Совершенствование технологии получения белкового концентрата из люцерны посевной

Введение. Одной из ключевых проблем современного мира является недостаток кормового белка [1]. Люцерна посевная является одним из главных источников протеина и витаминов для крупного рогатого скота, овец, лошадей, свиней и птицы. Поиск технологии получения белково-витаминного концентрата (БВК) из сока люцерны, позволяющей обеспечить максимальный выход белка и сохранить полезные свойства извлекаемых веществ, являются ключевой задачей при разработке малоотходных и ресурсосберегающих технологий [2, 3, 4].

Один из основных этапов получения БВК – процесс осаждения (коагуляции) белков, который можно осуществлять различными методами. Однако, отмечено, что выход и качество продукта будут различными.

В связи с этим, цель работы ˗ определение метода обработки сока люцерны, при котором наблюдается максимальный выход белковой массы, при сохранении биологической ценности БВК.

Материалы и методы. Объект исследования – сок люцерны посевной поздней стадии вегетации, полученный механической дезинтеграцией [5]. Сок, имеет темно-зеленый цвет с характерным запахом и составляет 30-50% веса свежей листостебельной биомассы люцерны. Качественный и количественный состав зеленого сока, очищенного от растительных примесей: влажность, массовая доля протеина, жира, клетчатки, общей золы, содержание кальция и фосфора исследовали по общепринятым методикам.

Зеленый сок коагулировали двумя способами:

1. Термическая коагуляция. Сок немедленно нагревали для коагуляции протеинового концентрата от температуры 50 °С до 80±2 °С, затем выдерживали при комнатной температуре, разделяли на три фракции и определяли в них долю сухого вещества (СВ). В процессе термического осаждения белковой фракции наблюдали:

• Влияние температуры и скорости осаждения на эффективность разделения фракций;
• Перераспределение сухого вещества в трех фракциях сока в зависимости от продолжительности его отстаивания после воздействия температурой от 50° до 80 ±2°С;
• Влияние кислотности (рН) на термокоагуляцию.

2. Химическая коагуляция. Коагуляцию проводили, снижая рН до величин 4,0-4,2 соляной кислотой. Большая часть белков имеет изоточки 4,0-5,2. Если значение рН сока близко к изоэлектрическим точкам основной массы водорастворимых белков, последние должны коагулировать без нагрева сока. Выбор соляной кислоты объясняется ее химическими свойствами, объемами промышленного производства и относительной безвредностью для организма животных [6].

В ходе эксперимента осаждения белков термической коагуляцией установлено, что температура осаждения хлоропластной фракции составляет от 50° до (60±2) °С.

Результаты экспериментов по перераспределению сухого вещества показали: большая часть сухого вещества концентрируется в верхней и средней фракциях. При минимальной температуре нагрева 50 °С, только 20 % сухого вещества, входящего в состав сока, находится в нижней фракции. Данная тенденция сохранялась при всех температурных режимах в интервале от 50° до 75° С.

При нагреве сока до (80±2) °С содержание СВ в нижней фракции увеличилось на 8 % в сравнении с температурой 50 °С и составило 28 % от общего количества сухого вещества сока люцеры, что связано с денатурацией цитоплазматических белков, которые оставались в нативном состоянии при более низких температурах.

Исследование временной зависимости степени коагуляции компонентов сока и распределения СВ по фракциям показало, что увеличение продолжительности периода, следующего после окончания нагрева, от 15 до 360 минут в интервале использованных температур не меняло тенденцию распределения СВ. Через 15, 30 и 60 мин. доля сухих веществ в нижней фракции росла пропорционально температуре нагрева, в то время как в коричневом соке падала.

По истечении 6-ти часов, за счет частичного разрушения пены, компоненты верхней фракции, теряя флотационные способности, оседали на дно и на поверхности белого осадка появлялся пигментированный (зеленый) слой. Таким образом, все цитоплазматические белки были скоагулированы по истечении 15 мин, поскольку содержание сухих веществ средней фракции не зависело от температуры. В условиях термокоагуляции (80±2) °С количество сухого вещества в средней фракции выше 10 %.

Установлено, что термическое осаждение сока при температуре 50-60 °С, обеспечивает выход БВК в количестве 20,3 % от объема поступившего на переработку зеленого сока. При этом щадящем температурном режиме получили БВК с высокой питательной ценностью: содержанием белка (42,4 %) и незаменимых аминокислот – валина, лизина, треонина, триптофана.

