CC BY
72
УДК 664.2.22: 633.2: 66.081.6
совместимые технологии производства кормовых и пищевых добавок из побочных продуктов картофелекрахмальных заводов и биомассы трав
Н.Д. ЛУКИН1, доктор технических наук, зам. директора (e-mail: [email protected])
В.Л. КУДРЯШОВ2, кандидат технических наук, зав. лабораторией (e-mail: vera [email protected])
Д.Н. ЛУКИН1, кандидат экономических наук, зам. директора
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Московская обл., 140051, Российская Федерация
2Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии, ул. Самокатная,4б, Москва, 111033, Российская Федерация
Резюме. Побочные продукты картофелекрахмального производства - мезгу и картофельный сок - обычно используют после дополнительной обработки как кормовые добавки в жидком, вареном или сухом виде. Для концентрирования нативного картофельного сока применяют термокоагуляцию, вакуум-выпарку и сушку. Более перспективны для этого мембранные процессы, которые исключают тепловую денатурацию биологически активных веществ и в 3-5 раз менее энергозатраты. Переработка осуществляется в две стадии: первая с помощью ультрафильтрационных мембран, вторая с применением нанофильтрационных и обратноосмотических мембран (селективность по сухим веществам, белкам, углеводам и солям в зависимости от их марки составляет 70-80 и 99,3-99,8% соответственно). Это позволяет использовать фильтратв рецикле картофелекрахмального производства взамен воды. В Институте питания РАМН подтвердили высокую пищевую и биологическую ценность наработанного во ВНИИКсухого картофельного белка и рекомендовали его для широкого использования в качестве белко -вого заменителя или обогатителя. Разработанная универсальная линия переработки побочных продуктов картофелекрахмального производства, рассчитанная на производство кормов, пищевых добавок и биопрепаратов, совмещается с линией переработки листостебельной биомассы трав для производства кормовой травяной муки и пищевых добавок. Производство кормов и пищевых биологически активных веществ из побочных продуктов картофелекрахмального производства и биомассы трав основано на прямой стыковке сельскохозяйственных (аграрных) и пищевых технологий в едином комплексе. Совмещенную линию можно эксплуатировать круглогодично, переходя с переработки одного вида сырья на другой. Все необходимое для реализации разработанной технологии оборудование может быть произведено на отечественных машзаводах.
Ключевые слова: картофелекрахмальное производство, побочные продукты, биомасса трав, мембранные процессы, кормовые и пищевые добавки, совмещение технологии. Для цитирования: Лукин Н.Д., Кудряшов В.Л., Лукин Д.Н. Совместимые технологии производства кормовых и пищевых добавок из побочных продуктов картофелекрахмальных заводов и биомассы трав // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №11. С. 112-114.
Важная проблема картофелекрахмального производства (ККП) - переработка картофельного сока (КС) и мезги, которые служат побочными продуктами с большим содержанием ценных биологически активных веществ (БАВ) [1]. В связи с сезонностью ККП не менее актуальны вопросы загрузки оборудования в весенне-летний период.
В свою очередь, основная проблема чрезвычайно перспективного производства кормовых и пищевых добавок из листостебельной биомассы сеяных трав (биомассы) также обусловлена сезонностью, но с простоями в осенне-зимний период [2].
Наиболее перспективным направлением для создания и модернизации этих производств может стать использование мембранных процессов [3].
Цель наших исследований - разработать технологически и аппаратурно совместимые схемы переработки побочных продуктов картофелекрахмального производства и биомассы трав, позволяющие перенастраивать (адаптировать) их с учетом сезонности поступления сырья.
