Анализ эффективности применения низкочастотных механических колебаний при экстрагировании белкового изолята из рапсового шрота

В условиях постоянной трансформации продовольственных систем, обусловленной ростом мирового населения, все чаще поднимается вопрос о необходимости развития производства, способного снизить растущий дефицит белка. Для решения такой задачи используется технология получения белковых изолятов из растительного сырья с возможностью его применения в качестве альтернативного источника животному белку. Переход на растительный белок обусловлен схожестью его структуры с белками животного происхождения, наличием большинства незаменимых аминокислот, высокой биологической ценностью, легкой усвояемостью, низким содержанием холестерина по сравнению с животным белком, а также обусловлен возможностью моделирования аминокислотного состава, за счет включения в смесь белковых изолятов различных растительных культур [1]. Растущий спрос на продукты для организации здорового питания способствует более углубленному изучению влияния растительного белка на организм человека. Многочисленные исследования показывают, что употребление растительного белка в пищу способствует улучшению функции сердца, а также снижению риска развития хронических заболеваний [2]. Рапсовый шрот, как побочный продукт масложировой промышленности, в основном использующийся как белковая кормовая добавка, в своей структуре содержит до 48% белка, что делает его перспективным сырьем для промышленного производства пищевых белковых изолятов. Белок рапса характеризуется сбалансированным аминокислотным составом, высокой биологической ценностью и отсутствием глютена. В России производство рапса активно развивается в регионах Центрального Черноземья и Сибири, что обеспечивает доступность и низкую стоимость сырья, а также решает вопросы утилизации отходов масложировой промышленности, создавая предпосылки для развития безотходных технологий [3,4].

Несмотря на высокий потенциал, промышленное получение белкового изолята из шрота рапса сопряжено с рядом технологических ограничений. Традиционный метод получения изолята включает в себя водно-щелочное или водно-солевое экстрагирование, фильтрацию, осаждение и сушку [5]. Время проведения процесса для такого метода является существенно большим и может достигать 8–15 часов непрерывного массопереноса, при этом степень извлечения составляет не более 60–70%. Это обусловлено значительным внешним диффузионным сопротивлением и ограниченной скоростью массопереноса в пограничном слое [6].

При этом использование агрессивных щелочных реагентов существенно влияет на экологическую составляющую и безопасность полученного продукта.

Для ускорения процесса экстрагирования применяются различные физико-химические методы, такие как предварительная ферментативная, механическая, ультразвуковая и другие виды обработки сырья, которые часто характеризуются высокой энергоемкостью, многостадийностью, использованием токсичных реагентов, значительной потерей промывных вод и риском денатурации белка [5, 7, 8]. В то же время анализ существующих технологий показал, что ввиду сложности и многостадийности процесса такие способы не всегда позволяют получать белковый изолят с необходимыми показателями качества. Кроме того, они требуют наличия сложного технологического оборудования, систем контроля и регулирования основных технологических параметров, применения большого количества промывных вод, что формирует проблемы их последующей утилизации или регенерации, сопровождающиеся большими энергетическими и экономическими затратами на производство, а также часто предполагают использование токсичных и экологически не безопасных растворителей [9–12].

Рассматриваемый способ интенсификации процесса экстрагирования растительного белка предполагает использование 10%-го раствора хлористого натрия (10% NaCl) в комбинации с низкочастотными механическими колебаниями, которые за счет формирования гидродинамических областей знакопеременного давления, способствуют снижению внешнего диффузионного сопротивления и ускорению массообменных процессов [13]. Последующее осаждение белка в изоэлектрической точке (рН 4,45–4,65) осуществляется с помощью 10% раствора янтарной кислоты [14]. Полученный осадок фильтруется, промывается водой и направляется на сушку. Достоинством метода является применение неагрессивных реагентов как для извлечения, так и для осаждения белка. При этом применение янтарной кислоты в качестве фенол-связываю-щего реагента позволяет образовывать легкорастворимые устойчивые комплексы между фенольными соединениями, которые, впоследствии, легко удаляются водой на стадии промывания, что позволяет значительно сократить объем промывных вод. Также метод характеризуется безопасным для здоровья и экологии проведением процесса экстрагирования, понижением содержания фенольных соединений, что положительно сказывается на органолепти- ческих показателях, значительной интенсификации процесса экстрагирования и сохранении функциональных свойств изолята.

