CC BY
22
2. Круг К.А. Основы электротехники. Том 1, 1946 г.
3. Круг К.А. Основы электротехники. Том 2, 1946 г.
© Каратеев А.Ф., 2022
УДК 664.38; 66-963
Кравцова А.Г.,
магистрант 2 курса РХТУ им. Д.И. Менделеева,
г. Москва, РФ Хабибулина Н.В.,
К.т.н., ведущий инженер РХТУ им. Д.И. Менделеева,
г. Москва, РФ
Научный руководитель: Красноштанова А.А.,
Д.х.н., профессор РХТУ им. Д.И. Менделеева
г. Москва, РФ
ПОЛУЧЕНИЕ ОЧИЩЕННОЙ ФРАКЦИИ БЕЛКА НУТА МЕТОДОМ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ
Аннотация
В данной статье рассматриваются технологические приемы, позволяющие получить из экстракта нутовой муки изолят белка с чистотой не менее 80% с применением метода ультрафильтрации. Установлено, что проведение ультрафильтрации на мембране УПМ-100 при степени концентрирования 2,5 раза, проведении 3х стадий диафильтрации и осаждении в изоэлектрической точке приводит к получению изолята белка нута с содержанием сырого протеина 82%.
Ключевые слова
Нутовая мука, ультрафильтрация, мембранные технологии, изолят белка
Kravtsova A.G.,
2nd year master student Mendeleev University of Chemical Technology,
Moscow, Russia Khabibulina N.V.,
Leading engineer, Ph.D, Mendeleev University of Chemical Technology,
Moscow, Russia Scientific supervisor: Krasnoshtanova A.A.,
Prof., Ph.D, Mendeleev University of Chemical Technology,
Moscow, Russia
OBTAINING A PURIFIED FRACTION OF CHICKEA PROTEIN BY ULTRAFILTRATION METHOD
Annotation
This article discusses the technological methods that make it possible to obtain a protein isolate from chickpea flour extract with a purity of at least 80% using the ultrafiltration method. It has been established that ultrafiltration on a UPM-100 membrane at a concentration of 2.5 times, 3 stages of diafiltration and precipitation at the isoelectric point leads to the production of a chickpea protein isolate with a crude protein content of 82%.
Keywords
Chickpea flour, ultrafiltration, membrane technology, protein isolate
В современном мире постоянно растет потребность в белках и продуктах на их основе. Особую значимость приобретают вопросы обеспечения населения белковыми компонентами питания, а также повышается приоритет исследований в этом направлении, подтверждаемый разработкой и осуществлением специальных программ в промышленно-развитых странах мира [1]. Эффективным путем решения проблемы дефицита полноценных пищевых белков является поиск нетрадиционного белоксодержащего растительного сырья и комплексная оценка его свойств. Одним из таких источников может являться нут.
Производство нута в 2018 г. в России находилось на уровне 620,4 тыс. тонн, посевные площади составили 851,2 тыс. га. За год они возросли на 71,6 % (на 355,2 тыс. га), за 5 лет - на 26,5 % (на 178,1 тыс. га). Среднегодовая урожайность нута в 2011-2018 гг. находилась на отметках в 8,4 ц/га [2].
Мука нутовая содержит 47,0 г углеводов в 100 г продукта, это примерно 60% всей энергии из порции или 231 ккал. В 100 г нутовой муки содержатся 30% суточной нормы белка, жиров — 8% и углеводов — 19%. Более половины сухих веществ семян нута приходится на углеводы, основную массу которых составляют крахмал - 40%, гемицеллюлоза - 7-8%, пектиновые вещества - 3-8%, целлюлоза - около 13%; доля редуцирующих сахаров колеблется в пределах 7-11% от общей массы углеводов [3].
К сожалению, в России пока еще не используются технологии комплексной и глубокой переработки зерна нута, которые могли бы способствовать получению новых функциональных ингредиентов и на их основе - расширению ассортимента продуктов здорового питания. Перспективу широкого использования в различных пищевых системах имеет не только продукт простой переработки зерна нута - нутовая мука, но и белковый изолят как продукт глубокой переработки зерна нута [4].
Практика получения белкового изолята из растительного сырья заключается в изолированном извлечении протеинов путем отделения сопутствующих балластных компонентов. Следуя известным схемам получения изолятов, на первой стадии производства этого продукта, белки, содержащиеся в растительном сырье, избирательно переводятся в растворимое состояние, а затем отделяются от нерастворимого продукта [5].
