CC BY
38
УДК 664.38:541.13
С. С. Попова, И. Л. Казанцева, И. В. Тимофеев
КИНЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОФЛОТОКОАГУЛЯЦИИ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ПИЩЕВОГО БЕЛКА ИЗ НУТА В ЦИКЛИЧЕСКОМ ПОТЕНЦИОДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
Ключевые слова: нут, белковый изолят, электрофлотокоагуляция.
Рассмотрена возможность совмещения методов электрофлотации и электрокоагуляции для разработки эффективной ресурсосберегающей технологии выделения пищевого белка из нута. Применение электрофлотокоагуляционного метода позволяет осуществлять безреагентную корректировку рН среды для достижения изоэлектрического состояния белка. С помощью метода снятия циклических потенциодинамических кривых определены области потенциалов выделения белковых веществ на рабочем электроде. Установлено, что процесс взаимодействия молекул белка с электродом протекает по адсорбционному механизму и лимитируется диффузией водорода в твердой фазе.
Key words: chickpeas, protein isolate, flotation-and-electric coagulation process.
The possibility of combining of flotation and-electric coagulation methods for extraction of protein isolates from chickpea for the development of effective resource allocation technology has been considered. This method allows to realize of pH correction without reagents for isoelectric state of the protein. The potential ranges for obtaining of protein substances at the working electrode with the cyclic potentiodynamic curves method have been defined. It was founded that the interaction of the protein molecules to the electrode occurs by the adsorption mechanism, and is limited by diffusion of hydrogen in the solid phase.
В настоящее время растительный пищевой белок в промышленных масштабах получают, в основном, из бобов сои. При этом на российском рынке соевых белковых препаратов преобладают изоляты и концентраты, импортируемые из Китая. В целях импортозамещения в качестве нетрадиционного растительного сырья, пригодного для получения концентратов и изолятов пищевых белков и выращиваемого в Саратовской области, представляет интерес зернобобовая культура нут. В семенах этой культуры содержится до 32% белка, приближающегося по аминокислотному составу и уровню их содержания к белку мяса говядины и обладающего высокими функциональными свойствами [1].
Реализованные в настоящее время в лабораторных условиях технологии глубокой переработки нута [2, 3] характеризуются достаточно низким выходом белка, являются многостадийными, связаны с многократностью стадии нейтрализации после обработки кислотой, обладают высокой аппаратоемкостью. В связи с этим актуальным является поиск более экономичных, экологически чистых и эффективных нетрадиционных методов обработки сырья, позволяющих внедрять ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии нового поколения. Это, прежде всего, электрофизические и электрохимические методы обработки жидких сред [4-6], среди которых можно выделить методы электрофлотации и электрокоагуляции. Неоспоримым преимуществом этих методов является возможность, благодаря полиэлектролитным свойствам белков, на стадии их выделения из раствора осуществлять безреагентную корректировку рН среды путем регулирования плотности тока. Большим преимуществом методов электрофлото- и электрокоагуляции является низкая концентрация электролита фона, вводимого в
раствор для обеспечения необходимой электропроводности, а подбор определенной конструкции ячейки (электролизера) и определенного расположения электродов позволяет обеспечить совместное протекание процессов электрофлотации и электрокоагуляции и обеспечить более высокий процент извлечения белка.
Сущность электрофлотационного процесса заключается в переносе частиц белка из объема раствора на его поверхность газовыми пузырьками, образующимися в результате электролитического разложения воды: водорода (на катоде) и кислорода (на аноде). Изоэлектрическое состояние белка (рН 4,1-4,4) достигается без использования дополнительных химических реагентов [7].
В основе процесса электрокоагуляции лежит образование белковых коллоидных систем вследствие адсорбции на частицах белка ионов, присутствующих в растворе (следствие электролитической диссоциации), которые придают частицам белка заряд и обеспечивают их перемещение в электрическом поле, выпадение белковых агрегатов и их коагуляцию [8].