Цель работы – разработка и экспериментальная апробация технологии получения высококачественного белкового изолята из частично обезжиренного рапсового шрота, за счет наложения на систему низкочастотных механических колебаний, с последующей обработкой экстракта раствором янтарной кислоты, что позволит обеспечить повышение выхода экстрактивных веществ при сохранении функциональных свойств белкового изолята.

Материалы и методы

В эксперименте использовали частично обезжиренный рапсовый шрот, промышленного производства с содержанием белка 45,83% на сухое вещество ( ГОСТ 13496.4–2019. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. М., 2019. П. 8 ), предварительно очищенный от примесей и измельченный до эквивалентного диаметра частиц 0,5–1 мм. В качестве экстрагента был использован 10% раствор хлорида натрия (NaCl), подаваемый в аппарат в соотношении 1:10. Температура проведения процесса экстрагирования 50–60^о С.

Технология реализуется в лабораторном аппарате периодического действия с объемом рабочей камеры 3 литра и диаметром 140 мм (23). На расстоянии 80 мм от дна аппарата установлена вибрационная перфорированная насадка диаметром 134 мм и отверстиями ∅ 3 мм с долей живого сечения (отношением площади отверстий к общей площади вибрационной насадки) 15%. Насадка совершает гармонические колебания, которые генерируют гидродинамические волны в системе, а их регулирование происходит за счет контролируемых параметров ч астоты (10–20 Гц) и амплитуды (3–10 мм). Для обеспечения достоверности полученных результатов, каждый эксперимент проводился в троекратном повторении, последующую обработку вели по осредненным значениям.

Частично обезжиренный рапсовый шрот, измельченный до частиц с эквивалентным размером 0,5–1 мм, навеской 0,15 кг, добавляли в рабочую емкость, в которую предварительно наливали 1,5 дм3 10% раствора поваренной соли, тем самым обеспечивая соотношение фаз 1:10 в системе «твердое тело – жидкость». После включения привода вибрационной насадки производился отбор проб экстракта каждые 5 минут без остановки процесса. Пробы проходили многоступенчатую фильтрацию и в полученном экстракте определялась концентрация извлеченного белка. Степень извлечения белкового изолята рассчитывали, как отношение извлеченного белка к исходному содержанию белка в шроте.

Рисунок 1. Вибрационный аппарат периодического действия, для интенсификации процесса экстрагирования растительного белка, где: 1 – асинхронный электродвигатель; 2 – шток; 3 – перфорированная тарелка; 4 – рабочая камера аппарата; 5,7 – патрубки ввода / вывода фаз; 6 – патрубок для отбора проб.

Figure 1. A vibrational apparatus for batch operation to intensify the process of extracting plant protein, where: 1 – asynchronous motor; 2 – rod; 3 – perforated plate; 4 – working chamber of the apparatus; 5, 7 – input/output nozzles for phases; 6 – sampling nozzle.

Для определения концентрации полученного белка в растворе использовался метод предварительного кислотного осаждения до изоэлектрической точки рН 4,45–4,65 и многоступенчатой промывкой дистиллированной водой, с последующим термическим воздействием на экстракт, для полной дегидратации имеющейся жидкости при 65–75 ℃ в течение 12 часов, после чего производилось измельчение полученного продукта с последующим взвешиванием на весах с погрешностью 0,01 г.

Полученные кинетические кривые извлечения характеризуют протекание процесса при разных режимах обработки системы «твердое тело – жидкость», определяемых значениями частоты (f) и амплитуды (A) колебаний: A (3, 5, 7, 10 мм), f (10, 15, 20 Гц).

