Технология производства инулина из топинамбура

Обновлено: 05.10.2024

Презентация на тему: " Комплексная переработка клубней топинамбура 1. Комплексная переработка топинамбура с получением инулина, пектина, фруктозо-глюкозного сиропа, пищевых." — Транскрипт:

1 Комплексная переработка клубней топинамбура 1

3 Рынок инулина в России Емкость рынка15-24 тыс. тн/год Стоимость на мировом рынке EURO/кг Промышленное производство в России отсутствует Применяется в медицине, парафармацевтике, в кондитерской отрасли 3 Прогноз потребления инулина в гг., тонны 1-й сценарий – стабильная ситуация на рынке в отношении предложений 2-й сценарий – выход на рынок производителя инулина из топинамбура

4 Сильные стороны проекта Производство импортозаменяющей продукции Отсутвие в России действующего промышленного производства Рост спроса на диетическое и диабетическое питание Наличие условий для создания сырьевой базы Разработаны оригинальные технологии переработки клубней топинамбура с получением пищевого инулина и сгущенного экстракта позволяющие существенно снизить затраты на производство многих продуктов из топинамбура 4

5 Цель проекта ввод в оборот залежных земель4000 га создание новых рабочих мест205 выпуск импортозамещающей продукции: пектин750 тн/год инулин6000 тн/год сироп фруктозно-глюкозный5500 тн/год фруктоза кристаллическая5500 тн/год пищевые волокна2400 тн/год 5

6 Показатели проекта Стоимость проекта77 млн. EURO (3083 млн.руб.) Необходимые инвестиции60 млн. EURO (2404 млн.руб.) Срок реализации г.г. Срок окупаемости 5,3 года Рентабельность (к 2018г)39% Формы сотрудничествакредит и другие формы 6

7 Риски проекта В России сильны традиции потребления обычного сахара Технологические риски (высокие потери при производстве) Отсутвие специалистов-технологов на российском рынке Увеличение сроков окупаемости 7

Изобретение относится к способам получения инулина из инулинсодержащего сырья. Описывается способ получения инулина из клубней топинамбура, включающий его кристаллизацию и сушку, отличающийся тем, что из измельченных клубней топинамбура при помощи физико-механического отделения водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней получают сок, из которого при помощи нагревания до 80-85 o C в течение 1-3 мин и фильтрования удаляют белковые и окрашенные вещества, после чего сок очищают при помощи ультрафильтрации, диафильтрации и нанофильтрации, осветляют при помощи активированного угля, концентрируют и из полученного раствора кристаллизуют инулин, причем отделение водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней осуществляют не позже, чем через 5-10 мин после измельчения последних. Предлагаемое техническое решение позволяет повысить производительность и экономичность способа получения инулина из топинамбура.

Изобретение относится к способам получения инулина из инулинсодержащего сырья.

Инулин - углевод из группы полисахаридов, встречающийся как запасный продукт в клубнях и корнях растений семейства сложноцветных. Инулин - полимер D-фруктозы нерастворим в холодной воде, но растворим в горячей воде, молекулярная масса /мол.м./ составляет 5000-6000 Да со средней мол.м. примерно 5400 Да.

Из инулина можно получать высокофруктозный сироп, кристаллическую фруктозу, этанол и другие пищевые продукты, а также использовать его в виде пищевой добавки для регулирования обмена веществ при заболеваниях сахарным диабетом, ожирением.

Известен способ получения инулина из клубней топинамбура /прототип/, по которому инулин извлекают из измельченных клубней экстрагентом - 25%-ным водным раствором 96 o этанола при соотношении 1:1 и температуре 1-4 o C в течение 10 дней. После отделения осадка надосадочную жидкость разбавляют дистиллированной водой 1:1 и очищают ультрафильтрацией и на ионообменниках /2/.

В этом способе процесс извлечения инулина из дробленых клубней топинамбура длителен и сложен. Для обеспечения параметров процесса экстракции необходимы дополнительные затраты на использование хладагента, а продолжительный процесс экстракции в течение 10 суток удорожает технологию и снижает удельный объем продукции с единицы геометрического объема оборудования. Использование водного раствора этанола в качестве экстрагента требует дополнительные затраты на организацию пожаро- и взрывобезопасного производства. Использование воды на стадии экстрагирования влечет увеличение затрат на упаривание раствора при очистке продукта.

Заявляемое изобретение решает задачу упрощения технологии получения инулина и позволяет повысить производительность и экономичность способа получения инулина из топинамбура.

Это достигается тем, что в способе получения инулина из клубней топинамбура, включающем его кристаллизацию и сушку, из измельченных клубней топинамбура при помощи физико-механического отделения водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней получают сок, из которого при помощи нагревания до температуры 80-85 o C в течение 1-3 мин и фильтрования удаляют белковые и окрашенные вещества, после чего сок очищают при помощи ультрафильтрации, диафильтрации и нанофильтрации, осветляют при помощи активированного угля, концентрируют и из полученного раствора кристаллизуют инулин, причем отделение водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней осуществляют не позже, чем через 5-10 мин после измельчения последних.

