Отработка технологии переработки зародышей пшеницы

Если в химии одним из главных постулатов является принцип независимости свойств вещества от способа его получения, то в биотехнологии способ и режимы получения биологически активного соединения, как правило, является определяющим фактором его качества.

При этом можно использовать высокоактивное природное исходное сырье, но технологическими воздействиями при его переработке, практически разрушит и инактивировать все то полезное, что заложено в нем природой. Часто, к сожалению, выбор технологии получения биологически активного соединения определяется не его конечным качеством, а экономикой [74].

Вот как Поль Хафф в журнале «Journal of Applied Nutrition» описывает процесс выделения витамина Е из соевых бобов:

«Чтобы подготовить сырье для производства натурального витамина Е, соевые бобы сначала замачивают в растворе каустической соды. Затем гексаном экстрагируют растительные масла и фильтруют. Полученную смесь масел нагревают и обрабатывают азотом и другими газами, затем добавляют соляную кислоту и метанол, чтобы отделить примеси от чистого масла. После этого масло разливают по бутылочкам для продажи, а остающуюся смесь подвергают дополнительной очистке с целью извлечь еще некоторое количество витамина Е. Смесь еще раз фильтруют, извлекая стиролы, промывают водой для извлечения инозита, холина и глицерина, затем промывают метиловым спиртом и фильтруют, чтобы дополнительно извлечь стиролы и другие примеси, сам же спирт удаляют отгонкой. После этого полученный продукт, представляющий собой смесь токоферолов, расфасовывают и называют натуральным витамином Е» [419].

А вот описание технологии получения в России такой биологически активной добавки как масло семян шиповника:

«Семена шиповника очищают на сепараторе, измельчают в порошок и экстрагируют дихлорэтаном при 80° С. Полученный раствор масла направляют в испаритель для отделения растворителя. Затем после сгущения в 5 – 6 раз раствор вымораживают при температуре 10° С и фильтруют при отрицательном давлении для отделения стеринов. В профильтрованный раствор добавляют 5% спирта и направляют в вакуум-аппарат для отгонки при 80 - 90° С остатков дихлорэтана. Из вакуум-аппарата масло отправляют на расфасовку» [332].

При отработке технологии получения биологически активного соединения, приоритетным должен стать основной принцип медицины «Не навреди».

Разделение растительного сырья с целью получения и концентрирования биологически активных продуктов на липидную и белково-углеводную части может происходить экстрагированием или прессованием.

Традиционно механический метод применим для сырья с масличностью более 25 %, ЗП имеет масличность до 15 %, поэтому широко распространенным способом получения масла из ЗП является экстрагирование [101, 419]. Отличие только в выборе растворителя и предварительной подготовке исходного сырья - пропарка, сушка,  измельчение, гидролитическая ферментация [1, 254, 276, 277, 404, 454, 473]. Выбор растворителя определяется его диэлектрической проницаемостью [128, 268, 298]. Высокая растворимость растительных масел в растворителях, имеющих близкую к ним величину диэлектрической проницаемости, позволяет легко отделять основную массу липидов от других органических веществ семян. Многие исследователи применяют в качестве растворителей петролейный эфир, этиловый и изопропиловый спирт, спиртоэфирную смесь, гексан и т.д. [5, 106, 142, 277].

При использовании в качестве экстрагентов различных органических растворителей выход липидной фракции колеблется в довольно широких пределах [166, 168, 254, 277] сводные усредненные результаты по выходу липидной составляющей представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Выходы липидной составляющей зародышей пшеницы, полученные экстракцией различными растворителями

Растворитель	Выход, г/кг зародыша пшеницы
Гексан, петролейный эфир	80 – 100
Диэтиловый эфир	900 – 100
Циклогексан	90
Ацетон	130 – 140
Спирто-эфирная смесь	120 – 160
Трихлорэтилен	75
Хлороформ-метанол-вода	95

 

Выход масла колеблется в довольно широких пределах даже тогда, когда используют один и тот же растворитель, что связано с наличием в зародыше различного содержания эндосперма и отрубей. Отмечается, что более полярные растворители экстрагируют большее количество липидной фракции, например, ацетон и спирто-эфирная смесь обеспечивают экстракцию на 20 – 40 г/кг зародыша выше по сравнению с петролейным эфиром, что может быть связано с тем, что экстрагируется какая-то часть продуктов, не содержащих липидную составляющую [96, 168, 199, 311].

