонентов сырья, при котором растворимые компоненты, такие как белки и растворимые углеводы, полностью растворяются в водном распределительном объеме, а твердые компоненты, такие как волокна на основе целлюлозы и богатая лигнином оболочка, суспендируется в водной распределительной фазе. При этом предпочтительно выбирать объем воды, который гарантирует легкую разделяемость твердых компонентов. Предпочтительным является отношение объема добавленной воды к объему технологической смеси, полученной в процессе дезинтеграции, от 2:1 до 200:1, более предпочтительно от 5:1 до 100:1 и более предпочтительно от 10:1 до 50:1. Температура, при которой можно реализовать эту стадию процесса, является произвольной, но предпочтителен температурный диапазон от 5°C до 95°C. Распределительный объем предпочтительно добавляется с помощью интенсивного перемешивания, при этом предпочтительны высокоинтенсивные сдвиговые смесители/диспергаторы или гомогенизаторы. Наличие достаточного распределительного объема, или распределения, или дезинтеграции компонентов сырья можно установить, отбирая образец суспендированной смеси и фильтруя его. Если, например, при микроскопическом анализе фильтрующиеся твердые компоненты не обнаруживают приставших растворимых компонентов, процесс закончен. Затем предпочтительно проводится разделение суспендированных твердых веществ, предпочтительно путем фильтрации или процессов разделения с применением центрифуги. Предпочтительным является разделение растворенных компонентов, проводящееся в водном распределительном объеме после разделения твердых компонентов, из которых предпочтительно <5 вес.%, более предпочтительно <2,5 вес.% и более предпочтительно <1 вес.% находится в отделенном водном распределительном объеме. Предпочтительным является разделение растворенных белков, которое осуществляется тем, что в водный распределительный объем, содержащий растворенные белки и, возможно, другие растворимые компоненты сырья, добавляют растворенные соединения для инициирования агрегации/комплексообразования. Предпочтительно речь идет об одной или нескольких органических кислотах, предпочтительно карбоновых кислотах, как, например, лимонная кислота, или молочная кислота, или аскорбиновая кислота. Но можно использовать и другие кислоты, как, например, HCl или фосфорная кислота. Кроме того, возможны комбинации различных кислот. Значение pH водного раствора, содержащего растворенные соединения для агрегации/комплексообразования, при котором протекает конденсация, и/или агрегация, и/или комплексообразование растворенных белков, и/или других растворенных соединений, предпочтительно лежит в диапазоне от 4,5 до 13, более предпочтительно от 6 до 12 и более предпочтительно от 6,5 до 11. Кроме того, можно перед, или во время, и/или после добавления кислоты добавить комплексообразователь, как, например, соединения кальция и/или магния, например, хлорид кальция или хлорид магния. Кроме того, можно изменить соленость водного распределительного объема. Добавляемое количество зависит от концентрации растворенных и агрегирующих соединений и поэтому должно определяться в каждом случае индивидуально. Было найдено, что добавленное количество является достаточным, например, когда образуются хорошо видимые агрегаты при одновременном осветлении ранее мутной распределительной фазы. Но можно также привлечь аналитические методы: при агрегации белков согласно изобретению после их разделения в технологической жидкости предпочтительно находится <5 вес.%, более предпочтительно <2,5 вес.% и более предпочтительно <1 вес.% растворенных белков.
В одном предпочтительном варианте осуществлении способа с мешалкой добавляемый или добавляемые агент агрегации/комплексообразователь соединяют с технологической жидкостью при медленном перемешивании. При этом важно обеспечить полное перемешивание. Продолжительность смешения в принципе можно выбирать свободно. В одном предпочтительном варианте осуществления способа это происходит только в продолжение добавления одного или нескольких агентов агрегации/конденсации или в течение периода от 10 секунд до 5 минут, более предпочтительно от 20 секунд до 2 минут.
Поэтому в одном особенно предпочтительном варианте осуществления по окончании добавления одного или нескольких агентов агрегации/конденсации выдерживается спокойный период, на котором не проводится или проводится лишь минимальное перемешивание смеси. Аналогичным образом можно установить время, требующееся для стадии конденсации, предпочтительно оно составляет от 5 минут до 10 часов, более предпочтительно от 10 минут до 5 часов и более предпочтительно от 15 минут до 2 часов. Если продолжительность спокойного периода требуется сократить до минимума, достаточную минимальную длительность спокойного периода после добавления комплексообразователя/вещества, вызывающего агрегацию, можно установить посредством образца, который подвергается центрифугированию и для которого полнота конденсации, и/или агрегации, и/или комплексообразования, достигающиеся с помощью комплексообразователя/вещества, вызывающего агрегацию, проверяется тем, что надосадочную жидкость с центрифугирования добавляют в тот же и/или другой раствора с веществом, вызывающим агрегацию. Если не возникает дальнейшей агрегации, процесс экстракции растворенных белков завершен. В одном предпочтительном варианте осуществления способа агрегация/комплексообразование растворенных белков приводит к осаждению агрегатов/комплексов. Эти агрегаты/комплексы в дальнейшем предпочтительно конденсируют, чтобы их можно было легко отделить от свободной водной фазы технологической среды.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа агрегированные/комплексно–связанные и конденсированные соединения/белки можно извлечь в форме осадка. Предпочтительно, осажденная фаза выпускается через нижний выпуск и подается на дальнейшие стадии процесса. Стадия конденсации предпочтительно протекает при температуре окружающей среды, предпочтительным является температурный диапазон от 15°C до 40°C. В следующем предпочтительном варианте осуществления это происходит при более низкой или более высокой температуре. Предпочтительным является температурный диапазон от 5°C до 15°C, с одной стороны, и от 40°C до 80°C, с другой стороны. Выбор более низкой температуры может быть предпочтительным, например, при получении термолабильных соединений. Высокую температуру, например, 60°C, можно выбрать, например, для уничтожения микроорганизмов в зараженном микробами сырье, например, в форме пастеризации. С другой стороны, в результате нагревания можно также инактивировать аллергены и определенные токсины, а также несъедобные соединения. Предпочтительным является способ получения протеинсодержащего осадка, состоящего из агрегированных/ комплексно–связанных и конденсированных белков.
Предпочтительным является способ выделения и получения белков из растительного сырья, которые можно получить путем дезинтеграции/выщелачивания с отделением выщелоченных растворимых белков, а также последующей агрегации/комплексообразования и конденсация.
Получаемую белковую массу можно применять напрямую или направить на дополнительные стадии очистки.
В исследованиях на выделение растворенных белков из водных растворов с другими растворенными компонентами, полученными в процессе отделения/разделения в водном растворе, содержащем растворенные дезинтегрирующие/выщелачивающие соединения, было обнаружено, что благодаря достижимой с помощью способа гидратации белков их можно получить в виде очень чистой фракции путем подходящего выбора параметров процесса. При этом "чистый" означает, что белковые фракции имеют содержание белка предпочтительно >60 вес.%, более предпочтительно >70 вес.%, более предпочтительно >80 вес.%, еще более предпочтительно >85 вес.% и наиболее предпочтительно >90 вес.%.
Было обнаружено, что такие чистые белковые фракции можно получить, в частности, используя большой распределительный объем после выщелачивания компонентов в соответствии с изобретением. Такие растворенные белки проходят, например, через мембранный фильтр с проницаемостью пор минимум 1 мкм. Это позволяет осуществить разделение растворенных белков по размеру. Кроме того, оказалось, что в этой ситуации происходит оптимальная гидратация растворенных белков, имеется физиологический диапазон pH, имеет место очень быстрое и выраженное взаимодействие с перечисленными здесь комплексообразователями/веществами, вызывающими агрегацию, что приводит к объединению гидратированных белков при вытеснении или удалении технологической воды. Это можно объяснить, например, тем, что происходит видимое невооруженным глазом образование пространственных структур при частичном или полном осветлении технологической жидкости, эти структуры после своего образования очень медленно осаждаются. В таком случае технологическая жидкость окрашивается от умеренного до интенсивного цвета и содержит пахучие и вкусовые вещества, а также растворимые углеводы. Таким образом, способ гидратации и последующей конденсации растворимых белков требует, чтобы соединения, ранее выделенные из белков, оставались в растворенном состоянии в фазе технологической воды, а не были бы связаны с конденсирующимися белками или не выводились вместе с конденсированными белками.
Предпочтительным является способ получения белковых конденсатов, и/или белковых концентратов, и/или белковых изолятов из органического сырья с помощью водных растворов, содержащих растворенные дезинтегрирующие/выщелачивающие соединения.
В следующем предпочтительном варианте осуществления проводится дезинтеграция/отслаивание/растворение растительного оболочечного материала и/или прочих компонентов сырья из семян, зерен или ядер, которые уже были термически и/или механически дезинтегрированы/разделены/измельчены. Это сокращает требуемое время воздействия водных растворов согласно изобретению.
Для отслаивания и разделения дезинтегрированных/ размягченных/ отделившихся оболочечных материалов предпочтительными являются механические способы, при которых к обработанным оболочечным материалам прикладываются сдвиговые усилия. В одном предпочтительном варианте осуществления отслаивание и разделение проводится с помощью валков, на которых или между которыми движутся предварительно обработанные семена/ядра, и одновременно прикладываются тангенциальные сдвиговые усилия. Особенно предпочтительно одновременно предусмотреть промывочное или продувочное устройство, чтобы удалить отделенные оболочечные материалы.
В одном варианте осуществления дезинтеграция/размягчение или отслаивание промежуточного слоя, который находится на семенах или ядрах растений и/или на отделенном оболочечном материале, достигается благодаря использованию большего времени пребывания/воздействия водной жидкости согласно изобретению, чем это требуется для дезинтеграции/ отделения/ разделения растительных оболочечных материалов. Предпочтительным является время воздействия от 1 минуты до 72 часов, более предпочтительно от 10 минут до 48 часов и более предпочтительно от 30 минут до 24 часов. Температура реакционной смеси может выбираться произвольно, но предпочтителен температурный диапазон от 5°C до 120°C, более предпочтительно от 10°C до 100°C и более предпочтительно от 15°C до 70°C. Предпочтительным является приложение физических сдвиговых усилий к очищаемому от промежуточного слоя материалу. Эти сдвиговые усилия в реакционной смеси предпочтительно создаются, например, в результате вращения емкости или мешалки. Предпочтительно, сдвиговые усилия могут создаваться также посредством промывочного/распылительного устройства. Достаточное время воздействия и использование сдвиговых усилий для смывания промежуточного слоя специалист сможет легко определить, исследуя обработанный продукт на его физические поверхностные свойства, такие как наличие отложений или образование корки, во время сушки.
В одном варианте осуществления растительные оболочечные материалы дезинтегрируют/размягчают или растворяют, не удаляя их из растительного продукта. Оказалось, что оболочечные материалы, которые в результате воздействия водных растворов согласно изобретению по меньшей мере размягчились или набухли, больше не нужно или необходимо лишь в частично удалять из семян или зерен растений, поскольку они больше не мешают дальнейшему применению семян или зерен. В следующем варианте осуществления отделенные и выделенные растительные оболочечные материалы дезинтегрируют/размягчают/растворяют одним из способов согласно изобретению. Это представляет интерес, в частности, когда это позволяет сделать экстрагируемыми и извлекаемыми другие материалы, содержащиеся в растительном оболочечном материале, или когда это позволяет получить и извлекать волокна на основе целлюлозы. Концентрации катионных аминокислот и/или пептидов, а также продолжительность воздействия, температура и давление реакционной смеси должны устанавливаться в зависимости от назначения.
Волокна на основе целлюлозы и богатые лигнином компоненты оболочки
Вид и состав оболочечного материала зависит, конечно, от типа растительного сырья. Для получения муки перед размолом сначала отделяют оболочку, так как она обычно нежелательна в получаемых продуктах. Как правило, это удается сделать только с большими технологическими усилиями и с потерей материала зерен/семян вследствие механического измельчения/отделения. Волокна, которые содержатся в семенах, ядрах и зернах, а также в другом растительном сырье как структурные составляющие, нельзя отделить или выделить без остатка способами, известными из уровня техники, так как они целиком/по всей поверхности связаны и спрессованы с остальным содержимым. В частности, механическое отделение этих волокон в соответствии с уровнем техники невозможно.
Поэтому было совершенно неожиданным, что как богатые лигнином компоненты оболочки, так и волокна на основе целлюлозы можно выделить из растительного сырья и разуплотнить и можно напрямую получить в чистой форме способом, описанном в настоящем документе. Так, по окончании процесса дезинтеграции/ выщелачивания после значительного удаление фракции связанной воды из твердого содержимого невозможно или почти невозможно обнаружить белки, растворимые углеводы, пахучие или вкусовые вещества или другие органические или неорганические отделяемые соединения. На микроскопическом уровне не наблюдается никакого прилипания других органических компонентов.
Богатые лигнином компоненты оболочки имеют содержание лигнина 30–95 вес.%. Они представляют собой субмиллиметровые пластинки или аморфную структуру. После сушки они находятся в текучей и сыпучей форме. Они обладают значительной влагоудерживающей способностью, которая может составлять >40%. Волокна на основе целлюлозы имеют на микроскопическом уровне похожую на вату трехмерную пространственную структуру со средними диаметрами от 50 мкм до 500 мкм при коэффициенте формы (длина/диаметр) от 1:1 до 1000:1. Речь идет о разобщенных/дискретных структурах, которые не связаны друг с другом и которые имеют очень малый погонный вес, предпочтительно <70 мг/100м, более предпочтительно <50 мг/100м, более предпочтительно <30 мг/100м, более предпочтительно <20 мг/100м, более предпочтительно <15 мг/100м и особенно предпочтительно <10 мг/100м. Было найдено, что такие волокна на основе целлюлозы существенно отличаются от целлюлозных волокон, полученных, например, из стеблей или древесины, своим химическим составом, вторичной и третичной структурой, а также физико–химическими свойствами. Кроме того, было найдено, что как получаемые волокна на основе целлюлозы, так и богатые лигнином компоненты оболочки имеют высокую водосвязывающую способность, которая составляет более 200 об.%.
Кроме того, было найдено, что как богатые лигнином компоненты оболочки, так и волокна на основе целлюлозы не содержат или почти не содержат пахучих или вкусовых веществ или красящих веществ, которые растворяются в водной среде. Поэтому полученные этим способом богатые лигнином компоненты оболочки и волокна на основе целлюлозы могут напрямую применяться в форме, в которой они могут быть извлечены и получены способами согласно изобретению, или после сушки, которая может проводиться методами, известными из уровня техники, или их можно отправить на дальнейшую обработку.
Предпочтителен способ, в котором из растительного сырья получают чистые фракции оболочки на основе лигнина и/или волокна на основе целлюлозы, которые имеют водосвязывающую способность >200 об.%.
Неожиданно было обнаружено, что высушенные компоненты оболочки на основе лигнина, помимо высокой водосвязывающей способности и высокой водоудерживающей способности, имеют также очень высокую способность связывать масла и жиры. В опытах с различными богатыми лигнином компонентами оболочки способность связывания масле и жиров составила от 250 до 550 вес.%. Следует отметить, что силы гидрофобного взаимодействия на поверхности приводят к очень быстрому переносу масел и жиров вдоль наружных поверхностей гранулята. Как результат, масла и жиры могут продвигаться через насыпанный гранулят на основе лигнина против градиента давления посредством капиллярных сил на внутренних и внешних поверхностях. При этом высота подъема в опытах с вертикальными трубками составила более 5 см.
Кроме того, оказалось, что высушенные и распыленные в порошок волокна на основе целлюлозы также имеют очень высокую способность связывать масла и жиры, составляющую от 220 до 360 вес.%.
Предпочтительным является способ, в котором из растительного сырья можно получить чистые фракции на основе лигнина и/или волокна на основе целлюлозы, которые имеют способность связывать масла и/или жиры > 200 вес.%.
Богатые лигнином компоненты оболочки и/или волокна на основе целлюлозы со способностью связывать масло и/или жир >200 вес.% могут быть получены способом дезинтеграции и выщелачивания растительного сырья.
Неожиданно было обнаружено, что богатые лигнином компоненты оболочки и волокна на основе целлюлозы, которые во многих исследованных растительных исходных материалах, как, например, выжимки рапса и ятрофы, находятся в фильтровальном остатке, можно легко отделить друг от друга методами, известными из уровня техники. Для этой цели можно с успехом применять метод вихревых токов, например, гидроциклоны, а также методы фильтрации. Оказалось, что в результате можно получить чистосортные фракции волокон на основе целлюлозы, с одной стороны, и богатые лигнином компоненты оболочки, с другой стороны, в которых отсутствуют или почти отсутствуют белки, растворимые углеводы, пахучие или вкусовые вещества, или другие органические или неорганические отделимые соединения, или соединения, из которых красящие вещества переходят в водную среду.
Полученные фракции оболочки или волокон предпочтительно освобождают от связанной воды путем процесса прессования. Альтернативно можно использовать процесс центрифугирования. Обезвоженные фракции оболочки или волокон могут быть использованы в полученной форме или полностью высушены. Способы сушки в данной области известны. Предпочтительной является сушка горячим воздухом. Предпочтительно, получаемые после сушки богатые лигнином компоненты оболочки находятся в легко разделяемой и сыпучей форме.
Было обнаружено, что полученные волокна на основе целлюлозы по химическому составу отличаются от целлюлозных волокон, а также производных целлюлозы. Тогда как в целлюлозных волокнах и производных целлюлозы не содержится практически никаких других элементов, помимо C, H и O, в волокнах на основе целлюлозы присутствует много других элементов, таких как N, S, P, Fe, Cl, Na, Ca, K, Ni, Cl, Cu, а также и другие элементы. Вследствие связывающих характеристик, обнаруженных для волокон на основе целлюлозы, считается, что эти элементы по меньшей мере частично принадлежат функциональным группам, которые напрямую или опосредовано связаны ковалентными связями с полимерными каркасными структурами. При этом может иметься непрямое ковалентное соединение, например, через остаток сахара или пептид. Но возможно также, что с полимерной каркасной структурой через переменные электростатические силы соединены также нековалентно связанные соединения, которые содержат такие функциональные группы или элементы. Наличие функциональных групп на поверхности волокон на основе целлюлозы является причиной многих эффектов, обнаруженных к настоящему времени.