Пример N 1. Клубни топинамбура после тщательной мойки и инспекции в количестве 10 кг измельчают дроблением до размера частиц 0,3 - 1 мм. Сразу же, в течение 5 мин, из полученной кашки начинают отделение сока от твердых волокнистых веществ измельченного топинамбура самотеком. После выделения сока /I/ мезгу отжимают на прессе. Полученный сок /II/ присоединяют к самотечному соку /I/. Белковые вещества и окрашенные примеси удаляют из сока нагреванием до температуры 80-85 o C в течение 1-2 мин. Объем сока /I+II/ составляет 7300 см 3 , содержание сухих веществ /СВ/ - 21,5%; оптическая плотность /ОП/ - 0,41 при длине кюветы 10 мм и длине волны света 440 нм. Белковые вещества и окрашенные соединения коагулируются, часть коагулянта образуется на поверхности в виде "шапки". Разделение скоагулировашихся твердых частиц от жидкости осуществляется фильтрованием. Объем фильтрата составляет 5740 см 3 , содержание СВ 19,5 %, ОП 0,11, добракочественность 76,15%. Полученный фильтрат светло-желтого цвета очищают от высокомолекулярных веществ инулиновой природы с мол.м более 6500 Да и коллоидно-дисперсных веществ ультрафильтрацей на полых волокнах. Концентрат после ультрафильтрации раствора разбавляют водой в соотношении 1 : 2 об./об. и подвергают диафильтрации. Пермеаты после ультрафильтрации и диафильтрации объединяют. Объем равен 5580 см 3 , содержание СВ 18,8%, доброкачественность 87,4%. Пермеат далее очищают от неорганических примесей и инулинов с мол.м менее 4500 Да нанофильтрацией, пропуская его через полупроницаемую мембрану с порогом задерживания 4500 Да. В ультрафильтрат переходят низкомолекулярные и неорганические примеси, а инулин накапливается в концентрате, который содержит 26,8% СВ, доброкачественность равна 94,3%, величина pH 6,7. Очистку инулинсодержащего раствора от красящих веществ осуществляют углем марки ОУ-А, который добавляют в раствор в количестве 0,05 - 0,3% и контактируют при температуре 50-60 o C в течение 30-40 мин. Уголь отделяют центрифугированием. Данный процесс можно вести в динамическом режиме. Фильтрат обесцвечивается на 70-80%. Обесцвеченный раствор упаривают до СВ 60-65% при температуре 55-60 o C и разрежении 150-180 мм рт. ст. Из концентрированного раствора объемом 1500 см 3 , содержащего 59,2% СВ, кристаллизуют при 4 o C инулин. Выход составляет 740 г c учетом возврата маточника. После перекристаллизации из водно-спиртового раствора и сушки получают 710 г инулина.

В полученном продукте аналитически определено 96,4% основного вещества /инулина/, угол вращения [] 2 _D 0 равен 37,2 o , содержание влаги 5,8%, содержание сульфатной золы 0,3%. Пермеат хроматографически однороден, на хроматограмме обнаружено одно пятно коричневого цвета на старте. Примесей углеводородов в виде моносахаров не обнаружено; pH 6,7; содержание свинца 0,06 мг/кг; кадмия 0,02 мг/кг; Cs-137 менее 4,5 бк/кг; Sr-90 21,3 бк/кг; мышьяка, ртути и меди не содержится.

Пример N 2. Клубни топинамбура тщательно моют, инспектируют и в количестве 10 кг измельчают при комнатной температуре на терке путем истирания до получения "кашки", которую не позже чем через 10 мин подвергают центрифугированию с фактором разделения не менее 6600. Полученный сок направляют на очистку от белковых и коллоидных частиц, а мезгу - на утилизацию. В результате центрифугирования получено 7100 см 3 сока с содержанием СВ 21,2%, с оптической плотностью 0,39 при длине кюветы 10 мм и длине волны 440 нм. Сок нагревают до 85 o C и выдерживают при этой температуре до 3 мин. Скоагулировавшиеся белковые вещества и коллоидно-дисперсные частицы отделяют от жидкости центрифугированием при факторе разделения, равном не менее 6600. Объем фугата составляет 5700 см 3 , содержание СВ 19,3%, ОП 0,09%, доброкачественность 76,3%. Очистку полученного фугата осуществляют по схеме, описанной в примере N 1. Из концентрированного раствора объемом 1750 см 3 с содержанием 56,5% СВ инулин кристаллизуют при температуре 8 o C в течение 12 - 18 ч, а затем инулин отделяют от маточника центрифугированием при факторе разделения, равном 6600. Получают 710 г влажного инулина с учетом возвратов маточника. Выход инулина после сушки составляет 450 г. Полученный продукт имеет следующие физико-химические показатели: содержание инулина 97,2%, угол вращения 38,5 o , содержание влаги 5,9%, содержание сульфатной золы 0,3%. Препарат хроматографически однороден, примесей углеводов не обнаружено.