Физико-химические процессы, имеющие место в электрофлотокоагуляционной камере, включают, таким образом, электролитическую генерацию газовых пузырьков, адгезию газовых пузырьков на частицах белка с адсорбированным слоем ионов, транспортирование образовавшихся агрегатов «пузырек газа - ионизированная белковая частица» на поверхность раствора, коагуляцию таких белковых агрегатов и выпадение их в осадок.
Ранее нами был получен белковый изолят из нута по технологии, основанной на использовании классического химического метода осаждения в изоэлектрической точке [9], целью данной научной работы является исследование возможности совмещения методов электрофлотации
и электрокоагуляции, изучение закономерностей процессов для разработки эффективной ресурсосберегающей технологии выделения пищевого белка из нута.
Экспериментальная часть
На этапе выбора конструкции электрофлотокоагулятора нами была опробована электрофлотокоагуляционная установка,
включающая камеру с вертикальными электродами, выполненными в форме пластин, и блоком питания, в состав которого входили трансформатор, диодный мост и конденсатор. Для контроля процесса электрофлотокоагуляции в цепь включены вольтметр и амперметр.
Для выполнения эксперимента была разработана ячейка (электролизер) специальной трехэлектродной конструкции со строго заданным вертикальным расположением трех электродов: двух катодов и одного анода, строго по центру между катодами, высотой 60 мм с площадью рабочей поверхности 2400 мм и межэлектродными зазорами шириной 5 мм, что позволило обеспечить диффузионный режим электролиза в условиях совместного протекания процессов
электрофлотации и электрокоагуляции и, как следствие, более высокий процент извлечения белка. Схема расположения электродов в электрофлотокоагуляторе представлена на рис. 1.
Рис. 1 - Схема расположения электродов в электрофлотокоагуляторе: 1 - анод, 2 - катоды, 3 - защитное покрытие, 4 - диск (диэлектрик) для подключения к электроду, 5 - контакты для подключения к цепи
Для определения области потенциалов выделения белковых веществ на рабочем электроде использовали метод снятия циклических потенциодинамических кривых (ЦПДК). Измерения проводили с помощью универсального потенциостата IPSPRO. Рабочим электродом служила платина. Циклические
потенциодинамические кривые снимали в диапазоне от бестокового потенциала Еб/т до -2В, затем делали
реверс потенциала в анодную сторону до +2В и возвращались к исходному Еб/т. Исследования проведены при развертках потенциала: 100, 40, 20, 10 и 1 мВ/с. Электродом сравнения служил хлорсеребряный электрод (ХСЭ).
Предварительно подготовленные бобы нута измельчали в крупку, обезжиривали диэтиловым эфиром или гексаном в две стадии (8 - 10 часов и 2 часа). Электрофлотокоагуляции подвергали белковые экстракты из обезжиренной нутовой муки. Концентрацию экстрагента варьировали в пределах (0,01 - 0,1)%. Область концентраций белковых экстрактов, в которой интенсивно и стабильно протекал процесс электрофлотокоагуляции, составила 6-16 мг/мл. Для контроля содержания белка в рабочем растворе (до и после электрофлотокоагуляции) использовали биуретовый метод [10], основанный на образовании в щелочной среде окрашенных в фиолетовый цвет комплексов белковых молекул по месту пептидных связей с ионами меди (II). Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре СФ-46 по стандартной методике. Выход белка, %, рассчитывали по формуле:
С1.С2
Б=-^-х100, С1
(1)
где С1 - концентрация белка в растворе до электрофлотокоагуляции, мг/мл; С2 - концентрация белка в растворе после электрофлотокоагуляции, мг/мл.
