CC BY
62
Эй!: 10.24411/0235-2451-2018-10520
УДК 664.22
ИЗУЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КОАГУЛЯЦИЮ БЕЛКА КАРТОФЕЛЬНОГО СОКА
В. Г. ГОЛЬДШТЕЙН, кандидат технических наук, зав. отделом
В. А. КОВАЛЁНОК, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник
Л. В. КРИВЦУН, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
А. А. ПЛОТНИКОВ, зав. сектором Б. В. ХОЛКИН, научный сотрудник Э. И. ТКАЧЕНКО, научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова,11, пос. Красково, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Клеточный сок, получаемый на картофелекрахмальных заводах, - неиспользуемый побочный продукт, так как в связи с отсутствием утилизационных цехов для переработки отходов, рационально используют только небольшую его часть для кормовых целей. При переработке 1 т картофеля, в зависимости от применяемой технологии, получают от 0,7 до 3,2 м3 картофельного сока с массовой долей сухого вещества 4...6 %. Основным промышленным методом для извлечения белка из картофельного сока остается термокоагуляция. Он позволяет выделять протеин и в смеси с прессованной мезгой получать ингредиент для комбикормов в сыром и сухом виде. Цель исследований - определение оптимальных технологических параметров процесса коагуляции картофельного сока. Наиболее важная задача при моделировании сложного многофакторного процесса коагуляции картофельного белка - правильная постановка цели и выбор основных параметров модели. В качестве технологических параметров мы выбрали температуру в диапазоне 80...100 °С, водородный показатель картофельного сока (рН) в интервале 3...7 ед., продолжительность процесса от 10 с до 10 мин. Получена математическая зависимость извлечения белка картофельного сока (%) и массовой доли белка (% СВ) в полученном осадке от исследуемых параметров технологического процесса: С = 162 - 6,97■ рН2 + 0,1233 ■ рН2 ■ t - 0,0056 ■ рН ■
■ Р - 8,94 ■ рН ■ т - 1,16 ■ рН2-т + 0,2104 ■ рН ■ t ■ т - 0,00219 ■ Р■
■ т, где Ь^ - массоваядоля коагулированного белка в осадке, рН -водородный показатель, t - температура, °С, т - продолжительность процесса, мин. Изучение графических зависимостей, построенных по уравнению регрессии, показало, что максимальное извлечение белка из картофельного сока происходит при следующих параметрах процесса: водородный показатель (рН) - 4,5...5,8, температура - более 96 °С, продолжительность - 10 мин. Ключевые слова: картофельный сок, белок, коагуляция.
Для цитирования: Изучение параметров, влияющих на коагуляцию белка картофельного сока/В. Г. Гольдштейн, В. А. Коваленок, Л. В. Кривцун и др.//Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 5. С. 78-80. Эй!: 10.24411/0235-2451-2018-10520.
Проблема дефицита кормового и пищевого белка стимулирует разработку новых технологических процессов, обеспечивающих комплексное использование растительного сырья для производства кормовых и пищевых препаратов с высокой потребительской и биологической ценностью.
При переработке 1 т картофеля на крахмал, в зависимости от применяемой технологии, получают от 0,7 до 3,2 м3 картофельного сока с массовой долей сухих веществ (СВ) 4...6 %. При этом из-за отсутствия на заводах утилизационных цехов для переработки отходов для кормовых целей используют только небольшую его часть.
Средняя массовая доля протеина ^ х 6,25) в составе клеточного сока картофеля составляет 26,8 % СВ; пептидов
(N х 6,25) - 4,4 %; аминокислот и амидов (N х 5,13) - 9,6 %; других азотистых веществ - 1,8 %; Сахаров - 15,8 %; ли-пидов - 2,2 %; органических кислот -13,2 %, в том числе, хлорогеновой - 0,4 %; кофеиновая - 0,1 % СВ [1].
Интерес к производству картофельного белка вызван, в частности, прекращением с 2012 г. дотаций ЕС для производства картофельного крахмала и ужесточением требований законодательства ЕС по охране окружающей среды. Поэтому то, что раньше воспринимали как отходы, теперь рассматривают в качестве источника дохода. Одним из таких направлений стало производство кормового и пищевого картофельного белка, выделенного из картофельного сока [2, 3]. Его стоимость во многом зависит от качества продукта и степени очистки. Цена кормового картофельного протеина составляет 0,5...1,0 долл. США за 1 кг, аналогичного продукта, соответствующего пищевым стандартам, - 8...10 долл. США/кг. Стоимость картофельных протеинов для биофармацевтического рынка с чистотой 99,9 % - не менее 50 долл. США/кг [4].