Источники информации: 1. Абелян В.А. Получение и применение иммобилизованных ферментов и клеток микроорганизмов. Изд-во АН АрмССР, Ереван, 1989 г. - 319 с. /с.348/.

2. Патент РФ N 2001621, A 61 K 35/78, 1993, БИ N 39-40.

Способ получения инулина из клубней топинамбура, включающий его кристаллизацию и сушку, отличающийся тем, что из измельченных клубней топинамбура при помощи физико-механического отделения водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней получают сок, из которого при помощи нагревания до 80 - 85 o С в течение 1 - 3 мин и фильтрования удаляют белковые и окрашенные вещества, после чего сок очищают при помощи ультрафильтрации, диафильтрации и нанофильтрации, осветляют при помощи активированного угля, концентрируют и из полученного раствора кристаллизуют инулин, причем отделение водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней осуществляют не позже, чем через 5 - 10 мин после измельчения последних.

Изменения:Публикацию о досрочном прекращении действия патента считать недействительной

NC: Существует много информации (от проф. Чепурного и от Вас) о важности производства инулина из топинамбура. В то же время на рынке присутствует только инулин из цикория. Чем между собой отличаются инулины из двух этих видов сырья (основные различия в свойствах)?

ВГ: Традиционно сложилось, что производством инулина в основном занимались три фирмы - голландские и бельгийские. Но в последнее время на рынок выходят две китайские фирмы, которые получили органический зеленый сертификат США и Канады, и они производят инулин только из топинамбура. В южных провинциях Китая огромное количество площадей занято топинамбуром, там построили первый завод производительностью 300 000 тысяч тон, а сейчас строится второй завод, который целиком ориентирован на Японию. В литературе нет отчетливых сведений, в чем разница между инулином из топинамбура и из цикория. Но по последней информации фирмы ООО "Фабрика биотехнологии", которая производит препарат "Астролин" на основе инулина из топинамбура, этот вид инулина имеет более высокую степень полимеризации. Это косвенно подтверждают китайские и наши последние данные. Голландские и бельгийские фирмы констатируют, что инулин из цикория содержит полифруктан, состоящий из 2 - 60 структурных единиц фруктозы, а у инулина из топинамбура 3-5 % фракции имеет степень полимеризации до 85 единиц.

NC: Какие недостатки у инулина из топинамбура? Какие преимущества?

ВГ: Никаких недостатков нет, потому что он имеет такую же химическую структуру, просто топинамбур легко выращивается, и эта культура не страдает никакими сельскохозяйственными заболеваниями, в отличие от цикория. Поэтому при возделывании топинамбура не используются пестициды, гербициды, а удобрения минимальны, и по своей природе это экологически чистый материал. Поэтому китайцы три года занимались инулином из топинамбура и получили зеленый органический сертификат США, а американский департамент, который занимается пищевыми добавками, предъявляет очень высокие требования.

NC: Есть данные, что цикорий легче перерабатывать - в нем содержится до 75% (инулина или полифруктанов в среднем до 49% или в культурных районированных до 70% на сухую массу) инулина, в то время, как в топинамбуре – лишь 16-18%

ВГ: Нет, это не так. В литературе описано, что содержание в цикории полифруктанов в среднем до 49%, и только в особых районированных культурных сортах 70% на сухую массу, в то время как в топинамбуре практически во всех сортах содержание инулина на сырую массу составляет 16-20%, что в переводе на сухую массу – 75%.

NC: Если утверждать, что в топинамбуре процентное содержание инулина больше, чем 16-18%, то значит ли это, что нужно выводить специальные сорта топинамбура?

ВГ: Дело в том, что в Советском Союзе существовало несколько селекционных центров, в том числе Майкопская станция Российской сельхозакадемии в Адыгее, где работает крупный селекционер топинамбура мирового уровня Н.М.Пасько. Здесь находится самая большая в мире коллекция сортов топинамбура. Для всех регионов России выведены свои сорта: "интерес", "лира", "скороспелка", "Вадим", "Находка" и многие другие. В 1995 году я издал книгу по топинамбуру, где содержатся основные сведения по составу, химии, переработке этой культуры. В 2002 году в Москве Кочнев выпустил книгу "Топинамбур – биоэнергетическая структура".

NC: Можно ли из топинамбура произвести инулин, сопоставимый по цене с инулином из цикория?