Условия, материалы и методы. Побочные продукты как объекты НИР образуются из картофеля после извлечения из него крахмала. В состав тканей клубней входят протеины, жиры, нерастворимые пищевые волокна, органические кислоты, витамины (С, Е, РР, группы В, фолиевая кислота), ферменты (фосфорилаза, амилаза, инвертаза, полифенолоксидаза, цитохромоксидаза, пероксидаза, ликтолаза и липоксигеназа), минеральные элементы (железо, натрий, калий, магний, кальций, фосфор и др.). Все они остаются в побочных продуктах. Из 25% сухих веществ (СВ) картофеля извлекается порядка 15,7% крахмала, а остальные 9,3% распределяются примерно поровну между мезгой и картофельным соком [1].
В зависимости от схемы картофелекрахмального производства побочные продукты образуются в следующем виде:
обезвоженная мезга и картофельный сок (концентрация СВ соответственно 25 и 6-7%);
разбавленный картофельный сок (4-5% СВ); соковая вода (разбавленный в 5-8 раз КС), а также смесь мезги с картофельным соком (7-10% СВ).
Их используют в смеси или раздельно 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, включающей следующие процессы [1]:
центрифугирование, осаждение и фильтрование с применением термической, химической и термохимической коагуляции;
культивирование дрожжей и грибов, а также фер-ментолиз.
Для концентрирования нативного КС (НКС) ранее рекомендовали термокоагуляцию, вакуум-выпаривание и сушку [1]. На сегодняшний день более перспективны мембранные процессы: ультрафильтрация (УФ), нанофильтра-ция (НФ) и обратный осмос (ОО) [3-6]. Их преимущества определяются отсутствием фазовых переходов и необходимости нагрева. Они исключают тепловую денатурацию БАВ и, по сравнению с выпариванием и сушкой, отличаются более низкими (в 3-5 раз) энергозатратами [3], что подтвердили первые поисковые исследования по очистке и концентрированию НКС с помощью процесса УФ, проведенные во ВНИИК совместно с ВНИИПБТ [4; 5].
Результаты последних исследований показали целесообразность и эффективность переработки картофельного сока в две стадии. На первой с помощью УФ-мембран из НКС выделяются и концентрируются до СВ = 20-25% высокомолекулярные белковые вещества, коллоиды и взвеси. На второй стадии с помощью НФ- и ОО-мембран до такой же концентрации СВ доводится
общее содержание низкомолекулярных белков, полипептидов, аминокислот, витаминов и других БАВ. При этом селективность НФ-мембран по сухому веществу в зависимости от их марки составляет 70-80%, а ОО-мембран -99,3-99,8%, [6]. Это дает возможность использовать их пермеат (фильтрат прошедший через мембрану) взамен воды в рецикле картофелекрахмальных производств.
Сконцентрированный с помощью мембран картофельный сок можно применять в качестве пищевой добавки. Это обусловлено тем, что картофельный белок - туберин (рН изоэлектрической точки = 4,45; необратимая денатурация при t > 60 °С) - по аминокислотному составу и усвояемости превосходит все растительные и животные белки, уступая только яичному. Кроме того, он обладает высокой маслово-допоглотительной и эмульгирующей способностью [7].
Институт питания РАМН также подтвердил высокую пищевую и биологическую ценность наработанного во ВНИИК сухого картофельного белка и рекомендовал его для широкого использования [8].
Наличие в картофельном протеине белков-ингибиторов протеиназ (молекулярная масса 23 ± 1 кДа) позволяет создавать пищевые БАДы для снижения аппетита и массы, а также препараты для защиты сельхозкультур от болезней [9]. В частности ученые НАН Беларуси путем выделения и концентрирования из НКС с помощью УФ-мембран высокомолекулярных белков создали средство защиты растений «Туберит», а из аминокислот, полипептидов и других низкомолекулярных БАВ, содержащихся в УФ-пермеате, биостимулятор роста растений «Тубелак» [10]. Кроме того, доказана эффективность использования картофельного сока и мезги для биосинтеза белково-витаминных добавок и биопрепаратов путем культивирования дрожжей и грибов [11 и 12].