Композиционный состав белков картофельного сока включает пататин - 35...40 % от общего количествуа; ингибиторы протеаз - 25...50 %, в том числе картофельный ингибитор протеиназ I (PI-I) - 4,5 %; картофельный ингибитор сериновых протеаз (PSPI/PI-2) - 22,3 %; картофельный ингибитор цистеиновых протеаз (PCPI) - 11,5 %; картофельный ингибитор аспартат протеаз (Papi) - 6,1 %; картофельные ингибиторы протеиназ типа Кунитца (PKPI) -3,6 %; картофельный ингибитор карбоксипептидазы (PCI) -0,9 %; другие ингибиторы картофельных сериновых протеаз (OSPI) - 1,5 %; остальное: полифенолоксидазы, ферменты, синтезирующие крахмал и др. - 12 % [4].
По результатам многочисленных исследований по извлечению белков из картофельного сока промышленное применение нашел способ тепловой коагуляции в кислой среде. Несмотря на то, что этот метод позволяет получать протеин низкого качества, с небольшой степенью растворимости, требующий обесцвечивания и удаления неприятного привкуса, связанного с фенольными соединениями и окислением липопротеинов, конечный продукт используют как ингредиент для продуктов питания.
Извлечение белков картофельного сока методом электрокоагуляции [5] не нашло широкого распространения.
Установлено, что при использовании сильных и слабых кислот для химической коагуляции масса коагулированного белкового осадка не меняется, однако в случае применения слабых кислот он обладает лучшей растворимостью при рН 7 [1, 6]. Наиболее чистый препарат картофельного белка был получен при использовании в качестве коагулянта хлорного железа, а максимального его извлечения достигали применением сернистой кислоты [7].
Для выделения активных ингибиторов протеазы для медицинской промышленности предлагают сгущать картофельный сок выпариванием с последующим осаждением этанолом. Исследованиями установлено, что при концентрировании картофельного сока выпариванием под вакуумом ингибиторы протеазы не теряют начальной трипсин-ингибирующей активности, а осадки белков при использовании этанола концентрацией 6,5 М при низкой температуре (0 ± 4 °С) пригодны для восстановления активных ингибиторов протеазы [8].
ПЕРЕРАБОТКА
Таблица 1. Состав картофельного сока
Показатель Хоботов-ское предприятие «Крахмало-продукт» Из свежего картофеля
Концентрация,% СВ 4,6 6,55
Восстанавливаемые реду-
цирующие сахара, г/100 мл 0,45 1,7
Общий азот, г/100 мл 1,87 2,02
Аминный азот, г/100 мл 1,05 1,09
Зола, г/100 мл 0,8 0,9
Применение ультрафильтрации (УФ) для извлечения белков картофельного сока не нашло широкого промышленного применения, хотя исследования проводили с 1976 г. на различных мембранах - из ацетата целлюлозы, полиэ-фирсульфона и полиакрилнитрила. Из-за забивания пор мембран УФ признана неэкономичной при долгосрочной промышленной эксплуатации [4, 9]. Однако установлена целесообразность разделения продуктов клеточного сока в диапазоне 3-150 кДа, что уменьшает засорение пор мембран и устраняет присутствие в продукте гликоалка-лоидов и фенольных соединений. Практически доказана целесообразность УФ перед термокоагуляцией белка с целью снижения объема нагреваемого картофельного сока и повышения чистоты конечного продукта [9].
Хорошие результаты по извлечению пищевого картофельного белка получены при сочетании процесса ультрафильтрации с адсорбционной хроматографией [4,10] и с дополнительной диафильтрацией, что позволяет производить белок высокого качества [11].
Цель исследования - определение оптимальных параметров процесса коагуляции белка картофельного сока.
Условия, материалы и методы. Материалом для исследований послужил картофельный сок, полученный с Мглинского картофельного завода или в лабораторных условиях ВНИИ крахмалопродуктов.
Картофельный сок готовили из свежего картофеля. Картофель тщательно промывали от грязи, подсушивали на воздухе в проветриваемом помещении, взвешивали и измельчали на экспериментальной терочной машине. Образовавшуюся картофельную пульпу отжимали на соковыжималке СВР-01. Картофельный сок после отжима отстаивали и пропускали через капроновое сито №70 для отделения мелкой мезги.
Массовую долю влаги определяли по ГОСТ 13586, белка - на приборе К-424 (ГОСТ 10842). Изменение активной кислотности осуществляли путем подкисления картофельного сока серной кислотой.
