СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕТОКСИЧНОГО КЛЕЕВОГО СОСТАВА ИЗ БЕЛКОВ СЕМЯН КЛЕЩЕВИНЫ
METHOD OF PRODUCING NONTOXIC ADHESIVE COMPOUND FROM CASTOR SEED PROTEIN

Изобретение относится к технологии переработки растительных белков и к технической биохимии.
Широкое применение казеина в промышленности и недостаток основного сырья для него - молока - требует открытия новых сырьевых источников растительного происхождения, наиболее важным из которых являются семена клещевины.
Применение возобновляемого (растительного) сырья для приготовления клеев выгодно как с экономической, так и с экологической точки зрения.
Растворимые фракции белков семян клещевины, будучи выделенными и особым образом подготовленными, аналогичны казеину молока по клеящим свойствам, часто даже превосходят его по качеству. По этим причинам клеевой состав, получаемый из белков семян растений, условно называют еще растительным «казеином».
Растительный «казеин» находит применение, главным образом, в фанерном производстве для приготовления влагоупорных клеев, клеев для этикетирования и склейки пищевых упаковок, в производстве пластических масс, для приготовления казеиновых красок и в текстильном производстве для приготовления водонепроницаемых тканей.
Растительные клеевые составы характеризуются, в отличие от синтетических клеев, биологической деградируемостью и более высокой эластичностью.
Исходными продуктами для выработки растительного клеевого состава (растительного «казеина») служат шроты, жмыхи или целые семена.
Известен способ получения растительного «казеина» из клещевинного шрота, согласно которому очищенные от плодовых оболочек и сорных примесей семена клещевины отделяют от семенных оболочек. Затем ядро семян с содержанием лузги не более 2-3% размалывается. Обезжиривают мезгу при температуре растворителя 60°C, затем мезга подсушивается в жаровне Скипина до влажности 5-6% при 70-75°C. Окончательное извлечение масла производится при 60°C. Шрот при этом пропаривают под вакуумом.
Из обезжиренного, но не высушенного шрота экстрагируют растворимые фракции белков 2%-ным раствором каустической соды и известковой водой при 50°C при непрерывном перемешивании с применением острого пара. Щелочной раствор белков (концентрацией 2-3%) фильтруют и нейтрализуют растворами соляной, серной или уксусной кислот, после чего белок из раствора выпадает в осадок. Затем белковый осадок несколько раз промывают водой для удаления свободной кислоты, после чего температуру белка влажностью 90-95% доводят до 80-85°C. После этого белок снова промывают водой от остатков масла и фильтруют. Далее белок высушивают до влажности 55-65% сухим теплым воздухом (40-45°C). Полученный таким образом растительный «казеин» протирают на терках и окончательно высушивают воздухом, нагретым до 35-40°C. После высушивания продукт имеет вид крупки буроватого оттенка. Выход растительного «казеина» из клещевинного шрота около 40%. [Жиры. Их получение и переработка. - Справочное руководство, том I. - Ленинград, Пищепромиздат, 1938 г. - 680 с.]
Этот способ является наиболее близким по техническому результату, поэтому принимаем его за прототип.
Недостатком этого способа является то, что получаемый растительный клеевой состав (растительный «казеин») токсичен, а это делает его небезопасным в использовании. Применение сравнительно высоких температур на стадии отмывки белка от остаточного масла и продолжительная тепловая сушка готового продукта ухудшают клеящие свойства получаемого растительного клеевого состава. Кроме того, данная технология предусматривает очистку семян от семенных оболочек, что требует больших затрат труда и энергии, а также применения специального аппаратурного обеспечения процесса - шелушильной машины, установки для разделения смеси ядер семян и семенных оболочек, устройства для очистки воздуха.
