Совершенствование методов извлечения липидов из подсолнечника с использованием поверхностно-активных веществ и ферментных препаратов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.10 ВАК РФ

РГ8 О

2 3 МЛР 199'»

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московская государственная академия пищевых производств

На правах рукописи

НАУМОВА ТАТЬЯНА ЛЬВОВНА

УДК: 557.115.083 (043.3) + 663.854.78 (661.185 + 663.15)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЛИПИДОВ ИЗ ПОДСОЛНЕЧНИКА •С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И ФЕРМЕНТНЫХ

ПРЕПАРАТОВ

v

Специальности:

02.00.10 - Биоорганическая химия, химия природных соединений и физиологически активных ве-. ществ

05.18.06 - Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов

' АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московской государственной академии пищевых производств (МГАТ1П) 1 •

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор НЕЧАЕВ А.П.

Доктор химических наук, профессор РОГОККН C.B. Доктор технических наук, профессор TiiPCHH Ю.А.

Ведущая организация: Московский государственный

заочный институт пищевой промышленности -(кафедра лицевой биотехнологии и консервирования) .

Защита состоится ЛД 1994г. на заседании

специализированного Совета К.063.51.06 Московской государственной академии пищевых производств по адресу: 125080. Москва, А-80, Волоколамское шоссе, дом 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПП

Автореферат разослад" У\ ^ШУ^чЧМУ/1994г.

Ученый секретарь специализированного Совета, канд. биол. наук, доцент

Т.Г.Генералова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

ч Актуальность темы. Современная технология переработки природного органического сырья с учетом особенностей его химического состава, характера выделяемых органических соединений использует различные технологические решения. Для извлечения ли-пидов из липидосодержащего сырья традиционная технология предусматривает два основных способа - прессовый и экстракционный. Б практике большинстра маслозаводов применяется комбинированна л схема: поедзарнтельный съем части масла форпрессованием и выделение оставшихся в жмыхе липвдов экстракцией. Этот метод позволяет получить до 99% содержащихся в смрье липидов, его несомненное преимущество - высокая надежность и стабильность. Однако обрабатываемый материал при ' достаточно , высокой влажности подвергается интенсивным механическим и' тепловым воздействиям, что неблагоприятно сказывается на его липидном и белковом комплексе, ухудшает качестве получаемых продуктов. Для экстракции липидов используется большое количество взры-во-, пожароопасного растворителя, потери которого составляют 0,4-1,2« ст ^ассы перерабатываемых семян. Поэтому создание экологически безопасной, энергетически и экономически выгодной технологии переработки природного органического сырья, устраняющей эти недостатки и позволяющей осуществить комплексное и достаточно полной выделение всех его ценных, компонентов с максимальным- сохранением их нативности,' является актуальной задачей.

При—выделении липидов _ важнейшее условие повшения эффективности их извлечения - наиболее глубокое вскрытие клеточкой структуры и высвобождение липвдов из внутриклеточных тканей. Одно из перспективных, решений - ферментативная деструкция биополимеров-ряда клеточных структур для виевобовдения липидов с последующей "водной экстракцией" получаемых коцронентов.

Достижения современной биотехнологии даят; зозможчость вести процессы при умеренных температурах (30. ,.70°С) и высокой специфичности ферментов, что позволяет избежать неблагоприятных воздействий на состав и структуру получаемых компонентов, резко снизить образование побочных продуктов, отказаться

от использования органического растворителя и уменьшить расход энергии.

В то же время,- если в других странах подобные технологи: уже начинает применять в опытно-промышленных масштабах, в нашей стране они еще находятся в стадии научных исследований, при выполнении которых предстоит ответить на ряд вопросов:

1) оценить возмояность и целесообразность реализации биотехнологических приемов извлечения липидов применительно к основной отечественной культуре - подсолнечнику;

2) подобрать ферментные препараты, обеспечивающие деструкцию материала для эффективного извлечения липидов с учетом полнота выделения и.нативности выделяемых компонентов;

3) определить оптимальные способы подготовки субстрата;

4) оптимизировать условия провздения ферментативной обработки и последующего разделения получаемых продуктов;

5) обеспечить комплексное использование выделенных компонентов.

Часть поставленных вопросов входила в задачу данного исследования.

Так так извлечение липидов является гетерофазным процессом, для повышения его эффективности при биотехнологической обработке сырья возможно использовать пищевые поверхностно-активные вещества (ПАВ), поскольку они изменяют поверхностное натяжение на границе раздела фаз и оказывают тем самым влияние на проницаемость клеточных мембран. Пищевые ПАВ применяются в существующей технологии растительных масел для интенсификации процессов обезжиривания, однако в нашей стране масштабы использования ПАВ при получении растительных масел невелики, их ассортимент ограничен. Многие вопросы (влияние особенностей структуры ПАВ на полноту извлечения и нативность липидных и белковых компонентов, эффективность участия ПАВ в подготовке субстрата) практически не изучены. Поэтому исследования по совместному использованию ПАВ и ферментных препаратов при извлечении липидов представляют большой интерес.

Цель и задачи исследований. Целью настоящих исследований является разработка методов извлечения липидов из липидосодер-шащего сырья с применением ПАВ и ферментных препаратов, изучение их влияния на состав и структуру выделяемых компонентов.