Наиболее важная задача при моделировании сложного многофакторного процесса коагуляции картофельного белка - правильная постановка цели моделирования и выбор основных параметров модели. В качестве технологических параметров были взяты температура нагрева сока в глицериновой бане в диапазоне 80...100 °С, активная кислотность картофельного сока (рН) в диапазоне 3...7, продолжительность процесса от 10 с до 10 мин. От массы обрабатываемого картофельного сока с концентрацией сухого вещества (СВ) 4,7 % отбирали равные объемы сока и центрифугировали при 3450 об./мин на центрифуге ОЦ в течение 6 мин. Полученный осадок отделяли от фильтрата и определяли его массу и содержание влаги и белка.
Обработку экспериментальных данных для построения математической модели зависимости массовой доли коагулированного белка в осадке от влияющих факторов проводили с использованием программы МаШетайса 11.2. Это уравнение имеет следующий вид:
ЬСУ = 162-6,97• рН2 + 0,1233 рН2^-0,0056 рН?- (^ 8,94-рН т -1,16 рН2 т +0,2104 рН^ т -0,00219-^ т '
где Ь^ - массовая доля коагулированного белка в осадке, рН - водородный показатель, 1 - температура, °С, т - продолжительность процесса, мин.
Величина коэффициента корреляции, равная Я= 0,92, свидетельствует об адекватном описании уравнением экспериментальных данных. На его основании построены графики зависимости извлечения белка из картофельного сока от температуры (1, °С), рН и продолжительности процесса (т, мин.).
Рис. 1. Зависимость массовой доли белка (ЬСУ,%) в коагулированном осадке картофельного сока от величины водородного показателя (рН) и продолжительности процесса термокоагуляции (т, мин) при температуре 90 °С.
Результаты и обсуждение. При проведении процесса коагуляции белка картофельного сока при температуре 90 °С в исследуемом диапазоне активной кислотности и продолжительности процесса установлено, что максимальное извлечение белка (до 90 %) достигается при рН 4,5...5,8 и продолжительности процесса 10 мин (рис. 1).
При продолжительности процесса термохимической коагуляции картофельного белка 10 мин наилучшие результаты достигаются при температуре выше 96 °С и рН 4,5...5,8 (рис. 2).
Рис. 2. Массовая доля белка (ЬСУ, %) в коагулированном осадке картофельного сока от величины водородного показателя (рН) и температуры (1, °С) при продолжительности процесса 10 мин.
ПЕРЕРАБОТКА
Рис. 3. Массовая доля белка (Ь^, %) в коагулированном осадке в зависимости от продолжительности процесса (т, мин) и температуры (1:, °С) при водородном показателе (рН) 3.
В кислой среде (рН 3) процесс коагуляции не так чувствителен к температуре, как при более высоких
показателях рН. Максимальное извлечение белка возможно в диапазоне температур 90...95 °С при продолжительности процесса 9...10 мин. (рис. 3).
Следовательно, для совмещенной кислотной и термической коагуляции картофельного сока оптимальны следующие параметры: водородный показатель (рН) 4,5...5,8, температура - более 96 °С, продолжительность процесса - 10 мин.
Выводы. С использованием программы Ма1И-етаНеа 11.2. выведено уравнение регрессии зависимости массовой доли коагулированного белка в осадке:
ЬСУ = 162 - 6,97 • рН2 + 0,1233 • рН2 • ? — 0,0056 • рН • f2 -
8,94рНт-1,16рН2т+0,2104рН^т-0,00219^2т
где ЬСУ - массовая доля коагулированного белка в осадке, рН - водородный показатель, 1 - температура, °С, т - продолжительность процесса, мин.
В результате изучения графических зависимостей, построенных по уравнению регрессии, установлено, что максимальное извлечение белка из картофельного сока происходит при следующих параметрах процесса: водородный показатель (рН) - 4,5...5,8, температура -более 96 °С, продолжительность - 10 мин.
Литература.
1. The solubility of potato proteins from industrial potato fruit juice as influenced by pH and various additives / G. A. van Koningsveld, H. Gruppen, H. de Jongh, etc. // Journal of the Science of Food and Agriculture. 2002. Vol. 82. Pp. 134-142.
2. Изучение химического состава и показателей безопасности отходов картофельного производства / Л. С. Дышлюк, Л. К. Асякина, К. В. Карчин и др. // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 3. [Электронный ресурс]. URL: https://vivliophica.com/articles/food/46217. (дата обращения: 14.03.2018).
3. Власова Е. Ноу-хау в выделении картофельного белка от Larsson //Продукт BY. 2010. № 23 (58). C. 26-27.