Фильтрация на мембранах с давлением в качестве движущей силы разделения также является методом разделения и выделения белков, представляющим собой их фракционирование, его используют для повышения количества извлеченного белка в извлеченном продукте [2].
Целью исследования явился подбор технологических условий, направленных на получение очищенного белка (изолята) нута с использованием метода ультрафильтрации.
В качестве объектов исследования была выбрана нутовая мука (48% углеводов и 20% белка), из которой на первой стадии получали белковый экстракт и крахмальный осадок. Белковый экстракт получали путем экстракции в слабощелочных условиях, крахмал отделяли центрифугированием.
Ультрафильтрацию проводили на плоских мембранных элементах марок УПМ-10, УПМ-20, УПМ-100, УАМ-100. При проведении диафильтрации к концентрату, полученному на предыдущей стадии, вносили равный объем дистиллированной воды и повторно проводили концентрирование до достижения исходного объема. Осаждение белка из очищенного концентрата проводили в изоэлектрической точке путем доведения рН раствора до 4,5. Определение содержания белка проводили биуретовым методом, общих углеводов - фенол-серным методом.
Для подбора оптимальных условий при использовании метода ультрафильтрации оперируют следующими параметрами: производительность, селективность, диаметр пор мембраны. В производственной практике первостепенным является подбор мембраны, которая позволила бы вести
процесс с удовлетворительной скоростью и получением очищенного продукта на выходе. В случае изучаемого процесса важной является минимизация потерь белка при максимально полной очистке от углеводных примесей.
На первом этапе изучения мембранных процессов подбирали диаметр пор мембраны для концентрирования и очистки экстракта водорастворимых веществ нута. Использовали следующие мембраны: УПМ-10, УПМ-20, УПМ-100 и УАМ-100. При выборе мембраны концентрирование гидролизата проводили в два раза. Полученные результаты представлены в табл. 1.
При фракционировании экстракта мембрана подбирается таким образом, чтобы потери белка были минимальными, а углеводной фракции - наибольшими, так как это позволит получить наиболее очищенный белоксодержащий раствор. Анализируя данные табл. 1, можно сделать вывод, что фракционирование по углеводам зависит от типа и размера пор используемой мембраны. При использовании мембраны УПМ 10 не происходит заметной очистки экстракта от углеводов, их удаление в пермеат составляет всего 6%. При увеличении размера пор вымывание углеводов усиливается, и для мембраны УАМ 100 составляет 27% от исходного содержания. Потеря белковых веществ снижается с уменьшением размера пор мембран УПМ со 100 до 10 кДа с 8,6 до 4,9%, при этом при использовании мембраны УАМ 100 потери белковых веществ максимальны и составляют почти 14%.
Таблица 1
Содержание белка и углеводов в экстракте и полученных в результате ультрафильтрации фракциях
Полупродукт Белковые вещества, % от исходного Общие сахара, % от исходного
Экстракт 100,0 100,0
УПМ 10
Концентрат 94,3 92,6
Пермеат 4,9 6,1
УПМ 20
Концентрат 91,1 85,6
Пермеат 8,0 12,9
УПМ 100
Концентрат 90,5 79,2
Пермеат 8,6 20,3
УАМ 100
Концентрат 85,2 71,7
Пермеат 13,9 27,0
Из полученных данных можно сделать предварительный вывод, что мембрана с отсекаемой молекулярной массой 100 кДа марки УПМ является оптимальной для проведения дальнейших опытов, так как она позволяет отделить значительное количество углеводов без существенной потери белковых веществ из концентрата. Для мембран с отсечкой по молекулярной массе 10 и 20 кДа не происходит значительного удаления углеводов.
Для того чтобы сделать окончательный выбор мембраны, были определены интегральная и дифференциальная селективность мембран по белковым веществам и углеводам (табл. 2). Как видно из представленных данных, селективность по белкам наиболее высока для мембраны 10 кДа (90-95%) и наиболее низкая для УАМ-100 (72-84%), что означает значительные потери белка при проведении процесса с последней мембраной. По сахарам селективность наиболее низкая для мембран из обоих тестируемых материалов с размером пор 100 кДа, что является положительным фактором для проведения ультрафильтрации с целью удаления сахаров. На мембранах с отсечками 10 и 20 кДа селективность по сахарам также высока, что означает значимую тенденцию оставаться во фракции концентрата. Полученные данные по селективности подтверждают выбор мембраны марки УПМ-100 кДа для проведения дальнейших исследований.
