CC BY
80
УДК 663/664
Ультраконцентрат кукурузного экстракта -
новая пищевая добавка
В.Л. Кудряшов, канд. техн. наук ВНИИ пищевой биотехнологии
Кукурузный экстракт (КЭ), наряду с мезгой, глютеном и зародышем -ценное вторичное сырье кукурузо-крахмального производства (ККП).
Общее содержание (растворенных и взвешенных) сухих веществ (СВ) в нативном КЭ (НКЭ) в зависимости от метода замачивания (стационарного или диффузионного), качества сырья и экстрагента составляет 5-12 %. В состав КЭ входят белки, аминокислоты, полипептиды, стимуляторы роста, микроэлементы и другие биологически активные вещества (БАВ).
В НКЭ (при общем количестве азота порядка 8 мг/%) содержится 16 аминокислот, в том числе порядка 300 мг на 1 г а.с.в. связанных и 100 мг- свободных [1].
В КЭ содержатся молочная кислота (рН = 3,5), витамины В1, В2, В5, РР, а также Н (биотин), который, как оказалось, в дополнение к ранее известным свойствам (нормализует состояние костного мозга, клеток крови, нервных тканей, мужских семенных желез, волос, кожи, рост и развитие детей, снижает сахар при диабете II типа), участвует в восстановлении иммунитета, замедлении процессов старения, а также апробируется в инновационных методах в онкологии [2].
Обычно его используют в субстратах микробиологических производств, комбикормах, заменителях цельного молока, удобрениях, при производстве некоторых медпрепа-ратов, а именно: лактатов магния (необходимого для нормального функционирования клеток и поддержания ионного баланса в мышцах, в том числе миакарде); фитина (применяемого для стимуляции кроветворения, укрепления костной ткани и лечения некоторых нервных заболеваний); инозита (витамина В8, необходимого клеткам спинного и головного мозга, противодействия атеросклерозу и ожирению, поддержания эластичности сосудов, стимуляции роста волос).
Анализ состава БАВ, входящих в КЭ, показывает, что он является перспективным крупнотоннажным (порядка 15 м3/ч НКЭ на ККП средней мощности) сырьем и для производства пищевых добавок, в том числе функциональных.
В связи с низкой хранимоспособ-ностью экстракт в н.вр. концентрируют в вакуум-выпарках до СВ=35-50 % [1]. Этот процесс имеет ряд существенных недостатков: интенсивное пено-, накипе- и нагарообразо-
Таблица 1
Основные показатели пермеатов, полученных при очистке и концентрировании кукурузного
экстракта с помощью мембран
Образец Концентрация СВ по рефрактометру, % Доля белка, % на а.с.в. БП 5 г О2/л Рейтинг мембран по ММ, кДа (селективность) Паспортная производительность при Р=0,1 МПа, л/м^ч
Исходный экстракт 12,3 32,5 22,2 - -
УФ-пермеат УПМ-200 11,3 31,8 22,1 150 1560
УФ-пермеат УПМ-100 11,2 31,2 21,9 - 840
УФ-пермеат УПМ-50М 10,6 31,1 21,5 64,5 180
УФ-пермеат УПМ-20 10,5 30,5 20,2 17,0 60
УФ-пермеат УПМ-10 10,3 30,3 20,0 12,7 15
ОО-пермеат XLE (ESPA) 0,8 5 1,56 См.прим. 100 50
ОО-пермеат SWC 0,4 0,5 0,65 См.прим. 45
Примечания. Паспортная селективность: мембран ОПМН-П - 55 % по 0,15 % NaCl; мембран XLE (ESPA) - 98 %; мембран SWS - 99,8 %. Паспортная удельная производительность мембран ОПМН-П приведена при давлении 1,6 МПа, мембран XLE (ESPA) при 1,07 МПа и SWC - при 4,2 МПа. Производитель мембран УПМ м ОПМН-П - ЗАО НТЦ «Владипор», мембран ESPA и SWC - компания Hydranautics.