4. Resource assessment forpotato biorefinery: Side stream potential in Northern Ostrobothnia/M. Ahokas, A.-L. Valimaa, T. Lotjonen, etc. //Agronomy Research Journal. 2014. Vol. 12 (3). Pp. 695-704.
5. S. Lokra, K. O. Str&tkvern. Industrial Proteins from Potato Juice. A Review// Food, Global Science Books. 2009. No. 1. Pp. 88-95.
6. Митрохин Г. В., Орешкина М. В. Перспективный способ коагуляции белка картофельного сока // Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и сотрудников Рязанской государственной сельскохозяйственной академии им. проф. П. А. Костычева. Рязань: Рязанская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. П. А. Костычева, 1997. C. 76-78.
7. Utilization of Potato Protein Recovered from Wastewater of Potato Starch factory as Cattle Feed / M. Takeguchi, F. Hasumi, M. Mayanagi, etc. // Journal of Engineering Science and Technology. 2015. Vol. 47. No. 2. Pp. 170-178.
8. WaglayA., Karboune S., Alli I. Potato protein isolates: recovery and characterization of their properties // Food Chemistry. 2014. Vol. 142. Pp. 373-382.
9. Bartova V., Barta J. Effect of heat treatment on re-solubility of potato proteins isolated from industrial potato fruit juice // Research in Agricultural Engineering. 2008. Vol. 54. Pp. 170-175.
10. Rausch K. D. Front End to Backpipe: Membrane Technology in the Starch Processing Industry // Starch/Starke. 2002. Vol. 54. Pp. 273-284.
11. Str&tkvern K. O., Schwarz J. G. Recovery of Native Potato Protein Comparing Expanded Bed Adsorption and Ultrafiltration // Food and Bioprocess Technol. 2012. Vol. 5. No. 5. Pp. 1939-1949.
STUDY OF PARAMETERS, INFLUENCING PROTEIN COAGULATION OF POTATO JUICE
V. G. Goldshtein, V. A. Kovalenok, L. V. Krivtsun, A. A. Plotnikov, B. V. Kholkin, E. I. Tkachenko
All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation
Abstract. Enchylema, obtained from potato starch plants, is an unused by-product because, due to the lack of utilization plants for waste processing, only a small part of them are rationally used for feed purposes. When processing 1 ton of potato, depending on the technology used, they receive from 0.7 to 3.2 m3 of potato juice with a mass fraction of absolutely dry substances of 4-6%. The main industrial method for extracting protein from potato juice is thermocoagulation. It makes it possible to separate the protein and, in a mixture with the pressed mash, to obtain the ingredient for mixed fodders in a raw and dry form. The aim of the study was to determine the optimal technological parameters of the process of coagulation of potato juice. The most important task in modeling a complex multifactor coagulation process of potato protein is the correct setting of the modeling goal and the choice of the basic parameters of the model. As technological parameters, we chose a temperature in the range of 80-100 C, the active acidity of potato juice (pH) in the range of 3-7, the process time from 10 seconds to 10 minutes. The mathematical dependencies of extraction of the protein from potato juice (%) and the mass fraction of protein (% DM) in the extracted sediment on the investigated parameters of the technological process are obtained: bCV = 162 - 6,97-pH2 + 0,1233 ■ pH2 ■ t - 0,0056 ■ pH■ t2 - 8,94 ■ pH■ т - 1,16 ■ pH2■ т + 0,2104 ■ pH ■ t ■ т - 0,00219 ■ t2■ т where bCV is the mass fraction of coagulated protein in the sediment; pH is the hydrogen index; t is the temperature, C; tau is the duration of the process, min. As a result of the study of graphical dependencies, built on the regression equation, found that the maximum extraction of protein from potato juice occurs with the following process parameters: hydrogen index (pH) is 4.5-5.8, the temperature is higher than 98 С, the process time is 10 min. Keywords: potato juice; protein; coagulation.
Author Details: V. G. Goldshtein, Cand. Sc. (Tech.), head of division (e-mail: [email protected]); V. A. Kovalenok, D. Sc. (Tech.), leading research fellow (e-mail: [email protected]); L. V. Krivtsun, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow (e-mail: [email protected]); A. A. Plotnikov, head of division (e-mail: [email protected]), B. V. Kholkin, research fellow (e-mail: [email protected]); E. I. Tkachenko, research fellow (e-mail: [email protected]). For citation: Goldshtein V. G., Kovalenok V. A., Krivtsun L. V., Plotnikov A. A., Kholkin B. V., Tkachenko E. I. Study of Parameters, Influencing Protein Coagulation of Potato Juice. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 5. Pp. 78-80 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10520.