Усредненный биохимический состав масла зародышей пшеницы, полученного экстракцией гексаном, представлен в таблице 1.5.

Наряду с отработкой экстракции липидной составляющей зародышей пшеницы органическими растворителями были проведены работы по экстракции масла зародышей пшеницы жидким СО₂ при давлении 36 атм.

Масло зародышей пшеницы, полученное экстракцией СО₂ характеризуется большим содержанием углеводородной и восковой составляющих, однако одновременно обладает более высокой кислотностью.

Таблица 1.5

Биохимический состав масла зародышей пшеницы при экстракции гексаном

№ п/п	Компоненты	Содержание, %
1	Гликолипиды, пигменты, фосфолипиды	2,3
2	Моноглицериды	2,0
3	Диглицериды	3,3
4	Триглицериды	76,2
5	Стерины	1,0
6	Свободные жирные кислоты	6,0
7	Углеводороды	5,0
8	Воски, эфиры стеринов	4,1

 

Попытки довести масло зародышей пшеницы до требуемых норм по кислотности путем его рафинации приводило к потере 20 – 30% токоферолов и 80 – 90% каротиноидов [50, 51, 325].

Для увеличения выхода масла из зародышей также используется способ предварительного ферментативного воздействия на ЗП. В основном применяется двухэтапная схема выделения липидов из ЗП, согласно которой на первом этапе происходит обогащение ЗП путем ферментации препаратами гидролитических ферментов, на втором этапе - экстракция продукта. Ферментация ЗП проводится с применением протеаз и целлюлаз, что увеличивает масличность ЗП практически в 2 раза [143, 144, 254].

После отгонки растворителя масло зародышей пшеницы содержит значительное количество примесей, мешающих его дальнейшему применению и придающих ему нежелательные органолептические свойства. Вынужденная очистка масла зародышей пшеницы производится с применением множества физико-химических процессов или рафинации.Нерастворимые в масле примеси отделяют отстаиванием и далее фильтрацией. Фосфолипиды, примеси белковых и слизистых веществ отделяют гидратацией (водой, слабыми растворами кислот). От свободных жирных кислот, содержащихся в сыром масле зародышей пшеницы, освобождаются путем обработки щелочью (щелочная рафинация), образующиеся при этом соли жирных кислот (мыла) удаляют вместе с примесями. Масло зародышей пшеницы, прошедшее многократные стадии очистки, может быть сильно окрашенным и иметь посторонний запах, что исправляется посредством адсорбционной очистки. Серьезным минусом этого способа считается потребность удаления из жмыха остаточного растворителя [43, 154, 254, 325, 473].

Еще одним из вариантов выделения масла из ЗП считается углекислотное экстрагирование. Выход масла зародышей пшеницы выше (в сравнении с экстрагированием растворителями) за счет извлечения части связанных липидов, но в этом случае в масло зародышей пшеницы добавляются растворимые полисахариды. Масло, полученное из зародышей пшеницы экстрагированием жидким диоксидом углерода при давлении около 36 атмосфер, имеет высокое кислотное число (около 120-200 мгКОН/г), что значительно превышает требования СанПин к пищевым маслам растительного происхождения. Это объясняется тем, что диоксид углерода растворяется в остаточной влаге. В растворе протекает реакция образования угольной кислоты, взаимодействие с которой непредельных жирных кислот, содержащихся в масле зародышей пшеницы, увеличивает кислотное число. Снижение кислотного числа возможно путем проведения регенерации масел. Кроме того, масло, полученное экстрагированием СО₂, характеризуется большим содержанием углеводородной и восковой составляющих [104, 106, 182, 209].