ВГ: Сейчас запущено несколько проектов в РФ. Один проект в Ставропольком крае – АПК "Георгиевское", второй в Чувашии. Проведены испытания, и по своим характеристикам инулин из топинамбура в молочных продуктах проявляет значительно лучшие свойства. Технология производства инулина из топинамбура привлекательна еще тем, что в этой культуре, в отличие от цикория, содержатся еще и пектиновые структуры - столько же, сколько и в яблоках, чуть меньше, чем в цитрусовых. Поэтому, с точки зрения рентабельности производства, топинамбур представляет больший экономический интерес – на первой стадии можно получать инулин экстракцией из горячего водного раствора, затем в остатке выделяются пектиновые вещества, содержание которых составляет 1,5 процента сырой массы - больше, чем в некоторых сортах яблок. На последней стадии получается клетчатка и пищевые волокна. Поскольку процесс переработки топинамбура протекает в три стадии, пищевые волокна получаются очищенными от минеральных веществ и имеют очень полезные свойства, в отличие от волокон из отрубей и зерновых культур.

NC: Представители компаний – производителей инулина из цикория утверждают, что инулин на основе топинамбура не подходит для широкого применения в пищевом производстве (цвет, осадок), подходит только для фармацевтики. Это действительно так?

ВГ: Нет, эти компании преувеличивают. В ближайшее время, с учетом того, что китайские и некоторые европейские фирмы выйдут на рынок, спрос на инулин из топинамбура и цикория может резко измениться. Сейчас в Китае производят 30 тысяч, а в мире 110-120 тысяч тонн инулина, но через пять лет Китай может занять 50% этого рынка и больше.

NC: Для каких целей может быть использован в первую очередь инулин из топинамбура?

ВГ: Во-первых, он может применяться в фармацевтике. Во-вторых, испытания в технологичных лабораториях показали, что он может также использоваться в рецептурах молочных, кондитерских и других пищевых продуктов, как и инулин из цикория.

NC: А какое основное применение инулина в медицине?

ВГ: В медицине он используется, прежде всего, в противодиабетических биологически активных добавках. Все противошоковые препараты также делаются на основе инулина. В Японии производятся около 20 препаратов с использованием именно инулина из топинамбура, поскольку он имеет более длинную молекулярную цепочку, в которую можно "вшивать" различные химические реагенты с фармацевтическими свойствами.

NC: Вы запатентовали технологию производства инулина из топинамбура. Насколько инулин, полученный Вашим способом, может быть конкурентоспособен на рынке по качеству и по цене?

ВГ: Качество должно строго соответствовать международным стандартам для этой добавки, поэтому здесь нет различий. А себестоимость нашей продукции будет значительно ниже, поскольку цена килограмма топинамбура меньше, чем килограмма цикория.

NC: По вашей технологии кто-то планирует строить завод в России?

ВГ: Завод по комплексной переработке топинамбура будет строиться в Ставропольком крае в АПК "Георгиевское". Еще один завод по переработке 40 тысяч тонн клубней топинамбура в год будет в Чувашии.

NC: В каких регионах в России можно выращивать топинамбур кроме Юга?

Топинамбур – это такая культура, которая растет от севера и до Юга. Если в Ленинградской области, Чувашии и центральной полосе урожайность 30-35 тонн с гектара, то на Юге – это 40-60 тонн с гектара.

NC: Кто-нибудь в мире производит инулин из топинамбура, кроме Китая? Какие страны?

ВГ: Огромные посевы топинамбура в Северной Америке, в Канаде, но там он в основном используется для производства биоэтанола. Сначала получают инулин, потом фруктозо-глюкозный сироп, а затем спирт. Крупнейший в мире завод по производству 150 миллионов тонн биоэтанола в год находится в США, а второй на 50 миллионов тонн – в Канаде. Они могли бы получать и инулин.

NC: На Ваш взгляд, в перспективе инулин из топинамбура сможет вытеснить инулин из цикория в России?

ВГ: У нас есть договоренности с компанией "Вимм-Билль-Данн", которая потребляет 200-300 тонн в год инулина из цикория, о том, что она будет использовать инулин из топинамбура. Им передали образцы этого продукта, которые показали в испытаниях хорошие результаты. Перспектива успеха инулина из топинамбура в России весьма велика.

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Пасынкова М. А., Кареткин Б. А.

Исследована очистка водных экстрактов из клубней топинамбура от красящих примесей путем ультрафильтрации. Установлено, что при использовании мембраны с пределом пропускания10 кДа часть углеводов задерживается в концентрате, в то время как ультрафильтрация через мембрану на 20 кДа без предварительной обработки активированным углем не позволяет добиться полного обесцвечивания пермиата. Изучены различные способы обработки стеблей топинамбура.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Пасынкова М. А., Кареткин Б. А.

Совершенствование технологических процессов свеклосахарного производства с применением электрохимически активированных растворов

Purification of Jerusalem artichoke tubers water extracts from pigments by ultrafiltration was investigated. It was established, that portion of carbohydrates were kept in concentrate, when 10 kDa membrane used, while when 20 kDa membrane was used with out activated char-coal pretreatment, fool purification of extract could not be achieved. Different ways of Jerusalem artichoke stem treatment were studied.

