CC BY
176
УДК 628.004.8
Г. Г. Русакова, А. В. Демьянов, С. В. Павлова
ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПЕРЕРАБОТКИ СЕМЯН ГОРЧИЦЫ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИЗ НИХ АНТИПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ
Ключевые слова: семена горчицы, синигрин, технология переработки, антипитательные вещества.
Аннотация: В статье рассматриваются технические и химико-технологические аспекты переработки семян горчицы. Изложены общие сведения о семенах горчицы, предложен технологический вариант их переработки c извлечением из них антипитательных веществ, отличающийся от традиционного. А также приведено техническое оформление основной стадии технологического процесса.
Keywords: mustard seeds, sinigrin, technology of processing, anti-nutrients.
Annotation: In article technical and chemical technology aspects of processing of mustard seeds are considered. General information about mustard seeds is stated, the technology option of their processing with extraction from them of the anti-nutrients, differing from the traditional is offered. Also technical registration of the main stage of technology process is given.
Введение
Горчица - культура умеренных регионов Европы - была одной из первых возделываемых сельскохозяйственных культур. Экономическая ценность горчицы заключается в её широком распространении. Она выращивается в Азии, Северной Африке, Европе в течение многих тысяч лет.
В России горчица занимает четвертое место по посевным площадям после подсолнечника, сои и льна. В частности, на долю Поволжья приходится 72% [1].
В семенах горчицы содержится до 30% сырого протеина. По аминокислотному составу они находятся на уровне семян подсолнечника и сои [2].
Семена горчицы по своему химическому составу очень богаты содержанием таких важных и необходимых для любого живого организма биохимических соединений, как свободные жирные кислоты, белки, углеводы, фосфолипиды, тиогликозиды, фитонциды, ферменты и витамины.
Основным представителем тиогликозидов, присущих семенам горчицы, является синигрин (1,2^4,8%), обладающий биологической активностью (антидепрессантной, ноотропной и фунгицид-ной) [3, 4, 5].
Отметим, что в настоящее время из растений выделено около 40 тиогликозидов. Все они имеют общий с синигрином тип строения; являются производными 1-тио-Б-глюкозы и отличаются от синигрина лишь тем, что в них вместо аллила (СН2=СН-СН2-) содержатся другие агликоновые радикалы [11].
Синигрин может быть использован для получения различных классов химических соединений (нитрил, гидроксиламин, кротоновая кислота) [6,7].
Однако наиболее важным свойством синигрина, является образование из него эфирного горчичного масла (аллилгорчичного масла - АГМ, аллилизо-тиоцианата) - компонента пищевой горчицы, придающего ей горький и жгучий вкус.
Эфирное горчичное масло является основным представителем фитонцидов, присущих семенам горчицы. Оно находит широкое применение в сель-
скохозяйственной, медицинской и пищевой практике [9, 10].
Вместе с тем, тиогликозиды и фитонциды принято считать антипитательными веществами: образующееся в организме из синигрина аллилгорчичное масло раздражает слизистую оболочку и вызывает воспалительный процесс. Порог чувствительности запаха составляет до 0,6 мг/м3; ОБУВ - ориентировочный безопасный уровень воздействия - 6,12 мг/м3.
Традиционная технология переработки семян горчицы предусматривает: прессование (с целью отжима горчичного масла) и производство горчичного порошка из получившегося жмыха.
Но, ввиду наличия в семенах горчицы антипитательных веществ, осложняется использование побочных продуктов прессования семян горчицы (жмыхи, высевки, шелуха) в качестве высокобелковой пищевой и кормовой добавки. Поэтому требуется специальная подготовка семян горчицы перед прессованием по традиционной технологии [11].
Технологическая часть
Образование эфирного горчичного масла из синигрина происходит в результате каталитического воздействия фермента мирозиназы, являющейся сложной энзиматической системой, при температуре 25^50°С и достаточном количестве влаги (также при данной реакции образуются глюкоза и кислый сульфат калия, рис. 1) [7, 8, 9].
СНг=СН-СН2-Я=С-5-СбНи05 -Ч<Нц0б + КН504+аЬ=СНШг-К=С=5
Рис. 1 - Реакция образования АГМ из синигрина
Ферментативная реакция происходит при нарушении целостности растительной ткани, так как гликозиды и мирозиназа в живом растении пространственно разобщены.
