CC BY
64
УДК: 637.147.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОТНОГО ГИДРОЛИЗАТА КАЗЕИНА
М.Г. КУРБАНОВА, кандидат технических наук, доцент
Кемеровский ГСХИ
E-mail: kurbanova-mg@mail.ru.
Резюме. В статье изложены результаты экспериментальных исследований по производству кислотного гидроизата казеина (использование соляной кислоты в качестве химического агента, температура 110±5 0С, соотношение субстрат-кислота 1:200, продолжительность гидролиза 24,00±0,05 ч) и его очистки от органических примесей. Экспериментально установлены оптимальные параметры очистки солянокислого гидролизата (температура 80±5 0С, продолжительность процесса 90 мин.) и его деминерализации (размеранионита - 0,8...0,1 мм, высота слоя 750...800 мм). Ключевые слова: кислотный гидролиз, казеин, очистка, аминокислоты, соляная кислота.
Разработка и производство продукции, которая может служить альтернативой жизненно необходимому белку, - перспективное направление изготовления кормовых добавок для массового применения в животноводстве и птицеводстве.
В связи с этим в мире активно разрабатывают технологии промышленного производства пищевого белка и аминокислотных препаратов на основе сырья растительного и животного происхождения.
Несомненный интерес представляют препараты, полученные путем гидролиза белкового сырья, в результате которого образуются продукты, необходимые для реализации пластических процессов в организме животных, - аминокислоты и пептиды.
Для гидролиза белковой молекулы применяют химический и протеолитический способы, которые отличаются по механизму своего действия и составу конечных продуктов. Химический гидролиз - более жесткий процесс, для выполнения которого, как правило, нужны высокие температуры и сравнительно непродолжительное время. Он осуществляется с помощью кислот. При этом имеет место частичное, но весьма незначительное, разрушение некоторых аминокислот. В первую очередь при кислотном гидролизе подвергается трансформации триптофан, причем интенсивность его разрушения связана с присутствием в белке углеводов и металлов. Также частично разрушаются серин, треонин, цистин, тирозин, фенилаланин [4].
В некоторых литературных источниках отмечают такие преимущества кислотного гидролиза, как достаточная глубина расщепления белка и исключение бактериального (в том числе продуктами метаболизма) загрязнения гидролизата [1, 2, 3].
На скорость гидролиза наибольшее влияние оказывают такие факторы, как природа аминокислотных остатков, образующих пептидную связь, и длина пептидной цепи (чем она длиннее, тем дольше процесс).
При этом в растворе гидролизата будут находиться не только
те пептиды, которые высвобождаются в процессе гидролиза и характерны для исходного белка, но и образующиеся в результате вторичного синтеза [1, 4, 5].
Цель наших исследований - оптимизация условий кислотного гидролиза казеина для обеспечения большего сохранения аминокислот, подвергающихся быстрому разрушению и достижения такой глубины гидролиза, которая дала бы максимальный выход азотистых веществ в раствор, а также изучение технологических параметров очистки кислотных гидролизатов казеина.
Условия, материалы и методы. В качестве исходного сырья использовали казеин, полученный из обезжиренного молока. Во избежание разложения лабильных аминокислот гидролиз проводили с использованием 6 н соляной кислоты в соотношение субстрат: кислота 1:150, 1:200, 1:250 в герметичных условиях под вакуумом (-0,8 МПа) при температуре 110±5 0С в течение 4.. .24 ч.
Определение массовой доли белка, общего, аммиачного и аминного азота проводили с помощью анализатора белка RAPID N ELEMENTAR в соответствии с европейскими стандартами. Метод основан на сжигании анализируемого вещества известной массы в условиях высокой температуры (около 900 0C) в присутствии кислорода, что приводит к высвобождению углекислого газа, воды и азота, массовую долю которого детектирует прибор.
Содержание общего белка рассчитывали умножением общего азота на пересчетный коэффициент, который для молока равен 6,38.
Молекулярно-массовое распределение белков и пептидов определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Разделение проводили при скорости потока в первой колонке 0,5 мл/мин, во второй - 1 мл/мин.