Таблица 2
Селективность мембран по белкам и углеводам
Тип мембраны Селективность по белкам Селективность по сахарам
Интегральная Дифференциальная Интегральная Дифференциальная
УПМ 10 90,2 94,8 87,7 93,4
УПМ 20 83,9 91,2 74,2 84,9
УПМ 100 82,7 90,5 59,4 74,3
УАМ 100 72,1 83,7 46,0 62,4
С использованием выбранной мембраны была определена оптимальная степень концентрирования экстрактов. Опытным путем были получены следующие данные по производительности мембраны УПМ-100 (рис. 1).
С увеличением степени концентрирования наблюдается падение производительности. При этом на графике видно, что существенное замедление процесса происходит при степени концентрирования примерно полтора раза - наклон графика производительности резко изменяется, производительность уменьшается с 4 до 1 л/м2*ч. Затем, при увеличении степени концентрирования с 1,5 до 3,3 раз, производительность изменяется более плавно и при максимально достигнутой в эксперименте степени концентрирования 3,33 раза составляет 0,25 л/м2*ч.
0,98
Рисунок 1 - Зависимость производительности Рисунок 2 - Дифференциальная селективность по
мембраны от степени концентрирования белку в зависимости от степени концентрирования
С увеличением степени концентрирования наблюдается падение производительности. При этом на графике видно, что существенное замедление процесса происходит при степени концентрирования примерно полтора раза - наклон графика производительности резко изменяется, производительность уменьшается с 4 до 1 л/м2*ч. Затем, при увеличении степени концентрирования с 1,5 до 3,3 раз, производительность изменяется более плавно и при максимально достигнутой в эксперименте степени концентрирования 3,33 раза составляет 0,25 л/м2*ч.
На рис. 2. представлено изменение дифференциальной селективности по белку при увеличении степени концентрирования экстракта нута. Можно видеть, что она увеличивается с 84% для степени концентрирования 1,11 до 95% для степени концентрирования 3,33 раза.
Исходя из данных по производительности и селективности мембранной установки при концентрировании нутового экстракта, в качестве оптимальной степени концентрирования была выбрана 2,5 раза, при этом для белка селективность составляет 92%.
Далее проводили очистку сконцентрированного в 2,5 раза экстракта методом диафильтрации. Диафильтрацию проводили трижды, оценивая потери белковых веществ и степень отмывки экстракта от углеводов на каждом этапе. После проведения 3х стадий диафильтрации, из очищенного концентрата проводили осаждение белка при рН 4,5, надосадочную жидкость отделяли центрифугированием. В результате экспериментов были получены следующие данные (табл. 3).
Таблица 3
Содержание белков и углеводов в полупродуктах, получаемых при очистке гидролизатов диафильтрацией
Полупродукт Белковые вещества, % от Общие углеводы, % от Содержание белка, % на
исходного исходного а.с.в.
Экстракт 100,0 100,0 55,7
Неочищенный концентрат 93,3 81,0 59,2
Пермеат 3,9 12,2 -
Концентрат 1 89,1 60,3 65,0
Диафильтрат 1 3,3 19,4 -
Концентрат 2 86,5 48,2 69,3
Диафильтрат 2 1,8 11,5 -
Концентрат 3 84,0 36,3 74,5
Диафильтрат 3 1,7 11,5 -
Осадок белка 77,4 21,5 81,9
Надосадочная жидкость 6,5 14,6 -
Из представленных данных видно, что в ходе диафильтрации происходит фракционирование экстракта: белки, молекулярная масса которых больше 100 кДа, удерживаются мембраной и скапливаются в концентрате, а низкомолекулярные вещества проходят через поры в пермеат и диафильтраты. Наблюдаются потери белка в ходе первоначального концентрирования и диафильтрации, однако их суммарная величина составляет около 16% от исходного содержания белка в экстракте. Таким образом, белковые вещества нута эффективность задерживаются мембраной УПМ-100.
Следует отметить высокую эффективность диафильтрации с точки зрения очистки экстракта от углеводов, которое за три стадии диафильтрации значительно уменьшается на 44,7% по сравнению с неочищенным концентратом. При этом первичное концентрирование и первая стадия диафильтрации позволяют удалить порядка 40% от начального содержания углеводов в экстракте. При этом порядка 36% углеводов, содержащихся в исходном экстракте, остаются в концентрате после проведения 3х стадий диафильтрации, что, возможно, свидетельствует о необходимости проведения дополнительных стадий.