Для преодоления проблемы сезонности картофелекрахмальных производств целесообразно создание таких линий переработки картофельного сока и мезги, которые могут работать на другом сезонном сырье - листостебель-ной биомассе сеяныхтрав. Она созревает в весенне-летний период и служит ценным крупнотоннажным белковым сырьем. Например, средний выход протеина с 1 га посевов кукурузы составляет 3,9 ц, пшеницы - 3,5 ц, сои - 9 ц, клевера - 10,5 ц, люцерны - 15 ц [15].
Сухое вещество большинства сеяных трав с энергетической точки зрения и по содержанию перевариваемого протеина не уступает концентрированным кормам, но превосходит их по биологической ценности. Например, сок, отжатый из биомассы люцерны и красного клевера в период бутонизации, содержит большое количество (до 45%) белка, биофлавоноидов, а также витаминов группы С, Е, К, В, Д и бета-каротина [16-18].
Результаты и обсуждение. В лаборатории мембранных технологий (ЛМТ) ВНИИПБТ на основе результатов собственных исследований и обобщения отечественного и мирового опыта разработана универсальная линия переработки картофельного сока и мезги (рис. 1). Она рассчитана на производство кормов, пищевых добавок и биопрепаратов, в том числе аналогичных «Тубелаку» и «Тубериту».
В этой линии на этапе ультрафильтрации предполагается использовать мембраны из керамики, обеспечивающие при близкой к полимерным мембранам селективности значительно большую удельную производительность и надежность [13]. Сборник-смеситель 5 для повышения усвояемости жидкой кормосмеси целесообразно дооснастить роторным измельчителем-диспергатором РИД-2 [14].
Дрожжегенератор 7 предназначен для выращивания пекарских и кормовых дрожжей Candida tropicalis CK-4 или продуцентов аминокислот (лизина, треонина, трептофана),
Рис. 1. Обобщенная блок-схема универсальной линии переработки картофельного сока и мезги в корма, пищевые добавки и биопрепараты: 1 и 2 - УФ- и НФ- (или ОО-) мембранные установки, соответственно; 3 и 4 - сушилки; 5 - сборник-смеситель; 6 - вакуум-выпарка; 7 - дрожжегенератор.
грибов, молочнокислых бактерий и других продуктов микробиосинтеза [11, 12].
Технология и линия переработки зеленой массы трав была разработана в ЛМТ совместно с сотрудниками ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса на основе принципа сквозных аграрно-пищевых технологий. Линия рассчитана на производство из листостебельной биомассы кормовой травяной муки и пищевых добавок (рис. 2) [2].
Рис. 2. Обобщенная блок-схема линии производства белковых пищевых и кормовых добавок из листостебельной биомассы трав: 1 и 2 - ультрафильтрационная (УФ) и нанофиль-трационная (НФ) или обратноосмотическая (ОО) установки, соответственно; 3, 4 и 5 - сушилки; 6 - вакуум-выпарка; 7 -дрожжегенератор; 8 - измельчитель; 9 - шнековый пресс.
Эффективность предлагаемого подхода переработки трав косвенно подтверждает тот факт, что в конце 80-х гг. на сегодняшней территории России, Украины, Белоруссии и Казахстана планировалось создать более 3 тыс. комплексов по производству кормового белка мощностью 10 т/ч перерабатываемой листостебельной биомассы. Принцип их работы базировался на термохимической коагуляции (устаревшей на сегодняшний день). Мы существенно улучшили эту технологию за счет применения мембранных процессов в две стадии и совмещения производства кормового и пищевого белка [2].
Совместный анализ блок-схем линий представленных на рис. 1 и рис.2 показал, что часть входящих в них узлов и устройств (1-4 и 6-7) полностью совпадает. Сушилку 5 линии производства белковых добавок из листостебельной биомассы трав (см. рис. 2) можно использовать и для сушки комплексной кормовой добавки из смесителя 5 линии переработки картофельного сока и мезги (см. рис.1). Измельчитель 8 и шнековый пресс 9 (см. рис. 2) также пригодны для переработки мезги и картофельного сока.