Общий анализ приведенных выше способов получения масла ЗП методами экстрагирования предполагает недостатки, заключающиеся во влиянии растворителя на качество и количество получаемого масла, его состав и экологическую загрязненность масла и жмыха. Следует отметить, что при экстрагировании отделение липидной фракции от ЗП происходит практически в полном объеме, отделяется основная доля моно- и диглицеридов, углеводородов и жирных кислот. Но при этом доведение масла до товарной кондиции биологически активной добавки предполагает существенные энергозатраты и присутствие остаточных растворителей в продукте ставит под сомнение его биологическую ценность [90, 166, 206, 267].

Общий анализ экстракционных методов получения масла зародышей пшеницы показал, что отделение липидной составляющей от зародыша происходит практически на 100 %, извлекаются значительное количество моно- и диглицеридов, свободных жирных кислот и углеводородов. Однако наличие остаточных растворителей в определенной степени ставит под сомнение его биологическую ценность. Так, например, содержание остаточных растворителей даже при вакуумировании масла зародышей пшеницы и белково-углеводной составляющей при температуре 100° С и при остаточном давлении 1 мм рт. ст. содержание остаточных растворителей находится на уровне 0,05 %.

Продукты переработки ЗП методом прессования не имеют перечисленных недостатков и более перспективны к применению  в технологии пищевых продуктов [111, 148, 235, 253]. При реализации данного метода качество получаемого масла выше, чем экстракционного, оно не имеет постороннего запаха и вкуса, остающегося после растворителя, однако выход его составляет не более 2-5 % от массы исходного сырья [123, 138, 184, 186, 205, 293, 317, 325, 440].

 В дальнейшей работе были проведены исследования по разработке промышленной технологии переработки зародышей пшеницы методом проходного прессования.

Основными сложностями при этом были следующие:

1. До наших работ не было ни промышленной технологии, ни оборудования, обеспечивающих переработку сырья с масличностью менее 15 %.

2. Сохранение биологической ценности ингредиентов зародышей пшеницы требует минимального воздействия температуры.

3. Необходимо было максимально повысить усвояемость белково-углеводной составляющей зародышей пшеницы.

Предварительная отработка процесса переработки зародышей пшеницы показала, что технологическая схема принципиально должна состоять из следующих стадий:

1. Очистка;

2. Сушка;

3. Прессование;

4. Фильтрация;

5. Измельчение белково-углеводной составляющей.

Значительную роль при извлечении масла из растительного сырья играет его подготовка перед прессованием, связанная, прежде всего, с оптимизацией по содержанию влаги в продукте и его очисткой.

Зародыш пшеницы, отбираемый на мелькомбинатах содержит от 10 до 17% влаги и 10 – 12% липидов и обладает высокой ферментативной активностью, что делает его неустойчивым к внешним воздействиям [50, 51, 252].

Попытки использовать зародыш пшеницы, непосредственно отбираемый на мелькомбинате приводили к неудачам из-за ускоренной их порчи. Срок хранения зародыша пшеницы, отбираемого в процессе переработки зерна на мельницах составляет не более 15 дней.

Наиболее агрессивными факторами при хранении является температура и влажность окружающей среды.

В работе [47] показано, что за 132 дня хранения изолированных пшеничных зародышей при влажности воздуха 90% кислотное число увеличилось в 4 раза, а при влажности 70% в 3 раза. При повышении температуры с 10 до 29°С кислотное число увеличилось в 8 раз. При этом герметизация тары не имеет значения. В металлических закрытых банках или тканевых мешках процесс окисления происходит практически с одной скоростью.

Удаление влаги с 14 – 17% до 4 – 6% при его подсушке приводит к увеличению срока хранения до 3 месяцев [335].

Поскольку основной уязвимой частью при порче зародыша пшеницы является его липидная составляющая, то удаление влаги позволяет лишь частично решать проблему термоокислительнй порчи зародыша [327].

Как показали дальнейшие работы, удаление липидов из зародышей пшеницы при прессовании также позволяет повысить срок хранения [325].