При проведении осаждения белка в изоэлектрической точке часть белка не оседает, при этом потери белка при осаждении составляют около 6,5% от его содержания в экстракте, взятом для проведения диафильтрации, или около 8% от содержания белка в очищенном концентрате. Полученный после осаждения осадок содержит более 77% белка от его содержания в исходном экстракте - таким образом, потери белка при его очистке и осаждении составляют порядка 23%. Проведение диафильтрации позволяет увеличить содержание белка в пересчете на абсолютно сухой вес с 55,7 до 74,5%.
Проведение последующей стадии осаждения из очищенного концентрата позволяет получить изолят белка нута с его содержанием в расчете на сухой вес около 82%. На рынке в настоящее время среди бобовых культур в основном представлены изоляты белка гороха, причем содержание белка в них составляет в среднем 80-85%. То есть, полученный продукт соответствует требованиям рынка к изолятам белков бобовых культур.
На основании результатов исследований сделаны следующие выводы:
1. Выявлено, что при использовании мембран с размером пор 10 и 20 кДа не происходит эффективной очистки экстракта нутовой муки от сахаров, а при использовании мембраны УАМ-100 происходит заметная потеря белков с пермеатом. В качестве оптимальной мембраны выбрана УПМ-100.
2. Определена оптимальная степень концентрирования экстракта с использованием мембраны УПМ-100, которая составила 2,5 раза. При увеличении степени концентрирования существенно замедляется скорость процесса.
3. Подобраны условия очистки и осаждения белка из сконцентрированного экстракта нутовой муки. Показано, что проведение 3х стадий диафильтрации и осаждение в изоэлектрической точке из очищенного экстракта позволяет получить изолят белка нута с содержанием сырого протеина 82% на а.с.в. и выходом 77% по отношению к общему содержанию белка в экстракте, взятом для проведения очистки.
Список использованной литературы:
1. Белковые изоляты из растительного сырья: обзор современного состояния и анализ перспектив развития технологии получения белковых изолятов из растительного сырья / Д.В. Компанцев [и др.] // Современные проблемы науки и образовая. 20016. № 1. С. 48-49.
2. Пищевые и кормовые белковые препараты из гороха и нута: производство, свойства, применение / В. В. Колпакова [и др.] // Техника и технология пищевых производств. 2021. Т. 51. № 2. С. 333-348.
3. Аникеева Н.В. Перспективы применения белковых продуктов из семян нута // Известия ВУЗов. Пищевая технология. 2007. №5-6. С. 33-35.
4. Казанцева И.Л. Научно-практическое обоснование и совершенствование технологии комплексной переработки зерна нута с получением ингредтиентов для создания продуктов здорового питания: дис. ... док. техн. наук:15.18.01. Саратов, 2006. 391 с.
5. Антипова Л.В., Аникеева Н.В. Исследование фракционного состава белков нута в аспекте получения белкового изолята // Фундаментальные исследования. 2006. №5. С. 13-14.
© Кравцова А.Г., Хабибулина Н.В., 2022
УДК 004.942
Рогов А.Ю.
канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)»,
г. Санкт-Петербург, РФ
ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗОНЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ОТ ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
Аннотация
В публикации рассматривается вопрос разработки программного модуля для оценки загрязнения близлежащей местности вследствие промышленных выбросов в атмосферу загрязняющих веществ в виде газопылевых смесей от отдельно стоящего точечного источника.
Ключевые слова
Загрязнение атмосферы, газопылевая смесь, точечный источник, зона загрязнения, картографическое покрытие, программный модуль
Нарушение правил эксплуатации технологического оборудования и аппаратуры или отсутствие надлежащих технологических процессов очистки отходящих промышленных газов приводит к выбросу вредных веществ в атмосферу и, как следствие, загрязнению близлежащей местности, что влечет наложение существенных административных штрафов на предприятие со стороны контролирующих органов. В связи с этим, вопросы экологического мониторинга химических производств и компьютерной оценки последствий вредных выбросов в атмосферу в условиях ужесточения законодательной базы являются актуальными и становятся значимо затратными. [1]
При попадании в воздух с отходящими газами, загрязняющие вещества двигаются в двух основных плоскостях - горизонтальной и вертикальной. Горизонтальный фактор определяет движение газов в плоскости земли с ветром. При этом скорость ветра влияет на разбавление вредных веществ и понижает их приземную концентрацию. Вертикальный фактор определяет движение отходящих газов вверх, при этом, чем температура газов выше температуры воздуха, тем значительнее вертикальный подъём выброса