Очистку полученных гидролизатов, проводили в два этапа. Сначала удаляли кислоту с помощью ротационного испарителя при постоянном перемешивании и давлении - 0,80 МПа и температуре 60±5; 70±5 и 80±5 0С. На втором этапе проводили доочистку гидролизатов путем деминерализации на синтетических смолах.
Результаты экспериментов обрабатывали методами вариационной статистики, используя програмные продукты «МультиХром» (версия 1,5), «RapidN», «AminoPeak».
Результаты и обсуждение. При соотношении субстрат:кислота 1:250 и рекомендуемой в литературе тем-Таблица 1. Состав гидролизатов казеина, полученных в результате обработки 6 н соляной кислотой
Продолжительность, ч Содержание Степень гидролиза, %
общего азота, % аммиака, мг/100 г аминного азота, %
Исходный образец 13,32±0,93 0 0 0
соотношение субстрат: кислота - 1:150
4,00±0,05 0,015±0,001 0,076±0,005 19,4S±1,36
S,00±0,05 13,32±0,93 0,062±0,004 0,310±0,022 39,30±2,75
24,00±0,05 0,095±0,007 1,976±0,13S S2,69±5,79
соотношение субстрат: кислота - 1:200
4,00±0,05 0,034±0,002 0,136±0,010 26,15±1,S3
S,00±0,05 13,32±0,93 0,13S±0,010 0,550±0,039 52,3S±3,67
24,00±0,05 0,156±0,011 3,126±0,219 92,99±6,50
соотношение субстрат: кислота - 1:250
4,00±0,05 0,0S5±0,006 0,2S4±0,020 32,75±2,29
S,00±0,05 13,32±0,93 0,144±0,024 1,14S±0,00S0 65,50±4,59
24,00±0,05 0,200±0,070 3,SS0±0,272 96,20±6,73
Таблица 2. Молекулярно-массовое распределение белков и пептидов при проведении гидролиза 6 н. соляной кислотой, %
Продолжительность, ч
Относительное содержание при молекулярной массе, кДа
более 20
10...20
б...10
менее 5
соотношение субстрат: кислота - 1:150
4,00±0,05 14,02±0,9S 3S,50±2,69 26,00±1,S2 21,4S±1,50
S,00±0,05 6,02±0,42 14,12±0,9S 37,06±2,59 42,S0±2,99
24,00±0,05 0±0,07 7,02±0,49 S,42±0,59 S4,56±5,92
соотношение субстрат: кислота - 1:200
4,00±0,05 12,72±0,S9 26,25±1,S4 30,40±2,13 30,63±2,14
S,00±0,05 4,02±0,2S 10,12±0,71 33,06±2,31 52,S0±3,69
24,00±0,05 0±0,06 2,10±0,15 3,52±0,25 94,3S±6,61
соотношение субстрат: кислота - 1:250
4,00±0,05 10,27±0,72 20,42±1,43 40,S0±1,94 2S,51±1,36
S,00±0,05 3,73±0,26 7,53±0,53 21,62±1,51 67,12±4,69
24,00±0,05 0±0,06 0,52±0,03 1,S7±0,13 97,61±6,S3
пературе 110±5 0С процесс гидролиза имеет необходимую направленность, в результате его степень через 4,00±0,05 ч составила 32,75 %, через 8,00±0,05 ч - 65,50 %, а через 24,00±0,05 ч - 96,20 % (табл. 1).
При уменьшении концентрации кислоты до 1:150 и 1:200 степень гидролиза через 24,00±0,05 ч составила 82,69 и 92,99 % соответственно. Возможно, это связано с недостаточной атакуемостью полипептидной цепи раствором соляной кислоты.
Кроме того, с увеличением продолжительности процесса происходило накопление аммиака и аминного азота. Так, при увеличении длительности гидролиза с 4,00 до 24,00 ч в варианте с соотношением субстрат-кислота 1:150 массовая доля аммиака повысилась на 0,08 мг/100 г 1:200 - на
0,122, 1:250 - на 0,115 мг/100 г.