Содержание влаги в зародыше влияет не только на его сохранность, но и определяет возможности отделения липидной составляющей при прессовании.

Анализ данных по кинетике десорбции влаги из зародышей пшеницы показал, что влага на 70% связана с зародышем сорбционными силами с энергией активации около 4 ккал/моль, на 20% Ван-дер-ваальсовыми связями с энергией активации 15 ккал/моль и на 10% хелатными связями с энергией активации 30 ккал/моль. Как показали исследования, оптимальное содержание влаги в зародыше с точки зрения его переработки составляет 5 – 9%. Дальнейшее уменьшение или увеличение влажности продукта приводит к снижению или даже прекращению маслоотдачи при прессовании. Это определяется тем, что соотношение трех типов влаги в зародыше (сорбционная, ван-дер-ваальсовая и хелатная) определяют реологическое течение зародыша при прессовании [15, 50, 51, 235, 278].

Для оптимизации процесса сушки была разработана специальная сушилка с псевдоожиженным слоем и шнек-винтом, которая обеспечивала возможность при температуре 70° С достигать оптимальной влажности за 5 – 6 минут. Кроме того, разработанная сушилка одновременно позволяла проводить очистку зародыша от эндосперма. Отделение липидной составляющей зародыша от белково-углеводной составляющей определяется давлением набухания. Если давление набухания для обычных масличных культур (подсолнечник, рапс, соя и т.д.) составляет от 10 до 30 атм., то давление набухания для зародыша составляет около 120 атм. Прессов, обеспечивающих такое давление набухания и обеспечивающих экссудацию липидной составляющей, не было [15, 235, 278].

В качестве основы при создании прессового оборудования для переработки низкомасличного сырья были взяты теоретическое обоснование и технология переработки пироксилиновых и баллиститных порохов методом проходного прессования. Специалистами из г. Новосибирска под руководством гл. инженера СибНИПТИЖ лауреата Госпремии РФ Нюшкова Н.В. при активном участии авторов был разработан новый шнек-пресс, обеспечивающий переработку сельскохозяйственного сырья с масличностью от 5 до 15% в режиме холодного прессования при температуре не выше 70° С при давлении свыше 150 атм [163, 292, 293].

Разработанная технология переработки зародышей пшеницы решила проблему его хранения, но, естественно, возникал вопрос, как повлияет такая переработка на питательную ценность образуемой после прессования частично обезжиренной измельченной белково-углеводной части зародыша, названной авторами-разработчиками мука зародышей пшеницы «Витазар» (МЗП «Витазар»), от слов «вита» – жизнь и «зар»-зародыш. Таким методом возможно отделение от исходного зародыша до 40 % его липидной составляющей [50, 51, 94].

Сравнительные исследования морфологии зародыша пшеницы и «Витазара» на растровом электронном микроскопе показали:

- исходный зародыш пшеницы имеет глобулярную структуру с четко оформленными сфероидальными частицами, при этом степень их разрушения составляет не более 15%;

- в МЗП «Витазар» степень разрушения сферолитов составляет более 70%. При этом структура зародыша переходит из глобулярной в фибриллярную, что отражается на повышении его плотности на 10 – 15% [207, 305].

Переход глобулярной структуры в фибриллярную и разрушение сферолитов при переработке зародыша пшеницы при высоких давлениях приводит к повышению скорости и полноты его растворимости в водных растворах [290].

На рисунке 1.3 представлена кинетика растворения исходного зародыша пшеницы и МЗП «Витазар» в водном растворе HCl с РН-3 при t = 20° С.

Сравнительные испытания зародышей пшеницы и «Витазара» в качестве компонентов комбикормов для рыб показали, что введение «Витазара» до 40% в рыбные комбикорма типа РГМ взамен исходного зародыша повышает примерно на 8% рыбоводные показатели комбикорма (прирост рыбы и расход протеина на кг привеса) [240, 334-336, 339, 345]. Автор объясняет это тем, что при получении «Витазара», несмотря на частичное удаление биологически активной липидной составляющей, вследствие оказанного темро-механического воздействия происходит декстренизация крахмала, образование легко усвояемых углеводов, продукт становится более доступным при переваривании организмом.