Богатые лигнином компоненты оболочки имеют, как и фракции волокон на основе целлюлозы, большую внутреннюю поверхность, что обусловливает огромную водосвязывающую способность. Благодаря этому они особенно хорошо подходят для удержания и накопления влаги на обрабатываемых землях. В сухом состоянии они отлично подходят для хранения и транспортировки. Они оптимально смешиваются со всеми изученными типами почвы (например, суглинок, гумус). Для всех исследованных почв показатели поглощения и задержки влаги можно заметно повысить путем добавления богатых лигнином компонентов.
Предпочтительным является применение богатых лигнином компонентов оболочки для улучшения водосвязывающей и влагоудерживающей способности возделываемых почв.
Компоненты оболочки на основе лигнина в высушенном состоянии оказывают отличный масло– и жиропоглощающий эффект и поэтому очень хорошо подходят для впитывания масел и жиров, например, с поверхности или из воздушной/газовой смеси с маслами и жирами. Поглощенные масла и жиры не выходят спонтанно из богатых лигнином компонентов оболочки, в то же время не происходит никакого "спекания" пропитанного маслом или жиром материала, так что сохраняется очень хорошая транспортабельность. Кроме того, оказалось, что адсорбированные масла и жиры при использовании растворителей можно снова полностью удалить из богатых лигнином компонентов оболочки, и они будут иметь неизменную по сравнению с исходной способность снова поглощать масла и жиры. Компоненты оболочки на основе лигнина имеют низкую насыпную плотность и могут без большого сопротивления пропускать через себя поток воздуха или газа. Оказалось, что это можно использовать для практически полной очистки воздушных или газовых смесей, которые содержат пары масел или жиров, как, например, вытяжной воздух из фритюрницы, от капель масла или жира. Таким образом, компоненты оболочки на основе лигнина отлично подходят в качестве маслоуловителей или маслопоглотителей для применения на поверхностях или для поглощения из воздушных/газовых смесей.
Предпочтительным является применение богатых лигнином компонентов оболочки для поглощения и связывания масел и жиров с поверхности и из воздушных/газовых смесей.
Предпочтительно является применение богатых лигнином компонентов оболочки и/или волокон на основе целлюлозы, которые имеют способность связывания жиров и масел > 200 вес.%.
Волокна на основе целлюлозы, которые можно получить способом согласно изобретению, неожиданно обнаруживают особые свойства, которые отличаются от свойств целлюлозных волокон, получаемых способом варки древесины. Так, например, оказалось, что с одинаковыми волокнами на основе целлюлозы на них или в них можно наносить/вносить как гидрофильные, так и гидрофобные соединения. Кроме того, оказалось, что после сушки таких наполненных волокон на основе целлюлозы выделение нанесенных или введенных гидрофильных или гидрофобных соединений происходит заметно более медленно. В частности, это имело место в случае послойного нанесения на материал–носитель или послойного образования материала.
Таким образом, можно предложить способ, который позволит очень легко, эффективно и надежно дезинтегрировать/размягчить и разуплотнить и отделить растительный оболочечный материал от семян и зерен растений с применением водных дезинтегрирующих растворов, в которых растворены соединения, являющиеся биологически безвредными и не вредящими получаемым продуктам или даже оказывающими существенное повышение ценности материала. Качество семян, зерен и ядер растений благодаря мягкому удалению растительного оболочечного материала в соответствии с изобретением заметно улучшается по сравнению с уровнем техники, в частности, сохраняется целостность обработанных семян, зерен и ядер. Одновременно можно улучшить органолептические свойства семян, зерен и ядер, например, с точки зрения устранения горечи. Кроме того, способ может применяться также для дополнительного выщелачивания обработанного растительного сырья. Кроме того, из дезинтегрированных/выщелоченных или растворенных растительных оболочечных материалов можно отделить и извлечь ценные вещества, как, например, витамины или антиоксиданты. В частности, этим можно получить разуплотненные волокна на основе целлюлозы, которые имеют особые физические свойства и которые благодаря превосходным органолептическим эффектам очень хорошо подходят для приготовления пищевых продуктов и блюд. Таким образом, можно предложить простой в осуществлении и недорогой, а также щадящий продукты способ дезинтеграции/выщелачивания растительного материала, который является универсально применимым и биологически безопасным.
Определения
Растительное сырье
Термин "сырье", как он употребляется в настоящем документе, охватывает все биогенные продукты, которые содержат одну или несколько тканевых структур, которые их отграничивают или отделяют, частично или полностью окружают, или связывают, или образуют с ними материальную композитную структуру. Под выражением "растительный оболочечный материал" понимаются, в частности, все раз–/отграничивающие, полностью или частично окружающие или связывающие тканевые структуры, которые можно отделить в виде слоя и которые в обычном словоупотреблении называются кожицей, кожурой, оболочкой, скорлупой, мезгой или лузгой. Этот термин не ограничен каким–то конкретным вещественным составом упоминающейся в настоящем документе тканевой текстуры растительного оболочечного материала. В принципе, сырье может содержать любые фракции различных компонентов, а также другие компоненты и соединения. К типичным компонентам относятся, в частности, биополимеры, такие как целлюлоза или лигнин, которые могут присутствовать в разных составах и разных текстурных формах/составных структурах. При этом под составными структурами предпочтительно имеются в виду беззазорные уплотненные структуры из одного или нескольких компонентов.
Предпочтительными сырьем являются такие растительные исходные материалы, как семена, зерна, ядра, орехи, бобы, корнеплоды, клубнеплоды, овощи, фрукты или корни.
Они могут присутствовать в форме незрелого, созревающего, зрелого, перезрелого, старого или даже поврежденного сырья. Годится также загрязненное или испорченное растительное сырье. Растительное сырье может находиться/присутствовать в полностью неповрежденной форме, поврежденной, измельченной, очищенным от оболочки, отжатым, размолотым или иным образом дезинтегрированным, включая, без ограничений, шрот или муку, которые получены, например, в результате механического извлечения масел, так называемый жмых. Сюда относится также сырье, в частности, растительное сырье, которое ранее подвергалось процессу термической и/или жидкостной экстракции, например, спиртом или органическим растворителем, таким как гексан. Кроме того, сюда относятся растительные исходные материалы, которые подвергались термообработке. Далее, сюда относятся растительные продукты, которые можно получить процессом варки и/или ферментации, в частности, когда они представляют собой остатки, такие как остатки пивоваренного завода (например, в виде барды или молотой барды), или выжимки с производства молодого вина, или масличный жмых, а также остатки какао–бобов.
Кроме того, предпочтительными являются остатки после прессования, какие образуются, например, при получении соков (например, яблочного, томатного или морковного сока), или выжимки, например, винограда или яблок, или экстракты, какие образуются при производстве желе или ликеров (например, ежевичное желе, черносмородиновый ликер).
Кроме того, могут быть использованы продукты растительного сырья со снятой кожурой, освобожденные от оболочки или от косточек.
семена
зерна
косточки
бобы
овощи
клубнеплоды
фрукты
ягоды
клубненосные растения и корни
орехи
Под это определение подпадают, в частности, все  растений, такие, например, как льняное семя, мак, чиа, амарант, перец чили, помидоры, анис, чина клубненосная; , например рапса, ложного льна, овса, конопли, пшеницы, гречихи, ржи, ячменя, кукурузы, подсолнечника, полбы, ятрофы; , например, из яблока, груши, винограда, апельсина, вишни, сливы, абрикоса, персика, рябины домашней, мушмулы, мирабели, рябины обыкновенной, тыквы, дыни, авокадо; , такие как соевые бобы, полевые бобы, горох коровий, фасоль золотистая или фасоль обыкновенная, кофейные бобы, горох, чечевица, как, например, ряска, кроме того, люпин или кунжут; , как цветная капуста, брокколи, кольраби, цуккини, сладкий перец, артишоки или бамия; , такие как морковь или сахарная свекла; , такие как яблоки, груши, айва, бананы, плоды хлебного дерева, манго, киви, маракуйя, дыня, пассифлора съедобная, инжир, тыква, ананас, авокадо, оливки, манго, чайот, гуава, папайя, тамарилло, люкума маммоза, грейпфрут, апельсины, лимоны или виноград; , такие как плоды шиповника, крыжовник, голубика, ежевика, клубника, бузина, смородина, брусника, шелковица, черноплодная рябина, малина, садовая ежевика, облепиха; а также , такие как картофель, красная свекла, батат, куркума, маниока, хрен, сельдерей, редис, имбирь, аракаша, таро, васаби, якон, скорцонера, спаржа, пастернак, репа, топинамбур, рогоз, брюква, сибирский дягиль, клуюни ямса, ямс, корни подсолнечника, чеснок, лук, кольник или гинко; а также огурцы, как салатные или засолочные огурцы, кроме того, баклажаны или цуккини, а также желуди; , такие как миндаль, фундук, арахис, грецкие орехи, кешью, бразильский орех, пекан, фисташки, дикие каштаны, каштаны, финики или кокосовые орехи; а также сахарный тростник.
Предпочтительными являются высушенные исходные продукты. Предпочтительно предварительное измельчение механическим способом. Предпочтение отдается растительному сырью, не содержащему ГМО, для производства продуктов, не содержащих ГМО.
Основными составляющими семян, зерен и ядер растений являются белки, углеводы, волокна на основе целлюлозы и богатая лигнином оболочка. Кроме того, они содержат витамины, фитостерины, минеральные вещества, антиоксиданты, ароматические вещества и красящие вещества.
Волокна на основе целлюлозы
Используемый здесь термин "волокна на основе целлюлозы" охватывает все корпускулярные структуры растительного сырья, которые состоят из целлюлозного скелета и которые имеют по меньшей мере 2 из следующих характеристик:
– происходят из растительного сырья,
– имеют коэффициент формы (отношение длины к диаметру поперечного сечения) от 1:1 до 1000:1,
– водосвязывающая способность >200 вес.%
– доля химических соединений и функциональных групп, которые не соответствуют элементам C, H или O, > 2,5 вес.%.
Волокна на основе целлюлозы уже могут находиться в рыхлом композите с другими соединениями или компонентами, например, в разломанной и раздробленной в процессе прессования или ударного измельчения матрице, как, например, в случае прессованного масличного семени или молотых зерен, или они находятся в стабильной композитной структуре, которая предотвращает выщелачивание волокон на основе целлюлозы, как это имеет место, например, в случае овощей и фруктов.
Однако в невыщелоченном сырье волокна на основе целлюлозы находятся в беззазорном соединении с другими компонентами сырья. При этом уплотненный композит содержит растворимые белки и углеводы. Таким образом, подобные волокна на основе целлюлозы находятся в уплотненной форме. Волокна на основе целлюлозы согласно изобретению в разуплотненной форме содержат трехмерные объемные и поверхностные структуры. В таком случае они могут находиться в композитной структуре с другими твердыми веществами (такими, например, как богатая лигнином оболочка), которую можно физическими средствами, как механическое измельчение и/или термообработка, разделить на сферические или корпускулярные фрагменты.
Волокна на основе целлюлозы, подпадающие под это определение, характеризуются общими для них структурными признаками и физическими свойствами. В разуплотненной форме они имеют, в частности, пространственные структуры в виде свободных волокон, сеток или пространственных тканевых структур. Целлюлозные волокна согласно изобретению предпочтительно имеют плоскую и/или корпускулярную геометрию. В частности, они характеризуются низким погонным весом, <20 мг/100м. Они могут включать или инкапсулировать пигменты, или пигменты являются структурными компонентами волокон согласно изобретению. Однако и другие органические или неорганические соединения могут быть компонентами волокон на основе целлюлозы или могут быть неотделимо связаны с ними через водную среду.
Волокна на основе целлюлозы, которые способом согласно изобретению получаются в разуплотненной форме, обладают этими свойствами, что можно установить способами предшествующего уровня техники.
Богатые лигнином компоненты оболочки
Используемое в настоящем документе выражение "богатые лигнином компоненты оболочки" или "оболочка на основе лигнина" охватывает все оболочечные и защитные структуры растительного сырья, у которых содержание лигнина превышает >30 вес.%. Предпочтительные богатые лигнином компоненты оболочки имеют содержание лигнина >40 вес.%, более предпочтительно >50 вес.%, более предпочтительно >60 вес.%, еще более предпочтительно >75 вес.% и особенно предпочтительно >90 вес.%. Они не имеют никакой особой внешней формы, которая может меняться от плоской и полиморфной до корпускулярной и круглой. Размеры зависят от процесса получения и могут составлять от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Богатые лигнином компоненты оболочки присутствуют, например, в выжимках семян рапса или ятрофы в весовой доле от 8 до 15 вес.%.
Дезинтеграция/выщелачивание
Понятие "дезинтеграция" охватывает все процессы, которые приводят к отделению/выщелачиванию не растворимых в воде тканевых структур или текстур сырья, что приводит к образованию трещин, пустот или щелей в материале оболочки или кожуры растительного сырья, вплоть до полного выщелачивания тканевых текстур с обнажением окруженных поверхностей семян, зерен или ядер растительного сырья. При этом решающим является то, что дезинтеграция приводит к гидратации оболочечного материала, и/или разделительного слоя, или промежутка между дезинтегрированным оболочечным материалом и поверхностью окруженных им семян, зерен или ядер. Сюда подпадает также частичное или происходящее частями и/или локально или полное растворение растительного оболочечного материала с обнажением/высвобождением отдельных компонентов оболочечного материала.
Использующийся здесь термин дезинтеграция относится также к растительному сырью, которое окружено или было окружено оболочкой или кожурой. При этом происходит также отделение/отслаивание компонентов сырья, которое вызывается гидратацией его компонентов. Обсуждаемая здесь дезинтеграции вызывает гидратацию компонентов, которые связаны между собой и/или друг с другом ковалентными или электростатическими силами связи, как это имеет место в беззазорных композиционных структурах или кератинизированных агрегатах целлюлозы, в результате чего отдельные компоненты выщелачиваются и самопроизвольно обособляются в водном распределительном объеме или могут быть отделены друг от друга путем легкого сдвигового усилия. Упоминаемое здесь "водное выщелачивание", которое здесь также упрощенно называется "выщелачиванием" имеет место, когда в результате гидратации отдельных соединений/компонентов энергия связи с другими соединениями/компонентами была уменьшена на значение, при котором гидратированные соединения/компоненты спонтанно распределяются в водной фазе или могут быть отделены друг от друга при незначительном внесении энергии. Таким образом, термины "дезинтеграция" и "выщелачивание", как они применяются в настоящем документе, могут использоваться как синонимы.