Синигрин и мирозиназа в семенах горчицы и продуктах их переработки находятся в разных частях клетки, поэтому если не выдерживается хотя бы один из трех необходимых факторов (наличие миро-зиназы, влаги и температуры), то образования ал-
лилгорчичного масла из синигрина не происходит [17]. О чем также свидетельствуют положительное значение энергии Гиббса и константы равновесия, показывающие сильное смещение равновесия в сторону образования исходных веществ.
Для извлечения тиоглигозида синигрина из семян горчицы за основу были приняты его физические свойства, в частности, хорошая растворимость в горячей воде и инактивация фермента мирозиназы при температуре выше 80оС, что явилось основой для разработки технологии извлечения тиоглигозида синигрина из семян горчицы экстракцией [1, 7].
Синигрин удаляется из семян горчицы методом водной экстракции при температуре 80^90°С. Более высокая температура процесса не допускается, так как это может привести к значительным денатура-ционным изменениям белков при их тепловой обработке. Не допускается также и снижение температуры ниже 80оС, поскольку в противном случае не происходит температурная инактивация фермента мирозиназы, а процесс пойдет в направлении гидролиза синигрина, что на стадии экстракции недопустимо.
Разработанная схема выделения синигрина из семян горчицы представлена на рисунке 2, из которого видно, что описываемый технологический процесс включает в себя следующие стадии:
- экстракция синигрина из семян горчицы (основная стадия);
- фильтрование (механическое обезвоживание суспензии горчицы);
- сушка влажного осадка;
- отстаивание (освобождение фильтрата от твердых частиц);
- гидролиз водного раствора синигрина;
- отпарка и конденсация эфирного горчичного масла (АГМ);
- ультрафильтрование (концентрирование водорастворимой фракции белков горчицы в растворе из отпарной колонны).
Рис. 2 - Схема выделения синигрина из семян горчицы
Техническая часть
В качестве основной стадии предлагаемого процесса выступает стадия экстракции синигрина. Процесс экстракции, в том числе, в части растительного сырья, в настоящее время довольно обширно представлен в периодических изданиях.
В частности, авторами Вестника Казанского технологического университета исследованы технические средства для получения экстрактов растительного сырья, изучена поверхность контакта фаз в центробежном экстракторе, а также предложены пути интенсификации экстракции из растительного сырья в поле механических колебаний [14, 15, 16]. Техническая часть основной стадии предлагаемой нами технологии включает в себя эскизы и описания основных конструктивных элементов блока экстракции - смесителя и экстрактора (рис. 3, 4).
\ /
п / 5,0
• и- * 3 1
Г и я Г
.Г
Рис. 3 - Эскиз смесителя
Смеситель предназначен для приготовления суспензии «растительное сырье-вода» и последующей подачи её в экстрактор. Семена горчицы с заданной скоростью подаются в приемную воронку смесителя (вход инжектируемых потоков Б), откуда поступают во всасывающую камеру смесителя, где смешиваются со струей воды (вход рабочей жидкости А), выходящей из сопла с большой скоростью (выход смеси В).
Экстрактор (рис. 4) представляет собой полый вертикальный цилиндрический аппарат с конусным днищем. Суспензия вводится в экстрактор (вход суспензии А) под напором тангенциально для продолжения принудительного перемешивания суспензии.
«125«
Рис. 4 - Эскиз экстрактора
Экстрактор заполняется горячей водой (конденсатом) перед загрузкой семян горчицы, затем включается циркуляционный насос. При необходимости подогрев воды производится путем подачи острого пара непосредственно в экстрактор. Экстрагент подается из нижней части экстрактора в смеситель, в который также подается теплая вода из теплообменника. Образовавшаяся таким образом суспензия циркулирует по схеме: смеситель ^ экстрактор ^ насос ^ смеситель (рис. 5).
Б-2 - бункер; С - струйный смеситель; Н-1 - насос; Э -экстрактор
Рис. 5 - Стадия экстракции
Непрерывное перемешивание реакционной массы при температуре 80^95°С, а также соотношение твердой и жидкой фаз (семена : вода), равное 1 : 6, обеспечивают необходимые условия для интенсивной экстракции синигрина из семян горчицы [12]. За счет турбулентного перемешивания суспензии и высокой температуры создаются условия для интенсивной экстракции синигрина из семян. Контроль за напором воды перед смесителем осуществляется с помощью манометра. Температура суспензии поддерживается постоянной автоматической подачей острого пара в экстрактор. Уровень суспензии в экстракторе поддерживается постоянным автоматическим регулятором с клапаном на трубопроводе подачи воды [2].