вание, коррозионный износ, большой расход щелочи на предварительное раскисление, а также высокие инвестиционные и энергетические затраты.
Главное - выпарка не обеспечивает химической и микробиологической чистоты КЭ, необходимой для производства пищевых добавок и медпрепаратов.
Кроме того, упаренный КЭ имеет темно-коричневый цвет, обусловленный интенсивным образованием при выпаривании меланоидинов, которые не расщепляются пищеварительными ферментами, являются ингибиторами некоторых ферментов (например, инвертазы и каталазы), а также процессов микробиосинтеза [3].
Устранить эти недостатки (как показали НИР, проведенные совместно ВНИИК, ВНИИПБТ и ОАО «Хоботовс-кое предприятие «Крахмалопро-дукт») можно за счет использования мембранных процессов (МП) вместо выпарки [4-7]. Был исследован процесс очистки и концентрирования КЭ на ультрафильтрационных (УФ), на-нофильтрационных (НФ) и обратно-осмотических (ОО) мембранах с обычной (марки XLE и ESPA) и повышенной (марки SWC) селективностью, некоторые результаты которых представлены в табл. 1.
Анализ результатов этих НИР показал - задача получения высококачественного микробиологически чистого, отвечающего требованиям пищевой и медицинской промышленности концентрата КЭ (который мы назвали ультраконцентратом КЭ) может быть реализована только при двухстадий-ном применении МП.
Задача первой стадии - полностью удалить остатки зерна, крахмала и другие взвешенные вещества и коллоиды и получить микробиологически чистый (за счет холодной «стерилизации» на мембранах) кристально прозрачный (с коллоидным индексом SDI меньше 5,0) УФ-пермеат (фильтрат, прошедший через УФ-мембрану).
Анализ табл. 1 показывает, что, несмотря на различную селективность УФ-мембран (рейтинг по ММ), УФ-пермеаты по содержанию белка и БПК5 различаются мало. Так как мембраны УПМ-200, УПМ-100 и УПМ-50М (по сравнению с УПМ-20 и УПМ-10) имеют значительно большую производительность, то именно их целесообразно использовать на этой стадии.
Наши НИР показали, что на первой стадии целесообразно применять также керамические мембраны с аналогичным рейтингом.
Задача второй стадии - осуществить максимальное концентриро-
вание УФ-пермеата КЭ по объему с получением ультраконцентрата КЭ (УК-КЭ) с максимально высоким содержанием СВ и белка при минимальной их концентрации в пермеа-те. Вторая задача решается с помощью НФ-мембран ОПМН-П и ОО-мембран XLE (ESPA), но лучше всего на мембранах SWC.
Движущая сила баромембранных процессов - разность между рабочим (Р, МПа) и осмотическим (р, МПа) давлениями [4]. Максимально достигаемая концентрация СВ в УК-КЭ также ограничивается осмотическим давлением.
Проведенные нами исследования (обобщенные результаты приведены на рис. 1) позволяют определять эти давления при расчете промышленных мембранных установок.
Осмотические давления для этого рисунка определяли динамическим методом путем построения графиков зависимости удельной производительности мембран (q, л/м2-ч) марок ОПМН-П, XLE (ESPA) и SWC от рабочего давления (Р, МПа) для УК-КЭ с различной концентрацией СВ. Конкретное значение ОО-давления в УК-КЭ устанавливали экстраполяцией этой зависимости на ось абсцисс, на которой отсекалось осмотическое давление для соответствующей концентрации СВ.
Для УК-КЭ осмотическое давление зависит не только от концентрации (С, % СВ) и абсолютной температуры (Т, °К), но и от марки используемой мембраны и выражается уравнением:
п = А С Т,
где А = 9,6 х 10-4; 6,8 х 10-4 и 5,9 х 10-4 МПа (для мембран марки SWC, XLE (ESPA) и ОПМН-П соответственно).