Коагуляция белкового изолята из солевого экстрагента проводилась 10% раствором янтарной кислоты с экспериментально подобранным соотношением 1:20, такое соотношение обеспечивает подкисление среды до изоэлектрической точки (рН = 4,45–4,65). Коагуляция сопровождалась постоянным перемешиванием в течение 25 минут и поддержанием температуры раствора 50–60 °C. Осаждение белка производилось при помощи гравитационного метода в течение 5 часов, без перемешивания, с дальнейшей водной промывкой и сушкой в течение 12 часов при температуре 65–75 °C.

Полученные образцы сравнивались с образцами, полученными традиционным методом, где экстрагирование проводилось без наложения низкочастотных механических колебаний, в тех же условиях, но со временем 1 час, 3 часа, 5 часов и 8 часов.

Оценка содержания сырого протеина полученного в ходе проведения экспериментального метода проводилась в соответствии с ГОСТ 13496.4–2019 корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения содержания азота и сырого протеина. Оценка биохимических показателей полученного изо-лята проводилась в соответствии с методикой М 04–38–2009 Корма, комбикорма и сырье для их производства. Методика измерений массовой доли аминокислот методом капиллярного электрофореза с использованием системы капиллярного электрофореза "Капель".

В процессе проведения эксперимента были получены значения подводимой электрической мощности при помощи ваттметра типа Д 5016 с классом точности 0,2 по ГОСТ 8476–93. Эти значения являются полной затрачиваемой энергией, где учитываются все потери: на трение в подшипниковом узле, в кривошипно-шатунном механизме, потери в меди и на передачу подвижным частям аппарата, кинетической энергии. Для расчета средне-интегральной полезной мощности использована формула:

N =N -N ср       п      хх где Nср – средне-интегральная полезная мощность, Вт; Nп – значения полной мощности, полученные с помощью ваттметра, Вт; Nхх – мощность электродвигателя, замеренная во время холостого хода, для каждого режима вибрационного аппарата, Вт.

По (1) были рассчитаны общие энергозатраты для каждого эксперимента. Расчет удельных энергозатрат на экспериментальных режимах выполнен по формуле:

^Q уд ⁼

N *t ср    c max

m *1000

где Qуд – удельные затраты энергии на кило- грамм обрабатываемого сырья кДж/кг; tсmах

–

время достижения максимальной концентрации белка в экстрагенте, с; N ср – средне-интегральное значение потребляемой мощности электродвигателя при рассматриваемом режиме работы вибрационного аппарата за время t сmах , Вт; m – масса сырья загруженного в вибрационный аппарат, кг.

Статистическая обработка производилась в редакторе электронных таблиц MS Ехсеl, с усреднением полученных параметров и стандартных отклонений (n = 3).

Результаты

Экспериментально установлено, что наложение низкочастотных механических колебаний на систему «твердое тело – жидкость» позволяет значительно интенсифицировать процесс экстрагирования и при этом, получить значительное повышение степени извлечения экстрагируемых веществ – белкового изолята.

Таблица 1.

Кинетика процесса экстрагирования белка.

Table 1.

Kinetics of the protein extraction process.

Время | Time Режим | Mode [мм / Гц | mm/Hz]	Концентрация растительного белка в растворе, г/л Concentration of vegetable protein in the solution, g/l
	5 мин / 5 min	10 мин / 10 min	15 мин / 15 min	20 мин / 20 min
А = 3 / f = 10	4,11	7,05	9,13	10,16
А = 3 / f = 15	4,28	7,14	9,67	10,56
А = 3 / f = 20	4,99	7,24	9,96	10,84
А = 5 / f = 10	4,37	7,64	11,63	11,42
А = 5 / f = 15	5,54	8,65	12,53	12,36
А = 5 / f = 20	4,93	8,93	10,95	10,74
А = 7 / f = 10	5,00	8,25	10,64	10,57
А = 7 / f = 15	5,23	8,96	11,61	11,59
А = 7 / f = 20	5,32	8,51	11,74	11,56
А = 10 / f = 10	5,4	8,16	11,46	11,32
А = 10 / f = 15	5,53	9,37	12,02	11,89
А = 10 / f = 20	5,42	8,35	11,57	11,49