При химическом способе фракционирования, добавлением 1 N раствора соляной кислоты, снижали рН сока до значений 3,3; 3,6; 4,5; 5,0, и через 15, 30, 60 минут определяли содержание СВ во фракциях. После добавления кислоты происходило быстрое разрушение пены, и по истечении 15 мин после доведения рН верхняя фракция сока исчезла. Обнаружено, что химическое осаждение протекало быстрее, чем термическое.

При химической коагуляции для рН < 4,0 уже к 15 минуте осаждалось максимально возможное количество компонентов сока без разделения белков на хлоропластную и цитоплазматическую фракции, как при термической обработке. Все компоненты сока оседали на дно в виде мелкого осадка, так как подкисление сока не вызывает, выделения растворенного воздуха, обеспечивающего образование пены и флотационное отделение цитоплазматических белков от хлоропластных [7].

При рН > 4,0 процесс осаждения протекает медленнее: по истечении 15 минут с начала эксперимента не все белки коагулировали, и процесс осаждения продолжался в течение часа. При рН > 4,0 в нижней фракции сока увеличение доли сухого вещества происходило пропорционально его уменьшению в коричневом соке в течении 60-90 минут.

Из зависимости распределения сухого вещества от кислотности сока, следует, что наиболее эффективное распределение компонентов по двум фракциям, происходит в диапазоне рН 3,3-3,6 через 15-20 минут (рисунок).

1. Период полной коагуляции белков (15-20 минут от начала процесса) при рН 3,3

2. Период полной коагуляции белков (16-28 минут от начала процесса) при рН 3,6

3. Период полной коагуляции белков (20-55 минут от начала процесса) при рН 4,5

4. Период полной коагуляции белков (28-90 минут от начала процесса) при рН 5,0

Рис. График соотношения времени полной коагуляции белков сока люцерны в зависимости от рН среды

Установлено, что химическое осаждение сока при закислении соляной кислотой, обеспечивает выход БВК в количестве 26,0 % от объема поступившего на переработку зеленого сока.

Качественный и количественный состав полученного термической и химической коагуляцией белкового концентрата, исследован по общепринятым методикам [8].

Таблица 1

Биохимический состав белкового концентрата люцерны (100 г)

Аминокислотный состав белкового концентрата люцерны, при разных способах осаждения белка, определялся согласно ГОСТ 56373-2015, методом капельного электрофореза, на приборе «КАПЕЛЬ®-105/105М» с наличием спектрофотометрического детектора.

Таблица 2

Аминокислотный состав белкового концентрата люцерны (100)

Биологическая ценность белкового концентрата люцерны посевной определяется качественным и количественным составом входящих в него аминокислот. Даже при общем положительном протеиновом балансе организм животного может испытывать недостаток протеина. Основную роль в обменных процессах организма играют роль незаменимые аминокислоты, синтез которых в организме не происходит, и они должны доставляться с кормом. Четыре из них являются критическими (лимитирующими) ˗ лизин, метионин, цистин и триптофан. Они чаще всего ограничивают рост и развитие животных. Организм должен получать достаточное количество главной лимитирующей кислоты с кормом для того, чтобы и другие аминокислоты могли эффективно использоваться для синтеза белка [9].

Белковый концентрат, получаемый разными способами осаждения, различается количественным составом аминокислот. Термическая обработка денатурирует часть белков при температуре 60 ˗ 80 °С и аминокислоты разрушаются. Поэтому для сохранения аминокислотного состава белка необходимо выбирать щадящий температурный режим или химический метод осаждения. Рыбная мука, являющаяся одним из ключевых источников белка комбикормов по содержанию некоторых аминокислот уступает белковому концентрату люцерны.

Заключение. Сравнивая результаты, полученные при разных методах фракционирования сока люцерны, пришли к выводу, что для кормового производства предпочтение следует отдать кислотному методу. Его преимущество – в отсутствие нагрева и в том, что сок при этом делится на две фракции – осадок хлоропластной и белковой фракции, и коричневый сок. Жидкая часть может быть отделена от осадка декантацией без использования сложного технологического оборудования. В промышленном производстве предпочтительно применять соляную кислоту, сочетающую оптимальную стоимость и относительную безвредность для окружающей среды и животных. Метод термокоагуляции может быть удобен при отделении кормового белка и витаминов (хлоропластная фракция) от белка пищевого (цитоплазматического).