М.А. Пасынкова, Б.А. Кареткин

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

СОЗДАНИЕ МАЛООТХОДНОЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИНУЛИНА ИЗ ТОПИНАМБУРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

Исследована очистка водных экстрактов из клубней топинамбура от красящих примесей путем ультрафильтрации. Установлено, что при использовании мембраны с пределом пропускания10 кДа часть углеводов задерживается в концентрате, в то время как ультрафильтрация через мембрану на 20 кДа без предварительной обработки активированным углем не позволяет добиться полного обесцвечивания пер-миата. Изучены различные способы обработки стеблей топинамбура.

В последнее время увеличивается количество продуктов питания, БАД и медицинских препаратов, содержащих инулин, что связано с его пребиотическими свойствами. Поэтому создание новых энергосберегающих и малоотходных технологий получения инулина является одной из значимых задач. Инулин относится к группе фрук-танов или полифруктазнов, и состоит из 30-36 остатков ß-D-фруктозы. Инулин и оли-гофруктаны содержаться в качестве запасного вещества в цикории, георгине, нарциссе, гиацинте, топинамбуре, артишоке, одуванчике и ряде других растений, в основном относящихся к семейству Сложноцветных. Одним из наиболее перспективных источников инулина являются клубни топинамбура, содержащие до 80 % этого полифруктозана по сухому весу.

Ранее проведенные исследования показали, что инулин может быть выделен из предварительно измельченных до размеров частиц 5 - 30 мм клубней топинамбура ультразвуковой экстракцией. Оптимальными условиями для проведения данного процесса являются гидромодуль 12, температура и рН экстрагента 60 °С и 6,0±0,2, соответственно. При этом максимальный выход инулина - 63,5 % отн., достигался в течении 10 мин, т.е. как минимум в 2 раза быстрее, чем в известных ранее способах, а сам процесс шелф в более мягких условиях. Поскольку цветность полученного экстракта была велика, вследствие чего, осаждение из него инулина не позволит получить продукт высокого качества, также исследовали возможность предварительной очистки экстракта от окрашенных соединений активированным углем. Однако даже при оптимальном содержании актитвированного угля 10 г на 1 л экстракта не удалось добиться полного обесцвечивания. К тому же использованный активированный уголь не может быть регенерирован, что делает технологию менее экологичной.

В ходе переработки топинамбура основную массу отходов составляют стебли и жом клубней. Ранее показано, что жом может быть использован для получения растительных углеводно-белковых кормов (РУБК). С этой целью суспензию жома с содержанием сухих веществ 2,3 % и рН среды 1,0 - 1,2, подвергали ультразвуковой обработка при температуре среды 72 - 75 °С, в результате чего в раствор переходило 5,9 г/л сахаров. В процессе культивирование дрожжей Candida tropicalis на полученном гидроли-зате к стационарной фазе концентрация биомассы достигала 2,5 г/л.

Целью данной работы является поиск возможных путей совершенствования ис-

следуемого способа получения инулина из топинамбура для создания малоотходной, энергосберегающей технологии.

В данной работе нами исследована возможность очистки ультразвукового экстракта из клубней топинамбура от красящих примесей с применением ультрафильтрации. Ультрафильтрация может быть использована также для концентрирования экстракта, что позволит избежать энергоемкой стадии вакуум-выпаривания.

Рис.1. Исследование Рис. 2. .Выделение углеводов из стеблей

ультрафильтрации топинамбура различными способами: 1 - уль-

экстракта из клубней тразвуковая обработка в установке с элемен-

топинамбура на мембране том стержневого типа, 2 - обработка в лабора-с порогом удержания торной ультразвуковой ванне, 20 кДа. 3 - температурная обработка.

При ультрафильтрации экстракта, предварительно осветленного активированным углем, на мембране с порогом удержания 10 кДа значительная часть углеводов собиралась в пермеате. При этом цветность пермеата против дистиллированной воды равнялась 0. Однако часть сахаров задерживалась на мембране и оставалась в концентрате, поэтому нами исследована ультрафильтрация экстракта на мембранах с более высоким порогом удержания. Ультрафильтрации на мембране 20 кДа подвергли экстракт, не обработанный активированным углем. В ходе ультрафильтрации 95,6 % углеводов перешли в пермеат, однако цветность пермеата возрастала (рис. 1). Полученные результаты позволяют заключить, что мембрана с порогом удержания 20 кДа не может

быть применена для удаления из экстракта цветных примесей, поскольку в отличии от мембраны на 10 кДа, не удерживает эти примеси. Указанное, может быть связанно с тем, что пигментные примеси с низкой молекулярной массой, сорбировались на угле, в случае, когда ультрафильтрацию проводили на мембране 10 кДа. Однако, возможно так же связывание фенольных соединений, которые, как известно, придают окраску водным растительным экстрактам, с молекулами углеводов, что приводит к увеличению молекулярной массы последних, из-за чего они задерживались на мембране 10 кДа. В этом случае необходимо исследовать возможные пути разрушения этих комплексов. Вопрос требует дальнейших исследований.