В соответствии с поставленной задачей были определены основные направления и этапы работы:

- выбор и обоснование наиболее перспективных типов ПАВ;

- синтез ПАВ и определение их физико-хиничесюсс характеристик;

- изучение влияния структуры и свойств, ПАВ на процесс извлечения липвдоз (модельные опыты);

- выбор оптимальных ПАВ;

- изучение влияния рекомендованных ПАВ на состав, строение и структуру извлекаемых липкдов и состав белкового компонента;

- изучение процесса ферментативной обработки„гипидосодер-жащего сырья и возможности последующей , "водной., экстракции" льпидов. Исследование влияния предлагаемых способов на выход, состав к структуру выделяемых липидоь и состав белковых компонентов, - -

- подбор наиболее эффективных ферментных препаратов;

- оптимизация услсгий ферментативной обработка субстрата с применением выбранных энзимов;

- исследования по совместному использование ПАВ и ферментных препаратов при получении липидов;

- разработка основ экологически безопасной, экономически выгодной технологии выделения липидов из природного, органического сырья с применением ПАВ и ферментных препаратов;

- разработка технологических рекомендаций по использованию ПАВ в процессе маслоизвлечения и их апробация в промыслен-ности.

Научная нснизна. Впервые изучено влияние особенностей строения пищевых. ПАВ - натриевых солей оксиэтилоктадецил-сукцинатов и оксиэтилоктадецилмалеинатов (степень оксизтилиро-вания, длина углеродной цепи, строение ацилов) на процесс извлечения, липидов и их нативность. ;

Установлено, что применение ПАВ - натриевой соли "Окси-шгта* - позволяет эффективно васвобоадать липида без изменения йх состава н, структура, а также фракционного состава получаемого белка.

Показана. принципиальная возможность извлечения липидов из природного органического сырья после Обработки его. ферментными препаратами целлюлолитического, протеолитичсского, пекто-

литического, амилолитического действия методом "водной экстракции" с последующим разделением компонентов.

Выявлено влияние основных параметров (температура, рН, концентрация фермента, гидромодуль, продолжительность) обработки исходного сырья ферментным препаратом цвляовиридин Г20х (АФБ > 1500 ед./г) на выход, состав и структуру получаемых ли-пидов и фракционный состав белковых продуктов.

Обоснована целесообразность совместного использования ПАВ - натриевой соли "Оксиянта" - к ферментного препарата целлови-ридин Г20х при извлечении липидов из подсолнечника по предлагаемой схеме, как основы для создания нового способа получения липидов из лриродного органического сырья.

Практическая ценность. Разработана технология применения ПАВ - натриевой соли "Оксиянта" - для повышения выхода масла на стадии форпрессования мезги. Ее внедрение,не требует реконструкции действующего производства и, как показывают испытания, проведенные на'Краснодарском экспериментальном маслозаводе, позволяет увеличить выход масла на 1,04% и снизить мас-личность форпрессового жмыха на 2,5%.

Получена исходные данные для разработки технологии выделения липидов методом "водной экстракции" из форпрессового имыха после обработки его ферментным препаратом целловиридин Г20х, обладающим целлплазной, ксиланазной и. полигалактуроназной активностями. Указанный метод позволяет извлечь около 70% липидов, не требукцих глубокой рафинации, получить шрот повышенной кормовой ценности по экологически безопасной и менее энергоемкой схеме. ■— .

Апообашш работы. Материалы диссертации докладывались на научной конференции, посвященной 60-летию МТИПП "Научное обеспечение хранения и переработки растительного сырья в пищевой промышленности" (Москва, октябрь 1991г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование технологических процессов производства новых видов пищевых продуктов и добавок. Использование вторичного сырья пищевых ресурсов" (Киев, ноябрь 1991г.); международной конференции "Экоресурсосберегаю-щие технологии переработки сельскохозяйственного сырья" (Астрахань, июль 1993г.); научно-технической конференции "Масличные семена, масла, жиры:, перспективы совершенствования техники

и технологии производства и переработки" (Санкт-Петербург, ноябрь 1993г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура v. объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Работа излоаена на страницах, содержит Ъ^ таблиц, J^ рисунков, 4 приловекия.

Автор виражает глубокую признательность члену-корреспонденту Академии Технологических наук Российской Федерации, д.т.н. Нэдикте В.Д., заведующей лабораторией НТО Ш!П региона Северо-Кавкачского филиала БНИИЖ, к.т.н. Минасян K.M., главному инженеру Краснодарского экспериментального маслозавода Андрейченко В.К., главному технологу'Куценко Л.П. к начальнику прессового участка Стоякину И.А. - за предоставленную возможность проведения ряда исследований и консультации при выполнении экспериментальной работы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Объекты и методы исследований.

Объектами исследований являлись: технологические продукты переработки семян подсолнечника урожаев 1989-1992гг., полученные в производственных условиях Краснодарского экспериментального маслозавода и в лаборатории - мятка, форпрессовый жмых, жмых после двукратного прессования, шроты.

В исследуемых образцах определяли влажность, содержание липидов, белка и его фракционный состав по общепринятым методикам: содержание белка - полумакрометодом Къельдаля; содержание клетчатки - по методу Кюршнера и Ганека. Аналитические показатели масла оценивали по ГОСТ 54?6-80; 11812-66.

Исследование иирнокислотного состава липидов проводили методом газо-жидкостной хроматографии метиловых эфиров кислот на хроматографе ЛХЫ-8МД, группового состгза - метода* одномерной ТСХ на пластинках • "Merck" (Германия) и "Silufol" (Чехия. Словакия) в системе растворителей 'гексан-диэтиговык эфир-Уксусная кислота конц.(00:20:1).