Полученные кинетические кривые характеризуются значительным ростом концентрации белка в экстракте (12,53 г/л) для режима A = 5 мм, f = 15 Гц, за 15 минут проведения процесса, при этом кинетические кривые извлечения по «Традиционному методу» также имеют экспоненциальный характер, но за период до 8 часов экстрагирования и с достижением концентрации лишь до 8,10 г/л.

Аналогично и для других режимов работы вибрационной установки, степень извлечения белка составляет от 70 до 90%, как показано на рисунке 3, что говорит о целесообразности использования данного метода интенсификации процесса экстрагирования белка из обезжиренного шрота рапса. При этом необходимо найти рациональные значения частоты и амплитуды колебаний вибрационной насадки с учетом энергозатрат, а также стабильности полученного экстракта. Для этого подставим в (2), значения полезной мощности, полученные в ходе проведения экспериментов.

Экспериментальным путем доказано, что использование амплитуды А = 3 мм в частотном диапазоне f = (10–20Гц) имеет наименьшие энергозатраты и его можно охарактеризовать режимом «мягкого» перемешивания. Недостаток энергии делает сложным преодоление диффузионного сопротивления, что сказывается на степени извлечении белка (рисунок 3), тем самым применение такого режима считается нецелесообразным. Режим А = 5 мм, f = 15 Гц, является самым эффективным, так как при умеренных энергозатратах, извлечение растительного белка происходит во всем временном интервале проведения эксперимента таблица 1. Вероятно, это следствие достижения режима «достаточной» турбулентности гидродинамического потока, который в полной мере проникает в поры сырья. Режимы А = 7 мм и А = 10 мм показывают, что при меньшей степени извлечения наблюдается значительное энергопотребление. Такие режимы характеризуются перерасходом энергии и могут быть отнесены к неэффективным.

Таблица 2.

Удельные энергозатраты на экстрагирования растительного белка в вибрационном аппарате в зависимости от частоты и амплитуды колебаний насадки

Table 2.

Specific energy consumption for extracting plant protein in a vibrational apparatus, depending on the frequency and amplitude of the attachment oscillations

f, Гц f, Hz	Удельные энергозатраты, кДж/кг Specific energy consumption, kJ/kg
	А = 3 мм | mm	А = 5 мм | mm	А = 7 мм | mm	А = 10 мм | mm
10	8	12	17	26
12,5	21	26	35	46
15	40	47	55	72
17,5	56	62	74	86
20	72	82	88	92

Частота колебаний, Гц/Vibration frequency, Hz

Рисунок 2. Зависимость удельных затрат энергии аппарата от частоты колебаний вибрационной насадки

• Figure 2.    Dependence of the specific energy consumption of the apparatus on the vibration frequency of the vibrating attachment

Полученные экспериментальные данные затрачиваемой мощности адекватно описываются полиномиальными зависимостями второго порядка, из-за зависимости отклика от двух факторов, при этом каждый экстремум кривой находится в исследуемой области, что позволяет выявить оптимальные параметры частоты при разных значениях амплитуды [15].

Анализ кривых из рисунка 2 показывает, что увеличение подводимой энергии к исследуемой системе ведет к повышению энергоемкости процесса, при относительно одинаковой степени извлечения. При этом связь между энергетическими показателями при экстрагировании растительного белка из шрота рапса, описывается единым уравнением поверхности откликов Qуд(f, A) полученным в результате многомерного регрессионного анализа удельных энергозатрат частоты колебания и амплитуды вибрационной насадки (3).