Известно, что максимальное рекомендуемое рабочее давление для ОО-мембран SWС - 9,0 МПа, а НФ-мембран ОПМН-П - 2,0 МПа. Следовательно, максимально достижимая концентрация СВ в УК-КЭ составляет порядка 28-30 %. При этом степень концентрирования по объему - 5-6 и более раз. Расчетные данные показали, а экспериментальные подтвердили, что концентрирование следует проводить на мембранной установке (МУ), состоящей не менее чем из трех соединенных последовательно по концентрату ступеней (модулей). Вначале до концентрации СВ порядка 12 % на модулях, комплектуемых мембранами ОПМН-П, а затем до СВ=28-30 % на модулях, последовательно комплектуемых мембранами XLE (ESPA) и SWC.
Для расчета и оптимизации мембранных установок необходимо рас-
полагать также данными и по вязкости УК-КЭ.
Кинематическую вязкость образцов определяли с помощью капиллярных стеклянных вязкозиметров типа ВПЖ-4 и ВПЖ-2 по ГОСТ 10028-67.
Образцы УК-КЭ с концентрацией СВ до 25 % получали с помощью очистки и концентрирования НКЭ на УФ-, НФ- и ОО-мембранах, а с концентрацией СВ больше 25 % - довы-париванием. Экспериментальные данные представлены на рис. 2 и 3.
Установлено, что вязкость УК-КЭ в зависимости от концентрации (С, % СВ) и температуры (Т, °С) достаточно точно описывается следующим уравнением:
V = vН2О • ехр [ (6,7 х С + 0,13 х С2)/Т],
где V и vН2О- кинематическая вязкость УК-КЭ и воды, при соответствующей температуре, м2/с (сСт).
В результате обобщения приведенных здесь и других наших НИОКР разработана блок-схема производства УК-КЭ («Экстра» и «Экстра+»), представленная на рис. 4 (заявка на патент РФ № 2012158071 от 29.12.2012 г.).
После предочистки 1 из НКЭ на УФ-установке 2 удаляются и концентрируются все взвешенные и высокомолекулярные растворенные вещества, а также коллоиды. УФ-концен-трат смешивается и высушивается вместе с мезгой с получением кормовой добавки.
Кристально прозрачный УФ-пер-меат, содержащий только растворенные вещества (с ММ в зависимости от марки УФ-мембраны от 64,5 до 150 кДа), концентрируется на разработанной нами комбинированной трехступенчатой НФ-ОО-установке 3 до содержания СВ=30 % с получением УК-КЭ экстра, который в отличие от упаренного КЭ пригоден для использования в пищевой и медицинской промышленности.
НФ-, ОО-пермеат используется в рецикле на стадии замачивания кукурузы. При этом экономятся вода, кислота и теплоэнергозатраты.
По требованию потребителей УК-КЭ («Экстра») может дополнительно концентрироваться до СВ = 50 % с производством УК-КЭ («Экстра+»).