Ацилгляцериновай состав липидов исследовали по методике. принятой на кафедре органической химии МГАПП.

Фракционный состав белковых веществ определяли по растт . воримости в различных растворителях (воде, 10%-ном водном растворе хлорида натрия и 0,2%-ном водном растворе.гидроксида натрия);

В качестве поверхностно-активных веществ (ПАВ) использовали: 1

- моноэфиры дикарбоновых кислот (янтарной, малеиновой) и оксиэтилированного октадецилового спирта с различной степенью оксиэтилироь:1ю:я. Индивидуальность указанных эфиров доказывали методами ТСХ, ГТНХ;

- моноэфиры оксиэтилированных высших жирных, спиртов (С16-С18) и янтарной кислоты ("Оксиянт").

Кислотные и эфирные числа ПАВ определяли по ГОСТ 14618.778; величину поверхностного натяжения и поверхностную активность - по методу П.Л.Ребиндера (1966) на границе раздела ьо-да-газ. ПАВ вводили в водную фазу.

При изучении поверхностно-активных свойств исследовали образцы моноэфиров оксиэтилоктадецилмалеинатов в звде кислых форм и натриевых солей. Солевые формы эфиров получали нейтра-. лизацией расчетным количеством гидроксида натрия при введении в воду.

В проводимых нами исследованиях использовали ферментные . препараты отечественного производства, обладающие целлюлолити-ческой, пектолитической, гемицеллюлазной и протеолитической активностями. Активности определялись по общепринятым методикам.

В модельных опытах для влаго-тепловой' обработки мятки использовали специальную лабораторную «аровню (40 мин., 100-105°С), полученную мезгу отжимали, на прессе ПГПр (давление до 14,7 МПа; методика ВНШ).

Промышленные испытания проводили, используя семена подсолнечника урожая 1992 года, на действующем технологическом оборудовании Краснодарского экспериментального маслозавода.

Ферментативную обработку субстрата в модельных опытах осуществляли при рН и температуре, оптимальных для каждого фер-

ментного препарата. Иипкую фазу по окончании процесса "водной экстракции" липидов отделяли центрифугированием.

Результаты лабораторных и производственных экспериментов обрабатывали общепринятыми методами математической статистики.

Исследование влияния соотношения фермент-субстрат, продолжительности, гидромодуля обработки на выход липидов проводили, используя метод двухуровневого план-факторного эксперимента с 2 или 3 переменными. Анализ результатов проводили по программе ВТАТСИАГ.

Общая схема исследований приведена на рис.1'.

и ырот Пс>о»«мЬ*<»» Ьоав

(2) Л31

Рис. 1 Обитает схема исслеЭоЬамии ^

Условные обозначения к рис. 1. , Ш' - Анализ ПАВ, изучение их поверхностно-активных свойств.

(2) - Содержание липидов, белков, углеводов.

(3) - Изучение группового, жирнокислотного и ацилглицери-нового состава липидов..

Технологические параметры:

температура (4); влажность (5); выход липидов (6).

(7) - Кислотное число масла, влага и летучие вещества.

(3) - Определение основных ферментативных активностей.

(9) - Фракционный состав белка.

2.2. Результаты исследования и их обсуждение

2.2.1. Синтез ПАВ и определение их физико-химических характеристик

В лабораторных условиях по методике, разработанной на кафедре органической химии МГАПП (А.П.Нечаев и др., 1988), были синтезированы анионоактивные ПАВ на основе янтарной и малеино-вой кислот и октадецилоиого спирта с различной степенью окси-этилирования. Синтез оксиэтилированных сктадецю.овых спиртов проводили на опытной установке.Долгопрудненского завода тонкого органического синтеза. Характеристика синтезированных ПАВ приведена а табл. 1. .

Таблица 1.

Характеристики оксиэтилоктадецилсукцинатов и оксиэтилоктадецилмалеинатов.

Структурная формула ¡{ислотное число, мг КОН Эфирное число, мг КОН

теор. зксп. теор. эксп.

1 \ . . 2 3 .4 5

С18Н37ЧОС2Н4) 10-О-С-СН2-СК2-СООН 1 • 0 ' С18Н37-<ОС2Н4)20-О-С-СН2-СН2-СООН II 0 69,3 71,0 69,3 72,4

44,9 45,3 44,9 46,1

---- 1 -- 2 - 3 4 5

С1еНз?-(0С2Н4)30-О-С-СН2-СН2-СООН 0 С! 5Н37- (ОС2Н4) 40-О-С-СН2-СН2-СОО:! I 0 С181|37-(ОС2Н4)б0-О-С-СН2-СН2-СООН • Я 0 С; 3Н37-(ОС2Н4)80-О-С-СН2-СН2-СООН 0 С18Н37-(ОС2Н4)23"0-С-СН=СН-С00Н 9 0 Сг8Н37-(0С2Н4)40-о-с-сн-сн-соон 1- 33,2 29,3 33,2 30,7

26,3 25.С 26,3 • 26.0

18,6 17,9 13,6 1 £. 1

14,4 13.7 14,4 14.0

44,9 42,7 44,9 40,5

26,4 26,0 '26,4 26,0

С18Н37-(ОС2Н4)б0-О-С-СН=СН-СООН . 1 ■ .. 18,7 17,5 ' 18,7 18,0

С18Н37-10С?Й4)80-О-С-СН=СН-СООН 1 14.4 13,8 14,4 13,9

, Изучение физико-химических свойств синтезированных ПАВ показало, что все исследуемые образцы являются истинными коллоидными ПАВ; лучшими поверхностно-активными свойствами обладают натриезые соли указанных ПАВ по сравнению с их кислыми формами. __

2,2.2. Исследование влияния натриевых совей оксизгил-октадецилсукцинатов и; оксиэтилоктадецилмалеинатов на процесс извлечения липидов

Для изучения влияния особенностей строения - ПАВ на процесс извлечения липидов проЕелп серию модельных опытов по схеме форпрессование-экстракция. Анализ литературы, предварительно прозеденные испытания показали целесообразность использования

синтезировешых ПАВ на стадии ВТО мятки при ее увлажнении в количестве 0,02-0,20% к массе мятки. Оптимальная дозировка -0,1% к массе мятки.