Водный дезинтегрирующий/выщелачивающий раствор
2
2
OW
OW
2
Выражения "водный дезинтегрирующий раствор" или "водный выщелачивающий раствор" в контексте изобретения следует понимать как водный раствор растворенных веществ для дезинтеграции, а также для отделения/удаления компонентов сырья. В одном предпочтительном варианте осуществления способа вещества для дезинтеграции или для отделения/удаления компонентов сырья содержат одну или несколько аминокислот и/или пептидов, которые находятся в воде в полностью растворенной форме. Под водой имеется в виду осветленная, осветленная и очищенная техническая вода, деионизованная, частично деионизованная колодезная или водопроводная вода. Предпочтительными веществами, которые для удаления/разделения компонентов сырья присутствуют в растворенной форме, являются натуральные аминокислоты и/или пептиды, которые состоят из этих аминокислот или содержат их. Водные выщелачивающие растворы согласно изобретению предпочтительно представляют собой растворы одной, двух или более аминокислот и/или пептидов, которые присутствуют в индивидуальной и/или общей концентрации в диапазоне от 10 мкмоль/л до 3 моль/л, более предпочтительно от 1 ммоль/л до 1 моль/л и более предпочтительно от 0,1 моль/л до 0,5 моль/л. Это могут быть L– или D–формы или рацематы соединений. Предпочтительно использовать L–форму. При этом предпочтительными являются аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, глутамин, глутамининовая кислота, глицин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, фенилаланин, пролин, серин, треонин, триптофан, тирозин и валин. Особенно предпочтительны аминокислоты аргинин, лизин, гистидин и глутамин. Кроме того, предпочтительными являются производные вышеуказанных аминокислот. Пептиды, подходящие для использования согласно изобретению, могут представлять собой ди–, три– и/или полипептиды. Пептиды по изобретению содержат по меньшей мере одну функциональную группу, которая связывает или может связывать протон. Предпочтительный молекулярный вес составляет менее 500 кДа, более предпочтительно <250 кДа, более предпочтительно <100 кДа и особенно предпочтительно <1000 Да. При этом предпочтительными функциональными группами являются, в частности, группы гуанидино, амидино, амино, амидо, гидразино, гидразоно, гидроксиимино или нитро. При этом аминокислоты могут содержать единственную функциональную группу или несколько из одного класса соединений или одну или несколько функциональных групп из разных классов соединений. Предпочтительно, аминокислоты и пептиды согласно изобретению содержат по меньшей мере одну положительно заряженную группу или имеют суммарный положительный заряд. Поэтому особенно предпочтительны катионные аминокислоты. Особенно предпочтительные пептиды содержат по меньшей мере одну из аминокислот аргинин, лизин, гистидин и глутамин в любом количестве и в последовательном порядке. Особенно предпочтительны аминокислоты и/или их производные, которые содержат по меньшей мере одну группу гуанидино и/или амидино. Группой гуанидино называют химический остаток HN–C(NH)–NH–, а также его циклические формы, а группой амидино химический остаток HN–C(NH)–, а также его циклические формы. Эти гуанидиновые и амидиновые соединения предпочтительно имеют коэффициенты распределения K между н–октанолом и водой менее 6,3 (K < 6,3). Особенно предпочтительными являются производные аргинина. Производные аргинина определены как соединения, которые содержат группу гуанидино и карбоксилатную группу или группу амидино и карбоксилатную группу, причем группа гуанидино и карбоксилатная группа или группа амидино и карбоксилатная группа отделены друг от друга по меньшей мере одним атомом углерода, т.е. между группой гуанидино или группой амидино и карбоксилатной группой находится по меньшей мере одна из следующих групп: –CH–, –CHR–, –CRR’–, где R и R’ независимо друг от друга означают произвольные химические остатки. Конечно, расстояние между группой гуанидино и карбоксилатной группой или между группой амидино и карбоксилатной группой также может составлять более одного атома углерода, как, например, имеет место в следующих группах –(CH2)n–, –(CHR)n–, –(CRR’)n–, где n=2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 или 9, как, например, в амидинопропионовой кислоте, амидиномасляной кислоте, гуанидинопропионовой кислоте или гуанидиномасляной кислоте. Соединениями, имеющие более одной гуанидиногруппы и более одной карбоксилатной группы, являются, например, олигоаргинин и полиаргинин. Другими примерами соединений, подпадающих под это определение, являются гуанидиноуксусная кислота, креатин, гликоциамин. При этом общим признаком предпочтительных соединений является то, что они отвечают общим формулам (I) или (II)
<img file="00000001.jpg" he="17" wi="100" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000001.jpg" he="17" wi="100" img-content="undefined" img-format="jpg" />
формула (I)
формула (II)
причем
’
2
2
2
3
2
3
2
4
2
3
2
5
3
7
3
2
4
9
2
3
2
3
2
5,
3
3
5
11
3
3
7
2
3
2
5
3
3
2
3
2
2
5
2
3
3
2
5
2
2
4
3
2
6
13
7
15
3
5
4
7
5
9
6
11
3
2
2
4
2
3
R, R, R", R‴ и R"" независимо друг от друга означают -H, -CH=CH, -CH-CH=CH, -C(CH)=CH, -CH=CH-CH, -CH-CH=CH, -CH, -CH, -CH, -CH(CH), -CH, -CH-CH(CH), -CH(CH)-CH -C(CH), -CH, -CH(CH)-CH, -CH-CH(CH)-CH, -CH(CH)-CH(CH), -C(CH)-CH, -CH-C(CH), -CH(CH), -CH-CH(CH), -CH, -CH, Cyclo-CH, cyclo-CH, cyclo-CH, Cyclo-CH,-C≡CH, -C≡C-CH, -CH-C≡CH, -CH-C≡CH, -CH-C≡C-CH,
’
’’
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
или R и R вместе образуют остаток -CH-CH-, -CO-CH-, -CH-CO-, -CH=CH-, -CO-CH=CH-, -CH=CH-CO-, -CO-CH-CH-, -CH-CH-CO-, -CH-CO-CH- или -CH-CH-CH-;
2
X представляет собой –NH-, -NR""-, или -CH- или замещенный атом углерода, и
1
8
L представляет собой линейную или разветвленную, насыщенную или ненасыщенную углеродную цепь C–C с по меньшей мере одним заместителем, выбранным из группы, содержащей или состоящей из:
2
3
2
3
3
3
2
3
3
2
3
2
3
3
2
5
3
3
7
3
3
2
2
5
2
3
7
2
3
2
5
3
7
2
3
2
2
5
2
3
7
3
3
2
2
2
2
–
2
–
–
2
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
-NH, -OH, -POH, -POH, -PO, -OPOH, -OPOH, -OPO, -COOH, -COO, -CO-NH, -NH, -NH-CO-NH, -N(CH), -N(CH), -N(CH), -NH(CH), -NH(CH), -NH(CH), -NHCH, -NHCH, -NHCH, -NHCH, -NHCH, -NHCH, -SOH, -SO, -SONH, -C(NH)-NH, -NH-C(NH)-NH, - -NH-COOH, или
Предпочтительно, чтобы углеродная цепь L содержала от 1 до 7 атомов C, предпочтительно от 1 до 6, более предпочтительно от 1 до 5 и наиболее предпочтительно от 1 до 4.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Предпочтительно, L представляет собой -CH(NH)-COOH, -CH-CH(NH)-COOH, -CH-CH-CH(NH)-COOH, -CH-CH-CH-CH(NH)-COOH, -CH-CH-CH-CH-CH(NH)-COOH или -CH-CH-CH-CH-CH-CH(NH)-COOH.
Предпочтительными являются также соединения приведенной ниже общей формулы (III)
в которой остатки X и L имеют значения, описанные в настоящем документе.
Кроме того, годятся ди–, три– или олигопептиды, а также полипептиды, которые состоят из одной, двух или более аминокислот. Предпочтительны короткоцепочечные пептиды, например, RDG. Особенно предпочтительными являются пептиды, состоящие из аминокислот, которые содержат как гидрофобные, так и гидрофильные боковые группы, как, например (обозначения согласно Указателю наименований аминокислот) GLK, QHM, KSF, ACG, HML, SPR, EHP или SFA. Еще более предпочтительны пептиды, которые одновременно содержат гидрофобные и катионные и/или анионные боковые группы, как, например, RDG, BCAA, NCR, HIS, SPR, EHP или SFA. Другими примерами с 4 аминокислотами являются NCQA, SIHC, DCGA, TSVR, HIMS или RNIF, а с 5 аминокислотами HHGQC, STYHK, DCQHR, HHKSS, TSSHH, NSRR. Особенно предпочтительны RDG, SKH или RRC.
Для выщелачивающих/дезинтегрирующих растворов согласно изобретению можно использовать и другие вещества, которые в данном случае являются полностью растворенными. Особенно предпочтительными веществами являются: сульфиты, как сульфит натрия или бисульфит натрия, и/или мочевина, и/или карбонаты, как карбонат натрия или гидрокарбонат натрия. Другими веществами для установки pH раствора являются, в частности, основание или кислота, как мочевина или NaOH, карбонат натрия, гидрокарбонат натрия, или триэтиламин, или уксусная кислота, или мочевая кислота или вещества с поверхностно–активными свойствами, как, например, DMSO или SDS. Кроме того, могут также содержаться стабилизаторы, как, например антиоксиданты, или восстановители. Далее, предпочтительными являются вещества, которые делают возможной дезинтеграцию компонентов сырья, эти вещества выбраны из группы сульфитов и сульфатов. Особенно предпочтительны сульфит натрия и бисульфит натрия. А также катионные азотные соединения, как диэтиламин или триэтиламин.
В водных дезинтегрирующих/выщелачивающих растворах перечисленные вещества могут присутствовать в растворенной форме по отдельности, или в любой комбинации друг с другом, и/или вместе с другими веществами. Предпочтительная концентрация, при которой отдельные вещества присутствуют в растворенной форме, составляет от 0,001 до 30 вес.%, более предпочтительно от 0,01 до 15 вес.% и еще более предпочтительно от 0,1 до 10 вес.%. Значение pH водных растворов предпочтительно лежит в интервале от 7 до 14, более предпочтительно от 8 до 13 и более предпочтительно от 8,5 до 12,5.
Разуплотнение
Термин "разуплотнение", как он используется здесь, означает частичное или полное разделение беззазорных композитов из одинаковых или разных компонентов, в результате которого эти компоненты отделяются друг от друга, и/или образуется промежуток, который содержит газ или жидкую среду. Под упоминающемся здесь разуплотнением подразумевается, в частности, гидратация, ведущая к отделимости филаментарных и/или тканевых водонерастворимых структур волокон на основе целлюлозы и богатой лигнином оболочки, что делает возможным пространственное разделение растворимых компонентов в водном распределительном объеме, в результате чего происходит образование пространственных структур разуплотненных водонерастворимых волокон на основе целлюлозы, которые не содержат или почти не содержат водорастворимых соединений.
Распределительный раствор
Под термином "распределительный раствор", который в настоящем документе применяется как синоним термина "распределительный объем", понимается водная фаза, которая добавляется в реакционную смесь и которая обеспечивает распределение и разделение растворимых растворенных, растворимых твердых и комплексных нерастворимых компонентов сырья. В распределительном объеме согласно изобретению эти компоненты присутствуют в легко разделяемой форме. Наличие достаточно большого распределительного объема можно установить путем отбора проб, при котором разделимость растворенных и суспендированных компонентов определяется методами и способами, какие описаны в настоящем документе.
Конденсация/агрегация/комплексообразование
Термины "конденсация/ агрегация/ комплексообразование" охватывают все физические и/или химические процессы, которые ведут к объединению одинаковых и/или разных органических и/или неорганических соединений, в результате чего образуются конденсаты, или агрегаты, или комплексы, которые можно отделить в виде твердого вещества из водной технологической смеси подходящим способом разделения водной фазы. Под термином "конденсат" понимается пространственное сближение макромолекулярных структур, которые в результате образуют измеримую пространственную структуру. Силы связи являются электростатическими через энергию гидрофобного или гидрофильного связывания. Вообще говоря, "агрегация" означает скопление или сосредоточение атомов, молекул и/или ионов с образованием более крупного соединения, агрегата. Скопление или сосредоточение вызывается ван–дер–ваальсовыми силами, за счет образования водородных мостиков и/или других химических или физико–химических видов связи. Под "комплексами" в настоящем документе понимаются макроскопически наблюдаемые образования, которые посредством конденсатов и/или агрегатов объединяются в более крупную композитную структуру. Из–за низких энергий связи в конденсатах, агрегатах и комплексах отдельные соединения могут легко выщелачиваться из композитных структур, например, путем перемешивания, и могут быть изолированы. Напротив, коагуляты представляют собой пространственные структуры от небольших до макромолекулярных соединений, которые образованы в результате химической реакции, при которой возникают и/или расщепляются ковалентные связи между молекулярными структурами. В случае коагулята отдельные соединения совсем не могут быть отделены друг от друга или могут быть выделены в незначительной степени путем процесса растворения в воде. Обсуждаемые здесь конденсация/ агрегация/ комплексообразование отличаются от коагуляции, которая, в частности, осуществляется путем реакции осаждения (сильной) кислотой, при которой происходит денатурация и при которой по меньшей мере исходная третичная структура белков исчезает частично или полностью. При агрегации/ комплексообразовании или конденсации согласно изобретению этого не происходит. Денатурацию соединений можно распознать, например, по более низкой способности связывания воды, которая у упоминаемых здесь конденсатах/агрегатах и комплексах существенно выше.
Комплексообразователи/вещества, вызывающие агрегацию
Термин "комплексообразователь" или "вещество, вызывающее агрегацию" в контексте изобретения означает одно или несколько органических и/или неорганических веществ, которые инициируют, поддерживают и/или ускоряют конденсацию /агрегацию/ комплексообразование растворенных в воде компонентов/ органических соединений водной технологической смеси. При этом они могут, наряду с прочим, оказывать каталитическое, дестабилизирующее, вытесняющее и/или высвобождающее действие на компоненты, подверженные конденсации, агрегации или комплексообразованию, что приводит к объединению компонентов/органических соединений. При этом указанные вещества могут вызывать эти эффекты через изменение pH и/или солености и/или сами могут участвовать в этом объединении.
Предпочтительные вещества, вызывающее агрегацию, включают, в частности, органические кислоты, особенно предпочтительными являются лимонная кислота, аскорбиновая кислота, молочная кислота, адипиновая кислота, этилендиаминтетрауксусная кислота (EDTA). Далее, неорганические кислоты, особенно предпочтительна фосфорная кислота. Затем, ионы кальция, магния и алюминия, которые присутствуют предпочтительно в форме соли, например, хлорида кальция или хлорида магния. Далее, карбонатные анионы, которые предпочтительно представлены в виде солей, например, карбонат натрия или гидрокарбонат натрия. Кроме того, силикатные анионы, которые предпочтительно представлены в виде солей, например, метасиликат натрия.
Комплексообразователи могут применяться в форме твердого вещества, предпочтительно в форме тонкодисперсного порошка или в форме, полностью растворенной в водной среде. Предпочтительными являются водные растворы. При этом концентрация предпочтительно лежит в интервале от 1 ммоль/л до 5 моль/л, более предпочтительно от 100 ммоль/л до 3 моль/л и более предпочтительно от 200 ммоль/л до 2 моль/л.
Компоненты сырья/органические соединения
Выражения "компоненты сырья" и "органические соединения", которые используются в настоящем документе как синонимы, охватывают все органические соединения биогенного происхождения, из которых состоят или которые содержат упоминаемые здесь исходные материалы и которые могут быть получены/выделены из биогенного сырья одним из описываемых здесь способов. Это могут быть отдельные соединения, например, в форме молекул, или сложные соединения, например в виде полимеров. В зависимости от возможных источников, были обнаружены органические соединения разных групп веществ, которые могут присутствовать индивидуально, но чаще в различных комбинациях и в очень разных количественных соотношениях. Поэтому далее перечисляются только основные группы веществ, к которым могут быть отнесены органические соединения, но эти группы не являются ограничивающими: белки, включая альбумины, глобулины, олеозины. Кроме того, липиды, такие как моно–, ди– или триглицериды, воски, восковые кислоты, оксикислоты и миколиновые кислоты, жирные кислоты с циклическими углеводородными структурами, такие как шикимовая кислота или 2–гидрокси–11–циклогептилундекановая кислота, маностерилэритритовый липид, красители, такие как каротины и каротиноиды, хлорофиллы и продукты их распада, далее, фенолы, фитостерины, в частности, β–ситостерин, кампестерин и сигмастерин, стерины, синапин, сквален. Фитоэстрогены, например, изофлавоны или лигнаны. Углеводы, которые присутствуют в полимерной форме и нерастворимы в воде, такие как целлюлоза, или присутствуют в форме комплексов, как крахмал, или в водорастворимой форме, как глюкоза или фруктоза. Кроме того, стероиды и их производные, такие как сапонины, кроме того, гликолипиды и гликоглицеролипиды и глицерофинголипиды, далее, рамнолипиды, софролипиды, трегалозные липиды, манностерилэритритовые липиды. Также полисахариды, включая пектины, такие как рамногалактуронаны и сложные эфиры полигалактуроновой кислоты, арабинаны (гомогликаны), галактаны и арабиногалактаны, а также пектиновые кислоты и амидопектины. Кроме того, фосфолипиды, в частности, фосфотидилинозитол, фосфатиды, такие как фосфоинозитол, кроме того, длинноцепочечные или циклические соединения углерода, кроме того, жирные спирты, жирные окси– и эпоксикислоты. А также гликозиды, липопротеины, фитат или фитиновая кислота, а также глюкоинозилаты. Кроме того, витамины, например, ретинол (витамин А) и его производные, как, например, ретиноевая кислота, рибофлавин (витамин В2), пантотеновая кислота (витамин В5), биотин (витамин В7), фолиевая кислота (витамин В9), кобаламины (витамин В12), кальцитриол (витамин D) и их производные, токоферолы (витамин Е) и токотриенолы, филлохинон (витамин К) и менахинон. Далее, танины, терпеноиды, куркуманоиды, ксантоны. А также ароматизаторы или пахучие и вкусовые вещества, красящие вещества, фосфолипиды и гликолипиды, воски или восковые кислоты и жирные спирты. Кроме того, нерастворимые в воде биополимеры, такие как лигнины и целлюлоза, которые предпочтительно находятся в форме тканеподобных композитных структур.
Белки
Используемый здесь термин "белки" означает макромолекулы, которые состоят из аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями. Обсуждаемые здесь белки содержат >100 аминокислот. Они могут присутствовать в форме их первичной, вторичной или третичной структуры, а также в функционально активной форме. При этом в случае вторичной структуры пространственная геометрия может иметь форму α–спирали, складчатого β–листа, β–петли, β–спирали или быть неупорядоченной, как конформация случайного клубка. Сюда включены также супрамолекулярные соединения белков, как, например, коллаген, кератин, фермент, ионные каналы, рецепторы мембраны, гены, антитела, токсины, гормоны или фактор свертывания. В соответствии с повсеместным распространением во всех жизненных формах и сферах жизни, упоминающиеся здесь белки могут представлять собой макромолекулярные соединения в любой из указанных форм, физиологической задачей которых является, например, придание формы, поддержка, транспортировка или защитная функция, или они служат для воспроизводства, или для выработки энергии, или для ускорения реакции/превращения. Под этим подразумевается, в частности, белки согласно определению выше, которые можно экстрагировать из описанного здесь сырья.
Методы
Способ подготовки растительного сырья
В зависимости от разного происхождения и возможностей извлечения сырья, применяющегося в соответствии с изобретением, оно может находиться в различных формах и состояниях. Так, это могут быть, например, целые/неповрежденные семена, зерна, ядра, орехи, овощи, фрукты, цветы, плодовые почки или корни, и/или полностью или частично переведенные в растворимую форму, измельченные, перемолотые, растертые или отжатые растительные материалы, и/или растительные материалы, в которых частично или полностью прошла ферментация или дезинтеграция, в частности, в результате автолиза/ микробного разложения /физико–химической реакции, и/или остатки сельскохозяйственного производства или производства или утилизации пищевых продуктов. Разломанные, разделенные, измельченные, порошкообразные или сжиженные или растворенные растительные исходные материалы могут находиться в виде связных или изолированных кусочков или быть агрегированными, например, в виде гранул или прессованной массы, или находиться в виде рыхлого композита, как, например, гранулят или сыпучий материал, или в изолированной форме, такой как мука или порошок, или в форме суспензии. Консистенция, форма и размер растительных исходных продуктов в принципе не имеют значения, но предпочтительным является измельченное растительное сырье, которое позволяет более легкое выщелачивание. Предпочтительные максимальные диаметры распределяемых частиц растительного сырья составляет от 100 мкм до 100 см, более предпочтительно от 0,5 мм до 50 см, более предпочтительно от 1 мм до 20 см и более предпочтительно от 2 мм до 5 см. Форма подходящего растительного сырья является произвольной, равно как и консистенция, которая может быть жесткой или мягкой, или сырье может находиться в сжиженной форме. При этом сырье может иметь произвольную температуру, предпочтительным является нагретое сырье, какое получается, например, по окончании процесса прессования. Если растительное сырье не имеет подходящих свойств или не соответствует требованиям к осуществлению способа согласно изобретению, эти условия могут быть достигнуты способом согласно уровню техники. Сюда относится, в частности, способ, который позволяет и/или облегчает провести в соответствии с изобретением выщелачивание растительного сырья. Сюда относится, в частности, механический способ, с помощью которого растительное сырье можно измельчить. При этом, в частности, для экономической эффективности процесса требуется сначала измельчить растительный материал и высушить или сначала высушить, а затем измельчить. В одном варианте осуществления способа измельченное и затем высушенное растительное сырье перед технологической стадией a) измельчают до определенного размера частиц, предпочтительными являются размеры частиц от 10 мкм до 2 см, более предпочтительно от 30 мкм до 5 мм. Однако, согласно изобретению измельчение проводят во время или после добавления дезинтегрирующего/выщелачивающего раствора. В одном варианте осуществления способа сначала из растительного сырья механическим способом удаляют компоненты, содержащие лигнин. Это могут быть, например, оболочечные материалы растительного сырья, как, например, кожица, оболочки или шелуха, например, яблочных или виноградных косточек. Из уровня техники известны механические способы для достижения этой цели.