Аналогично изменялась массовой доля аминного азота. Это, очевидно, обусловлено увеличением числа расщепленных амидных связей отдельных аминокислот
Распределение белков и пептидов происходило пропорционально продолжительности гидролиза. Так, при длительности процесса 4,00±0,05 ч состав реакционной смеси характеризовался преимущественно пептидами с молекулярной массой более 20 кДа, при 8,00±0,05 ч - 5.. .20 кДа. при 24,00±0,05 ч - менее 5 кДа независимо от соотношения субстрат:кислота.
При температуре в рационном испарителе 60±5 0С массовая доля соляной кислоты в гидролизате за 90 мин. уменьшилась на 80 %, при 70±5 0С - на 85 %. Это не позволяет использовать полученные продукты при производстве комбикормов, соответствующих требованиям действующих стандартов.
При температуре 80±5 0С и продолжительности процесса 90 мин соляная кислота удалялась из реакционной смеси практически полностью.
Специальное изучение биологических свойств продуктов очищенных на смоле показало, что лучшая марка сильноосновного анионита - И^БЮЫ А-23 иРБ [2]. Он обладает наиболее высокими кинетическими показателями уменьшения кислотности и удаления органических соединений, хорошими регенерационными свойствами, высокой стойкостью к физическим, температурным и осмотическим нагрузкам. Состав анионитов полностью отвечает существующим нормам и правилам пищевых и кормовых производств.
В ходе исследований мы экспериментально определили, что оптимальные параметры деминерализации солянокислого гидролизата: размер анионита - 0,8...0,1 мм, высота слоя - 750.800 мм. При его использовании концентрация соляной кислоты уменьшается в 600 раз (с 6,0 до 0,01 н), а аминного азота - на 7 % (с 3,1±0,2 до 2,9±0,2 мг/100 г).
Продолжительность, мин
Рисунок. Динамика удаления соляной кислоты в процессе ротационного испарения: 1 - 60±5 0С; 2 - 70±5 0С; 3 - 80±5 0С.
Выводы. Таким образом, рациональные параметры кислотного гидролиза - использование соляной кислоты при температуре 110±5 0С и соотношении субстрат:кислота 1:200 в течение 24,00±0,05 ч.
Эффективная очистка полученного гидролизата возможна на рационном испарителе при температуре 80±5 0С и давлении 0,8 Мпа в течении 90 минут с последующей фильтрацией на сильноосновном анионите Т^БЮЫ А23 иРБ с размерами анионита 0,8...0,1 мм и высотой слоя 750.800 мм.
Выработанный продукт можно включать в состав комбикормов для сельскохозяйственных животных и птицы.
Литература.
1. Витолло А.С., Сафронова А.М., КругликВ.И. Изучение биологической ценности и усвояемости молочного белка и его гидролизатов // Пути развития науки и техники в мясной и молочной промышленности: тезисы докладов Всесоюзной конференции. - Углич, 1988. - С. 136.
2. Круглик В.И. Физико-химический состав гидролизатов молочных белков при дополнительной мембранной обработке // Молочная промышленность. - 2007. - № 11. - С. 51-52.
3. Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н., Бердутина А.В. Свойства и применение белковых гидролизатов: обзор//Прикладная биохимия и микробиология. - 2000. - Т. 36. - № 5. - С. 525-534.
4. ТелишевскаяЛ.Я. Белковые гидролизаты. Получение, состав, применение/под ред. А.Н. Панина. - М.: Аграрная наука, 2000. - 295 с.
5. Тепел А. Химия и физика молока. - М.: Пищевая промышленность, 1979. - 323 с.
EXPERIMENTAL SUPPORT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR CASEIN ACID HYDROLYZATE M.G. Kurbanova
Summary. In article results of experimental researches on reception acid hydrolysate casein (use of hydrochloric acid as the chemical agent, temperature 110±50С, a parity a substratum-acid 1:200, duration of hydrolysis 24,00±0,05) and its clearings of organic impurity are stated. During researches optimum parameters of clearing of a muriatic hydrolysate (temperature 80±5 0С, duration of process of 90 minutes) and it деминерализации (the size anion exchanger - 0,8-0,1 mm and height of a layer of 750-800 mm have been experimentally defined.).
Key words: acid hydrolysis, casein, clearing, amino acids, hydrochloric acid.