В ходе переработки топинамбура основную массу отходов составляют стебли. В данной работе исследованы различные способы выделения углеводов из стеблей топинамбура: температурное и ультразвуковое воздействие, причем в последнем случае процесс проводили в ультразвуковой ванне, а также в установке, с элементом стержневого типа. Стебли измельчали до частиц размером 3 - 5 мм. Процесс осуществляли при pH 2,0 и гидромодуле 15 (на сухой вес стеблей). Как видно из результатов, представленных на рис.2, наиболее эффективным способом выделения углеводов является тепловая обработка. Однако эффективность ультразвуковой обработки, особенно в случае использования установки с элементом стержневого типа, может быть значительно повышена при увеличении степени измельчения.

Таким образом, исследованные способы утилизации как жома, так и стеблей топинамбура с целью получения РУБК нельзя считать эффективными, поскольку концентрации углеводов после предобработки, а, следовательно, и концентрации биомассы, не высоки. Интенсифицировать данный процесс можно путем объединения двух этих видов отходов.

1. Фам Ань Кыонг. Получение белка одноклеточных из растительного сырья по малоотходной и энергосберегающей технологии: Дисс.. ..канд. техн. наук. - М., 1998.

2. Чепурной, И.П. Способ получения инулина/ И.П.Чепурной, С.М.Кунижев,

3.Н.Швецов и др.- Патент РФ 2121848.- 1998.

3. Мухамеджанова, Т.Г. Выделение инулина в процессе комплексной переработки топинамбура. Разработка технологического режима экстракции инулина и других фрук-тозанов из топинамбура. Отчет по НИР. - М., 1994.

4. Ebringerova, A. / A. Ebringerova, Z. Hromadkova // Ultrasonics Sonochemistry, 2002, Vol. 9..- Р. 225-229.

5. Run Cang Sun / Run Cang Sun, Jeremy Tomkinson // Ultrasonics Sonochemistry, 2002, Vol. 9.- Р. 85-93.

УДК: 577.112.083 О.В. Рытченкова

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ БЕЛКОВ ИЗ КОНЦЕНТРАТА МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

The ultafiltration process of whey and molecular weight distribution of whey proteins were researched. . It has been observed that concentrate contains immunoglobulins, bovine whey albumin, lactoferrin and lactop-eroxidase, permeate contains a-lactalbumin and b-lactoglobulin. The precipitation of proteins in isoelectric point was researched. Two protein samples consisting of immunoglobulins and mixture of lactoferrin and lactoperox-

Проведен анализ патентной и технической литературы, изучены способы получения полифруктанов из растительного сырья. Выявлены основные недостатки существующих способов: невысокое качество продукта, продолжительность процессов, высокая стоимость оборудования. Ни в одном из существующих способов не отражена возможность использования ультразвукового излучения, которое, как известно, успешно используется в процессах, проходящих в жидких средах, т.к. только в них возникает специфический процесс – УЗ кавитация, обеспечивающий максимальные энергетические воздействия на различные вещества. Воздействие ультразвука позволяет значительно ускорить процессы, происходящие между неоднородными средами, увеличить выход экстрактивных веществ, улучшить их свойства, удалить вредные примеси.

1. Акопян Ю.Р. Разработка технологии получения фруктозного сиропа из топинамбура: Автореф. дис. канд.тех.наук. – М., 1994 – С. 6–16.

5. Патент РФ №2175239, 27.10.2001. Аравина Л.А., Городецкий Г.Б., Иванова Н.Я., Комаров Е.В., Момот Н.Н., Черкасова М.А.

Пребиотики являются одним из наиболее привлекательных и самых динамично развивающихся сегментов рынка функциональных добавок пищевой отрасли в России и в мире. Инулин в процентном соотношении занимает наибольшую часть рынка функциональных ингредиентов. Данный пребиотик регулирует обмен веществ, позволяет снизить уровень сахара в крови, предотвращает возникновение осложнений сахарного диабета, потому используется в качестве компонента лечебно-профилактического питания для диабетиков. Инулин также широко применяется в пищевой промышленности в качестве основного компонента для производства фруктозного сахара. В последнее время инулин используется также как заменитель жиров в молочных продуктах и десертах, т.к. способен придавать продуктам сливочную насыщенность и консистенцию.

Цели и задачи исследования

Определение путей совершенствования способов получения инулина из растительного сырья на основе анализа существующих и предлагаемых в литературных источниках технологий инулина.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– анализ патентной и технической литературы по поставленной проблеме;

– анализ достоинств и недостатков существующих и предлагаемых в литературных источниках технологий инулина;

– обобщение полученной информации;

– определение путей совершенствования технологии инулина.

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ существующих способов производства инулина позволил выявить ряд перспективных технологий полифруктанов, в частности, инулина.