Сырье помещают в подходящий резервуар, который предпочтительно может заполняться сверху и имеет закрывающееся выпускное отверстие на нижней стороне.
Способы приготовления и применения водных растворов для дезинтеграции, а также для выщелачивания сырья
Выщелачивающие растворы согласно изобретению готовят с выщелачивающими веществами согласно изобретению, какие определены в настоящем описании. Для этого одно или несколько из веществ растворяют в воде, причем вода может быть осветленной технической водой, полностью деионизированной водой, а также колодезной или городской водопроводной водой. Для растворения может потребоваться повысить температуру и/или продолжить процесс перемешивания до двух дней. Предпочтительно, pH раствора катионных аминокислот или пептидов устанавливают в диапазоне от 7 до 14, более предпочтительно от 8 до 13 и более предпочтительно от 8,5 до 12,5. В одном варианте осуществления можно установить любое значение pH из диапазона от 6 до 14 путем добавления кислоты или основания. При этом можно использовать кислоты и основания, известные из уровня техники, например, раствор едкого натра или HCl.
Способы осуществления технологической стадии b
) соединения сырья с дезинтегрирующим раствором и выдерживание в дезинтегрирующем растворе до достижения дезинтеграции.
На этой технологической стадии должно быть обеспечено смачивание поверхностей компонентов внутри растительного сырья. Это можно осуществить способом, известным из уровня техники, на цельном или дезинтегрированном растительном сырье. Выщелачивающие растворы можно приготовить при любой температуре и соединить с сырьем. Добавление может проводиться в форме капель, например, в виде аэрозоля, каплями или струей, непрерывно или с перерывами, в и/или на сырье. В одном предпочтительном варианте осуществления это проводится при исключении воздуха и/или в защитных условиях. Предпочтительным является погружение подлежащего выщелачиванию растительного материала в водный выщелачивающий раствор. Добавление осуществляют, подавая приготовленный выщелачивающий раствор в регулируемом количестве из сборного резервуара по подводящей линии в сырье.
Дезинтегрированная форма оболочек и кожуры получается, когда оболочки или кожуру, полностью или частично, можно отделить/удалит из растительного сырья, самопроизвольно, например, в водном распределительном объеме или с помощью водяной струи или легкого механического усилия. Дезинтеграция компонентов оболочки или материала кожуры или компонентов сырья означает, что отдельные компоненты сырья растворяются или выщелачиваются из твердого и нерастворимого в воде композита или из окружающей композитной структуры (например, кожуры). "Выщелоченный" в этой связи означает, что отдельные соединения/компоненты могут самопроизвольно разъединяться в водном распределительном объеме. "Выщелачивающийся" означает, что дезинтегрированные или переведенные в растворимую форму компоненты или соединения можно легко и полностью обособить в водном распределительном объеме путем незначительного внесения энергии. Для этого можно применять также физические способы, такие как нагревание или механическое измельчение.
В принципе, термическая дезинтеграция предпочтительна, когда растительное сырье имеет высокое влагосодержание, как в случае свежих фруктов и овощей. Здесь дезинтеграция предпочтительно осуществляется путем передачи тепловой энергии через воду или водяной пар. Предпочтительно, одновременно прикладывается давление.
Механическая дезинтеграция выгодна, в частности, тогда, когда растительное сырье имеет низкое влагосодержание и/или заключено в водонепроницаемую оболочку/кожуру. Кроме того, механический способ предпочтительнее, когда сначала необходимо удалить из растительного сырья другую фракцию, как, например, масло.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа дезинтеграция растительных материалов достигается тем, что сырье полностью или частично механически измельчают, вводят в водяную баню и нагревают до тех пор, пока часть сырья, которая содержит в основном извлекаемые компоненты сырья, не станет настолько мягкой, что она при легком силовом воздействии, например, раздавливании пальцами, не распадется на кашеобразную или жидкую фазу. Это особенно выгодно, если из–за разной степени прочности различных структур по завершении вышеуказанного варианта дезинтеграции эти разные структуры, например, мезосперм и оболочка, очень легко разграничиваются друг от друга в виде слоев и могут быть отделены механически. В одном предпочтительном варианте осуществления нагревание проводится в автоклаве вместе с повышением давления. В одном предпочтительном варианте осуществления перед и/или после дезинтеграции растительного сырья удаляют растительный оболочечный материал.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления дезинтеграция растительного сырья осуществляется путем предварительного введения в один из водных растворов согласно изобретению, содержащий водный дезинтегрирующий/выщелачивающий раствор согласно изобретению. При этом в принципе объемное или весовое соотношение можно выбирать свободно, но предпочтительно, чтобы растительное сырье полностью смачивалось выщелачивающим раствором. Предпочтительно, отношение объема воды в водном выщелачивающем растворе к массе растительного материала составляет от 0,3 до 30, более предпочтительно от 0,5 до 20, более предпочтительно от 0,7 до 10 и еще более предпочтительно от 0,8 до 5. В одном варианте способа пропитывание растительного материала выщелачивающим раствором происходит во время дезинтеграции или сразу по ее окончании. В одном варианте способа пропитывание проводится непосредственно соединениями, которые делают возможной/ускоряют дезинтеграцию растительного сырья. Продолжительность воздействия выщелачивающего раствора зависит от используемого растительного сырья. Предпочтительно, продолжительность составляет от 1 минуты до 48 часов, более предпочтительно от 10 минут до 14 часов и более предпочтительно от 20 минут до 6 часов. Температура, при которой водный выщелачивающий раствор воздействует на растительное сырье, в принципе можно выбирать свободно. Предпочтительной является температура от 5°C до 140°C, более предпочтительно от 10°C до 120°C и более предпочтительно от 15°C до 90°C.
Способы осуществления технологической стадии c
) распределения компонентов дезинтегрированного сырья в распределительном объеме
В одном предпочтительном варианте осуществления дезинтегрированный на предыдущей технологической стадии материал оболочки/кожуры и/или растительное сырье растворяют в воде, чтобы полностью гидратировать отсоединенные/отделенные компоненты, в результате чего они находятся в обособленной форме и без соединения/слипания с другими компонентами. При этом распределительный объем согласно изобретению представляет собой объем воды, который обеспечивает обособляемость и разделение материала оболочки/кожуры и/или компонентов сырья.
При удалении/отделении оболочечного материала может быть достаточно очень малого объема воды, который вносится, например, посредством водяной струи. Если проводят дезинтеграцию и выщелачивание, требуемый распределительный объем должен быть достаточно большим, чтобы позволить полную гидратацию растворимых или отделяемых компонентов и гарантировать обособляемость растворенных и нерастворимых компонентов сырья. Если речь идет о выщелачивающей смеси, необходимый распределительный объем предпочтительно определяют тем, что из образца с предыдущей технологической стадии (например, 10 г для смеси для отделения/удаления) готовят ряд разведений. После фазы перемешивания в течение 3 минут проводится фильтрация (размер ячеек сита 100 мкм) суспензии. Фильтровальный остаток анализируют (визуально или в микроскоп) на наличие отложений/прикреплений растворимых и смываемых водой соединений. Затем фильтрат смешивают с подходящим раствором вещества, вызывающего агрегацию, в увеличивающейся дозировке. Достаточно большой распределительный объем будет иметься, когда отсутствуют отложения/прилипания твердых компонентов сырья, находящихся в фильтровальном остатке, и можно достичь полной конденсации, и/или агрегации, и/или комплексообразования растворенных растворимых компонентов, присутствующих в распределительной смеси.
Предпочтительным является отношение объема воды к сухой массе исходного продукта от 5:1 до 500:1, более предпочтительно от 10:1 до 150:1 и более предпочтительно от 15:1 до 50:1. Для этой цели можно использовать осветленную техническую воду с более поздних технологических стадий, или деионизированную воду, или не очищаемую дополнительно водопроводную или колодезную воду. Способ введения или приведения в контакт смеси для отделения/удаления и водной фазы на этой стадии процесса может быть произвольным. Предпочтительным является введение вместе с водной фазой с помощью высокопроизводительного сдвигового смесителя или другого смесителя высокой интенсивности. Это особенно выгодно, поскольку позволяет осуществить прямую гидратацию и обособление. Кроме того, предпочтительными являются перемешивающие устройства, создающие турбулентный поток, такие как пропеллерная или гидромоторная мешалка. Операция распределения может проводиться непрерывно или с перерывами, а также при любой температуре, предпочтительным является температурный диапазон водной суспензии от 6°C до 90°C, более предпочтительно от 10°C до 60°C и более предпочтительно от 18°C до 40°C. Продолжительность процесса распределения может быть произвольной, но предпочтительной является продолжительность от 1 минуты до 24 часов, более предпочтительно от 5 минут до 5 часов и более предпочтительно от 10 минут до 1 часа.
Процесс распределения при выщелачивании компонентов сырья является достаточным и заканчивается, когда в репрезентативной пробе, которую отбирают из распределительного объема и затем фильтруют через крупное (размер ячеек 1 мм) и мелкое (размер ячеек 100 мкм) сито, и в фильтровальном остатке в микроскоп или визуально нельзя распознать видимых агрегатов различных компонентов растительного сырья. Успешное распределение компонентов сырья можно также определить, если ввести образец распределительной смеси в градуированный цилиндр, и если в течение короткого времени наблюдается разделение трех или, в присутствие липидов, четырех хорошо различимых фаз. Требуемое время не должно превышать 4 часов.
Кроме того, согласно изобретению осуществляется контроль и факультативная корректировка pH распределительного раствора. Это можно осуществить с помощью щелочей или кислот, известных из уровня техники, предпочтительными кислотами являются HCl или муравьиная кислота, предпочтительными основаниями NaOH или мочевина. Предпочтительным является pH распределительного раствора от 5 до 13, более предпочтительно от 7 до 12,5 более предпочтительно от 7,5 до 11.
Объем воды, который необходим для проведения следующих технологических стадий согласно изобретению, предоставляется из подходящего резервуара.
Способы осуществления технологической стадии d) отделения твердых компонентов от растворенных компонентов сырья
Обсуждаемые здесь твердые компоненты сырья представляют собой органические соединения, которые больше не растворяются в процессе дезинтеграции/выщелачивания согласно изобретению и которые могут быть извлечены как дисперсные структуры с помощью фильтрации и не проходят через сито 10 мкм. Извлечение твердых компонентов предпочтительно осуществляется методами фильтрации, известными из уровня техники. Однако могут также применяться технологические методы, при которых отделение твердых веществ от жидкой смеси осуществляется, например, с использованием центробежного ускорения, например, сеточный декантатор, или метод вихревых токов. По окончании технологической стадии d) технологическая жидкость или распределительная смесь предпочтительно содержит <5 вес.%, более предпочтительно <2,5 вес.% и более предпочтительно <1 вес.% твердых веществ, которые имеют максимальный размер > 10 мкм.
Способы осуществления технологической стадии e) извлечения отделенных компонентов растительного сырья в качестве ценных фракций
В одном предпочтительном варианте осуществления фракции, отделенные друг от друга на стадии d) способа, подают на особые стадии обработки, а именно
e1) отделение волокон на основе целлюлозы от богатой лигнином оболочки твердых компонентов растительного сырья посредством метода вихревых токов и получение очищенной фракции волокон на основе целлюлозы, а также фракции богатой лигнином оболочки,
e2) агрегирование/комплексообразование растворенных белков из растворенных компонентов растительного сырья с помощью комплексообразователя и отделение осажденных агрегированных/ комплексно–связанных конденсированных белков с получением агрегированной/ комплексно–связанной белковой массы.
Если требуется выделить лишь одну ценную фракцию, можно применять только одну из двух технологических стадий.
На технологической стадии e1) происходит разделение разных или одинаковых дезинтегрированных твердых веществ, которые предпочтительно находятся в виде материала оболочки/кожуры, или в виде волокон на основе целлюлозы, и/или богатых лигнином компонентов оболочки. Разделение разных твердых веществ можно осуществить фильтрационными методами или методом вихревых токов. Фильтрацию предпочтительно проводят путем суспендирования твердого материала в воде и пропускания его, предпочтительно при перемешивании, через сито, и/или суспензию проводят через сетчатый материал с разным размером ячеек. В методе вихревых токов также предпочтительно проводят суспендирование волокнистой массы. Водные фазы, выходящие через верхний и нижний выпуск устройства разделения, фильтруются, и извлекают ситовые фракции. Предпочтительное отношение технологического раствора к объему растительного материала со стадии b) составляет от 0,1:1 до 10000:1, более предпочтительно от 0,5:1 до 1000:1, более предпочтительно от 1:1 до 500:1 и более предпочтительно от 2:1 до 20:1.
Технологическая стадия завершается, когда на макроскопическом или микроскопическом уровне или при анализе достигается чистота сорта полученных разных фракций твердых веществ предпочтительно >95 вес.%, более предпочтительно >97 вес.% и более предпочтительно > 99 вес.%.
Технологическая стадия e2) может быть выполнена, если в результате процесса дезинтеграции/выщелачивания из сырья были отделены/выщелочены также растворимые компоненты, которые находятся в очищенной от твердых веществ технологической жидкости с предшествующей стадии.
2
2
4
2
В одном предпочтительном варианте осуществления на этой технологической стадии происходит конденсация, и/или агрегация, и/или комплексообразование растворенных белков и/или других растворенных органических и/или неорганических соединений фильтрата с предыдущей стадии процесса. Целью этого процесса агрегации является осуществить объединение растворенных или гидратированных компонентов, в частности, белков, с образованием конденсированной фазы/массы, которую можно разделить известными методами разделения и извлечь с как можно меньшим количеством воды. Предпочтительно добавить одно или несколько подходящих веществ, вызывающих агрегацию. Подходящими веществами, вызывающими агрегацию, являются, например, кислоты, в том числе, предпочтительно, органические кислоты, как, например, уксусная кислота, аскорбиновая кислота, лимонная кислота, молочная кислота, яблочная кислота, а также неорганические кислоты, как HCl, серная кислота или фосфорная кислота, кроме того, соли, как, например, NaCl, KCl, MgCl, CaCl или NaSO, AlCl, а также комплексообразователи, например, EDTA, или же адсорбенты, как оксид кальция, оксид магния, каолин или другие глинистые минералы. Кроме того, предпочтительны растворимые двухвалентные катионы, предпочтительно соли алюминия, кальция и магния. Далее, выгодны комбинации перечисленных здесь веществ, вызывающих агрегацию, например, комбинация лимонной кислоты и хлорида алюминия. Кроме того, предпочтительны карбонаты, как карбонат Na, гидрокарбонат Na или карбонат кальция. Кроме того, силикатные соединения, особенно метасиликат Na, ортосиликат натрия, а также другие растворимые силикаты. Величину pH водных растворов, содержащих растворенные вещества, вызывающие агрегацию, в принципе можно выбирать свободно, она зависит от эффективности достигаемой при этом агрегации. При необходимости в раствор вещества, вызывающего агрегацию, можно также добавить буфер, который регулирует pH раствора.
Пригодность может быть очень легко определена специалистом в данной области путем добавления в образец не содержащего волокон технологического раствора со стадии d) различных веществ, вызывающих агрегацию, в повышающихся концентрациях и при перемешивании, и исследования его на полноту агрегации/ комплексообразования растворенных компонентов. Для этого к супернатанту после центробежного разделения конденсата добавляют один или несколько агрегирующих растворов/вызывающих агрегацию веществ, и перемешивают. Если после спокойного периода в течение по меньшей мере 10 минут при новом центрифугировании не образуется никакого осадка, и водная фаза является прозрачной или почти прозрачной, агрегация/конденсация растворенных компонентов прошла в достаточной степени. В другом варианте осуществления вещество или вещества, вызывающие агрегацию, добавляют в реакционную смесь в виде твердого вещества, предпочтительно порошкообразной формы. Агрегацию/ комплексообразование можно обнаружить после короткого времени пребывания невооруженным глазом. Выбор подходящей концентрации может быть сделан путем центрифугирования образца раствора, в котором проводится агрегация/комплексообразование/конденсация, и новой обработки супернатанта теми же и/или другими растворами веществ, вызывающих агрегацию. Если в результате больше не образуется и/или не может быть отделено видимых конденсатов /агрегатов/комплексов, в растворе находится <6 вес.%, предпочтительно <4 вес.% и наиболее предпочтительно <2 вес.% растворенных белков.
Вещества, вызывающие агрегацию, полностью растворяют в воде, которая предпочтительно не содержит ионов или является деионизированной. Концентрация веществ, вызывающих агрегацию, зависит от условий процесса и должна устанавливаться индивидуально. Обычно предпочтительным является диапазон концентраций от 1 ммоль/л до 5 моль/л, более предпочтительно от 100 ммоль/л до 3 моль/л и более предпочтительно от 200 ммоль/л до 2 моль/л. Объем раствора с одним или несколькими веществами, вызывающим агрегацию, или в случае, когда вещества, вызывающие агрегацию, предоставляются в форме разных водных растворов, добавляется непрерывно или дискретно, по каплям или в виде струи. Предпочтительно перемешивать реакционную смесь, перемешивание предпочтительно проводится в условиях чуть турбулентного или ламинарного течения, что предотвращает распад образующихся конденсатов/агрегатов/комплексов. Предпочтительно провести полное размешивание реакционной смеси. Контроль процесса предпочтительно осуществляют путем прямого визуального контроля стадии конденсации или мониторинга процесса путем определения степени мутности образующейся осветленной водной фазы. Полноту конденсации/ агрегации/ комплексообразования растворенных соединений можно легко установить вышеописанным способом и при необходимости в реакционной раствор можно добавить одно или несколько веществ, вызывающих агрегацию. Продолжительность смешения в принципе выбирается свободно. В одном предпочтительном варианте осуществления способа смешение производится лишь во время добавления одного или нескольких веществ, вызывающих агрегацию, или в течение периода от 10 секунд до 5 минут, более предпочтительно от 20 секунд до 2 минут.