Возможность универсального использования оборудования позволила создать методологию разработки совмещенных унифицировано-гибких линий рассчитанных на круглогодичную эксплуатацию благодаря переходу с переработки картофельного сока и мезги на биомассу трав и наоборот. Причем она должна адаптироваться к местным условиям каждого конкретного завода. Для исключения простоя при неурожаях и других форс-мажорных ситуациях, атакже изме-
нении конъюнктуры рынка линию можно переналаживать для производства другой продукции из имеющегося в регионе растительного и вторичного сырья, например: инулина из топинамбура и цикория; подсластителя из стевии; белка, лактозы и пищевых волокон из молочной сыворотки, пахты и обрата, а также зерновой барды, пивоваренных дробины и остаточных дрожжей; соков из фруктов и овощей, бесспиртовых бальзамов из трав; натуральных красителей из свеклы, черной рябины, смородины.
выводы.Установлена возможность, целесообразность и пути создания совмещенных унифицировано-гибких линий на основе современных мембранных процессов, предназначенных для производства кормовых и пищевых добавок, а также биопрепаратов и рассчитанных на круглогодичную безостановочную эксплуатацию за счет перехода с переработки картофельного сока и мезги на биомассу трав и наоборот.
Литература.
1. Романенко В.Н., Филиппова Н.И. Комплексное использование сырья в крахмалопаточном производстве. М.: Агропро-миздат. 1985. 176 с.
2. Кудряшов В.Л. Производство белково-витаминных добавок из листостебельной биомассы//Пищевая промышленность. 2010. № 2. С. 13-15.
3. Кудряшов В.Л. Роль и эффективность мембранных процессов при модернизации пищевой промышленности//Пищевая промышленность. 2012. №10. С. 14-18.
4. ГулюкН.Г., Облезова Т.П., АртюшенкоА.И. Применение ультрафильтрации клеточного сока картофеля с использованием отечественных мембран// Сахарная промышленность. 1977. № 7. С. 58-61.
5. Медов В. В., Кудряшов В.Л., Облезова Т. П. Концентрирование белков картофельного сока с помощью трубчатых ультрафильтров БТУ-0,5/2// Тез. докл. IVВсесоюз. конф. по мембранным методам разделения смесей. М.: НИИТЭХИМ, 1987. Т. 5. С.42.
6. Лукин Н.Д., Волков Н.В., Кривцун Л.В. Двухступенчатое концентрирование картофельного сока с использованием мембран // Тр. Междунар. научно-прак. конф. «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов. Тенденции развития производства и потребления». М.: оОо «НИПКЦ Восход-А», 2013. С. 206-209.
7. Картофельный протеин [Электронный ресурс]. URL: http://plasma.com.ua>chemistry/chemistry/potato_...
8. Провести исследования по оценке термокоагулированного белка с целью переработки картофельного сока с получением из него продуктов для пищевых производств: отчет о НИР по х/д 316/2003 / ВнИИкрахмалопродуктов; рук. Лукин Н.Д.; исполн. КривцунЛ.В., Облезова Т.П. М., 2003. 9 с.
9. Парфенов И.А. Ингибиторы протеиназ из клубней картофеля и их роль в защитной системе картофеля: Автореф. дис. канд. биол. наук. М., 2012. 23 с.
10. Домаш В. И. и др. Экологически чистые препараты для растениеводства из побочных продуктов переработки картофеля // Труды БГУ. 2010. Т. 5. Ч. 2. С. 111-120.
11. Стахеев И.В. Культивирование дрожжей и грибов - продуцентов протеина на отходах переработки картофеля. Минск: Наука и техника, 1978. 68 с.