Q (f,A) =-4,103+0,727f+0,326A --0,0158f² -0,0127fA-0,0032A²;       (3)

R ² = 0.997

♦А=3 мм; f=l 5 Гц -►А=5мм;1=15 Гц -^А=7 мм; f=15 Гц +А=10мм;1=15Гц A=3mm;f=15Hz A=5mm;f=15Hz А-7 mm; 1=15 Hz A=10 mm; f=15 Hz

Рисунок 3. Концентрация растительного белка при различных режимах низкочастотных механических колебаний в сравнении с традиционным методом

• Figure 3.    Concentration of vegetable protein under different modes of low-frequency mechanical vibrations in comparison with the traditional method

  

  Modes (Amplitude/Frequency) [mm/Hz]                  trad.

  method

  Рисунок 4. Степень извлечения белка при различных режимах работы вибрационного аппарата и традиционном методе экстрагирования

  Figure 4. Protein extraction rate under different operating modes of the vibration apparatus and the traditional extraction method

  
  

Как видно из рисунка 4, наибольшая степень извлечения растительного изолята составляет 90,25% при режиме работы вибрационного аппарата с амплитудой 5 мм и частотой 15 Гц. При этом видно, что и другие вибрационные режимы позволяют значительно повысить выход белка, а продолжительность проведения процесса уменьшить в 32 раза (вместо 8 часов, 15 минут), по сравнению с традиционным методом при котором степень извлечения составляет 60,94%.

Обсуждение

Основным фактором замедления процесса экстрагирования при традиционном методе, является внешнее диффузионное сопротивление, действие которого объясняется формированием на поверхности экстрагируемых твердых частиц коллоидных соединений, препятствующих диффузионному переносу белковых молекул из клеточной структуры твердой частицы в ядро экстракционным потоком [13, 15]. Предлагаемый метод, за счет использования энергии гидродинамических колебаний позволяет не только распределять концентрационные слои белкового изолята по всему рабочему объему экстрагента, но и увеличить основную площадь контакта взаимодействия сырья с раствором экстрагента в системе «твердое тело – жидкость», что повышает скорость проведения процесса и выход белкового изолята.

Как видно из представленных рисунков 3 и 4, степень извлечения для режимов с амплитудой А = 3 мм показывает наиболее низкую эффективность экстрагирования – степень извлечения белка составляет 70–76% при всех исследованных частотах (10, 15, 20 Гц). Такое поведение объясняется недостаточной величиной гидродинамического воздействия, величина кото- рого определяется соотношением амплитуды и частоты колебаний тарелки. Так, при малой амплитуде колебаний количество подводимой энергии недостаточно для разрушения коллоидного слоя на поверхности твердых частиц и эффективного обновления пограничного слоя. Несмотря на увеличение частоты от 10 до 20 Гц, прирост степени извлечения для данной амплитуды незначителен, что подтверждает нецелесообразность использования такого режима. Режимы с амплитудой А = 7 мм и А = 10 мм при тех же параметрах частоты и аналогичном проведении процесса, демонстрируют промежуточное значение степени извлечения белка

(80–90%), что ниже показателей рационального режима (А = 5 мм, f = 15 Гц). Снижение эффективности обусловлено нарастающим пенообра-зованием, что в свою очередь способствует снижению площади контакта фаз за счет чего происходит частичное экранирование поверхности частиц микропузырьками воздуха, тем самым снижая скорость массообмена [16]. Кроме того, процесс характеризуется повышенными энергозатратами (таблица2), при насыщении экстракта кислородом воздуха, а непрерывное влияние гидродинамических колебаний способствует увеличению «паразитной» области, повышая этот негативный эффект. Это явление также объясняет причину уменьшения степени извлечения белка, при превышении времени процесса в 15 минут. Но, явление интенсивного пенообразования указывает на хорошие функциональные свойства белка [17]. Для того чтобы уменьшить вспенивание уже выделенного белкового изолята, применяют антивспенивающие агенты или пеногасители, снижающие поверхностное натяжение образовавшейся пены [16].