Температура, при которой проводят конденсацию, и/или агрегацию, и/или комплексообразование, в принципе можно выбирать свободно. Предпочтительной является температура от 6°C до 90°C, более предпочтительно от 10°C до 60°C и более предпочтительно от 18°C до 40°C. Предпочтительно устанавливать pH в определенном диапазоне, оптимальный pH зависит от выбора или комбинации с веществом, вызывающим агрегацию. Оптимальный диапазон pH можно определить способом, описанным выше. pH водного раствора, содержащего растворенные соединения, с которым происходит конденсация, и/или агрегация, и/или комплексообразование, согласно изобретению, растворенных белков и/или других растворенных соединений, предпочтительно лежит в диапазоне от 5 до 13, более предпочтительно от 6 до 12 и более предпочтительно от 6,5 до 11.
В одном особенно предпочтительном варианте осуществления по окончании добавления одного или нескольких веществ, вызывающих агрегацию, выдерживается период, на котором перемешивание смеси не проводится или проводится лишь в минимальной степени. Аналогично вышеописанному способу, можно установить требуемое время фазы конденсации, предпочтительно оно составляет от 5 минут до 10 часов, более предпочтительно от 10 минут до 5 часов и более предпочтительно от 15 минут до 2 часов. Если спокойный период должен быть сокращен до минимума, достаточную минимальную продолжительность спокойного периода после добавления вещества, вызывающего агрегацию, можно легко определить с помощью образца, который подвергается центрифугированию и, аналогично описанному выше, определяется полнота конденсации, и/или агрегации, и/или комплексообразования, достигаемые с помощью агента конденсации.
Фазу конденсации предпочтительно проводят при температуре окружающей среды, предпочтительно в интервале температур от 15°C до 40°C. В других предпочтительных вариантах осуществления ее проводят при температуре от 5°C до 15°C, с одной стороны, и от 40°C до 90°C, с другой стороны. Выбор более низкой температуры может быть предпочтительным, например, при извлечении термолабильных соединений. Высокую температуру, например, 60°C, можно выбирать, чтобы в случае микробного заражения сырья предпринять уничтожение микробов, например, в форме пастеризации. С другой стороны, нагреванием можно также инактивировать аллергены и некоторые токсины, а также несъедобные соединения. В одном предпочтительном варианте осуществления способа конденсированные /агрегированные /комплексно–связанные белки можно извлечь в форме осадка. Седиментация заканчивается, когда дальнейшего осаждения больше не происходит. Предпочтительно фаза осадка выпускается через нижний выпуск и подается на следующий процесс дегидрирования или напрямую на процесс сушки, как, например, распылительная сушка, или распылительная сушка с одновременным измельчением, или сублимационная сушка.
В одном предпочтительном варианте осуществления способа конденсированные /агрегированные /комплексно–связанные соединения с этой технологической стадии дегидрируют, чтобы освободить их от связанной технологической воды, очистить, кондиционировать и/или сделать легко транспортируемыми или простыми для составления композиций. Вид осадка, получаемого в конце этой стадии, предпочтительно может меняться от суспензии до вязкой кремообразной массы. Предпочтительным является дегидратация, которая проводится фильтрационными методами. Предпочтительным является нанесение на ленточный фильтр. При этом предпочтительные фильтры имеют размер ячеек от 50 до 500 мкм, более предпочтительно от 80 до 350 мкм и более предпочтительно от 100 до 320 мкм. Предпочтительно использовать фильтровальную ткань из полипропилена или других гидрофобных полимерных нитей. Предпочтительными устройствами являются ленточный фильтр, камерный фильтр или фильтр–пресс, а также камерный фильтр–пресс и ленточный вакуум–фильтр. Далее, предпочтительны центробежные способы, особенно подходящими являются центрифуги или декантаторы. Остаточное влагосодержание в получаемой дегидратированной конденсатной массе может быть выбрано конкретно для процесса, например, каким получают текучую, или размазывающуюся, или размерно–стабильную белковую массу. В принципе требуется как можно более полное отделение связанной технологической воды. При применении декантатора отделение предпочтительно проводится с >2000g, более предпочтительно с >3000g и более предпочтительно с >3500g. Время пребывания в декантаторе предпочтительно составляет >10 сек, более предпочтительно >20 сек и более предпочтительно >30 сек. Более предпочтительным является процесс прессования для удаления связанной технологической воды. Предпочтительно, удаление технологической воды проводится в фильтрующем устройстве с водопроницаемой фильтровальной тканью/материалом. Предпочтительно, к находящейся в камере фильтра конденсированной или уже дегидрированной массе прикладывается давление, благодаря чему остаточное влагосодержание можно снизить до желаемого уровня.
Предпочтительным является осуществление способа при температуре окружающей среды, в интервале от 15°C до 40°C. В следующих предпочтительных вариантах осуществления можно выбирать температуры из диапазона от 5°C до 15°C или от 40°C до 80°C.
Предпочтительным является получение дегидратированной массы с остаточным влагосодержанием <90 вес.%, более предпочтительно <80 вес.%, более предпочтительно <70 вес.%, еще более предпочтительно <60 вес.% и еще более предпочтительно <40 вес.%.
Способы определения влагоудерживающей способности
Влагоудерживающая способность может быть определена способами предшествующего уровня техники. В одном из способов определяют содержание воды в образце весом 0,5 г и суспендируют его в колбе Эрленмейера на 100 мл в 50 мл дистиллированной воды. После перемешивания в течение 1 часа при 20°C свободную водную фазу удаляют путем загрузки на стеклянную фритту G3, исследуемый материал центрифугируют вместе со стеклянной фриттой при 2000g в течение 15 минут. Определяют количество центрифугированной жидкости и вес образца. Влагоудержание (WRR) рассчитывается по следующей формуле
Объем гидратации может быть определен путем перемешивания полученных разуплотненных волокон на основе целлюлозы (например, 100 г с содержанием воды 100 вес.%) в течение 3 минут с помощью интенсивного смесителя в водной фазе с нейтральным pH и объемным отношением к массе твердых веществ волокон >1000:1, после этого становится возможным прохождение несвязанной водной фазы через сито с размером ячеек 50 мкм. Через 1 час определяют объем волокнистой массы на основе целлюлозы. Затем проводят механическое обезвоживание, а после него сушку до остаточной влажности <10 вес.%. Затем определяют объем и рассчитывают соотношения объемов.
Аналогичным образом можно определить маслоудерживающую способность с жидкой липидной фазой, такой, например, как парафиновое масло.
Растворимость белков в воде (NSI) определяется в соответствии со стандартным методом AOCS 1990 (Daun and DeClercq, 1994).
Области применения
В принципе, способ применим для любых растительных продуктов. Он применяется, в частности, для выщелачивания, размягчения или отделения растительных оболочечных материалов, а также для их частичного или полного растворения или разложения.
Указанный способ подходит также для размягчения или растворения отделенного растительного оболочечного материала. Для этого особенно предпочтительными являются кожура, например, картофеля, яблок, тыквы, а также шелуха или материал семенного гнезда, например, подсолнечника или семян пшеницы, или яблок или груш. Предпочтительным является также способ, в котором растительные оболочечные материалы, такие как кожица, кожура, шелуха, мякина были по отдельности отделены способом согласно изобретению или другим способом, и обрабатываются дальше одним из способов согласно изобретению.
Поэтому особенно хорошо способ подходит для отделения растительных оболочек семян и ядер, в частности, когда они находятся в уплотненной форме. Таким образом, способ особенно хорошо подходит для отделения или размягчения кожицы, шедухи или скорлупы, например, сухих орехов, как грецкие орехи или фундук, миндаль, бобов, таких как соевые бобы или фасоль, ядер, таких как яблочные, апельсиновые или виноградные косточки, или косточки авокадо или ятрофы, стручковых, как рис, кукуруза или горох и бобы, также из сушеных семян и ядер, как рапс, подсолнечник, пшеница, рожь, овес, люпин, рыжик льняной.
Реализация способов согласно изобретению позволяет получать различные предпочтительные продукты. Так, например, можно получить очищенные от кожицы зерна и ядра, которые были приготовлены в очень мягких условиях. Благодаря отказу от повышения температуры в процессе отслаивания можно получить зерна, а также ядра без изменения целостности их компонентов. В частности, не происходит образования трансжирных кислот или продуктов термических реакций. В одном варианте осуществления получают зерна и ядра, а также другие исходные материалы, которые обогащены аминокислотами и/или пептидами. В следующем варианте осуществления способа благодаря этому или какой–либо другой функционализацией достигается повышение стойкости к окислению растительных продуктов.
В следующих предпочтительных вариантах осуществления можно получить дезинтегрированные оболочечные материалы, которые можно использовать в продуктах питания, например, в качестве разделительного слоя или в качестве загустителя в нейтральной на вкус форме. Такие отлично формующиеся и подходящие для текстурирования продуктов питания конденсаты оболочек/волокон имеют отличную набухаемость и влагосвязывающую способность и, тем самым, способствуют сохранению свежести блюд.
В следующих вариантах осуществления из оболочечных материалов извлекают чистые фракции компонентов, которые до настоящего времени не были доступными и которые имеют превосходные свойства, которые можно использовать во многих сферах жизни.
Для компонентов оболочки на основе лигнина удалось обнаружить отличную влагоудерживающую способность. Поэтому одним предпочтительным применением является их добавление в земли/почву для улучшения водосвязывающей способности, в частности, возделываемых почв. В результате получают богатые лигнином фракции оболочки, которые благодаря высокой водосвязывающей способности, биоразлагаемости и биосовместимости могут применяться для повышения качества почвы, в частности, в области возделывания технических культур. Кроме того, богатые лигнином компоненты оболочки применимы для адсорбции и/или хранения/транспортировки липидных фаз. Таким образом, они могут применяться для поглощения/удаления масла. Кроме того, они применимы для приготовления кормов для животных. Особую ценность представляют фракции оболочки на основе лигнина, которые в результате процесса дезинтеграции приобретают абразивное действие и, тем самым, могут использоваться для обработки/очистки поверхностей, чувствительных к царапинам. В этом отношении может быть предоставлено биогенное и биоразлагаемое абразивное чистящее средство.
Полученные в соответствии с изобретением волокна на основе целлюлозы в принципе могут применяться во всех сферах жизни, а также в промышленных и технологических процессах.
Волокна на основе целлюлозы, которые были получены и извлечены способом согласно изобретению, особенно хорошо подходят для применения в питании человека. В частности, они подходят в качестве диетической пищевой добавки для приготовления низкокалорийной пищи. Кроме того, волокна на основе целлюлозы подходят для снижения веса путем диеты, кроме того, в качестве заменителя или уменьшения содержания растворимых углеводов, таких как пектины или крахмал, в продуктах питания. Кроме того, в качестве заменителя или для снижения содержания масел или жиров в пищевых продуктах. Волокна на основе целлюлозы подходят для регулирования активности кишечника и изменения/смягчения консистенции стула. Кроме того, их можно использовать в качестве диетического средства против запора. Равным образом, волокна на основе целлюлозы можно применять для животных для регулирования стула и снижения веса путем диеты. Кроме того, волокна на основе целлюлозы подходят для загущения и стабилизации жидких или текучих продуктов питания и блюд. Волокна на основе целлюлозы повышают водосвязывающую и влагоудерживающую способность пищевых продуктов. Благодаря этому волокна на основе целлюлозы подходят также для более длительного удерживания влаги в продуктах питания или блюдах или для сохранения их свежести и снижения риска высыхания. Кроме того, волокна на основе целлюлозы могут применяться для внесения в продукты питания и блюда веществ/соединений или микроорганизмов и/или для их стабилизации там. Это позволяет, например, стабилизировать/распределить лабильные соединения, такие как витамины или антиоксиданты, в пищевых продуктах. Кроме того, благодаря этому в пищевые продукты можно вводить микроорганизмы, имеющие повышенную метаболическую активность, как, например, дрожжи или бактерии, выщелачивающие молочную кислоту. Эти свойства волокон на основе целлюлозы можно также использовать для культивирования водорослей или других микроорганизмов, которые используются для производства веществ/соединений или газов с повышенной эффективностью. Полученные в соответствии с изобретением волокна на основе целлюлозы подходят, в частности, для приготовления лосьонов/кремов/мазей или паст для применения на коже или слизистых оболочках. При этом они обеспечивают улучшенную задержку воды на поверхности кожи и слизистых оболочек, а также улучшенную эмульгируемость гидрофильных и липофильных соединений, а также возможность введения таких соединений, как антиоксиданты или солнцезащитные соединения, и приводят к улучшенной гладкости кожи и участков слизистой оболочки. Кроме того, волокна на основе целлюлозы очень хорошо подходят в качестве смазки для пищевых продуктов, которые готовятся при высоких температурах с прямым или непрямым тепловым воздействием, как жареные, запеченные продукты, продукты, приготавливаемые на гриле или во фритюрнице. Таким образом, волокна на основе целлюлозы подходят в качестве смазки или в качестве замены панировочным смесям/сухарям, например, при приготовлении мяса или рыбы и мясных или рыбных продуктов, блюд из картофеля или теста. Кроме того, волокна на основе целлюлозы подходят для приготовления или повышения срока годности других пищевых продуктов или компонентов пищевых продуктов. Это имеет место, в частности, при получении белковых продуктов, как белковые концентраты или изоляты. Но с волокнами на основе целлюлозы согласно изобретению можно получать, и/или составлять, и/или хранить также и блюда с маслами/жирами и/или растворимыми или комплексно–связанными углеводами или пахучими и вкусовыми веществами. Кроме того, волокна на основе целлюлозы подходят для обеспечения длительного ощущения влаги на слизистых оболочках. Поэтому волокна на основе целлюлозы особенно хорошо подходят для лечения сухости слизистой оболочки полости рта. Кроме того, волокна на основе целлюлозы пригодны для уменьшения запахов, в частности, они применимы для уменьшения или предотвращения неприятного запаха изо рта.
Кроме того, белки могут быть предоставлены в очень чистой форме для питания человека и животных. Полученные белковые фракции подходят, в частности, для приготовления пищевых продуктов и использования, например, в мясных и колбасных изделиях, смесях для выпечки, кремах и напитках, а также для питания грудных детей или в качестве кормления через зонд. Предпочтительным является получение и применение белковых фракций в качестве гипоаллергенного концентрата или изолята белка.
Предпочтительным является получение продуктов, не содержащих ГМО, которые получаю их растительного сырья, не содержащего ГМО.
Примеры
Содержание сырого белка в образцах определяли согласно LMBG §3 5L 03.00–27, через определение азота по способу Дюма. Для пересчета содержания азота в содержание белка в образцах использовали коэффициент 6,25. Определение азота осуществляли с системой Leco FP–528.
Водосвязывающую способность (WBC) фракций твердых веществ определяли при комнатной температуре. В центрифужной пробирке отвешивали 2 г образца с погрешностью 0,01 г и перемешивали с 40 мл деминерализованной воды в течение одной минуты шейкером для пробирок. Через 5 мин и через 10 мин смесь энергично перемешивали в течение 30 сек с помощью шейкера для пробирок. Затем центрифугировали на 1000*g при 20°C в течение 15 мин. Супернатант декантировали. Центрифужную пробирку снова взвешивали. Был определен вес образца, насыщенного водой.
Маслосвязывающую способность фракций твердых веществ определяли при комнатной температуре. В градуированную центрифужную пробирку на 25 мл отвешивали 3 г образца и суспендировали в 20 мл масла (покупное масло из зародышей кукурузы). Затем центрифугировали 15 мин при 700*g. Определяли объем несвязанного масла. Маслосвязывающая способность указана в мл масла на г образца.
Для определения растворимости белка при определенном значении pH применяли метод C.V. Morr. В химический стакан на 100 мл отвешивали 1 г образца. При перемешивании добавляли 40 мл раствора хлорида натрия 0,1 моль/л с пеногасителем. Желаемое значение pH устанавливали с помощью соляной кислоты концентрацией 0,1 моль/л или раствора едкого натра 0,1 моль/л. Смесь переносили в мерную колбу на 50 мл и дополняли до определенного объема раствором хлорида натрия 0,1 моль/л. 20 мл раствора переносили пипеткой в центрифужную пробирку и центрифугировали 15 мин на 20000*g. Полученный супернатант фильтровали через фильтр Whatman № 1. В профильтрованном супернатанте определяли азот по методу Дюма (система Leco FP 521).
Если не указано иное, все исследования проводились в условиях нормального давления (101,3 Па) и при комнатной температуры (25°C).
Пример 1
Исследование дезинтеграции растительных оболочек и кожуры
Для исследования использовали следующие исходные материалы: 1) соевые бобы, 2) бобы фасоли, 3) миндаль, 4) грецкие орехи. Материалы находились без внешней кожуры (3) и 4)), а также в сухой форме. 200 мг каждого материала помещали в сосуды, в которых находились водный раствор без (a) или со следующими растворенными в нем веществами: b) раствор едкого натра 0,1 моль/л, c) аргинин 0,3 моль/л, d) SDS 1 вес.%, e) лизин 300 ммоль/л, f) гистидин и глицин 300 ммоль/л, g) RDG 0,3 моль/л. Каждые 10 минут отдельные бобы/орехи отбирали из смесей для анализа. Максимальная продолжительность воздействия составляла 4 часа. Отобранные из раствора бобы и орехи исследовали напрямую в оптический микроскоп на перфорацию/растворение оболочечного материала. Кроме того, исследовали отслаиваемость оболочечного материала путем тангенциально направленного давления на оболочечный материал рукой, а также центрированной водяной струей, создаваемой под давлением 3 бара. Другую часть бобов и орехов помещали на водяную баню при 25°C. В каждом случае регистрировалось, можно ли было и в какой степени отделить оболочечный материал частично или полностью или он отделялся самопроизвольно. Кроме того, исследовалась консистенция очищенного отделенного оболочечного материала.