ПАВ использовали в виде натриевых солен, их получали нейтрализацией расчетным количеством гидроксида натрия при введении в Еоду, предназначенную для увлажнения мятки. Начальная влажность мятки - 11-12%, влажность после ВТО - 5^6%. Далее осуществляли отжим липидов из полученной мезги. Результаты (табл. 2) позволяют сделать вывод о том, что все исследуемые образцы ПАВ повышают выход липидов по сравнению с контролем от 1.7 до 10,6%.

Таблица 2.

блияние строения ПАВ на выход липидов и их показатели

К Зад вводимого ПАВ Выход липидоз, % к контролю Кислотное число, мг КОН Влага и летучие вещества, X

1 2 3 4 5

1 Контрольный Ма-саю оксиэтил-октадецилсукцина-тов со степенью оксиэтпирования: 100,0 3,37 0,28

о п=10 103,7 4.11 0,26

п=20 110,6 3,64 0,28

4 ц=30 103,1 4,11 0,28

5 П=40 108,1 3,74 0,27

б" Г.=60 108,0 3,88 0,27

7 п=80 107,9 3,65 0,26

1 2 э 4 5

Na-соли оксиэтил-октадецилмалеина-тов со степенью оксиэтилирования:

ь п=22 101,7 3,83 0,28

9 п-=4Р 104,9 3,74 £3,26

10 п-60 103,7 2,74 0,27

11 г.=80 102,7 3,88 0.26

Строение кислотного остатка оказывает существенное влияние на выход липидоз: ПАВ на основе предельной кислоты лучше интенсифицируют процесс извлечения по сравнению с ПАВ на основе непредельной кислоты. Определенное влияние на екгод липидов оказывает величина i идрофильной части; в ряду натриевых солей онсиэтилоктадецилсукцкнатов с увеличением степени оксизтилиро-вания до 20 выход липидов увеличивается, затем снедается. Среди натриевых солей оксиэтилоктадецклмалекнатов наблюдается аналогичная зависимость, но «зксимальный выход лгнидов достигается при степени оксизтилирования 40. Незначительное увеличение кислотных чисел при использовании ЧАВ, сзязано, вероятно, с изменением группового состава, липидов вследствие увеличения глубины их извлечения.

Для выяснения влияния используемых ПАВ на лишдный комплекс изучили его групповой, жиркокислотный и ацклглицернновый состав. В липидах, полученных с добавлением ПАВ, отмечены некоторые изменения в групповом составе: увеличивается доля полярных липидов, моно- и диглицеридов, несколько снижается содержание триглицеридов. Жирнокислотный и ацилглицэриновый состав.не претерпевают существенных изменений.

Проведение исследования позволили выбрать оптимальный об- ' разец ПАВ - натриевую соль оксиэтплс.чтадецклсуюаата .со степенью оксиэтилирования 20.

Близки* по строения и физико-химическим свойствам к выбранному образцу являются натриевые соли оксиэтилалкилсукци-натов со средней степенью оксиэтилирования 21 на основе окси-этилированшх высших «ирных спиртов С16"С18 (натриевая соль "Оксиянта") (табл. 3), выпускаемые промьшленостыо.

Таблица 3.

Характеристики оксиэтилалкилсукцинатов

Структурная формула основной массы продукта Числа, мг КОН Температура плавления ,

кислотное эфирное

1 2 3 4

С18Н37-(ОС2В4)20-0-С-(СНг)2-С00Н 0 С16Н33-:-С1еНз7-(ОС2Н4)21-0-С-(СН2)2-СООН 1 50,46 42,47 38-40

49,15 37,54 36-39

Для изучения влияния длины углеродного скелета и изменения степени оксиэтилирования в молекуле ПАВ на выход липидов при форпрессовании мезги провели сравнительный анализ использования двух образцов ПАВ - натриевой соли оксиэтилоктадецилсукци-ната со степенью оксиэтилирования 20 и натриевой соли "Оксиянта" в количестве 0,1% к массе мятки при ее влаго-тепловой обработке. Исследовали влияние натриевой соли оксиэтилокта-децилсукцината со степенью оксиэтилирования 20 и натриевой соля 'Оксиянта" на глубину извлечения, состав липидов и характеристики белкового компонента. Результаты экспериментов показали, что выход липидов, полученных с использованием ПАВ, на 10,6% (в случае применения №-соли оксиэтилоктадецилсукцината со степень» оксиэтилирования 20) и.9,8% (в случае применения Иа-соли "Оксиянта") выше выхода липидов в контрольном опыте. Происходят количественные изменения в составе отдельных групп липидов, полученных с использованием ПАВ: увеличивается содержание полярных липидов, диглицеридов по сравнению -с контроль-

ним образцом. Добавление ПАЗ указанных видов практически не влияет на жирнокислотный состав липидов.