Созданная двухстадийная мембранная технология была отработана в производственных условиях Хобо-товского ОАО, по результатам которой были разработаны производственный Технологический регламент и Технические условия № 9189113-00334586-2014 «Ультраконцентрат кукурузного экстракта (Экстра и Экстра + ), которые соответствуют
п x 10, МПа
70 60 50 40 30 20 10
25 СВ, %
Рис. 1. Осмотическое давление УК-КЭ в зависимости от концентрации СВ при t=20 °С: 1, 2, 3 - для мембран SWQ XLE (ESPA) и ОПМН-П соответственно
20 10 v • 10е , м2/с
\ \/
8,0 6,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,8 0,6
/ /
---
/ /
/ /
10 20 30 40 50 60 СВ, % Рис. 2. Кинематическая вязкость ультраконцентрата КЭ в зависимости от концентрации СВ при температуре 25 °С (1) и 50 °С (2)
V • 106. м2/с
10 8,0 6,0
4,0 3,0
2,0
1,0 0,8 0,6 0,5
1,
4
м --—
^ I
1/333 1/323 1/303 1/293 1/283 1/°К Рис. 3. Кинематическая вязкость УК-КЭ в зависимости от обратной абсолютной температуры: 1, 2, 3 и 4 - концентрация СВ в экстракте - 52, 38, 25 и 5,1 % соответственно
Жир
Исходный КЭ
Ч/
КЭ
УФ-пермеат
Осадок
УФ-концентрат
В мезгу
<
НФ-ОО-пермеат
(Вода на замачивание)
Ультраконцентрат КЭ («Экстра»)
Рис. 4. Блок-схема производства УК-КЭ («Экстра» и «Экстра+») на основе оптимального сочетания мембранных установок и вакуум-выпарки: 1 - сборник-отстойник НКЭ; 2 и 3 - мембранные ультрафильтрационная и комбинированная нанообратноосмотическая установки; 4 - вакуум-выпарка
Таблица 2
Состав комплексных подкисляющих добавок на основе УК-КЭ
Перечень ингредиентов в составе комплексных подкисляющих добавок
Состав № 1 Состав № 2 Состав № 3
1. Добавка УК-КЭ с содержанием СВ=25 % 2. Аскорбиновая кислота 3. №4)2НРО4 4. (^¿О 5. Карбамид 6. МдБ04 7. Триполифосфат 8. №С! 9. Цитрат № 10. Молочная кислота 1. Добавка УК-КЭ с содержанием СВ=25 % 2. Карбамид 3. Лимонная кислота 4. Бланоза (№-КМЦ) 1. Добавка УК-КЭ с содержанием СВ=25 % 2. Карбамид 3. Лимонная кислота 4. Молочная кислота (40%-ная) 5. Бланоза (№-КМЦ)
«Техническому регламенту Таможенного союза «Крахмал, крахмалопро-дукты и другие продукты крахмало-паточного производства».
Расчеты на основе этих производственных испытаний показали, что себестоимость концентрирования НКЭ на мембранных установках меньше, чем на выпарных в 4,2 раза.
На основе испытаний по использованию наработанных в ОАО образцов УК-КЭ («Экстра») в качестве пищевых добавок, наличия большого количества растворимого белка, витаминов, молочной кислоты и других БАВ, изучения литературы и патентов были выявлены сферы его применения в следующих отраслях пищевой промышленности:
в кондитерской промышленности при производстве тех изделий, в которых обычно применяются молочная кислота и лактат натрия (например, мармелада, зефира, карамели с фруктовой начинкой, халвы и др.);
при производстве пива, кваса и безалкогольных напитков для увеличения выхода экстрактивных веществ из солода, оптимизации рН, улучшения физиологического состояния и подкормки дрожжей, обогащения БАВа-ми, улучшения вкуса и аромата;
для приготовления маринадов, консервирования плодов и овощей;
при производстве рыбо-, мясо- и птицепродуктов, в том числе для об-
работки их поверхности с целью образования антимикробного «защитного слоя», а также при производстве модифицированных крахмалов для мясной промышленности взамен лимонной кислоты по технологии источника [8];
в молочной промышленности при производстве биойогуртов и других пробиотических продуктов для стимуляции роста лакто- и бифидобак-терий;
наиболее широкая сфера применения УК-КЭ - в хлебопекарной промышленности, а именно: в качестве одного из компонентов препаратов для борьбы с «картофельной болезнью», стимулятора биосинтеза и роста пекарских дрожжей (которые целесообразно использовать также для обогащения различных пищевых продуктов короткими полипептидами и аминокислотами после их гидролиза по технологии источника [9]), белково-витаминно-го улучшителя - обогатителя, закваски (подкислителя) при производстве ржаного и ржано-пшеничного хлеба.
Последнее было подтверждено при испытании УК-КЭ специалистами отдела технологии хлебопекарного производства НИИ хлебопекарной промышленности. Было установлено, что ее введение при выпечке ржано-пшеничного хлеба позволяет
исключить использование дополнительных подкисляющих компонентов.