Учитывая, что для выделения пищевого белка недопустимо применение растворимых электродов (железных или алюминиевых), так как наряду с электролитическим разложением воды на аноде происходит растворение металла и образование у поверхности хлопьевидного осадка его гидроксосоединений, были проведены предварительные опыты по подбору материала электродов. Первоначально в качестве электродов использовали титановую (анод) и стальную (катод) пластины размером 35x70 мм. Выбор этих материалов был сделан на основании анализа литературных данных [7]. Однако в ходе эксперимента было установлено, что происходит захватывание осадка гидроксосоединений металла электрода частицами белка - на это указывало окрашивание белка в серый цвет. Поэтому в следующей серии экспериментов металлические электроды были заменены на электроды из графитовой фольги ГФ-100 в виде пластин толщиной 0,8 мм. Положительным моментом применения этого материала является его экологичность и низкая стоимость. Однако при электрофлотокоагуляции с электродами из графитовой фольги раствор со временем проникает в поверхностный слой графита и разрушает его. Для предотвращения этого явления в дальнейшем электроды помещали в сепаратор из полипропиленовой ткани, который позволил предотвратить переход продуктов разрушения в раствор и, соответственно, их влияние на качество выделяемого белка.
На следующем этапе было проведено исследование по подбору состава и концентрации электролита и режима электрофлотокоагуляции: плотности тока, продолжительности процесса. Для обеспечения хорошей электропроводности раствора были исследованы сульфит натрия Ма2ЭО3 и гидроксид натрия КОН в интервале концентраций от 0,1 до 1,0 масс %. Удельную электрическую проводимость растворов измеряли кондуктометром «Эксперт 002». Согласно данным табл. 1, растворы КОН характеризуются более высокой удельной электропроводностью, по сравнению с растворами Ыа23О3, поэтому в дальнейших экспериментах были использованы растворы КОН.
Таблица 1 - Удельная электропроводность водных растворов электролитов, выбранных для исследования, мСм/см
Концентрация, масс. % Тип электролита
Na2SO3 КОН
0,1 1,50+0,05 3,40+0,05
0,5 5,70+0,05 14,50+0,05
1,0 9,60+0,05 32,05+0,05
Учитывая, что в сильнощелочных средах возможно протекание различных нежелательных процессов химической модификации белка, приводящих к снижению его биологической ценности [11], в качестве экстрагента использовали гидроокись натрия с концентрацией 0,1 %.
Было установлено, что наиболее существенное влияние на эффективность извлечения дисперсной фазы оказывает токовая нагрузка. В связи с этим для увеличения силы тока, создаваемого в растворе, рабочая площадь пластин была увеличена с 19 см до 38 см . Дополнительно установлен еще один катод таким образом, что между ними располагался анод. Ширина межэлектродного зазора составляла 5 мм. Использование трехэлектродной камеры позволило существенно повысить плотность тока и увеличить эффективность электрофлотокоагуляции (табл. 2).
Таблица 2- Зависимость выхода белка от количества электродов в ячейке (метод электрофлотокоагуляции с силой тока 250 мА при концентрации белка в растворе 15 мг/мл на фоне КОН 0,1 масс.% и времени электролиза 30 мин)
Количество Выход белка, %
электродов
2 35 + 5
3 80 + 3
частицам белка заряд и обеспечивают их перемещение в электрическом поле и их коагуляцию [4]. При электрофлотации изоэлектрическое состояние белка (рН 4,1-4,4) достигается без использования дополнительных химических реагентов. Перенос частиц белка из объема раствора на его поверхность осуществляется газовыми пузырьками водорода (у катода) или кислорода (у анода), образующимися в результате электролитического разложения воды. Таким образом, создавая условия, обеспечивающие одновременное протекание электрокоагуляции и электрофлотации можно значительно повысить выход продукта.