Масличность форпрессовых жмыхов, полученных с использованием ПАВ, на 2,9% (в случае применения Na-соли оксиэтилокта-децилсукцината со степенью оксиэтилирозания 20) и 2,7% (в случае применения Na-соли "Оксиянта") меньше масличности жмыха контрольного образца..

Для оценки влияния ПАВ, используемых в ходе ВТО мятки, на состав липидов, извлекаемых при дальнейшем обезжиривании фор-прессового жмыха, проанализировали состав липидов, экстрагированных из исследуемых образцов жмыхов. Результаты позволяют сделать вывод о том, что в липидах из жмыхов,' полученных с применением ПАЗ, увеличивается доля полярных липидов, моно- и диглицеридов. Жирнокислотный состаз"экстрагированных липидов, полученных с использованием ПАВ на стадии ВТО мятки, и контрольного образца практически не изменился.

Учитывая, что современная технология основывается на комплексном использовании масличного сырья, провели исследование влияния ПАВ на количество и качество протеинового компонента. Изучение фракционного состава белковых веществ, содержащихся в обезжиренных образцах шротов, показало, что применение выбранных ПАВ не влияет на содержание и фракционный состав белка.

Таким образом, использование натриевых солей оксиэтилокта-децилсукцината со степенью оксиэтилирования 20 и "Оксиянта" в количестве 0,1% к массе мятки на стадии ее влаго-тепловой обработки повышает выход липидов, не вызывая качественных и значительных количественных изменений в .их групповом, жирно-кислотном и ацилглицериновом составе, а также фракционном составе белковых веществ шротов.

Результаты исследований позволили рекомендовать оптимальный образец ПАВ - натриевую соль "Оксиянта" и разработать "Дополнение к типовой технологической инструкции по жарению мятки подсолнечника". На проведение опытно-промышленных испытаний получены экспертное заключение Института питания РАМН от 27.07.92 № 72-570/2 и разрешение органов Роскомсанэпиднадзора от 09.09.92 № 01-13/560-11. -

Выбранный образец ПАВ - натриевая соль "Сксияита" - апробирован на действующем технологическом оборудовании прессового участка Краснодарского экспериментального маслозавода. Анализ полученных данных показывает, что при обработке мятки 0,1% ПАВ увеличиваете^ выход масла на 1,04% и снивается масличнссть форпрессового жмыха на 2,5%. Предлагаемый способ не ухудшает качества масла, чте подтвервдают данные ¡ю изучению кислотного числа, группового и кирнокислотного состава получаемых л:;ш:-дов.

2.2.3. Выбор ферментных препаратов, обеспечивающих эффективное выделение липидов из продуктов переработки подсолнечника

В соответствии с планом работы были проведены исследования по выбору ферментных препаратов, способствующих эффективному выделению липидов из подсолнечного сырья (созместно с Jiyroxi.--ной Н.Л.). В годе экспериментов предстояло решить сл^дусщиг вопросы:

1. Оценить, как влияет исходная масличностг- на процесс извлечения липидов при использовании энзимов;

2. Как влияет степень очистки ферментного препарата;

3. Подобрать условия проведения ферментатигной обработки (pH, t°, концентрация, гидромодуль, продолнительность).

Исследование влияния исходной масличности субстрата нл выход липидов при ферментативной обработке мятки подсолнечника и жмыха, полученного в "мягких" услозиях прессования, показали, что общий выход липидов в обоих случаях практически одинаковый. Однако с технологической точки зрения предварительный съем масла более выгоден, так как позволяет извлекать масло высокого качества, не требующее глубокой очистки. Частичное обезжиривание материала долено способствовать более полному протеканию процесса фгрментатквной обработки за счет повышения относительного содерпания белкового и углеводного компонентов 'субстрата и их большей доступности для ферментов, снижения возможного ингибирующего эффекта липидов (в частности, -за счет экранизации, адсорбции) на фермент.

Объект, исследования - мятку подсолнечника, полученную в производственных условиях, - подвергали ВТО, проводили прессование мезги, отжимая 20-40% содержащихся в ней липидов. Фор-прессовый жмых измельчали, а затем осуществляли ферментативную обработку.

Анализ литературы позволил выбрать следующие условия для модельных опытов по' "водной экстракции" липидов из форпрессо-вого жмыха с применением энзимов: время - 12 часов, гидромодуль (соотношение твердой и жидкой фаз) - 1:4. Расчет количества фермента осуществляли так, чтобы независимо от степени очистки препарата на 1 г субстрата приходилось одинаковое количество единиц основной ферментативной активности. Наилучшие результаты (табл. 4) получены при использовании целлюлолити-ческих ферментных препаратов целловиридин Г20х и целлолиг-норин, протеолитического ферментного препарата протосубтилин Г20х, содержащего щелочную протеазу, а также препаратов амилосубтилин Г10х и глюкоаваморин ГХ-466.

Таблица 4.