Результаты
Оболочки бобов или орехов имели отчетливо видимое набухание уже через несколько минут после погружения в водные растворы серии опытов c), e), f) и g), которое со временем увеличивалось, тогда как для чистой воды или в сериях опытов b) и d) набухание можно было распознать только через 40, соответственно 20 минут. Видимое набухание было связано со способностью перемещения оболочечного материала по поверхности бобов/орехов.
При микроскопическом анализе оболочечного материала было обнаружено, что в результате погружения сырья в водные растворы серий опытов c), e), f) и g) в области зародыша происходило начинающееся с поверхности разложение оболочечного материала, которое имело круговую (1) или продольную (2+3) направленность/форму по типу шва, тогда как в других растворах этот эффект обнаружить было невозможно. Со временем в этой области происходила регулярная перфорация оболочечного материала с обнажением боба/ореха, в результате чего отделялись однотипные геометрические формы оболочечных материалов. Воздействие в серии опытов b) привело к потемнению оболочечного материала и/или обнаженного исходного материала.
При погружении в чистую воду за время исследования ни в одном из материалов не происходило самопроизвольного отслаивания оболочечного материала. Посредством тангенциального силового воздействия к концу исследования удалось отделить только небольшие фрагменты. В серии опытов b) и d) можно было заметить спонтанное и частичное отделение оболочечного материала через 380 или 400 минут. С помощью тангенциального силового воздействия можно было достичь частичного отслаивания оболочечного материала в опытах 1) и 3) через 180, соответственно 240 минут, а в опытах 2) и 4) через 280, соответственно 360 минут. Полное отслаивание было невозможным. Для материалов, которые были введены в растворы с), е), f) и g), самопроизвольное отделение материала оболочки происходило через 30–100 минут. Для всех препаратов серий с), е), f) и g) полное самопроизвольное отслаивание было достигнуто через 110–180 минут. В этих препаратах частичное отслаивание посредством тангенциального давления было возможно уже через 10–20 минут, а полное отслаивание через 20–40 минут. Оболочечный материал, который был получен в сериях опытов b) и d), был низкоэластичным, независимо от продолжительности воздействия. Отслоившийся оболочечный материал в сериях опытов c), e), f) и g) становился мягким и гибким, начиная с продолжительности воздействия 20–40 минут, и было возможным плоскостное сжатие без разрывов оболочечного материала.
Пример 2
Исследования дезинтеграции оболочечного материала и разделение оболочек и зародышей
Для исследований использовали a) соевые бобы, b) бобы фасоли, а также c) чечевицу, которые находились в виде высушенного исходного продукта. В сериях исследований использовали водные растворы, которые 1) не содержали веществ или содержали: 2) NaOH 0,5 вес.%, 3) карбонат натрия 1 вес.%, 4) аргинин 0,3 моль/л или 5) лизин–изолейцин+DMSO 0,3 моль/л. В серии опытов A) 100 г каждого исходного материала полностью погружали в растворы и устанавливали момент времени видимого прорастания зародышей путем анализа проводившейся непрерывной видеозаписи, а также устанавливали время до достижения длины проростка 5 мм. Продолжительность эксперимента была ограничена 72 часами. В серии опытов B) 500 г сырья на все время опыта помещали в воду, что привело к росту зародышей на 5 мм, затем оттуда порции по 100 г добавляли в исследуемые водные растворы 1)– 5). Здесь они хранились в течение времени, которое, согласно проведению экспериментов в примере 1, обеспечивало спонтанную перфорацию оболочечного материала, с легкой и полной отделимостью оболочечного материала. В это время отбирали половину исследуемого материала и вводили в загрузочное устройство, которое обеспечивало прохождение сжатого воздуха через силиконовую трубку. Исследовали частот полного разделения ростка и оболочечного материала. Серию опытов C) проводили с находящимся в растворах для исследования сырье для серии опытов B) до достижения полного времени пребывания в растворах для исследования 48 часов. В этот период проводилась видеозапись для обнаружения дальнейшего увеличения размеров ростков. В конце исследования аналогично серии опытов B) проводилось разделение оболочки и ростков с помощью шлямовочного устройства. Исследовалась полнота разделения оболочечного материала и проростков и длина проростков, которую сравнивали с результатами для серии опытов B). Кроме того, отделенные оболочечные материалы гомогенизировали в водяной бане с помощью сдвиговой мешалки (UltraThurrax, T18, 20,00 об/мин, 30 сек) и затем полученные суспензии дегустировали.
Результаты
После введения в воду в соответствующих исходных материалах происходило, относительно одновременно, прорастание зародышей с равномерным ростом всходов. При введении в растворы 2) и 3) наблюдалось отставание на 12 или 18 часов по сравнению с введением в чистую воду, а для раствора 5) на 30 часов. В случае раствора 4) за указанное время не происходило никакого (b) и c)), или наблюдался очень низкий рост, <5 мм. В серии опытов B) происходил дальнейший рост зародышей в сырье, который при выдерживании в растворах 4) и 5) был сильно замедлен вплоть до остановки. Полное снятие оболочечного материала, а также удаление зародышей составляло 36% и 28% для бобов и чечевицы после введения в растворы 2) или 3). Для препаратов, которые вводились в растворы 4) и 5), это было возможным на 92% и 90%. Для препаратов из серия опытов C) наблюдался незначительный рост при введении в растворы 2) и 3), тогда как для препаратов, введенных в растворы 4) и 5), никакого роста не наблюдалось. Дегустация суспензий показала неприятный мыльный вкус в случае введения в растворы 2) и 3), тогда как при введении сырья в растворы 4) и 5) суспензии практически не имели вкуса.
Пример 3
Исследование дезинтеграции содержащего воду сырья и разделимости компонентов
Для исследования использовали следующие исходные материалы: 1. тыква сорта Орех серый, 2. айва и 3. сельдерей. Материалы хорошо очищали, разделяли на 4 или 8 частей и вводили в следующие водные растворы: a) лизин 0,1 моль/л+мочевина 1 вес.%, b) полиаргинин 0,1 моль/л+SDS, c) аргинин 0,1 моль/л, d) гистидин–изолейцин 0,1 моль/л+сульфит натрия 1 вес.%. В качестве контроля проводили опыт с чистой водой при прочих равных условиях. Растворы грели 1 час при 90°C, затем введенные кусочки материала извлекали и оставляли охлаждаться. Затем исследовали удаляемость внешнего оболочечного слоя. При этом оценивалось, можно ли удалить оболочечный материал легко, с небольшими прикреплениями мезосперма и большими кусками вручную. Кроме того, исследовали разделяемость очищенного от оболочки материала, путем добавления его в сосуд с водой в весовом отношении 1:10. Затем осуществляли распределение с помощью сдвигового смесителя (Silverson, L5M, UK; 35 мм/8000 об/мин) в течение 30 секунд. После этого суспензии освобождали от несвязанной водной фазы посредством вакуумного нутч–фильтра. Пастообразный материал смешивали с чистой водой в объемном отношении 2:1, проводили через сито с размером ячеек 0,8 мм и снова освобождали от несвязанной водной фазы. Непосредственно после этого проводили органолептическую оценку 4 экспертами. Оценивались наличие запаха и вкусовые качества, а также органолептические ощущения во рту и при глотании.
Результаты
В контрольных экспериментах отделить внешний оболочечный слой либо не удалось (препарат 3), либо только маленькими кусочками (в частности, препарат 2), а также с заметными приставаниями мезосперма. В случае препаратов, которые были дезинтегрированы в растворах a)–d), внешние слои оболочки отделялись легко (b) и d)) или очень легко (a) и c)). Соответственно отделялись связанные кусочки средней величины или большие и без прикрепления мезосперма. Очищенный от оболочки контрольный образец не мог быть полностью измельчен, так что остаток на сите содержал большое количество мелких связных агрегатов. Препараты, дезинтегрированные в растворах a)–d), находились в форме муссоподобной суспензии, которая практически без остатка проходила через сито. При органолептической оценке пасты, полученные с контрольными образцами, имели интенсивный типичный для сорта запах и вкус. Кроме того, вкусовые ощущения были притупленные (2.) или зернистые (особенно препарат 3.). В образцах, которые были получены дезинтеграцией с растворами a)–d), не ощущалось или практически не ощущалось характерного для сорта запаха или вкуса. Во всех случаях вкусовое ощущение было приятным и квалифицировалось как "мягкое" и "сливочное". Присутствие частиц не ощущалось.
Пример 4
Исследование дезинтеграции и выщелачивания растительного материала оболочки и кожуры
Использовались следующие исходные материалы:: 1. соевый шрот после экстракции гексаном, 2. кукурузный шрот, 3. яблочные выжимки, 4. мука из виноградных косточек. 300 г материала вводили в сосуды с a) чистой водой и следующими водными растворами: b) гистидин–валин–лейцин 0,2 моль/л+сульфит натрия 1 вес.%, c) аргинин 0,1 моль/л, d) лизин 0,3 моль/л+бисульфит натрия 0,5 вес.%, e) сульфит натрия 0,5 вес.% + карбонат натрия 0,1 вес.%, в весовом отношении (твердое вещество : водная фаза) 1:10. Резервуары обрабатывали в автоклаве при температуре 125°C и давлении 1,2 бар в течение 5, 15 и 30 минут. После охлаждеия все суспензии гомогенизировали с использованием сдвигового смесителя (Silverson, L5M, Великобритания; 35мм/8000об/мин) в течение 90 секунд. Затем проводили мокрое грохочение с использованием аналитического устройства с вибрационным ситом с размером ячеек 500 мкм, 250 мкм, 100 мкм и 50 мкм. На образцах ситовых фракций определяли остаточное влагосодержание, а из него рассчитывали сухие массы отдельных ситовых фракций. Кроме того, отбирали образцы для микроскопического анализа. Образцы анализировали на наличие различимых структур оболочки/кожуры и относительного количества по отношению к другим волокнистым структурам. Кроме того, проводили химический анализ на содержание растворимых углеводов и белков. В водные фазы, полученные после разделения на сите, добавляли водный раствор, содержащий 10 вес.% лимонной кислоты и 10 вес.% хлорида кальция, в объемном отношении от 1 до 3 об.%, до достижения pH технологической жидкости от 4,8 до 5,4. После однократного размешивания оставляли в покое на 2 часа. Затем надосадочную фазу (если таковая имелась), которая была отстоявшейся или слабо мутной, сливали, а фазу осадка проводили на фильтрующий слой. Через 10 часов дегидратированную массу удаляли с фильтра и подвергали химическому анализу на содержание белков и углеводов. Кроме того, проводили дегустацию этих фракций. Кроме того, проводили органолептическое исследование в соответствии с примером 3 волокнистой массы отдельных ситовых фракций после промывки и удаления свободной волной фазы с помощью ситового пресса.
Результаты
При исключительно термической дезинтеграции в водяной бане после гомогенизации присутствуют преимущественно частицы большого диаметра, для которых продолжительность теплового воздействия имеет малое влияние. В отличие от этого, частицы, полученные в результате дезинтеграции в растворах b)–e), уже после короткой продолжительности нагрева были существенно мельче. Согласно микроскопическому анализу, после исключительно термической дезинтеграции (a)) в любой момент времени и во всех ситовых фракциях присутствуют фрагменты оболочки или кожуры. В отличие от этого, при короткой продолжительности воздействия растворами b)–e) фрагменты оболочки или кожуры присутствуют в небольшой доле только в ситовых фракциях с размером >250 мкм, а при большей продолжительности воздействия их вообще не наблюдается. Тогда как в массе частиц чисто термической дезинтеграции преобладающую долю еще составляли растворимые углеводы и белки, которые изначально присутствовали в сырье, во фракциях частиц после выщелачивания с растворами b)–e) обнаруживалась только незначительное или минимальное количество растворимых соединений. Соответственно, из водного фильтрата после чисто термической деградации нельзя было извлечь практически никаких белков или углеводов с помощью вещества, вызывающего/инициирующего агрегацию. В противоположность этому, с помощью процессов агрегации и дегидрирования из фаз фильтрата выщелачивающих растворов b)–e) можно было извлечь теоретическое расчетное количество белков, которое было определено из количественного анализа сырья, за вычетом количества белков, которые были установлены в частицах. Фракции белков/углеводов, которые были получены после выщелачивания с растворами b)–e), практически не имели запаха и вкуса. В то время как волокна, полученные чисто термическим выщелачиванием, еще были преимущественно твердыми и при дегустации оценивались как волокнистые, фракции волокон, которые были получены путем дезинтеграции с растворами b)–e), были классифицированы от мягких до очень мягких, как нежные и сливочные. При микроскопическом анализе остатков на сите после дезинтеграции и выщелачивание с растворами b)–e) оказалось, что частицы представляют собой крупные волокнистые структуры, которые при дальнейшем анализе представляют собой волокна на основе целлюлозы.
Пример 5
Исследование
ия и разделяемости богатых лигнином компонентов оболочки и волокон на основе целлюлозы
выщелачиван
Жмых зерен ятрофы (JPK) и рапсового семени (RPK) подвергали процессу водного выщелачивания. При этом с одним водным раствором проводили разделение белков и углеводов и из твердых веществ с помощью камерного фильтр–пресса удаляли водную фракцию. Остаток имел остаточную влажность 40 вес.% и интенсивный и неприятный характерный для растений запах (поэтому никакой дегустации). Для выщелачивания фильтровального остатка в следующих опытах использовали по 100 г крошащегося остатка, который добавляли в следующие растворы и непрерывно перемешивали в течение 4 часов: 1. лизин 0,3 моль/л, 2. полиаргинин+глутамин 0,2 моль/л, 3. гистидин+RDG 0,2 моль/л, 4. NaOH 0,5N, 5. вода. Затем твердые вещества отделяли с помощью фильтра и дважды промывали водой на фильтре. После этого образцы диспергировали в 2 л водопроводной воды (LW) с помощью сдвигового смесителя в течение 60 сек. Перемешанную суспензию после прохождения через сито для предварительного просеивания с размером ячеек 500 мкм с помощью насоса вводили в гидроциклон (Akavortex, AKW, Германия) при перепаде давления 1 бар. Нижнюю фракцию собирали, смешивали с водопроводной водой в отношении 1:5 и снова подавали в гидроциклон. Верхнюю фракцию с обоих процессов разделения на вибрационном сите с размером ячеек 100 мкм очищали от взвешенных веществ с получением ситового остатка 1 (SR–1). Нижнюю фракцию с помощью вибрационного сита 200 мкм отделяли от свободной водной фазы и самых мелких частиц, с получением ситового остатка 2 (SR–2). Массу богатой лигнином оболочки (SR2), а также образец волокон на основе целлюлозы (SR1) распределяли на мелком сите и сушили нагретым воздухом. Остальную массу волокон на основе целлюлозы для проведения дальнейших исследований хранили в холодильнике после отжима связанной воды. Затем отбирали образцы для микроскопического и химического анализа. Сухой SR2 разделяли посредством валков. Отбирали образцы для обследования в микроскоп, а также для химического анализа состава частиц. Для оценки водосвязывающей способности 100 г образца вводили в химический стакан с узким дном, который в нижней части имел боковой слив. Сверху по каплям на материал кожуры добавляли воду до тех пор, пока вода не начнет выходить из слива. Рассчитывали весовое отношение между количеством сухих веществ и добавленной водой. Проводили такое же опыт, но с использованием не воды, а осветительный керосин, и рассчитывали маслосвязывающую способность. Образец SR1 суспендировали в деионизированной воде в объемном отношении 1:10 в течение 3 минут путем перемешивания и затем с помощью FiberLab FS 300 (Valmet) определяли размеры находящихся там волокон на основе целлюлозы. Полученные фракции исследовали в оптический микроскоп на предмет в отношении отложений органических компонентов (например, белков), а также наличия агломератов и спекания волокнистых компонентов, а также других ингредиентов растительного сырья.
Результаты
Фильтровальный остаток, содержащий твердые вещества, которые были получены по окончании процесса водного выщелачивания, можно было после дезинтеграции выщелачивающими растворами 1)–3) легко ресуспендировать в воде и гидратировать, что можно было распознать по быстрому спонтанному разделению богатых лигнином компонентов оболочки от волокон на основе целлюлозы, причем первые быстро осаждались, а волокна на основе целлюлозы имели низкую скорость осаждения. Такое поведение отсутствовало у распределенных волокнистых фракций, которые были обработаны растворами 4) и 5). Посредством гидроциклона у образцов, которые были обработаны растворами 1)–3), при первом разделении достичь четкости разделения между волокнами на основе целлюлозы и компонентами оболочки на основе лигнина около 80% для верхней фракции и около 70% для нижней фракции. Результат разделения после двух разделений отдельных твердых фаз для обеих фракций составлял >95%. У образцов, которые были обработаны растворами 4) и 5), такое разделение было невозможным или неполным (чистота сорта <60%). На микроскопическом уровне отсутствуют отложения органических компонентов на полученных препаратах твердых веществ для образцов, которые были обработаны выщелачивающими растворами 1)–3), тогда как прочие образцы имели значительные отложения органических материалов, иногда в виде больших агрегатов. Для препаратов, обработанных выщелачивающими растворами 1)–3), установлена водосвязывающая способность сухой богатой лигнином оболочки от 250 до 300 вес.% и маслосвязывающая способность от 280 до 320 вес.%. Соответствующая водо– и маслосвязывающая способность фракций, которые были обработаны растворами 4) и 5), составили < 150 вес.% и < 120 вес.%, соответственно. Для сухих волокон на основе целлюлозы, которые были получены с выщелачивающими растворами 1)–3), водосвязывающая способность составляла от 290 до 340 вес.%, а маслосвязывающая способность от 220 до 310 вес.%. Для фракций, полученных из процесса с растворами 4) и 5), соответствующие значения были <100 вес.% или <80 вес.%.
Химический анализ фракций оболочки, которые были получены с выщелачивающими растворами 1)–3), дал содержание лигнина от 52 до 73 вес.%.
Оказалось, что объемные размеры волокон на основе целлюлозы, которые после получения в процессе дезинтеграции снова суспендировали, были заметно больше (+158 – +340 об.%) у волокон на основе целлюлозы, которые обрабатывались выщелачивающими растворами 1)–3), чем наблюдалось после обработки растворами 4) и 5).