Известен способ получения инулина из клубней топинамбура, включающий его кристаллизацию и сушку. В известном способе [3] из измельченных клубней топинамбура при помощи физико-механического отделения водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней получают сок, из которого при помощи нагревания до 80–85 °С в течение 1–3 мин и фильтрования удаляют белковые и окрашенные вещества. При этом отделение водорастворимых веществ от нерастворимых в воде волокнистых веществ клубней осуществляют не позже, чем через 5–10 мин после измельчения последних. После чего полученный фильтрат сока очищают от высокомолекулярных веществ инулиновой природы с молекулярной массой более 6500 Да и коллоидно-дисперсных веществ при помощи ультрафильтрации на полых волокнах. Полученный концентрат разводят водой и подвергают диафильтрации. Пермеат после ультрафильтрации и пермеат после диафильтрации объединяют и проводят нанофильтрацию, пропуская объединенный раствор через полунепроницаемую мембрану с порогом задерживания 4500 Да. При этом в концентрате накапливается инулин, а низкомолекулярные и неорганические примеси переходят в ультрафильтрат. Инулинсодержащий раствор осветляют при помощи добавленного в раствор активированного угля, который контактирует с раствором при температуре 50–60 °С в течение 30–40 мин. После этого уголь отделяют центрифугированием. Обесцвеченный раствор упариванием концентрируют и из полученного концентрированного раствора при температуре 4 °С кристаллизуют инулин.

В известном способе инулин получают из сока свежесобранного сырья (топинамбура), но способ не позволяет получать химически чистый инулин с молекулярной массой 5000–6000 Да, который пригоден для использования в фармакологии и медицине. Использование ультрафильтрации для очистки инулина требует наличия специальных фильтров и мембран, которые малодоступны для промышленного использования. Кроме того, очистка извлечений из топинамбура с помощью ультрафильтрации и фильтрации на мембранах не дает возможности освободить извлечения, содержащие инулин от высокомолекулярных природных полимеров белков и пектинов.

Для получения инулинсодержащего раствора по известному способу[6] клубни топинамбура моют в емкости с водой, инспектируют, затем режут на ломтики, после чего ломтики сушат. Высушенные ломтики измельчают в муку до тонины помола 50–60 микрон. Муку топинамбура размешивают в горячей воде с температурой 50–60 °С до получения однородной консистенции без комков. Затем полученную суспензию с соотношением компонентов 1:4 подогревают до 80–85 °С выдерживают при перемешивании 1–1,5 ч. для экстракции фруктозанов. После этого суспензию охлаждают до температуры 50 °С и отделяют через фильтрующую ткань или центрифугированием твердую фазу (шрот) от жидкой фазы. Фильтрат очищают от красящих веществ активным осветляющим углем в смеси с перлитом в соотношении 1:1. Обработку ведут при температуре 50–60 °С в течение 0,5–1 ч. Отработанный уголь и перлит отделяют фильтрованием через ткань. Для увеличения доброкачественного инулинсодержащего раствора, фильтрат очищают от неорганических примесей и инулидов с молекулярной массой менее 4000 Да нанофильтрацией, пропуская через полупроницаемые мембраны с порогом задержания частиц более 4000 Да. При этом фаза, прошедшая через мембраны – пермеат, содержит низкомолекулярные примеси, а в задержанной фазе-концентрате накапливаются инулин и инулиды. Полученный таким образом инулинсодержащий раствор в дальнейшем используют для получения по известным технологиям инулина фруктозно-глюкозного сиропа. B описанном способе приведены примеры получения инулинсодержащего раствора как на основе сока кашицеобразной консистенции, полученной при измельчении свежесобранных клубней топинамбура, так и на основе приготовления водной суспензии из муки топинамбура.

Однако в данном способе после осветления инулинсодержащего раствора большую сложность представляет отделение из него активированного угля, так как частицы угля проходят через фильтрующую ткань и попадают в фильтрат. Раствор остается сильно окрашенным, что влияет на цветность конечного продукта и, соответственно, на качество инулина, получаемого из инулинсодержащего раствора. Кроме того, из инулинсодержащего раствора, полученного при реализации известного способа, невозможно получить химически чистый инулин с молекулярной массой 5000–6000 Да для использования его в фармакологии и медицине, так как нанофильтрацию проводят на полимерных полунепроницаемых мембранах, которые имеют ограничения по температуре и низкий ресурс эксплуатации до 1 года в связи с тем, что подвержены химической деградации за счет гидролиза, окисления и микробного воздействия.