Влияние условий ферментативной обработки на выход липидов

Ип. Название препарата Условия обработки Выход липи- . дов, г

рН температура, °С концентрация ферментов, % масличность исходного жмыха, %

1 2 3 4 5 6 7

Деллюлол! 1тически! ферментные препараты

1. Целловисидин Г10ХШ' 6,5-7,0 40 —■ 0,028 45,1 39,4

2. Целловиридин Г10Х(Ш — 11 — — 1 1 — 0,065 43,В 40,3

3. Целловиридин Г10ХШ1) .п. — 1 1 — 0,024 45,3 12,0

4. Целловиридин Г10Х(Ш .1 1. .11. 0,017 45,3 43,6

5. Целлобранин ГЗХ 5,0-5,5 У 50 0,300 43,8 14,4

1 2 3 4 5 6 7

5. Целлобранин ГЗХ 5,0-5,5 50 0,300 43,8 14,4

1ектолит] 1ческие )ермрнтные 1репараты ■

6. Пектофоетидин ГЗХ 5,5-6,0 30 0,270 36,6 31,7

7.. Пектофоетидин П10Х 4,6-4,8 0, 0Е5" .п. 33,1

8. Пектиназа П10Х 4»0 ч _ Г 1 _ 0,100 32,1

9. Эндополига-лактуроназа 6,0-7,7 42' '"• 0,200 41,8 1>5,8

Геыицеллюлазные. ферментные препараты

10. Ксилоглюкано-фоетидин I 5,0-5,5 42 0,200 41,8 26,5

11. Ксилоглхжано-фоетидин II — < > * _ 11 _ 0,130 41,8 26,5

12. Целлолигнорин 6,0-7,0 40 0,250 43,8 45,9

Препараты мацерируодего действия

13. Мацерин Г10Х 5,0-5,5 50 0,100 43,8 11,8

Протеолитические ферментные,прел; латы

14. Протосубтилин Г20Х (щелочная протеаза) 7,0-7,5 .к. 0,200 43,8 32,3

15. Протосубтилин Г20Х (нейтральная протеаза) 7,5-8,0 50 0,120 39,2 55,6

•

1 2 3 4 5 6 7

16. 17. 18. Амилосубтилин Г10Х Глюкоаваморин ГХ-466* (ультраконцентрат) Глюкоаваморин Г20Х ^МИЛОЛИТ! 6,3-7,0 6,5-7,0 4,0-4,5 <ческие 58-60 .п. 58-60 ферментные 0,300 0,300 0,300 препараты 36,2 36,2 41,8 55.2 45.3 30,8

Примечание:

" препарат жидкий, активность в ед./мл.

Римскими цифрами обозначена препараты, полученные от

разных продуцентов.

Оценивая параметры процесса "водной экстракции" с применением энзимов, можно отметить, что препараты амилолитического действия использовали в максимальной концентрации (0,300%), | температурный оптимум их действия находится в пределах 58- ' I 60°С, что способствует углублению гидролитических, окисли- | тельных, денатурационных процессов; при использовании протосубтилина Г20х (щелочная протеаза) в концентрации 0,120% и температуре 50°С выход липидов'достигает 55,6%, целловиридин Г10х(Ш и целлолигнорин имеют более низкий температурный оптимум (40°С), близки по значению рН (6,5-7,0),' выход Липидов составляет 43,6% и 45,9% соответственно, но концентрация цел-ловиридина в 14,7 раза меньше и составляет 0,017%.

Для изучения влияния ферментативной обработки липидосодер-жащего сырья используемыми ферментными препаратами на липидные комплексы, содержащиеся в эмульсионном слое и шроте, исследовали их групповой, жирнокислотный и ацилглииериновый состав. При использовании целлюлолитических, пектолитических и гемицеллюлазных ферментных препаратов в липидах шрота увеличивается содержание диглицеридов, свободных вирных кислот и несколько снижается содержание триглицеридов; в случае приме- ! нения, протеолигических и. амилолитических ферментов сущест-

• венных изменений в групповом составе липидов шрота не наблюдается .

При сравнении количества отдельных групп липидов жмыха и эмульсионного слоя отмечены незначительные различия.

Добавление ферментных препаратов практически не влияет на жирнокислотный и ацилглицериновый состав липидов в исследуемых образцах.

На основании модельных экспериментов для дальнейших исследований выбран ферментный препарат целловнридин Г10х (продуцент - Тг. \пг1с!е, Приволжский биохимический завод). Для его очистки от солей и других низкоколекуляркых продуктов в лабораторных условиях осуществили диализ, а затем провели сублимационную сушку. Полученный препарат целловиридин Г20х имеет общую целлюлолитическую активность (АФБ) 1530ед./г.

2.2,4. Оптимизация процесса "водной экстракции" липидов из субстрата с использованием целловиридина Г20х

С учетом литературных данных исследования по установлению оптимумов действия рЙ и температуры проведены при рН=4,5-8,0 и 35...50°С. Максимальный выход масла (41-46%) наблюдается при - - рН=7,0-7,5 и температуре 40-45°С.

Изучение влияния соотношения фермент-субстрат, продолжительности к гидромодуля обработки на выход липидов показало, что при концентрации целловиридина Г20х 0,01-0,02% от массы жмыха, времени обработки не более 2 часов и гидромодуле 1:31:9 извлекается 60-70% липидов.

На модельных системах была изучена возможность дальнейшего снижения продолжительности процесса водной экстракции. В качестве контрольного опыта выбрана обработка форпрессового жмыха фосфатно-цитратным буфером (рН=7,5) в течение 1 часа. В этих условиях выход липидов составил 41,6%, касличность шрота 11,2%.

При обработке целловиридином Г20х за первые 10-15 мин выход липидов достигает своего максимального значения (70,271,4%) и, как следствие, шрот имеет низкую масличность (5,24,9%). Дальнейшее увеличение продолжительности ферментативной обработки приводит к уменьшению выхода липидов и увеличению

мас.-пчности шрота. Вероятно, это связано, с частичным ингиби- ! розанием фермента и его десорбцией с субстрата. Поэтому целе- | сообразно проводить обработку форпрессового жмыха .«еллови-ридином Г20х в течение 10-15 мин, что значительно повышает технологичность разрабатываемой схемы излечения липидов из подсолнечника.