При химическом анализе оказалось, что содержание присутствующих в волокнах на основе целлюлозы и в богатых лигнином компонентах оболочки белков или растворимых углеводов составляло <1 вес.% после дезинтеграции выщелачивающими растворами 1)–3), тогда как для других препаратов содержание белков и растворимых углеводов составило >10 вес.%. При органолептической оценке было обнаружено отсутствие запаха и вкуса у волокнистых компонентов, обработанных выщелачивающими растворами 1)–3), тогда как остальные препараты имели неприятный вкус и запах.
Пример 6
Исследование условий выщелачивания растительного сырья
4
ref
ref
Исследовались следующие остатки после прессования, которые находились в виде гранул, и измельченные продукты, находившиеся в форме муки, с указанным содержанием ингредиентов: соевый жмых (SPK): белки 38 вес.%, углеводы 26 вес.%, волокна 21 вес.%, масло 11 вес.%, прочее 4 вес.%; жмых рапса (RPK): белки 35 вес.%, углеводы 21 вес.%, волокна 30 вес.%, масло 9 вес.%, прочее 5 вес.%; жмых ятрофы (JPK): белки 32 вес.%, углеводы 22 вес.%, волокна 25 вес.%, масло 13 вес.%, прочее 8 вес.%; овсяная мука (HM): белки 40 вес.%, углеводы 30 вес.%, волокна 18 вес.%, масло 8 вес.%, прочее 4 вес.%; чечевичная мука (LM): белки 33 вес.%, углеводы 33 вес.%, волокна 25 вес.%, масло 6 вес.%, прочее 3 вес.%. Сначала определяли необходимую продолжительность выщелачивания, тем, что 50 г исходных продуктов растворяли в склянках с 1000 мл водных растворов: a) аргинин 0,2 моль/л, b) гистидин и лизин каждый по 0,1 моль/л, c) полиаргинин 0,1 моль/л и глутаминовая кислота 0,1 моль/л, d) NH 0,2 моль/л, e) KOH 0,2 моль/л, f) мочевина 0,3 моль/л, g) карбонат натрия 0,5 вес.%, h) сульфит натрия 0,2 вес.%, при скорости перемешивания 50 об/мин. При этом путем наблюдения определяли, когда в образующейся суспензии больше не будет наблюдаться видимых твердых агрегатов. Соответствующую суспензию в это время пропускали через вибрационное сито с размером ячеек 100 мкм и фильтровальный остаток исследовали под микроскопом, аналогично примеру 5. Затем проводили тест для определения минимального объема, требующегося для полного пропитывания и выщелачивания исходных продуктов, тем, что в 100 г продукта, начиная с весового отношения 1:1, добавляли увеличивающееся на 50 мл количество выщелачивающих растворов, при медленном перемешивании в течение установленного в предварительном опыте времени, требующегося для полного выщелачивания с соответствующим выщелачивающим раствором. В конце минимальной продолжительности воздействия образцы извлекали и центрифугировали 3 минуты на 3000 об/мин. Устанавливали достаточный объем для достижения полного набухания для массового отношения между сырьем и выщелачивающим раствором (P), при котором после центрифугирования образца в качестве надосадочной жидкости присутствовал лишь минимальный слой свободной жидкости. По 10 г смеси, у которой с минимальный требуемый объемом соответствующей смеси было установлено максимально достижимое набухание, добавляли в 90 мл водопроводной воды, распределяли встряхиванием и затем проводили через вибрационное сито с размером ячеек 100 мкм. Элюат пропускали через сито с мелкими отверстиями 10 мкм. Фильтровальный остаток суспендировали в воде и содержащиеся в нем дисперсные структуры после идентично осуществленной фильтрации анализировали в микроскоп (процедура эксперимента согласно примеру 1). Остаток на сите при повторении опыта сушили и определяли количество удержанных частиц. В следующем исследовании 100 г массы смеси P перемешивали с 900 мл воды в ламинарной мешалке в течение 5 минут. Затем суспензию проводили через качающееся сито. Остаток на камерном фильтр–прессе освобождали от связанной воды и определяли остаточное влагосодержание. Затем остаток на сите суспендировали в растворе NaOH 0,5 моль/л и перемешивали 1 час. Суспензию снова проводили через качающееся сито и фильтровальный остаток сушили в камерном фильтр–прессе.
Результаты
Несмотря на значительно больший объем набухания, который имелся при выщелачивании с растворами a)–c), g) и h), по сравнению с растворами d)–f) (+160 – +260 вес.% по сравнению с +80 – +160 вес.%), время, необходимое для его достижения, было значительно короче (8–20 минут по сравнению с 40–300 минутами). В остатке на сите (размер ячеек 100 мкм) после распределения образца выщелоченные смеси в момент максимального набухания в распределительном объеме, которые была получены путем выщелачивания с растворами a)–c), g) и h), не обнаружили при микроскопическом анализе никаких агрегатов твердых веществ, которые были практически не имели приставших органических остатков. Напротив, в ситовом остатке выщелоченных смесей, которые были получены с растворами d)–f), к моменту ZP Qmax. присутствовали многочисленные агрегаты/конгломераты твердых веществ, которые были частично или полностью окружены органической массой. В отличие от ситового остатка образцов, полученных с растворами a)–c), g) и h), в которых присутствуют разуплотненные крупные и вспученные волокна на основе целлюлозы, в этом случае можно было видеть лишь разделенные и слабо вспученные волокна. На микрофильтре (размер ячеек 10 мкм) элюата после ранее проведенной фильтрации не было видно практически никаких дискретных структур после выщелачивания с растворами a)–c), g) и h), тогда как в случае элюатов, которые были получены при выщелачивании с растворами d)–f), имелись многочисленные твердые частицы, которые частично вели к закупорке поверхности фильтра; эти частицы преимущественно представляли собой волокна на основе целлюлозы, которые были в значительной степени покрыты органическими соединениями. Сухой вес остаток на сите после выщелачивания и распределения растворимых и растворенных компонентов у образцов, которые были получены при выщелачивании с растворами d)–f), был значительно выше, чем у образцов, полученных при выщелачивании с растворами a)–c), g) и h) (+130 – +350 вес.%). В результате выщелачивания остатка на сите щелочью в случае материала, который был получен после выщелачивания с растворами a)–c), g) и h), больше практически не выделялось белков, тогда как в остатке на сите выщелоченной смеси после выщелачивания с растворами d)–f) было выделено от 8 до 22 вес.% белков.
Пример 7
Исследование применения растительных оболочек на основе лигнина для связывания масла
Богатые лигнином фракции оболочки, которые были получены в опыте 5 (ятрофа (JS), рапс (RS)) способами выщелачивания 1) – 3), а также богатые лигнином фракции оболочки ятрофы и рапса, у которых выщелачивание проводили посредством NaOH (NO), сушили на воздухе и разделяли. Определяли среднее значение гранулометрического распределения, а также объемный вес.
2
Стеклянную трубку диаметром 10 мм, имеющую коническое острие на дне, закрытую тканью из полипропилена с открытыми порами, заполняли сухим оболочечным материалом до высоты 20 см. Определяли вес введенной массы оболочки. Для сравнения аналогичным образом в такие же стеклянные трубки коммерческие маслопоглотители (ÖAM1: Clean Sorb, BTW, Германия; ÖAM2: PEA SORB, Zorbit, Германия). Наполненные трубки устанавливали вертикально в держатель, причем острие было погружено в ванну с подсолнечным маслом, а в другом опыте с олеиновой кислотой. Каждые 5 минут регистрировали высоту прохождения фронта масла, которую можно было отчетливо распознать по изменению цвета или по отражению адсорбента. Опыты заканчивали через 2 ч и определяли высоту поднятия масла (Ö–StH 1), а также разность количества масляной бани по отношению к начальному объему (адс. масло 1). Затем все содержимое вертикальной трубки осторожно выдували в химический стакан и взвешивали. После этого добавляли 100 мл этанола. Суспензии перемешивали 30 минут с помощью магнитной мешалки без доступа воздуха и нагревали до 60°C. Затем жидкую фазу выпускали через нутч–фильтр и остаток на сите дважды промывали (этанол/HO) от массы оболочки или адсорбента, которые затем сушили при 60°C в течение 12 ч. Затем определяли/рассчитывали вес и консистенцию сухих масс (разница веса). Затем опыт повторяли с полученными сухими фракциями и снова определяли высоту подъема масла (Ö–StH 2) и объем адсорбированного масла (адс. масло 2).
Результаты (численные результаты из таблицы 1)
Растительные оболочки на основе лигнина, полученные с выщелачивающими растворами согласно изобретению, имели, в отличие от компонентов оболочки на основе лигнина, которые были очищены едким щелоком, очень быструю и высокую скорость поглощения масла, которая была также лучше, чем у коммерческих маслопоглотителей. Это относится как к способности поглощения против силы тяжести, так и к полному адсорбированному объему. Очистка адсорбированных масел растворителем была возможной по существу полностью в случае растительных фракций на основе лигнина, которые были получены с выщелачивающими растворами согласно изобретению, тогда как у богатых лигнином компонентов оболочки, полученных не в соответствии с изобретением, полностью удалить адсорбированное масло было невозможно. Также и с коммерческими продуктами экстракция адсорбированного масла была неполной. В новом цикле с ранее очищенными адсорбентами в случае богатых лигнином компонентов оболочки, которые были получены с выщелачивающими растворами согласно изобретению, скорость и количество поглощенного масла были сопоставимы со значениями, полученными в ранее проведенном эксперименте, тогда как для остальных очищенных препаратов маслопоглощающая способность оставалась заметно ниже, чем в первом цикле.
Таблица 1
Ö–StH1 (см)
адс. масло 1 (мл)
разница веса
Ö–StH2 (см)
адс. масло 2 (мл)
JS
6,4
3,1
3,1
6,4
3,1
RS
5,8
2,9
2,8
5,7
2,8
SS
5,2
2,8
2,7
5,2
2,7
AS
5
2,6
2,6
5,2
2,6
JS–NO
2,3
1,1
0,5
0,8
0,4
RS–NO
1,2
0,9
0,4
0,5
0,2
ÖAM1
3,2
1,9
1,1
2,2
0,8
ÖAM2
3,6
2,2
1,6
2,6
1,2
Ö–StH1 – высота подъема масла, 1-й цикл; адс. масло 1=количество адсорбированного масла, 1-й цикл; разница весов=разность веса абсорбента перед/после экстракции растворителем; Ö–StH2 – высота подъема масла, 2-й цикл; адс. масло 2=количество адсорбированного масла, 2-й цикл
Пример 8
Исследование применения богатых лигнином растительных оболочек для удаления масла из маслосодержащих аэрозолей
4
3
Богатые лигнином растительные оболочки ятрофы (JKP) из примера 5, полученные с выщелачивающим раствором a) аргинин 0,2 моль/л (JKPa) и d) NH 0,2 моль/л (JKPd), распределяли между 2 ситчатыми тарелками размером 10×10см с высотой заполнения 2 см, и сито закрепляли на рамке. Ситовую рамку вводили в воздушный канал, герметично закрытый сбоку. Источник сжатого воздуха обеспечивал постоянный воздушный поток (70°C) через фильтр с объемным расходом 50 м/ч. В потоке воздуха размещали ультразвуковой распылитель, который с постоянной скоростью испарял эмульсию масла в воде. Давление, образующееся под фильтром, отслеживали с помощью датчика давления. Выше сита осуществлялся выпуск воздуха через маслоотделитель (contec), который обеспечивал задерживание 99,5% масла из воздушной смеси. Для сравнения в другом опыте в воздушном канале устанавливали обычный воздушный фильтр (LF), стальной сетчатый фильтр (SGF), угольный фильтр (AKF) и мембранный фильтр (MF). Опыты заканчивались через 30 минут, при этом было испарено 20 мл масла. После этого мембранный фильтр извлекали и определяли разницу веса от исходного значения. Богатые лигнином компоненты оболочки отбирали из корпуса фильтра, в суспендировали в химическом стакане в ацетоне и экстрагировали связанное масло. Разделенный фазы ацетона испаряли и остаток взвешивали. Степень удаления масла рассчитывали из разницы веса маслопоглотителя и распыленного масла.
Результаты
При применении мембраны и угольного фильтра происходило повышение давления в подводящем воздушном канале (максимальный перепад давлений 35 или 52 мбар) из–за повышения сопротивлении я воздушного потока. При применении JKPd) вначале было более высокое давление, чем в опытах с богатыми лигнином компонентами оболочки, которые были получены с выщелачивающими растворами согласно изобретению (JKPa). В этом случае в ходе эксперимента также не происходило повышения давления в подающем канале, тогда как в случае препарата JKPd) давление немного повышалось. Степень маслоотделения при обычных воздушных фильтрах составляла от 48 до 62 вес.%. Для компонентов оболочки на основе лигнина, полученных не в соответствии с изобретением, степень маслоотделения составляла 55 вес.%, а для компонентов оболочки на основе лигнина, которые были получены с выщелачивающими растворами согласно изобретению, имели степень отделения масла 98 вес.%. Из этой фракция можно было выделить 18,4 г масла путем экстракции, тогда как из препарата JKPd) удалось извлечь всего 5,2 г.
Пример 9
Исследование способности к абразивной очистке оболочки на на основе лигнина
3
Фракция оболочки, которая в примере 5 была извлечена из выварки рапсового жома выщелачивающими растворами 1) и 2), обрабатывали на следующей стадии дезинтеграции/выщелачивания следующими растворами: 1. аргинин 0,3 моль/л, 2) аргинин 0,3 моль/л+мочевина 10 вес.%, 3) аргинин 0,1 моль/л+NaSO 1 вес.%, 4) NaOH 0,5 N, 5) вода. Соединения полностью растворяли в деионизированной воде. По 10 г фракции оболочки суспендировали в 200 мл раствора и перемешивали 20 минут. После этого суспензии обрабатывали в автоклаве при 120°C и давлении 2 бара в течение 11 минут. Затем обильно промывали водой через сито. После отжима проводили сушку и разделение. Отбирали образцы для анализа. Суспендировали фракции оболочки в неионном ПАВе. 2 мл раствора ПАВа с оболочкой помещали на глянцевую пластмассу, на которой находились различные крустифицированные материалы, такие как яичный белок, соусы или тесто для макарон. Деревянный пестик весом 500 г 30 раз передвигали с помощью автоматического толкающего устройства коаксиально поверхности синтетической пленки над отложениями. Затем поверхности споласкивали. После сушки оценивали остаточный уровень загрязнения, а также наличие царапин или бороздок.
Результаты
Микроскопический анализ показал, что компоненты оболочки на основе лигнина, полученные способами 1–3, находятся в полностью разделенной форме и имеют заметно меньшие поверхностные размеры, чем компоненты оболочки на основе лигнина, полученные способами 4 и 5. Компоненты оболочки, которые были получены способами 1–3, были преимущественно округлыми и имели гладкие внешние контуры. Фракции оболочки, полученные способами 4 и 5, имели преимущественно остроугольные и зазубренные внешние контуры.
На поверхностях, которые были обработаны богатыми лигнином фракциями оболочки, полученными способами 1–3, достигалось полное удаление грязи с поверхности, тогда как для фракций оболочки, которые были получены способами 4 и 5, еще имелись остатки отложений. Поверхности, которые были обработаны богатой лигнином оболочкой, полученной способом 1–3, не имели следов царапин. Поверхности, обработанные фракциями оболочки, полученными способами 4 и 5, имели следы царапин от средних до значительных.
Пример 10
Исследования способа выщелачивания для извлечения волокон на основе целлюлозы
На 1 кг A) рапсового жома, B) кукурузной крупы , C) цельных соевых бобов, D) свекловичной стружки после экстракции мелассы осуществляли следующие экспериментальные процедуры: водное выщелачивание путем погружения материалов A) и B) в ванну при условиях выщелачивания: температура a) 25°C и b) 60°C, свыше 60 минут при непрерывном перемешивании, c) далее, путем термической дезинтеграции в автоклаве при 125°C материалов C) и D), введенных в выщелачивающие растворы, в течение 15 минут. В качестве выщелачивающих растворов использовали: 1. воду, 2. раствор 0,1н едкого натра, 3. 30%–ый раствор серной кислоты, 4. водный раствор аргинина 0,3 моль/л, 5. водный раствор лизина 0,3 моль/л и глутамина 0,2 моль/л, 6. раствор 1,5вес. бисульфита натрия, 7. раствор 0,5 вес.% гидрокарбоната натрия. Затем из каждой полученной смеси удаляли свободную жидкость путем центрифугирования, чтобы получить массы фиксированной формы. Для разделения растворенных компонентов массы растворяли в 10 л воды и тонко диспергировали в смесителе в течение 10 минут. Затем отделяли водную фазу посредством вибрационного сита с размером ячеек 200 мкм. Из полученных фракций отбирали образцы для анализа. Не содержащую капель массу взвешивали и затем сушили в сушильном шкафу. Из разницы веса между влажной и сухой массой рассчитывали водосвязывающую способность. Влажные образцы анализировали в микроскоп в отношении структуры волокон, а также степени покрытия/склеивания с другими органическими компонентами. Полученный сухой материал исследовали на содержание растворимых углеводов и белков. Число волокон (штуки) на грамм влажной массы, максимальное объемное расширение, а также коэффициент формы анализировали на анализаторе волокон FiberLab FS300, Valmet.