По органолептическим показателям этот хлеб характеризовался равномерной пористостью, мягким и эластичным мякишем, приятным вкусом и ароматом. Испытываемая добавка придавала образцам золотистый цвет и глянцевый вид корочки.
Проведенные нами дополнительно теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать три рецептуры комплексных подкисляющих добавок с УК-КЭ (табл. 2).
Разработанная и описанная здесь технология производства и применения ультраконцентрата КЭ в пищевой и биотехнологической промышленности награждена Дипломами и медалями на XI Международной выставке «Мир биотехнологии 2013» и XV Российской агропромышленной выставке «Золотая осень 2013».
Представляется целесообразным продолжение исследований по применению ультраконцентрата КЭ совместно со специалистами научно-исследовательских и учебных институтов вышеперечисленных отраслей пищевой промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Романенко, В.Н. Комплексное использование сырья в крахмало-паточном производстве/В.Н. Романенко, Н.И. Филиппова. - М.: Агро-промиздат, 1985. - 176 с.
2. Громова, О.А. Традиционные и новые взгляды на витамин Н (био-тин)/О.А. Громова//Практика педиатра. - 2007. - № 9.
3. Пигменты пищевых производств (меланоидины)/В.Ф. Селеменев [и др.]. - М.: ДеЛи принт, 2008. - 246 с.
4. Свитцов, А.А. Введение в мембранные технологии/А.А. Свитцов. -М.: ДеЛи принт, 2007. - 280 с.
5. Волков, Н.В. Применение мембранной технологии для очистки и концентрирования картофельного сока/Н.В. Волков, Н.Д. Лукин, Л.В. Кривцун//Достижения науки и техники АПК. - 2011. - № 11. - С. 7980.
6. Оптимизация процесса фильтрации картофельного сока с применением керамических мембран/Н.В. Волков [и др.]//Достижения науки и техники АПК. - 2012. - № 11. - С. 70-72.
7. Эффективные технологии переработки кукурузного экстракта на основе мембранных процессов/В.Л. Кудряшов [и др.]//Труды межд. на-учно-практ. конф. «Глубокая переработка зерна для производства крах-
мала, его модификаций и сахаристых продуктов». - М.: ООО «НИПКЦ Восход-А», 2013. - С. 137-144.
8. Использование новых видов модифицированных крахмалов в мясной промышленности/И.В. Бор-бенева [и др.]//Труды межд. науч-
но-практ. конф. «Глубокая переработка зерна для производства крахмала, его модификаций и сахаристых продуктов». - М.: ООО «НИПКЦ Восход-А», 2013. - С.42-47.
9. Римарева, Л.В. Влияние ферментативного комплекса гриба
Aspergillus oryzae на степень гидролиза биополимеров дрожжевой биомассы/Л.В. Римарева, М.Б. Оверченко, К.А. Морозова, Е.М. Серба//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2006. - № 4.-С. 39-43.
Ультраконцентрат кукурузного экстракта - новая пищевая добавка
Ключевые слова
мембранные процессы; кукурузный экстракт; пищевые добавки. Реферат
В статье описаны технология очистки и концентрирования кукурузного экстракта на основе применения мембранных процессов, приведены его осмотическое давление и вязкость. Показана перспектива и эффективность использования кукурузного экстракта в качестве функциональной пищевой белковой добавки в различных отраслях пищевой промышленности.
Авторы
Кудряшов Вячеслав Леонидович, канд. техн. наук,
ВНИИ пищевой биотехнологии, 111033, Москва, ул. Самокатная,
4, б, vera_vikir@mail.ru
Retentate of Corn Extract - New Food Additive Key words
membrane processes; corn extract; food additives. Abstracts
The technology of corn extract clarification based on application of membrane processes was described; its osmotic pressure and viscosity were stated. The features and efficiency of corn extract application as food protein additives in various industries were shown.
Authors
Kudryashov Vyacheslav Leonidovich, Candidate of Technical Science, Research Institute of Food Biotechnology, 4b, Samokatnaya St., Moscow, 111033, vera_vikir@mail.ru