Таким образом, для ферментативной обработки форпрессового жмыха с целью маслоизвлечения рекомендуем целловиридин Г20х (АФБ > 1500ед./г), обладающий целлюлолитической, ксиланазной и галактуроназной активностями в соотношении 1:(0,35-0,45):(20-30), или мультэнзимную композицию со сходным соотношением перечисленных активностей. При использовании этого препарата в количестве 0,01-0,02% к массе жмыха, температуре 45°С, рН=7,3-7,6, гидромодуле 1:3-1:5 в течение 10-15 минут выход липидов превышает 70%, остаточная масличность шрота - 5%. . :

2.2.5. Исследования по совместному использованию ПАВ и I ферментных препаратов при получении липидов |

Проведенные эксперименты позволили предложить следующее: на стадии влаго-тепловой обработки использовать натриевую соль "Оксиянта" в количестве 0,1% к массе мятки, а затем при извлечении липидов из форпрессового жмыха применять целловиридин Г20х.

Предлагаемые технологические решения представлены на рис. 2.

2.2.6. Изучение влияния ферментативной обработки целло-виридином Г20х на химический состав шрота

Как правило, жмыхи и шроты, получаемые в. промышленности, I используются в комбикормовом производстве. Однако подсолнечные | жмыхи и шроты из-за высокого содержания клетчатки нельзя " использовать для кормления птиц и нежвачных животных.

С целью изучения влияния целловиридина Г20х на содержание белка, углеводов, липидов осуществили срвнительный анализ 3 образцов: форпрессового жмыха, жмыха после двукратного прессо-зания, полученных в производственных условиях, и шрота после

I я^ео^'»—»« --!_!_

п

Н«»«о

а

«••есеЬат»«

V _ ] V

Ьо»П»»СССЬои ■"*!« ПОС/Ю (но очнС1км)

! ' 4

(

и

О*10ни«*Смипи РОС Тбо»ит* л«ИИ

Носло с ■аетЬе»ит<

Шро'

ту

Моолс '»-О

»ИТ«?*" I

1 !Г

мстЬемт»ля

-о&ео£о*«о

4 *

«00 ЛЭ |аа ОЧ'СТм^)

«».гаЬоЗоЬ

06о*оы«мм*

/мпибвпи

| (но иорпоЬм!

Пост . обоИЧ"«

~гт

Прои»Ь»'м Водмам

боЗ» »сстЬо*

|

_!

бамвб«* продукт (мо КОРчвЬ— и П»у«Ь»« «м^и)

I Длв гвяютоЬл**««

_ _ _

1

Нмм. (мо РО-

Рис. 2 Принаипиальимв технологически© схема Эеистбуюших и преолаг.ае»-»ах способов переработка поЗсолночникаГ

Примвноиив: Пр«длоео«не*е споро5ь» перег>о8оти

тчу-гктио'бч •

ферментативной обработки указанного форпрессового жмыха в течение .15 мин (другие параметры обработки указаны выше) при . проведении модельных опытов

Установлено, что содержание липидов и клетчатки в шроте в 1,5 раза меньше по сравнению со жмыхом после двукратного, прессования при относительном увеличении содержания белка, что позволит повысить долю подсолнечных шротов в рецептуре кормов для с/х животных, сократив количество дорогостоящих компонентов (кукурузы, овса, ячменя).

При ферментативной обработке жмыха после двукратного прессования возможно уменьшить содержание клетчатки при сохранении целостности белкового компонента (повышении его относительного содержания). Выбор условий водной экстракции жмыха после двукратного прессования основывается на следующих положениях:' оптимальные для целлозиридина Г20х значения температуры, 45°С и рН=7,5; гидромодуль не ниже 1:3, так как. в исследованиях с форпрессовым жмыхом показано, что очень низкий гидромодуль приводит к ингибированию фермента в процессе водной экстракции.

Учитывая, что в промышленности приготовление буферных растворов потребует расхода дополнительных реагентов, резервуаров и производственных .площадей, для промышленной технологии считаем возможным заменить буферный раствор (рН=7т-5) водопроводной водой, рН которой находится в нейтральной зоне (7,0-7,5).

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны методы извлечения липидов из липидосодер-жащего природного органического сырья, предусматривающие использование ПАВ и ферментных препаратов и изучено их влияние на состав и структуру зыделенных компонентов.

2. Изучено влияние особенностей строения ПАВ - натриевых солей оксиэтилоктадецилсукцинатов и оксиэтилоктадецилмалеина-тов (степень оксиэтилирования, длина углеродной цепи, строение ацилов) на процесс извлечения липидов из липидосодержащего растительного сырья, состав и строение липидов.

3. Установлено, что применение ПАВ - натриевой соли "Окси-янта" - в количестве 0,1% к массе мятки на стадии ее ВТО интенсифицирует процесс • извлечения липидов, не вызывая качественных и значительных количественных изменений в групповом, жирнокислотном и ацилглкцерйнозом составе получаемых липидов, а также фракционном составе белковых веществ шротов. 1

4. Разработана технология по использован;;» ПАВ - натри'езоч | соли "Оксиянта" - на стадии влаго-тепловой обработки мятки подсолнечника в количестве 0,1% к мгссг мятки. Ее внедрение позволит увеличить выход масла, снизить маеличность форпргс-сового жмыха на 2,5% и не треоует реконструкции действующего производства, обеспечивая получение продукции высокого качества.