Разработанная технология переработки зародышей пшеницы обеспечила получение двух биологически активных пищевых добавок: липидной – «Масло зародышей пшеницы «Витазар» (ТУ 9141-013-18062042-06) [306] и белково-углеводной – «Мука зародышей пшеницы «Витазар» (ТУ 9295-015-18062042-2015) [305].

  

Рисунок 1.3. Растворимость исходного зародыша [1] и «Витазара» [2] в водном растворе HCl при РН-3

 

Биологическая ценность получаемых продуктов подтверждается подробным анализом их биохимического состава, который представлен в таблицах 1.6-1.8.

 

 

Таблица 1.6

Биохимический и жирнокислотный состав МЗП «Витазар»

Компоненты	Содержание, %	Состав жирных кислот	Содержание, % от суммы
Гликолипиды, пигменты, фосфолипиды	3,8	С 16:0	15,6
Моноглицериды	1,1	С 16:1	0,4
Диглицериды	1,5	С 18:0	1,3
Триглицериды	76,1	С 18:1	15,0
Стерины	4,8	С 18:2 (ω-6)	58,0
Свободные жирные кислоты	4,3	С 18:3 (ω-3)	7,7
Углеводороды	2,7	С 20:1	1,9
Воски, эфиры стеринов	6,0	С 22:1	0,3

 

Масло зародышей пшеницы богато полиненасыщенными жирными кислотами является С 18:2 (линолевая) до 60%, С 18:3 (линоленовая) до 10%, С 20:1 (эруковая) до 1%. Основной насыщенной кислотой является С 16:0 (пальмитиновая) до 16%, а содержание С 18:0 (стеариновой) менее 2%.

Масло зародышей пшеницы богато не омыляемыми углеводородами, в частности содержит относительно высокие уровни стеролов, токоферолов, монотриенолов (содержание сквалена более 1000 мг%) и n-спирты (содержание октакозанола 400 – 600 мг%) [95, 96, 306].

В МЗП «Витазар» большое количество жирорастворимых витаминов, по содержанию природного витамина Е в α-форме, аналогов в природе не существует.

Витаминный состав и состав неомыляемой фракции представлен в таблице 1.7.

Таблица 1.7

Витаминный состав и состав неомыляемой фракции МЗП «Витазар»

Витамин	Содержание, мг%	Класс неомыляемых липидов	Содержание, %
Каротиноиды (вит. А)	1,1 – 8,6	Токоферолы, включая токотриенолы	18,1
Эргостерол (вит. D)	1,2 – 1,6	Углеводороды	7,2
Токоферол (вит. Е)	200 – 600	n-спирты	9,3
Пантотеновая кислота	12 – 16	Метилстеролы	17,2
Фолиевая кислота	2 – 5	Стеролы	35,0

Белково-углеводная составляющая продукта переработки зародышей пшеницы, образующаяся после извлечения масла, практически полностью сохраняет биологически активные вещества и исходных зародышей [178].

Содержание основных компонентов МЗП «Витазар» и его аминокислотный состав представлен в таблице 1.8.

По химической природе, составу и пищевой ценности белки МЗП «Витазар» сравнимы с физиологически активными белками животного происхождения (сухого молока, куриных яиц, казеина). Белок содержит в среднем 40% незаменимых аминокислот и на 60% представлены легко усвояемыми водо-соле-растворимыми фракциями (альбумины и глобулины). Около 40% по весу приходится на сахара. Основное количество составляют сахара в виде сахарозы, раффинозы и в небольшом количестве присутствуют манноза и мальтоза.