12. Беккер М.Е. Трансформация продуктов фотосинтеза /Под. ред. М.Е. Беккера. Рига: Зинатне, 1984. С. 11-25.
13. Волков Н.В., Лукин Н.Д., Кривцун Л.В. Оптимизация процесса фильтрации картофельного сока с применением керамических мембран // Достижения науки и техники АПК. 2012. №11. С. 70-72.
14. Мошкутело И.И., Игнатьева Л.П., Рындина Д.Ф. Биологически полноценные кормосмеси гомогенно-влажной формы в системе кормления свиней //Достижения науки и техники АПК. 2013. № 4. С. 60-63.
15. Дудкин М.С., Щелкунов Л.Ф. Новые продукты питания. М.: МАИК «Наука», 1988. 304 с.
16. Зипер А.Ф. Растительные корма. Производство и применение. М.: АСТ, Донецк, Сталкер. 2005. 219 с.
17. Жолнин А.В., Шарикова Н.А., Овчинников А.А. Биологически активный препарат «Люцевита» на основе экстракта люцерны // Тез. докл. VI Междунар. конф. «Биоантиоксидант». М.: ИБХФ РАН, 2002. С. 188-189.
18. Компанцев В.А. и др. Лекарственные формы на основе травы клевера посевного // Материалы IV Межд. съезда «Актуальные проблемы создания новых лекарственных препаратов природного происхождения». Н.-Новгород, 2000. С. 75-77.
COMPATIBLE TECHNOLOGIES OF FEED AND FOOD ADDITIVES PRODuCTION FROM BY-PRODuCTS OF POTATO Starch PLANTS AND GRASS BIOMASS
N.D. Lukin1, V.L. Kudryashov2, D.N. Lukin1
'All-Russian Research Institute for Starch Products, ul. Nekrasova, 11, Kraskovo, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation 2All-Russian Research Institute of Food Biotechnology, ul. Samokatnaya, 4b, Moskva, 111033, Russian Federation Summary. By-products of potato starch production - pupl and potato juice are usually used as feed additives in liquid, boiled or dry state after additional treatment. In order to concentrate native potato juice thermal coagulation, vacuum-evaporation and drying are used. Membrane processes are more advanced technologies, which exclude thermal denaturation of biologically active substances and energy consumption is 3-5 times less. The processing are carried out in two stages: the first is with ultrafiltration membranes and the second stage - with nanofiltration and reverse osmosis membranes (selectivity by dry substances, proteins, carbohydrates and salt depending on the type is 70-80 and 99.399.8%). It allows using the filtrate in recycle of potato starch plant instead of water. There was developed a method of pulp treatment by cellulases and amylases to improve the nutritional value. Food Institute of the RAMS has proved the high nutritional and biological value of dry potato protein produced in the All-Russian Research Institute of Starch Products and recommended to use it as protein substitute or fortificant. The developed universal line to process coproducts of potato starch production, designed for production of feed, food additives and biological preparations, is compatible with cormophyte biomass processing line to produce grass flour and two food additives. The production of feed and food biologically active substances from grass biomass is based on the direct connection of agricultural and food technologies in a single complex. The combined unified-flexible line can be operated all year long, switching from processing of coproducts into grass biomass and back. All equipment necessary to realize developed technology can be produced at domestic machinery plants.
Key words: potato starch production, by-products, grass biomass, membrane processes, feed and food additives, compatible technologies.
Author Details: N.D. Lukin, D. Sc. (Tech.), deputy director (e-mail: [email protected]); V.L. Kudryashov, Cand. Sc. (Tech.), head of laboratory (e-mail: vera [email protected]); D.N. Lukin, Cand. Sc. (Econ.), deputy director
For citation: Lukin N.D., Kudryashov V.L., Lukin D.N. Compatible Technologies of Feed and Food Additives Production from By-products of Potato Starch Plants and Grass Biomass. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2015. V.29. No11. Pp. 112-114 (In Russ.).