5. Показана принципиальная возможность выделения липчдоа из природного органического сырья методом "водной экстракции" после обработки его ферментными , препаратами целлюлолитичес-кого, протеолитического, пектолитического, " амилолитического действия для вскрытия клеточных , структур и высвобождения ли-пидоз из внутриклеточных тканей. Изучены состав, и структура -выделяемого лигащного комплекса.

6. Рекомендовано подсолнечный,форпрессовый пмых для выделения из него липидов обрабатывать ферментным препаратом цел-ловиридин Г20Х (АФБ > 1503 ед./г), обладащик целлюлолитичес- ! кой, ксиланазной и галактуроназной активностями в соотношении 1:(0,35-:-0,45):(20-:-30). .Подобраны условия проведения ферментативной обработки выбранного липидосодержащего сйр>я цел-ловиридином , Г20х (температура - 45±1°С;.гвдромодуЯъ 1--.-3 -

1—:—5; концентрация - 0,01%; вреда - 15 микч рН=7,3-:-7,б), при которых возможно извлекать свыше 70% липидов, не требующих • рафинации по полной схеме. , '

Изменения в химическом г составе шрбтг,^-.получаемого после ферментативной обработки субстрата, <жагст»рийтнь1' для. его утилизации в качестве кормовой дсбавки. <

-7. Разработана принципиальнаятехиса.о'глческая схема выделения липидов из липидосодержащего природного „органического сырья; предусматривающая совузстное испац>?§вание ПАВ к фер- ! ментных препаратов, позволяющая обеспечить -экологическую 'чис- | тоту производства, исключить использование органического раст-

ворителя для экстракции липидов и значительно снизить энергетические затраты.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Т.Л.Наумова, А.П.Нечаев, Е.С.Баринова, Н.Г.Новикова, Н.М.Минасян "Использование поверхностно-активных веществ при извлечении растительных масел" //Сборник тезисов докладов научной конференции, посвященной 60-летию МТИПП..., 29-31 окт. 1991Г., Ч1-М.. МТИПП, 1991. -с.155-156

2. Т.Л.Наумова, А.П.Нечаев. Е.С.Барикоза, Н.Г.Новикова. Н.М.Минасян." В.Д.Надыкта "Изучение состава прессовых растительных масел, полученных с использованием ПАВ" //Сборник тезисов докладов научной конференции, посвященной 60-летию МТИПП..., 29-31 окт. 1991г., Ч1-М., МТИПП, 1991.;- с.156-157

3. Наумова Т.Л., Лугохина Н.Л., Нечаев А.П., Новикова Н.Г. "Применение ферментных препаратов в процессе маслоизвлечения" //Сборник тезисов докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Совершенствование технологических процессов производства новых видов пищевых продуктов и добавок. Использование вторичного сырья пищевых ресурсов", Киев, 1991. - с.181.

4. Нечаев А.П., Зайцева Л.В., Наумова Т.Л., Лутохина Н.Л., Новикова Н.Г. "Использование ферментов при переработке масличных семян" //Сборник тезисов докладов международной конференции "Экоресурсосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья", Астрахань, 6-8 июля 1993г., с.129.

5. Наумова Т.Л., Нечаев А.П., Минасян НМ., Надыкта В.Д. "Применение ПАВ в масло-жировой промышленности" //Сборник тезисов докладов научно-технической конференции'"Масличные семена, масла, жиры: перспективы совершенствования техники и технологии производства и переработки", С.-Пб.:ВНИЮН, 23-24 ноября 1993г. - с.23-24.

6. Зайцева Л.В., Наумова Т.Л., Нечаев А.П., ."Использование биотехнологических методов при получении и очистке пищеЕ«х компонентов липидной природы из липидосодержащего сырья" //Сборник тезисов докладов научно-технической конференции "Масличные семена, масла, жиры: перспективы совершенствования техники и технологии производства и переработки", С.-Пб. :ВНИИЖ, 23-24 ноября 1993г. - с.24-26.

7. Зайцева Л.В., Наумова Т.Л., Нечаев А.П. "Водная экстракция масла из подсолнечного жмыха с использованием цел-люлаз". Иурн. "Пищевая промышленность", М., 1994г.,№2.

Соискатель ЯШаш' Наумова Т.Л.

ABSTRACT

of the thesis "The elaboration of the methods of lipid's extraction from sunflower by using surface-active substanses and enzyme preparations"

The influence of surface-active substances (SAS), added at the beginning of the treatment of. peeled and cruch sunflower seeds by moistening and heating, has been- investigated. The SAS on the basis of oxiethylated high-molecular fatty alcohols and dicarboxylic acids ethers were employed to increase the yield of the sunflower oil and reduce the oil content in the cake after forepressing.

It has been found that by earring out a water extraction of sunflower seeds, usually at elevated temperature, in the presence of- at least one of a variety of enzymes, it is possible to obtain good yields of the desired vegetable oil, and in addition to obtain a protein fraction wich has undergone less denaturing that occurs in the processes conventionally used in industry. Moreover, the oil obtained is of high quality, and does not generally require the elaborate purification commonly necessary to remove the degradation products obtain in conventional extraction processes.

Among the types of the employed enzyme were amylolytic, cellulolytic, pectolytic,, proteolytic enzymes and hemicellu-lases.