Результаты
Выщелачивания сырья водой достичь не удалось. С щелочным раствором было возможно частичное выщелачивание сырья A) и B) при комнатной температуре, но не с выщелачивающим раствором 3. Значительного выщелачивания удалось достичь с выщелачивающим раствором 2 при повышенной температуре (A)b) и B)b)), а также термической дезинтеграции (C) и D)). Выщелачивание раствором серой кислоты в условиях эксперимента было невозможным. С выщелачивающими растворами 4–7 во всех условиях экспериментов удалось достичь полного выщелачивания. На микроскопическом уровне оказалось, что в способе, при котором не достигалось макроскопически полное выщелачивание, присутствуют твердые частицы и/или волокна, которые были частично окружены другими органическими соединениями или компонентами, а также наличие спекания с другими волокнами или органическими соединениями. При химическом анализе было установлено макроскопически неполное выщелачивание растворимых углеводов и белков в остатке на сите. В опытах по выщелачиванию, которые проводились с выщелачивающими растворами 4–7, при всех проведениях эксперимента происходило макроскопически полное отделение компонентов, которые не являются волокнами на основе целлюлозы (кроме того, растворы фильтрата проходили через сито с размером ячеек 20 мкм без образования остатка). Объем не содержащей капель массы, которая была получена способом выщелачивания с выщелачивающими растворами 4–7, был заметно больше, чем объем выщелоченной массы после осуществления способа выщелачивания водой или едким щелоком. Соответственно, водосвязывающая способность при этом способе была существенно ниже (80–190 вес.%), чем для разуплотненных волокон на основе целлюлозы, которые были получены с выщелачивающими растворами 4–7 (680–850 вес.%). Соответственно, химический анализ показал, что в полученной массе волокон на основе целлюлозы после применения выщелачивающих растворов 4–7 остаточное содержание растворимых углеводов составляет <1 вес.%, а белков <0,5 вес.%. У других продуктов выщелачивания содержание растворимых углеводов и белков составляло от 15 до 37 вес.%. Высушенные агрегаты продуктов с остаточным содержанием растворимых углеводов и белков >1 вес.% были очень твердыми и не могли быть полностью гидратированы. В отличие от этого, агрегаты, которые получали выщелачиванием после сушки посредством выщелачивающих растворов 4–7, были полностью гидратированы в течение 5 минут. Этого можно достичь путем размола порошка, который быстро набухает в воде и дает мягкую волокнистую массу при новом вводе. Анализ размеров и числа волокон на основе целлюлозы, который проводили после процесса выщелачивания с выщелачивающими растворами 4–7, показал широкое и однородное распределение в диапазоне от 20 мкм до 600 мкм при числе волокон 550–237 штук/г, а также коэффициент формы от 2,5:1 до 22:1. Вес единицы длины составлял от 0,8 до 2,5 мг/100м.
Пример 11
Исследование способа получения волокон на основе целлюлозы путем механического выщелачивания
Для опытов использовали по 1 кг следующих исходных материалов: A) соевый шрот, B) овсяные хлопья, C) мука виноградных косточек.
Проводились следующие технологические стадии:
V1) размол исходных продуктов до среднего размера зерна 100 мкм. После этого воздушная сепарация посредством тонкодисперсной веялки (Netsch CFS 5);
4
V2) размол исходных продуктов до среднего размера зерна 100 мкм. После этого добавление водного раствора, в котором растворены следующие соединения: a) аргинин 0,2 моль/л, b) гистидин и лизин каждый по 0,1 моль/л, c) полиаргинин 0,1 моль/л и глутаминовая кислота 0,1 моль/л, d) NH 0,2 моль/л, e) KOH 0,2 моль/л, f) мочевина 0,3 моль/л, в весовом отношении 1:1, чтобы сырье полностью было погружено в водный раствор на 4 часа. Затем промывка всей реакционной смеси вводов в весовом отношении 1:10 с использованием стержневой мешалки. Суспензию проводили через сито с размером ячеек 200 мкм. Остаток на сите дважды промывали водной фазой равного объема и затем остаток на сите раскатывали на пористой полипропиленовой пленке на толщину слоя 1 мм и сушили. Затем проводили размалывание сухой массы.
V3) Сырье без дальнейшего измельчения вводили в следующие водные растворы: a) аргинин 0,3 моль/л, b) полилизин 0,2 моль/л, c) полиглутамат 0,2 моль/л и гистидин 0,4 моль/л, d) триэтиламин 0,2 моль/л, e) NaOH, 0,2 моль/л, f) –карбонат натрия 0,3 вес.%. Объм добавленного водного раствора выбирали так, чтобы осуществлялась полная пропитка сырья. Смеси оставляли в покое на 24 часа. Затем смеси вмешивали в воду в объемном отношении 1:10 и перемешивали стержневой мешалкой. После этого суспензию проводили через сито с размером ячеек 200 мкм. Остаток на сите дважды промывали равным объемом водной фазы и затем остаток на сите раскатывали слоем толщиной 1 мм на пористой полипропиленовой пленке и сушили. Затем сухую массу размалывали.
Проводили химический анализ каждой полученной сухой массы на содержание растворимых углеводов и белков (аналогично примеру 5). По 50 г полученной порошкообразной волокнистой массы растворяли в 500 мл воды при температуре 30°C при непрерывном перемешивании в течение 1 часа. 100 мл отобранного раствора помещали в мерный цилиндр с узким дном и определяли время осаждения, за которое видимые волокна опустятся ниже 50–миллиметровой отметки.
Кроме того, отбирали образцы для анализа размера волокон (анализ в соответствии с примером 6). Остальную суспензию сгущали, чтобы достичь остаточной влажности 40–50 вес.%. Полученные пастообразные массы были дегустированы 4 квалифицированными дегустаторами. При этом оценивались следующие свойства: собственный вкус, зернистость, вкусовое ощущение, ощущения при глотании.
Результаты
Фракции волокон с опыта на выщелачивание V1 еще содержали повышенные количества растворимых углеводов (24–36 вес.%) и белков (18–29 вес.%). Волокнистая масса с опытов на выщелачивание V2 и V3, которая была получена в условиях выщелачивания a) – c), имела остаточное содержание растворимых углеводов и белков <0,5 вес.%. При использовании для выщелачивания других соединений (d)–f)) в полученных волокнистых массах содержалось 12–22 вес.% растворимых углеводов и 14–25 вес.% белков. Фракции волокон, которые были получены после опыта на выщелачивание V1, было уплотненным и лишь частично могло быть гидратировано в воде, после наливания в мерный цилиндр происходило очень быстро осаждение. Порошкообразные фракции волокон, которые были получены после опыта на выщелачивание V2 в условиях выщелачивания d)–f), были частично гидратированы, тогда как порошкообразные волокна с опыта выщелачивания V3, которые подвергались условиям выщелачивания d)–f), были практически негидратированными. Определенное время седиментации составляло в опыте V2 15–25 минут, а в опыте V3 4–10 минут для продуктов выщелачивания, которые были получены в этих условиях выщелачивания. В отличие от этого, была зарегистрирована полная гидратация порошкообразного материала с опытов по выщелачиванию V2 и V3, которые проводились в условиях выщелачивания a)–c). Растворенные волокна на основе целлюлозы этих выщелачиванных фракций демонстрировали очень низкую скорость седиментации в мерном цилиндре, так что опускание растворенных волокон на основе целлюлозы ниже 50–миллиметровой отметки имело место только после 12–27 часов. Длина волокон составляла в среднем от 150 до 300 мкм, а ширина от 11 до 19 мкм. Вес волокон на единицу длины составлял от 1,2 до 5,1 мг/100м.
Дегустация влажного волокнистого материала из опыта выщелачивания V1 показала наличие большого количества пахучих и вкусовых веществ, соответствующих пахучим и вкусовым веществам в исходном материале. Фракция волокон с опытов на выщелачивание V2 и V3, которые осуществлялись в условиях выщелачивания d)–f), также показали, хотя и в меньшей интенсивности, наличие запаха и вкуса исходного сырья. Однако они были непригодными в пищу из–за интенсивного запаха или вкуса соединений, используемых для выщелачивания. В противоположность этому, фракции волокон с опытов по выщелачиванию V2 и V3, которые были получены в условиях выщелачивания a)–c), не содержали пахучих или вкусовых веществ, так что их запах и вкус был оценен как нейтральный. Кроме того, волокна на основе целлюлозы, которые были получены в опытах V2 и V3 с выщелачивающими растворами a)–c), не имели зернистости, вызывали приятные вкусовые ощущения, а также были приятными при глотании.
Пример 12
Исследование получения волокон на основе целлюлозы из органического сырья
Возможность получения волокон на основе целлюлозы с остаточным содержанием белков и/или углеводов <1 вес.% и не выделяющих в водную среду пахучих, вкусовых или красящих веществ, исследовалась на различных предварительно обработанных исходных материалах.
Серия опытов I.
Использовали органическую массу, которая была обогащена волокнами на основе целлюлозы после экстракции растворимых белков, исходным материалом для которой были ядра сои и фасолевые бобы с оболочкой. Для подготовки ядра, соответственно бобы с оболочкой механически измельчали и 4 или 8 часов выдерживали в растворе полиаргинина и гистидина, соответственно в растворе лизина и полиглутамата. Органическую массу с содержанием твердых веществ 40 вес.% (TG), суспендировали в воде в объемном отношении 1:10 или 1:5, затем проводили интенсивное перемешивание с последующей фильтрацией через сито с размером ячеек 100 мкм. Остаток на сите состоял преимущественно из волокон на основе целлюлозы, но присутствовали также большие количества оболочечного материала, а также комплексные органические твердые вещества (крахмальные зерна). Волокнистую массу растворяли в воде в объемном отношении 1:10 с помощью насоса пропускали через гидроциклон (Akavortex, AKW, Германия). Супернатант улавливали и фильтровали (размер ячеек 50 мкм) посредством дугового сита. Остаток на сите анализировали.
Серия опытов II.
3
Для процесса выщелачивания использовали термически дезинтегрированный растительный материал, в котором волокна на основе целлюлозы еще объединены в большие агрегаты. Исходными материалами в данном случае были айва, морковь, а также сельдерей, которые подвергались термообработке в водяной бане при температурах от 90°C до 98°C в течение 1–3 часов и измельчались стержневым смесителем до однородной массы. Согласно анализу, сохранялись агрегаты > 2000 мкм в количестве >15 вес.%. Кроме того, наличествовал свойственный виду запах и вкус. Массы обезвоживали с помощью камерного фильтр–пресса до остаточной влажности 50–80 вес.%. Полученные массы в весовом отношении 1:5 суспендировали в водном растворе, содержащем a) аргинин 0,3 моль/л, b) полилизин, мочевина 10%, c) аргинин 0,1 моль/л+NaSO 10% и суспензию обрабатывали в автоклаве в течение 8 и 16 минут при температуре 120°C. Выщелачиванный продукт фильтровали и дважды обильно промывали водой. Из конечного ситового остатка отбирали образец для анализа.
Серия опытов III.
Растворяли механически дезинтегрированный растительный материал с высоким содержанием красящих веществ. Для этого использовали пюре красной свеклы, фракцию волокон от выщелачивания подсолнечного жмыха раствором аргинина, а также фракцию волокон с водного выщелачивания кукурузной крупы. Исходные массы сначала обезвоживали до остаточной влажности 40–70%. Затем проводили суспендирование массы в водном растворе, содержащем a) полиаргинин, мочевину 5%; b) лизин 0,3 моль/л, SDS 2%, гистидин 0,3 моль/л; c) аргинин 0,1 моль/л, DMSO 2%, в весовом отношении от 1:5 до 1:10 с помощью стержневой мешалки. В одной серии опытов (T60) суспензии перемешивали 24 часа при 60°C, а в другой серии опытов (T120) обрабатывали в автоклаве в течение 8 минут при 120°C. Полученные суспензии фильтровали и дважды обильно промывали водой. Из конечного ситового остатка отбирали образец для анализа.
Проведенный анализ включал определение распределения по размерам волокон на основе целлюлозы, содержания белков и растворимых углеводов (в соответствии с примером 7), исследование возможности удаления красящих веществ (исследование путем введения исследуемой фракции в воду и водные растворы ПАВов на 48 часов с последующей фильтрацией и спектроскопическим анализом фильтрата), а также органолептическую оценку 4 экспертами в соответствии с критериями из примера 3.
Результаты
Серия опытов I: Разделенные методом вихревого тока разуплотненные волокна на основе целлюлозы практически не содержали видимых или измеримых остатков оболочечного материала или агрегатов других компонентов сырья, как, например, комплексы крахмала. Далее, удалось достичь выбора волокон большого объема, которые имели узкий диапазон диаметров при длине, которая у 98% волокон была <1000 мкм, и диапазон диаметров был меньше или уже, чем у волокон в исходном материале.
Серия опытов II: Анализ волокон показал, что в результате обработки происходило измельчение комплексов из волокон на основе целлюлозы и разуплотнение, при котором диапазон диаметров заметно сдвигался влево, и частиц с диаметром >2000 мкм вообще не было, или они присутствовали в количестве <0,1%.
Серия опытов III: Из полученных масс разуплотненных волокон на основе целлюлозы как для серии опытов T60, так и для T120, не больше нельзя было отделить красящих веществ водными растворами.
Полученные в сериях опытов I–III разуплотненные волокна на основе целлюлозы имели содержание белков и/или растворимых углеводов <0,1 вес.%.
Огранолептический анализ всех полученных масс волокон на основе целлюлозы показал нейтральность запаха и вкуса. Кроме того, для всех препаратов было найдено, что они являются очень мягкими при пережевывании, обеспечивают приятное ощущение во рту и при проглатывании препаратов не возникает ощущения дискомфорта.
Пример 13
Исследование промышленного получения хлебобулочных изделий из/с волокнами на основе целлюлозы
Осуществляли крупномасштабное производство следующих готовых продуктов: A) чипсы, B) бисквиты и C) пряники.
Получение кондитерской массы:
A) 100 кг разуплотненных волокон на основе целлюлозы из соевого шрота (полученные согласно примеру 11 (с раствором аргинина)) с остаточным влагосодержанием 70 вес.% перемешивали с 3 кг смеси пряностей на автоматизированной месильно–сбивальной машине 2 часа до получения однородного теста. Тесто с помощью винтового насоса закачивалось в заправочное устройство, с помощью которого определенный объем теста выдавался в формы устройства. После заполнения форму паронепроницаемо закрывали контрформой, так что тесто формовалось в диски толщиной 3 мм (диаметр 5 см) в закрытой со всех сторон форме. Затем всю матрицу форм нагревали до 140°C на 5 минут. Чипсы, выпадающие при открывании форм, направляли на ленточном транспортере в печь, в которой проводилось нагревание до 180°C в течение 2 минут. Затем охлажденные чипсы упаковывали воздухо– и паронепроницаемо в атмосфере азота без доступа воды. Было получено 31 кг чипсов. Визуальный, тактильный и органолептический анализ проводили после срока хранения 2, 6 и 12 месяцев. Внешний вид оставался неизменным, как и характеристики излома и качество поверхности. Консистенция при дегустации в любое время оценивалась как хрустящая, и указывалось на приятное вкусовое ощущение. С увеличением времени хранения не происходило никаких изменений вкусовых свойств.
B) 50 кг разуплотненных кукурузных волокон на основе целлюлозы (получение в соответствии с примером 11, V2 b)) с остаточной влажностью <20 вес.% под взбитой массой, которая состояла из 40 кг яичного белка и 10 кг желтка, а также 35 кг сахарной пудры и ароматизаторов, которые осторожно взбивались друг с другом, вместе с 200 г гидрокарбоната натрия. Текучим тестом наполняли формы для выпечки диаметром 30 мм на высоту 2 см и выпекали при 180°C в течение 20 минут. После охлаждения нижние корки бисквита удаляли и упаковывали воздухо– и паронепроницаемо в атмосфере азота. Визуальный, тактильный и органолептический анализ проводили после срока хранения 2, 6 и 12 месяцев. Внешний вид оставался неизменным, как и характеристики излома и качество поверхности. Консистенция при дегустации в любое время оценивалась как чуть хрустящая, а вкусовое ощущение как мягкое и выровненное. С увеличением времени хранения не происходило никаких изменений вкусовых свойств.
C) 50 кг разуплотненных волокон на основе целлюлозы из бобов фасоли (получены в соответствии с примером 12 V1) с остаточной влажностью <25 вес.% смешивали с 50 кг тертого миндаля, 10 кг рубленых лимонных цукатов и апельсиновых цукатов, а также 500 г бикарбоната натрия и смесью приправ. Смесь размешивали с 60 кг массы, полученной из яиц и сахарной пудры. После выстаивания в течение 2 часов тесто разделяли на порции и раскатывали на противнях на высоту 1 см и выпекали при 180°C в течение 20 минут. После охлаждения выпеченное изделие делили на куски и упаковывали воздухо– и паронепроницаемо в атмосфере азота. Визуальный, тактильный и органолептический анализ проводили после срока хранения 2, 6 и 12 месяцев. Внешний вид оставался неизменным, как и стойкость к давлению и качество поверхности. Консистенция при дегустации в любое время оценивалась как нежно–хрустящая, а вкусовое ощущение указывалось как наполненное. С увеличением времени хранения не происходило никаких изменений внешнего вида, стойкости к давлению или вкусовых свойств.
Пример 14
50 кг шрота соевого экстракта в смесителе емкостью 70 л пропитывали 0,1 моль/л раствором аргинина с помощью распылительного устройства и после пропитки оставляли в покое на 1 час. Затем добавляли 70 л воды, после чего массу обезвоживали с помощью фильтр–пресса до остаточного влагосодержания 60 вес.%. Фильтровальный остаток суспендировали в 70 л раствора сульфита натрия 0,5 вес.% и смесь выдерживали в автоклаве 10 минут при температуре 128°C и давлении 1,2 бар. Затем смесь обезвоживали посредством ситового пресса. Остаток на сите вводили в 200 л фазой технологической воды и диспергировали с использованием сдвигового смесителя (Silverson L5M–A с мелким диспергирующим орудием, 10000 об/мин) в течение 10 минут. Затем проводили фильтрацию суспензии на центробежном сетчатом фильтре. Извлекали фильтровальный остаток в виде кремообразной массы без запаха и вкуса и функционализировали посредством раствора наноэмульсии и затем сушили на ленточной сушилке до сухости. Высушенные волокна на основе целлюлозы, которые находились в виде тонких пластинок, можно было полностью гидратировать в воде в пределах 3 минут, и оценивались органолептически как мягкие и сливочные. Соединенные фазы фильтрата со всех стадий соединяли с раствором 20 вес.% лимонной кислоты, который медленно перемешивали. Через 6 часов осажденную фазу спускали через нижний выпуск резервуара и проводили на ленточный фильтр с размером ячеек 80 мкм и агрегированную массу на нем обезвоживали при непрерывном продвижении ленты. Получали кремообразную белковую массу, которая полностью растворялась в воде, и полученный раствор полностью проходил через сито 10 мкм без остатка. Белковая масса не имела запаха и вкуса.