Известен способ получения нетоксичного шрота из семян клещевины, реализуемый высокотемпературной обработкой при 120°C и влажности шрота 18-20% в течение 40 минут. Обезвреженный таким образом шрот пригоден для использования в качестве белковой кормовой добавки для с/х животных. [Техническая инструкция ТИ 10 РСФСР 18-68-90 по производству шрота клещевинного тестированного]
Известен способ получения кормового продукта из шрота семян клещевины при менее жестких параметрах процесса: температуре обработки 85±2°C и продолжительности процесса 20-25 минут, при массовой доле влаги в шроте, направляемом на обработку, 18-20%. Столь мягкие режимы тепловой обработки обусловлены использованием кремниевой кислоты при ее массовой доле 5-10%. [Патент РФ 2354133; A23K, 1/00, 1/14]
Одним из недостатков этого способа является применение кремниевой кислоты, что позволяет снизить токсичность шрота клещевины, однако требует не только дополнительных материальных затрат, но и создает необходимость контроля pH с последующей нейтрализацией среды в промежуточном белковом продукте перед этапом экстрагирования растворимых фракций белков растворами щелочей.
Общим недостатком описанных способов детоксикации клещевинных шротов является рекомендуемое применение высоких температур, что неизбежно ведет к денатурации растворимых фракций белков и, как следствие, к снижению их выхода при приготовлении растительного казеина - все процессы получения растительного казеина, во избежание тепловой денатурации белков, должны производиться при пониженных температурах (60-70°С).
Известен способ снижения токсичности семян клещевины, реализуемый следующим образом. Свежеубранные плоды и части плодов - третинки клещевины с влажностью 15% подвергают регулируемому самосогреванию. В процессе самосогревания контролируют температуру массы плодов и семян, величину кислотного числа масла в семенах, относительную биологическую ценность (ОБЦ) и общую токсичность извлеченного обезжиренного белка семян. На вторые сутки самосогревания масло подвергается минимальному изменению, токсичность белков при этом максимально снижается. Самосогревание нецелесообразно проводить свыше двух суток из-за заметного снижения ОБЦ белка и ухудшения качества масла (увеличения кислотного числа). [Ольховатов, Е.А. Альтернативный способ снижения токсичности семян клещевины. / Е.А.Ольховатов, Е.В.Щербакова // Известия вузов. Пищевая технология. - 2009. - №5-6. - С.16-17]
Таким образом, белковый продукт, получаемый после обезжиривания измельченных семян, нетоксичен. Кроме того, в таком белковом продукте растворимые фракции белков, необходимые для приготовления клеевого состава, подвергаются минимальным изменениям, происходящим, главным образом, за счет ферментативного гидролиза. Тот факт, что целевым продуктом описанного выше способа является кормовой белковый продукт, перед обезжириванием требует проведения очистки семян от семенных оболочек, в чем, однако, нет необходимости при получении промежуточного белкового продукта для производства нетоксичного клеевого состава.
Техническим результатом изобретения является увеличение выхода и повышение качества целевого продукта, снижение затрат труда и энергии и получение нетоксичного клеевого состава из белков семян клещевины.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем обезжиривание измельченного сырья, его обработку 2%-ным водным раствором каустической соды и известковой водой для получения белкового экстракта, фильтрацию, осаждение белка из фильтрата, двукратное промывание полученного белкового осадка водой, отделение белкового осадка фильтрованием, его высушивание и измельчение, согласно заявляемому способу, обезжириванию измельченного сырья предшествует стадия регулируемого самосогревания плодов клещевины в течение 2-х суток при 30°С, поле чего от семян отделяют плодовую оболочку, неочищенные от семенных оболочек семена измельчают и обезжиривают, непосредственно после фильтрации щелочного экстракта белков проводят его дополнительную очистку центрифугированием, белки из полученного щелочного экстракта осаждают раствором кислоты, двукратное промывание белкового осадка осуществляют горячей водой с температурой 67…73°С, а высушивание белка осуществляют сублимацией.