Анализ хода ЦПДК (рис. 2) показывает, что при катодном направлении тока (от Еб/т=0,06 В до -2 В) в области потенциалов от «-0,4 В до «-0,8 В устанавливается предельный ток 0,94; 0,45; 0,28; 0,25 мА/см2 соответственно снижающейся скорости развертки потенциала: 100, 40, 20, 10 и 1 мВ/с. При изменении направления тока (после достижения потенциала -2 В) наблюдается практически линейное снижение плотности катодного тока, например, при ур=100 мВ/с от «14 мА/см2 (Е= -2 В) до нуля (Е= -0,94 В) и переход процесса в анодную область, где предельному катодному току отвечает максимум на ЦПДК анодного хода ¡макс « 5,5 мА/см2 при Е«-0,4 В и задержка тока: в области Е« -0,1 В плотность тока достигает 1«2 мА/см2 и снижается до «0,9+0,1 мА/см2 в области потенциалов от +0,35 В до 1 В, где начинается новое практически линейное возрастание плотности анодного тока с коэффициентом (Д1 / ДБ) = 2,5 мА/(В-см2) (при ур=100 мВ/с). С реверсом потенциала при достижении Е=+2 В на электроде, начиная с Е=«+1,4 В, устанавливается пассивное состояние: плотность тока остается близкой к нулю вплоть до исходного Еб/т=0,06 В. Аналогичный характер ЦПДК сохраняется на рабочем электроде при всех скоростях развертки потенциала (рис. 2).
EmV
Обсуждение результатов эксперимента
Как отмечалось выше, при электрокоагуляции образование белковых коллоидных систем происходит в результате адсорбции на частицах белка ионов, присутствующих в растворе (следствие электролитической диссоциации), которые придают
Рис. 2 - Влияние скорости развертки потенциала на ход ЦПДК на Р1 электроде: 1 - 1 мВ/с, 2 - 10 мВ/с, 3 - 20 мВ/с, 4 - 40 мВ/с, 5 - 100 мВ/с
Величина 1макс в анодной области уменьшается по мере снижения скорости развертки потенциала vр, а потенциал в точке максимума смещается в область более отрицательных значений. Зависимость 1макс и Емакс от величины ур
представлена на рис. 3 и рис. 4. В координатах, соответственно 1макс - и Емакс- 1д vр, она имеет вид прямых.
Рис. 3 - Зависимость плотности тока пика (¡макс) от величины корня квадратного из скорости развертки потенциала (^Ур)
Рис. 4 — Зависимость максимального потенциала (Емакс) от логарифма скорости развертки (1д ур)
В растворе с концентрацией белка (15±1) мг/мл угловые коэффициенты наклона соответственно равны:
1 /
Ai / A(^vp)=0.02 A B х2- см-2,
АБ / А!дур =0,37 В.
Согласно теории метода
хронопотенциометрии [12-15], в диффузионной области в тонком слое (!) электролита, параллельном поверхности электрода, должно выполняться соотношение:
■макс
n2F2lVpCoK ' 4RT
(2)
где Б - число Фарадея (96500 Кл/моль); п - число валентных электронов; сок - концентрация реагента,
моль/см ; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура, К (T=273+t°C).
Высокое значение коэффициента AE / Alg Vp указывает, что процесс взаимодействия молекул белка с электродом протекает по адсорбционному механизму и лимитируется диффузией водорода в твердой фазе.
Полученные данные хорошо согласуются с тем фактом, что в процессе электролиза происходит протонирование (депротонирование при изменении направления тока) аминокислотных фрагментов молекул белка, сопровождающееся изменениями в структуре молекул белка, их агломерацией. В результате открывается свободная поверхность электрода, возрастает скорость выделения водорода и соответственно растет флотационная активность газовых пузырьков и ослабевает адгезия агломератов белковых молекул к поверхности.
Исследование зависимости выхода белка из растворов разной концентрации от плотности тока при равном времени электролиза (30 мин) показало, что с увеличением содержания белка в растворе от 7±1 мг/мл до 15±1 мг/мл максимальный выход его по току снижается с -90 до -80% и достигается при почти в два раза большей плотности тока: при 100 -105 А/м - для концентрации 15±1 мг/мл; при 60 - 65 А/м - для концентрации 7±1 мг/мл. При этом в обоих случаях при более низких плотностях тока можно наблюдать индукционный период, когда выход белка не зависит от плотности тока. Это можно объяснить замедленностью процесса адсорбции молекул белка на электроде вследствие изменения их конформации, вызванной их протонированием. При высоких плотностях тока процесс разряда молекул воды и накопление адсорбированного водорода на поверхности ускоряются. В результате конформационные изменения замедляются, скорость флотации и выход белка снижаются. При плотности тока выше оптимального значения происходит уплотнение флотоагрегатов, налипание их на электродах и возникновение омической поляризации. Таким образом, для достижения максимального выхода белка, необходимо учитывать содержание его в растворе.