Пищевая ценность белкового изолята, полученного по предложенной технологии приведена в таблице 3. В данном случае суточная норма на человека была установлена по показателям эталонного белка. Общепринято, использовать сравнительную оценку полученного продукта на основании эталонного белка, использующегося в рекомендации FAO/WHO (ФАО/ВОЗ Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН и Всемирной организацией здравоохранения) [18].

Таблица 3.

Аминокислотный состав полученного изолята

Table 3.

Amino acid composition of the obtained isolate

Аминокислоты | Amino acids	Содержание, г/100г Content, g/100g	Неопределенность Uncertainty	Норма, г/100г Norm, g/100g	Отклонение% Deviation%
Аланин | Alanine	4,3	±1,1	-	-
Аргинин | Arginine	8,2	±3,3	-	-
Валин | Valine	4,9	±1,9	5,0	122
Гистидин |Histidine	2,2	±1,1	1,6	137
Глицин | Glycine	5,1	±1,7	-	-
Лейцин и изолейцин (суммарно) | Leucine and isoleucine (combined)	11	±3,0	9,1	121
Лизин | Lysine	3,6	±1,2	4,8	75
Метионин | Methionine	1,8	±0,6	2,3	78
Пролин | Proline	4,9	±1,3	-	-
Серин | Serine	5,1	±1,3	-	-
Треонин | Threonine	4,5	±1,8	4,0	180
Фенилаланин и тирозин (суммарно) | Phenylalanine and tyrosine (combined)	6,5	±1,2	4,1	158

Данные в таблицы 3 показывают высокое содержание таких незаменимых кислот как валин, гистидин, лейцин и изолейцин (суммарно), треонин, а также фенилаланин и тирозин (суммарно) превышают установленное рекомендательное содержание белка FAO/WHO, что показывает его высокую пищевую ценность. Качество белка определяется по его наименьшему отклонению от нормы, в данном случает это лизин, содержащийся в полученном продукте в количественном соотношении от нормы 75%, что характерно для растительных белков [18].

Это говорит о том, что употребление человеком экстрагированного растительного изолята рапса должно осуществляться в качестве высокобелковой добавки к основному рациону человека, для восполнения дефицитных аминокислот. Критический диапазон неопределенности (таблицы 3), рассчитывался по среднеквадратическим отклонениям, он показывает оценку достоверности полученных результатов [19].

По сравнению с существующими источниками [9–12], данный способ имеет ряд преимуществ, характеризующихся использованием неагрессивных реагентов для извлечения белка, с сохранением его функциональных свойств, повышение органолептических свойств, за счет применения янтарной кислоты, в качестве осадителя, а также реализация метода без дорогостоящей техники.

Функциональные свойства полученного изолята показывают растворимость белка более 85% с его эмульгирующей способностью 45–50 мл/г, позволяют применять белковый изолят в качестве высокобелковой добавки или использовать как белковый заменитель в напитках [20–22]. Полученные данные функциональных свойств соответствуют требованиям к белковым ингредиентам пищевой промышленности, что подтверждается сопоставимыми показателями рапсового белка [7, 14, 17, 19].

Заключение

В ходе выполненного исследования разработан и экспериментально подтвержден эффективный способ получения белкового изо-лята из частично обезжиренного рапсового

Научная апробация эксперимента позволяет наглядно увидеть закономерности массо-переноса при влиянии на систему «твердое тело – жидкость» вибрационным воздействием, что показывает актуальность и эффективность данного способа. При этом полученный продукт характеризуется высоким содержанием сырого протеина с хорошими показателями пищевой ценности и функциональными свойствами.

Предложенный способ технологически прост, экологически безопасен, может быть масштабирован, сохраняет нативную структуру белкового изолята и может быть рекомендован для внедрения на предприятиях масложировой и пищевой промышленности. Перспективными направлениями дальнейшего исследования изучения процесса экстрагирования растительного белка являются оптимизация технологии для непрерывного процесса экстрагирования, автоматизация контроля параметров и переключений режимов вибрационной установки, применение технологии с другими видами сырья и т. д.