Самосогревание плодов клещевины проводят в течение 2-х суток, для чего собранные плоды влажностью 13…17% размещают в виде буртов, укрывают подручными материалами, изолируя от окружающей среды, при этом каждые 12 часов определяют температуру плодов внутри насыпи и поддерживают ее не выше 30°С посредством изменения толщины слоя теплоизолирующего материала, затем семена отделяют от плодовой оболочки, измельчают и обезжиривают неочищенные от семенных оболочек семена. Самосогревание плодов с регулируемыми параметрами процесса позволяет получить нетоксичный промежуточный белковый продукт переработки семян клещевины для получения безопасного клеевого состава - аналога казеина.
Кроме того, детоксикация белков биотехнологическим способом ведется при мягких температурных параметрах, что обеспечивает хорошую сохранность растворимых фракций белков в продукте на этом этапе и, как следствие, их высокий выход при экстрагировании.
После самосогревания плодов очищенные от плодовых оболочек семена от семенных оболочек не очищаются, так как на абсолютный выход целевых продуктов переработки - масла и растительного казеина - очистка семян не влияет, а отказ от этой стадии процесса позволяет избежать дополнительных затрат труда, энергии и использования специального технического оснащения.
Проводимая после фильтрования щелочного экстракта белков его дополнительная очистка центрифугированием обеспечивает высокую чистоту раствора от взвесей нерастворимого остатка, что в конечном итоге положительно сказывается на адгезионных свойствах белков и клеящей способности получаемого целевого продукта.
Осаждение белков из полученного щелочного экстракта возможно осуществить водным раствором любой кислоты (органической и неорганической) при условии доведения рН среды ею до 3…3,5.
Двукратная промывка нагретой до 67…73°С водой получаемого белкового осадка обеспечивает дополнительную отмывку продукта от остатков масла, при этом минимально изменяются свойства белков. Кроме того, на данном этапе удаляются остатки раствора применяемой кислоты.
Замена продолжительного двухступенчатого теплового высушивания получаемого клеевого состава сублимационным высушиванием обеспечивает получение высококачественного продукта с повышенной способностью к набуханию в воде (коэффициент 3,5 против 2,0-2,2 при высушивании тепловым способом). Кроме того, применение сублимационного высушивания обеспечивает высокую стойкость продукта при длительном хранении.
Способ реализуют следующим образом. Плоды клещевины подвергают регулируемому самосогреванию в течение 2-х суток при 30°С, после чего от семян отделяют плодовую оболочку. Извлеченные семена измельчают, обезжиривают и получают промежуточный нетоксичный белковый продукт. Его обрабатывают 2%-ным водным раствором каустической соды и известковой водой для получения белкового экстракта. Полученный белковый экстракт фильтруют и центрифугируют. Затем водным раствором кислоты из экстракта осаждают белки. Полученный белковый осадок дважды промывают водой, нагретой до 67…73°С. После этого белковый осадок отделяют фильтрованием, высушивают сублимацией и измельчают.
Пример осуществления заявляемого способа
Собранные плоды клещевины подвергают контролируемому и регулируемому самосогреванию в течение 2-х суток, для чего собранные плоды влажностью 13…17% размещают в виде буртов, укрывают подручными материалами, изолируя от окружающей среды, при этом каждые 12 часов определяют температуру плодов внутри насыпи и поддерживают ее не выше 30°С посредством изменения толщины слоя теплоизолирующего материала, затем семена отделяют от плодовой оболочки, измельчают, не очищая от семенных оболочек, и обезжиривают. Далее обезжиренный нетоксичный белок семян обрабатывают 2%-ным водным раствором каустической соды и известковой водой при температуре 50°С и непрерывном перемешивании, а полученный белковый экстракт фильтруют и центрифугируют. Затем полученный белковый экстракт обрабатывают 9%-ным раствором уксусной кислоты до рН среды 3…3,5, а образовавшийся белковый осадок дважды промывают водой, нагретой до 67…73°С. После этого белковый осадок отделяют от промывных вод, сублимируют и измельчают, в результате получая нетоксичный клеевой состав.
Технический результат достигается только при сочетании описанных параметров процесса, что позволяет получить нетоксичный клеевой состав из белков семян клещевины.
Положительный эффект при реализации разработанного способа заключается в увеличении выхода и повышении качества целевого продукта, снижении затрат труда и энергии.