Полученный по разработанной технологии кормовой продукт, представляющий собой очищенные от синигрина семена горчицы, назван «полножирная горчица».
Исследования по введению в рационы цыплят полножирной горчицы оказывало положительное влияние на увеличение их живой массы, повышению сохранности цыплят и снижению затрат на корма [11, 13].
© Г. Г. Русакова, д- с/х наук, проф. каф. промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности Волгоградского госуд. технич. ун-та (ВолгГТУ); А. В. Демьянов, соискатель той же кафедры, ant_research@rambler.ru; С. В. Павлова, ст. препод. каф. ТОНС ВолгГТУ, svet-pavlova76@mail.ru.
© G. G. Rusakova, doctor of agricultural sciences, professor of chair of industrial ecology and health and safety of Volgograd State Technical University (VSTU); A. V. Demyanov, competitor, ant_research@rambler.ru; S. V. Pavlova, senior teacher of chair of technology of organic and petrochemical synthesis of VSTU, svet-pavlova76@mail.ru.
Таким образом, предлагаемая разработка по технологии и техническим средствам переработки семян горчицы позволяет удалять из них антипитательные вещества, и в дальнейшем передавать очищенные от них семена горчицы на прессование по традиционной технологии с получением высококачественного пищевого горчичного масла и жмыха, не содержащего антипитательных веществ.
Литература
1. В.Г. Щербаков Биохимия и товароведение масличного сырья. Монография. Агропромиздат, Москва, 1991. 250 с.
2. Л.Я. Бойко Определение возможности ввода в комбикорма концентрата белкового кормового из натурального растительного сырья. Отчет по НИР. ВНИИКП, Воронеж, 1993. 25 с.
3. Ф.Челленджер Некоторые вопросы химии серосодержащих органических соединений. Иностранная литература, Москва, 1963. С. 140-192.
4. П.П. Демченко [и др.] Обзор по биохимическим и физиологическим свойствам семян горчицы. Отчет о НИР. ВНИИЖ, Ленинград, 1992. С. 2-29.
5. Н.Ф. Дублянская Химический состав современных сортов сарептской горчицы. Минжирпром, Москва, 1959. 78 с.
6. Н.К. Кочетков, И.В. Торгов, М.М. Ботвинник Химия природных соединений (углеводы и т.д.). АН СССР, Москва, 1961. 238 с.
7. А.Е. Чичибабин Основные начала органической химии. Том 1. Госхимиздат, Москва, 1963. 912 с.
8. Л.Н. Харченко МЖП, 3, 14-17 (1964).
9. Г.Г. Русакова, В.А. Хомутов Сарептская горчица -ценное сырье для различных отраслей народного хозяйства. Офсет, Волгоград, 1998. 45 с.
10. Г.Г. Русакова, А.Е. Мерлин, А.М. Лагутин, О.В. Чумакова, В.А. Хомутов, В.М. Рыжков, М.М. Русакова,
A.В. Демьянов Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст., 1, 39, 101-108 (2008)
11. Г.Г. Русакова, Е. А. Свириденко, А. В. Демьянов Технология нетрадиционной переработки маслосемян горчицы. Монография. Политехник, Волгоград, 2008. 96 с.
12. Пат. Российская Федерация 2007115492 (2008).
13. Г.Г. Русакова, А.В. Демьянов, Н.М. Антонов, Д.В. Парахневич, Е.Д. Парахневич, М.М. Русакова, Л. В. Ма-зина Новая технология переработки семян горчицы. Монография. ИПК «Нива» ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ», Волгоград, 2014. 124 с.
14. В.Н. Шекуров, Г.П. Агафетова, Вестник Казанского технологического университета, 8, 235-237 (2013)
15. Ф.А. Галеев, Р.З. Хайруллин, Вестник Казанского технологического университета, 17, 20, 242-245 (2014)
16. Н.Р. Галяветдинов, М.А. Тихомирова, Н.П. Мидуков,
B.С. Куров, А.Р. Сальманов, Вестник Казанского технологического университета, 17, 14, 359-362 (2014)