Известен способ получения инулина и других фруктаносодержащих продуктов из топинамбура [2]. В известном способе клубни топинамбура моют в емкости с водой, инспектируют, затем режут на ломтики, после чего ломтики сушат. Высушенные ломтики измельчают в муку до тонины помола 50–60 микрон. Муку топинамбура размешивают в горячей воде с температурой 50–60 °С до получения однородной консистенции без комков. Затем полученную суспензию с соотношением компонентов 1:4 подогревают до 80–85 °С и выдерживают при перемешивании 1–4,5 ч. для экстракции фруктозанов. После этого суспензию охлаждают до температуры 50 °С и отделяют через фильтрующую ткань или центрифугированием твердую фазу (шрот) от жидкой фазы. Фильтрат очищают от красящих веществ активным осветляющим углем в смеси с перлитом в соотношении 1:1. Отработанный уголь и перлит также отделяют фильтрованием через ткань и затем проводят нанофильтрацию полученного раствора, который для выделения высокомолекулярных инулинов пропускают через полимерные полупроницаемые мембраны с порогом задержания частиц более 4000 Дa. После получения концентрата, в котором содержатся высокомолекулярные инулины и их выделения, при последующей кристаллизации для получения фруктозанов используют неутилизируемые отходы, в частности полученный при нанофильтрации пермеат – раствор фруктозанов, который получают из шрота при гидромодуле 1:1 посредством проведения дополнительной экстракции и маточный раствор. Растворы объединяют и обесцвечивают активным углем, который добавляют к объединенному раствору с последующим подогревом последнего до температуры 50 °С и выдержкой в течение 1 часа при периодическом перемешивании. По окончании процесса обесцвечивания проводят фильтрацию под вакуумом, пропуская обесцвеченный раствор через ткань, на которую нанесен слой перлита. Обесцвеченный раствор фруктозанов упаривают под вакуумом при остаточном давлении 120 мм рт. ст. и температуре 60 °С, а затем высушивают на распылительной сушилке и получают мелкодисперсный порошок фруктозанов (содержание фруктозанов составляет не менее 85 %).

Вышеописанный способ получения инулина и других фруктаносодержащих продуктов из топинамбура имеет целый ряд недостатков. Резка клубней топинамбура осуществляется крупными ломтиками и, поскольку клубни топинамбура содержат большое количество сахаристых веществ (в том числе инулина), из-за чего сушка весьма затруднена, так как ломтики слипаются, их необходимо постоянно перемешивать, при этом усложняется оборудование, увеличивается потребление энергии. Кроме того, крупные ломтики темнеют за счёт окисления, что требует больше усилий при обесцвечивании конечной продукции. Небольшой выход инулина в раствор определяет то, что измельчение продукта осуществляется до тонины помола 50–60 микрон. Приготовление суспензии начинают в режиме невысоких температур 50–60 °С, а для проведения экстракции осуществляют принудительный подогрев до 80–85 °С. Однако при этом длительность экстракции сокращается, что недостаточно для максимального выхода фруктозанов в раствор.

Известен способ получения инулин-пектинового концентрата в порошке для медицинских и пищевых целей из высушенного сырья [4], заключающийся в том, что проводят водное экстрагирование из порошка сухих клубней топинамбура фракций инулина и водорастворимого пектина, экстрагирование пектинов водным раствором кислоты лимонной из оставшегося сырья, кристаллизацию и осаждение инулина и пектинов.

Недостатками данного способа получения инулин-пектинового концентрата является небольшой выход пектина и его невысокие качественные характеристики (связывающая способность, степень этерификации, уронидная составляющая, полная статическая обменная емкость). Инулин-пектиновый концентрат также обладает невысокой детоксицирующей активностью.

Известен способ комплексной переработки топинамбура, предусматривающий мойку топинамбура, его паровую очистку, доочистку, резку, бланширование, протирку, экстрагирование подкисленной водой с разделением фаз, очистку экстракта путем введения в него хлористого кальция, нагревания до кипения, медленного охлаждения, выдержки в течение 60 минут и центрифугирования с удалением осадка и получением инулинсодержащего раствора [1].

Недостатком является потеря пектиновых веществ на стадии очистки экстракта. Кроме этого, подкисление раствора инулина может приводить к гидролизу инулина и, соответственно, снижению выхода.

Известен способ получения инулина и других фруктаносодержащих продуктов из топинамбура и другого инулинсодержащего сырья [5], включающий экстрагирование фруктанов горячим солевым раствором из сырья с последующей фильтрацией и депигментацией на анионите, концентрирование, осаждение, фильтрацию, промывку и вакуум-сушку готового продукта.

Выводы

Из обзора патентной и технической литературы следует, что существует достаточно большое количество способов получения инулина из клубней топинамбура, однако все они имеют схожие недостатки, такие как:

1. Сравнительно небольшой выход конечного продукта и его невысокое качество;

2. Относительно большая длительность процесса, что делает производство инулина нерентабельным;

3. Получение конечного продукта с примесями;

4. Частичные потери инулина вследствие экстракции спиртовым раствором (агрессивная среда);

Ни в одном из существующих способов не отражена возможность использования ультразвука при экстрагировании инулина из раствора топинамбура.

Воздействие УЗ колебаний на различные технологические процессы позволяет:

– не менее чем в 10–1000 раз ускорить процессы, протекающие между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, очистку, обезжиривание, дегазация, окрашивание, измельчение, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, полимеризацию, гомогенизацию, химические и электрохимические реакции и др.);

Читайте также: