CC BY
54
ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «АРНОГО. СЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»
№ 1 2016
УДК 577.112.083; 66-963
ПОЛУЧЕНИЕ ОЧИЩЕННОЙ АЛЬБУМИНОВОЙ ФРАКЦИИ
ГОРОХОВОЙ МУКИ МЕТОДОМ УЛЬТРАКОНЦЕНТРИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛОСКИХ МЕМБРАН
Хабибулина Наталья Викторовна
кандидат технических наук
Красноштанова Алла Альбертовна
доктор химических наук
Адучиева Валерия Дорджиевна
студент
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
Москва
Аннотация. В статье рассмотрен способ получения, концентрирования и очистки альбуминовой фракции белка гороха методом ультрафильтрации с использованием плоских мембранных элементов. Подобрана мембрана с размером пор, обеспечивающим селективное удаление углеводов при минимальных потерях белковой составляющей. Показано, что проведение ультрафильтрации с последующей диафильтра-цией в оптимальных условиях с точки зрения размера пор мембраны и степени концентрирования позволяет получить альбуминовую фракцию с содержанием сырого протеина 75 %. Поученный результат подтверждает возможность использования ультрафильтрации для получения очищенной альбуминовой фракции горохового белка.
Ключевые слова: гороховая мука; альбумины; ультрафильтрация; мембраны; очистка.
OBTAINING OF PURIFIED ALBUMIN FRACTION FROM PEA FLOUR USING FLAT MEMBRANES ULTRAFILTRATION
Khabibulina Natalia Victorovna
candidate of engineering
Krasnostanova Alla Albertovna
doctor of chemistry
Aduchieva Valeriya Dordjievna
student
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow
Abstract. The article describes a method of obtaining, concentrating and purifying of pea protein albumin fraction by ultrafiltration using flat membrane elements. A membrane with appropriate pore size providing selective removal of carbohydrates with minimum losses of the protein component was selected. It was shown that carrying out ultrafiltration with the subsequent diafiltration under optimal conditions in terms of the membrane pore size and the degree of concentration allows to isolate albumin fraction having a crude protein content of 75 %. The result obtained confirms the possibility of using ultrafiltration to obtain a purified albumin fraction of pea protein.
Key words: pea flour; albumin; ultrafiltration; membranes; purifying.
На сегодняшний день актуальность использования растительного сырья возрастает. Исключительно высок интерес к поиску новых источников основного компонента питания - белка. Растительный белок по сравнению с животным имеет ряд преимуществ (большая продуктивность, меньшая аллергенность), таким образом, в условиях роста населения и повышения спроса на белковые продукты он может являться заменой традиционным продуктам животного происхождения. Среди ис-
точников растительного белка, актуальных для России, следует отметить горох.
Горох является важной сельскохозяйственной культурой, которая служит источником белка как для человека, так и для животных, в форме самих семян или в виде продуктов их переработки. По данным А.В. Богомолова и Ф.В. Перцевого, в зерне гороха содержится (в %): белка - 2431, крахмала - 50-60, жиров - 2-3, сахаров - 4-6, минеральных веществ - 3,5-3,6, пектиновых веществ - 1,5-2,8. Белки семян гороха представлены альбуминами, глобулинами (вицилинами и легуминами) и рядом второстепенных (количественно) компонентов [1].
Альбумины - простые, растворимые в воде и умеренно растворимые в солевых растворах белки, имеющие небольшую молекулярную массу. Глобулины - семейство глобулярных белков, имеющих большую молекулярную массу и растворимость в воде по сравнению с альбуминами [2]. По данным В.И. Володина и В.И. Масаловой [3], у различных сортов и мутантов гороха содержание альбуминов колеблется от 8 до 21,5 %, глобулина - от 58,6 до 76,6 %, глютенина - от 10,0 до 19,8 %. Основную часть белкового комплекса составляют запасные белки глобулины, подразделяющиеся на 7S, 11S и 15S фракции [4; 5].
Выделение альбуминовой и глобулиновой фракции гороховой муки основано на разнице в их растворимости при различной ионной силе раствора. Так, обработка гороховой муки при рН 4,5 (изоэлектрическая точка глобулиновых белков) приводит к выделению альбуминовой фракции, при рН 8-9 - к получению суммарной фракции белка.
В настоящее время наиболее широко используется экстракция гороховой муки в водной среде при температуре 30-50°С и рН 8-9 для выделения суммарной фракции белка. Последующее добавление кислоты до достижения рН 4,5 приводит к выпадению осадка, в котором содержится преимущественно глобулины, а осветленный экстракт содержит альбумины и растворенные сахара. При таком проведении процесса
белковые продукты имеют недостаточную чистоту, в связи с чем необходимо проведение дополнительной очистки, например, методом ультрафильтрации.
Ультрафильтрация - метод разделения частиц в зависимости от их молекулярной массы с помощью мембран с определенным размером пор при повышенном давлении. Размер пор ультрафильтрационных мембран варьируется от 0,05 мкм до 1 нм [6]. Мембраны для ультрафильтрации изготавливают преимущественно из полимерных материалов, таких как: полипропилен, фторопласт, полисульфон, полиамид, по-лиимид. Также широко используют керамические мембраны, имеющие большую механическую прочность, стойкость к щелочным растворам и не требующие предварительной обработки. При выборе мембран следует учитывать удельный поток фракции через мембрану, забивку частицами пор мембраны, необратимое изменение структуры мембраны и рабочее давление.
Основным преимуществом ультрафильтрации являются мягкие условия эксплуатации и высокая доходность, за счет удерживания в концентрате белков, которые не могут быть осаждены обычным изо-электрическим методом. При традиционном проведении процесса альбуминовая фракция теряется, не выпадая в осадок при рН 4,5. При определенных условиях ультрафильтрация также является эффективным способом избавления от некоторых нежелательных составляющих, таких как фитиновая кислота или олигосахариды [7].
Среди методов разделения гороховой муки на фракции следует отметить воздушную классификацию и водную экстракцию. Воздушная классификация используется для фракционирования легкой, или тонкой, фракции (концентрат белка) и тяжелой, или крупной, фракции (концентрат крахмала). Однако, чистота получаемой белковой фракции невысока (38-65 %) и требуется дальнейшая ее обработка. Например, щелочная экстракция с последующим изоэлектрическим осаждением исполь-
зуется для приготовления экстрактов с высокой концентрацией белка (>70 %). Исследования показали, что такие методы, как мембранное разделение, могут привести к получению высококонцентрированных белковых продуктов с повышенной функциональностью [8].
Целью данной работы явился выбор оптимальных условий ультрафильтрации (размера пор мембраны, степени концентрирования экстракта, кратности диафильтрации) для получения очищенной альбуминовой фракции горохового белка.
В качестве объекта исследования была выбрана белковая фракция гороховой муки после воздушной классификации (содержание сырого протеина 53 %).
Для экстракции альбуминовой фракции гороховой муки ее обрабатывали слабокислым раствором (рН 4,5) соляной кислоты в течение 30 минут при комнатной температуре. Отделение влажного осадка проводили центрифугированием при 6000 об/мин.
Ультрафильтрацию проводили с использованием плоских поли-сульфоновых мембран с отсекаемой молекулярной массой 10 и 20 кДа на лабораторной установке, состоящей из двух подложек, соединяющих между собой мерный цилиндр - емкость для исходного экстракта. На нижнюю подложку помещают мембрану, закрепленную прокладкой. В систему подводят избыточное давление 2 атм. Вытекающий пермеат собирают в емкость. В ходе ультрафильтрации оценивали такие параметры, как производительность установки и селективность по белковым веществам и углеводам.
Концентрацию белковых веществ определяли биуретовым методом, общих углеводов - фенол-серным методом.
На первом этапе эксперимента проводили выбор мембраны из двух вариантов - с отсекаемой молекулярной массой 10 и 20 кДа при степени концентрирования 2 раза (табл. 1). В промышленности выбор размера пор мембраны является критическим с точки зрения характеристик про-
дукта и экономики процесса. Выбор размера пор исследуемых мембран связан с невысокой молекулярной массой альбуминов гороха: при использовании мембран с отсекаемой молекулярной массой более 20 кДа возможны заметные потери белка с пермеатом. Мембраны с меньшим размером пор не были исследованы, так как более плотные мембраны, как правило, приводят к заметному снижению производительности, уменьшая, таким образом, экономическую выгоду процесса получения белка.
Таблица 1
Содержание белка и общих углеводов в исходном экстракте и полученных в результате ультрафильтрации фракциях
Полупродукт Белковые вещества, Общие сахара,
% от исходного % от исходного
Экстракт 100,0 100,0
УПМ 20
Концентрат 83,6 61,0
Пермеат 13,5 35,0
УПМ 10
Концентрат 86,8 77,3
Пермеат 10,2 24,5
Из данных таблицы 1 видно, что при использовании мембраны с отсекаемой молекулярной массой 10 кДа количество белковых веществ, оставшихся в концентрате, лишь незначительно превышает таковое для мембраны 20 кДа, в то время как использование мембраны с меньшим размером пор менее эффективно с точки зрения удаления углеводов из экстракта. Предварительный выбор мембраны с отсекаемой молекулярной массой 20 кДа подтверждается расчетом селективности по белкам и углеводам (табл. 2).
Обе мембраны удовлетворительно задерживают белковые вещества в концентрате. Однако, при использовании мембраны с отсекаемой молекулярной массой 10 кДа селективность по белковым веществам
выше лишь на 3,6 %, при этом данная мембрана задерживает на 10 % больше сахаров, что приведет к большему количеству циклов диафиль-трации для их отмывки и к увеличению продолжительности процесса. Таким образом, для дальнейших экспериментов была выбрана мембрана с отсекаемой молекулярной массой 20 кДа.
Таблица 2
Селективность мембран с отсекаемой молекулярной массой 10 и 20 кДа по белкам и общим углеводам
Тип мембраны Селективность по белкам Селективность по общим углеводам
УПМ 20 86,4 65,0
УПМ 10 89,8 71,8
С использованием выбранной мембраны была определена наилучшая степень концентрирования экстракта. Опытным путем были получены данные по производительности мембраны (рис. 1).
С увеличением степени концентрирования наблюдается уменьшение производительности с 3 до 2,4 л/м2*ч при степени концентрирования в 5 раз, то есть на 25 %. Однако такое падение не приводит к резкому увеличению продолжительности процесса, поэтому в качестве наилучшей степени концентрирования была выбрана 5.
Далее проводили очистку сконцентрированного в пять раз экстракта от углеводов методом диафильтрации. Диафильтрацию проводили четыре раза, оценивая потери белковых веществ и степень отмывки от сахаров на каждом этапе (табл. 3).
Из представленных данных видно, что в ходе диафильтрации происходит уменьшение количества общих углеводов в концентрате. При этом для удовлетворительной степени отмывки сахаров достаточно трех диафильтраций, т.к. при проведении четвертой стадии уменьшение содержания сахаров не превышает 4 %, а наличие дополнительной стадии приведет к экономическим затратам.
Рис. 1. Зависимость производительности мембраны от степени концентрирования экстракта
Таблица 3
Содержание белков и общих углеводов в полупродуктах, получаемых при очистке экстракта диафильтрацией
Полупродукт
Белковые вещества, % от исходного
Общие сахара, % от исходного
Экстракт
100
100
Пермеат
27,9
56,9
Неочищенный концентрат
71,3
43,1
Диафильтрат 1
6,5
13,7
Диафильтрат 2
3,5
7,7
Диафильтрат 3
2,7
3,9
Диафильтрат 4
2,0
3,9
Очищенный концентрат
56,4
13,9
После проведения трехкратной диафильтрации соотношение бе-лок:общие углеводы в очищенном концентрате повышается с 1,1 : 1 для исходного экстракта до 3,4 : 1. Оценка характеристик продукта показала, что на долю белковых веществ в его составе приходится 75,7 % (в расчете на сухой вес), на долю общих углеводов - 23,0 %. Таким образом, после сушки очищенного концентрата конечный продукт является концентратом альбуминовой фракции горохового белка.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Ультрафильтрация с применением плоских мембранных элементов может быть использована для получения очищенной альбуминовой фракции гороховой муки.
2. Наилучшими условиями концентрирования и очистки альбуминовой фракции гороховой муки являются: мембрана с отсекаемой молекулярной массой 20 кДа, степень концентрирования 5 раз, трехкратная диафильтрация, при этом соотношение белок:общие углеводы повышается с 1,1 : 1 для исходного экстракта до 3,4 : 1 в очищенном концентрате.
3. После сушки очищенной фракции конечный продукт содержит более 75 % сырого протеина в расчете на сухой вес, то есть может рассматриваться как концентрат альбуминовой фракции горохового белка.
Список использованных источников
1. Клименко В.Г. Белки семян бобовых растений // Растительные белки и их биосинтез. М.: Наука, 1975. С. 97-116.
2. Володин В.И., Масалов В.И. Фракционный и аминокислотный состав высоко- и низкобелковых линий гороха // Научные труды. Т. 3. Орел, 1971. С. 413-421.
3. Володин В.И., Черненькая Р.Ф., Зеленская Н.Н. Изменчивость и аминокислотный состав белковых фракций семян гороха // Научно-технический бюллетень № 30. ВНИИ зернобобовых и крупяных культур. Орел, 1983. С. 13-15.
4. Конарев В.Г. Проблема пищевой и кормовой ценности растительных белков // Растительные белки и их биосинтез. М.: Наука, 1975. С. 5-20.
5. Müntz K. Möglichkeiten zur Verbesserung der Proteinzusammenset-zungbei großkörnigen Leguminosen // Tagungsber. Akad. Land-wirtschaftswiss. DDR. 1984. № 225. P. 91-100.
6. Chakrabarty B., Ghosha A.K., Purkait M.K. Preparation, characterization and performance studies of polysulfone membranes using PVP as an additive // J. Membr. Sci. 2008. № 315. Р. 36-47.
7. Mondor M., Tuyishime O., Drolet H. Production of pea protein concentrates by ultrafiltration: Influence of hollow-fibre module // Innovation food science and emerging technologies. 2012. № 14. Р. 135-138.
8. Boye J.I., Aksay S., Roufik S., Ribereau S., Mondor M., Farnworth E., Rajamohamed S.H. Comparison of the functional properties of pea, chickpea and lentil protein concentrates processed using ultrafiltration and isoelectric precipitation techniques // Food Research International. 2010. № 43. Р. 537-546.