Таблица 1.8

Содержание основных компонентов и аминокислотный состав МЗП «Витазар»

Наименование	Содержание, %	Аминокислота	Содержание, г/100 г
Белок	25 – 37	Изолейцин	1 – 2
Сахара	19 – 23	Лейцин	1,5 – 2,5
Пентозаны	8 – 11	Валин	1,3 – 1,5
Клетчатка	1,8 – 4,2	Метионин	0,3 – 0,5
Жиры	3 – 6	Цистин	0,2 – 0,4
Зола	4 - 6	Тирозин	0,9 – 1,1
		Триптофан	0,1 – 0,3
		Лизин	1,5 – 1,8
		Аргинин	5 – 7

 

Разработанная технология переработки низкомасличного сырья с получением биологически активных продуктов, кроме переработки зародышей пшеницы, была использована для переработки других видов низкомасличного растительного сырья:

1. Зародыши ржи (масличность около 8%)

Характеристики масла зародышей ржи представлены в таблице 1.9.

Таблица 1.9

Характеристики масла зародышей ржи

Биохимический состав		Жирнокислотный состав
Составляющая	Содержание, %	Название кислоты	Содержание, мг/г
Гликолипиды, фосфолипиды, пигменты	3,0	Суммарное содержание	437,1
Моноглицериды	1,5	Миристиновая	1,6
Диглицериды	2,2	Пальмитиновая	82,3
Триглицериды	76,0	Пальмитолеиновая	0,8
Стерины	1,4	Стеариновая	3,3
Свободные жирные кислоты	6,9	Олеиновая	63,9
Воски, эфиры стеринов, углеводороды	9,0	Линолевая	162,6
		Линоленовая	108,1
		Эруковая	14,8

 

Содержание токоферолов – 300 мг%, каротиноидов – 10 мг%. По жирнокислотному составу масло зародышей ржи близко к маслу зародышей пшеницы [118].

2. Мелкие отруби (масличность 4 – 5 %)

Масло мелких отрубей, названное нами «Виталол», характеризуется высоким (до 20%) содержанием восковой составляющей, при этом содержание такой биологически активной составляющей, как октакозанол, составляет до 800 мг%.

Проведенные в ЦНИИ гастроэнтерологии исследования по заживлению язв показали, что «Виталол» в 10 раз эффективнее подсолнечного масла и в 3 раза эффективнее МЗП [118].

3. Амарант (масличность около 7 %)

Масло амаранта, полученное по разработанной технологии характеризуется следующим жирнокислотным составом:

- пальмитиновая кислота – 28 %;

- олеиновая кислота – 29 %;

- линолевая кислота – 49 %.

Содержание токоферолов колеблется от 130 до 190 мг% (α-токоферол – 20 – 25 %, β- и γ-токоферолы – 70 – 80 %). Содержание каротиноидов 0,5 – 1,5 мг %.

Амарантовое масло является источником такого важного биологически активного компонента, как сквален. Его содержание в масле амаранта составляет от 4 до 7 % [18, 99, 117].

Анализ потенциальных природных источников биологически активных веществ показал, что наиболее высоким биопотенциалом, значительными объемами производства и доступной стоимостью обладают побочные продукты переработки низкомасличного сырья, в частности, мука зародышей пшеницы, получаемая методом холодного прессования и составляющая 80-95 % от исходного объема сырья при производстве соответствующего растительного масла, широко востребованного фармацевтической и косметической отраслями. В побочных продуктах после отделения целевой липидной фракции остается около 50% от исходного количества ценного масла, что составляет 5-7% от массы частично обезжиренной фракции, которая содержит белки (до 30 %), включающие все незаменимые аминокислоты, углеводы (до 40 %), представленные глюкогенными и фруктогенными моно- и дисахарами, олиго- и полисахаридами, пищевыми волокнами – обладающими выраженными пребиотическими и детоксикационными свойствами, широкий спектр витаминов, макро – и микроэлементов. Таким образом, необходимо создание информационного банка данных природных источников биологически активных веществ из побочных продуктов переработки низкомасличных биоресурсов, образующихся в отечественных технологиях производства масла из низкомасличного сырья, для практического использования в оптимизационном проектировании функциональных сбалансированных пищевых систем с полной характеристикой биологического и технологического потенциала объектов.