Исследование влияния продолжительности электрофлотокоагуляции на выход белка показало, что время максимального выхода белка составляет 30 минут. При большей длительности процесса выход белка уменьшается, вследствие возрастания, как отмечалось выше, омической поляризации процесса.
Изменение температуры электролита в диапазоне от 20 до 50 °С не оказывает значительного влияния на выход белка. Это можно объяснить незначительным изменением
электропроводности среды в исследованном интервале температур [16].
Сравнение эффективности совмещенного электрофлотокоагуляционного метода извлечения нутового белка с традиционным (химическим) свидетельствует, что по выходу белка метод электрофлотокоагуляции не уступает классическому
методу и выгодно отличается тем, что позволяет исключить из технологического цикла ряд стадий и использование химического реагента для достижения изоэлектрического состояния белка.
Литература
1. Н.В. Аникеева, Кондитерское производство, 1, 35-36 (2006).
2. Пат. РФ 2346456 (2009).
3. Пат. РФ 2246226 (2005).
4. V. Janson Henno, J. Lewis Mike, J. Soc. Dairy Technol., 47, 3, 87-90 (1994).
5. Д.Д. Темершин, С.В. Гаврилов, Вестник Казанского технологического университета, 17,23, 280-283 (2014).
6. Д.Д. Темершин, С.В. Гаврилов, Ю.Д. Сидоров, Канарский А.В., Вестник Казанского технологического университета, 18, 3, 110-115 (2015).
7. П.Н. Кисиленко, В.А. Колесников, Ю.И. Капустин, Химическая промышленность, 10, 19-22 (2002).
8. Д.А. Фридрихсберг. Курс коллоидной химии. Химия, Ленинград, 1984. 368 с.
9. И.Л. Казанцева, Ю.А. Тырсин. Нут. Перспективы использования в производстве функциональных продуктов. Сарат. гос. техн. ун- т, Саратов, 2013. 164 с.
10. А.И. Ермаков, В.И. Араимович, М.И. Смирнова-Иконников. Методы биохимического исследования растений. Колос, Ленинград ,1972. 456 с.
11. В.Б. Толстогузов. Новые формы белковой пищи. Агропромиздат, Москва, 1987. 303 с.
12. З. Галюс. Теоретические основы электрохимического анализа. Мир, Москва, 1974. 273 с.
13. D. Oglesby, S. Omang, C. Reilley, Anal. Chem, 37, 11, 1237 (1965).
14. C. Christensen, F. Anson, Anal. Chem, 35, 2, 205 (1963).
15. J. Bockris, B. Cahan, G. Stoner, Chem. Instrumentation, 1, 3, 341 (1969).
16. И.Л. Казанцева, Ю.А. Тырсин, С.С. Попова, И.В. Тимофеев, Хранение и переработка сельхозсырья, 6, 1013 (2014).
© С. С. Попова - д-р хим. наук, проф. каф. химической технологии, Энгельсский технологический институт (филиал), Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.; И. Л. Казанцева - канд. техн. наук, доц. каф. машин и аппаратов нефтегазовых, химических и пищевых производств того же вуза, [email protected]; И. В. Тимофеев - асп. той же кафедры, [email protected].
© S. S. Popova - Doctor of Chemical Sciences, professor, Department of Chemical Engineering, Engels Technological Institute (branch), Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin; I. L. Kazantseva - Candidate of Technical Sciences, docent, Machinery and equipment of oil and gas, chemical and food industries Department, Engels Technological Institute (branch), Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin, [email protected]; I. V. Timofeev - graduate Machinery and equipment of oil and gas, chemical and food industries Department, Engels Technological Institute (branch), Saratov State Technical University named after Yuri Gagarin, [email protected].
