Научная статья на тему 'Использование мембранных процессов при переработке растительного сырья'

Использование мембранных процессов при переработке растительного сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
226
59
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАСТИТЕЛЬНЫЙ БЕЛОК / ФЛАВОНОИДЫ / МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ / ЛИСТОСТЕБЕЛЬНАЯ БИОМАССА / КУКУРУЗНЫЙ ЭКСТРАКТ

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Кудряшов В. Л.

В статье описаны высокотехнологичные линии переработки растительного и зернового сырья в пищевые белковые добавки на основе мембранных процессов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The Use of Membrane Processes in the Processing of Vegetable Raw Materials

The article describes the high-line processing of vegetable and grain raw materials into food protein supplements on the basis of membrane processes.

Текст научной работы на тему «Использование мембранных процессов при переработке растительного сырья»

НОВЫЕ ИДЕИ - НОВЫЕ ПРОДУКТЫ

\ТЕМА НОМЕРА]

УДК 541.1; 663.1; 664.2

Использование мембранных процессов

при переработке растительного сырья

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

зультате замены последней на МП технология была существенно улучшена.

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

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

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

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

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

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

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

Энергозатраты в типовых процессах разделения и концентрирования

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

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

Выпарка под вакуумом в четырехкорпусной установке 566

Сушка 2270

Вымораживание 336

Центрифугирование 13

Фильтрование на вакуумных фильтрах 35-45

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

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

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

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

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

Так, при переработке послеспир-товой барды на основе применения

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

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

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

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

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

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

бавок и препаратов пищевого и медицинского назначения.

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

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

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

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

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

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

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

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

НОВЫЕ ИДЕИ - НОВЫЕ ПРОДУКТЫ

\ТЕМА НОМЕРА]

Воздух

ЕК| стадию 1амач11 ва н н н

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

1С ар I офе. I мп>| и 1ч> к мезга

Конденсат (рецикл » исх крахмал я1

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В связи с сезонностью ККП возни-

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

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

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

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

0

1 2 *

<Х1 1»

£ N

Ч

и о

12-я МЕЖДУНАРОДНАЯ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

Москва, ME 29 - 31 октября

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

> Стеклоблоки.

> Светотехническое стекло, о Оптическое стекло.

> Электротехническое стекло => Архитектурное стекло. Витражи.

> Стекло для всех видов транспорта.

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

> Сырьевые материалы.

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

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

►V у

Экс ГКО

1При|подцержке:|

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

ищДмЩЭВ1

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.