СПОСОБ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ БЕЛКА И КРАХМАЛА ТРИТИКАЛЕВОЙ МУКИ МЕТОДОМ ПНЕВМОКЛАССИФИКАЦИИ

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к получению белковых и углеводных продуктов физико-механическим, «сухим» способом, и может быть использовано в мукомольном производстве, микробиологической и пищевой промышленности для получения белковых добавок к продуктам питания, а также получения добавок с улучшенными функциональными свойствами.

Обычно белковыми концентратами называют продукты, содержащие от 65 до 72% белка, полученные удалением из указанных натуральных источников сырья веществ липидной и низкомолекулярной природы. Наиболее полный спектр описаний разнообразных способов их получения приведен в книге [«Растительный белок», Москва, ВО «Агропромиздат», 1991 г., под редакцией Т.П.Микулович, перевод с французского В.Г.Долгополова, в главе 9, «Технология извлечения и очистки белковых растительных продуктов», написанной авторами С. Беро (S. Berot) и А. Давен (A. Davin)].

Одним из путей снижения дефицита белка, улучшения качества питания и состояния здоровья людей является создание пищевых продуктов, обогащенных белком растительного происхождения. В качестве растительного сырья для производства белковых продуктов на второе место после сои в настоящее время вышла такая зерновая культура, как тритикале.

Тритикале содержит: воды - 14,0%, белков - 12,8%, углеводов - 68,6%, жиров - 1,5%, клетчатки - 3,1% и золы - 2,0%. По содержанию витаминов, микро- и макроэлементов тритикале не уступает традиционным злакам. В зерне тритикале также присутствует большое количество фосфора, калия, меди, цинка, кальция, натрия, марганца, железа, содержатся в нем витамины группы В, РР и Е. Белки тритикале, благодаря присутствию в их составе незаменимых аминокислот таких, как лизин, валин, лейцин, треонин, глицин, аргинин, и своим функциональным особенностям, не только повышают биологическую ценность, но и существенно улучшают качество пищевых продуктов, придавая им диетические и лечебные свойства [Максимчук Б.М., Колкунова Г.К., Мосолова Н.М. Технологические свойства зерна тритикале. Мукомольно-крупяная промышленность обзорная информация, ЦНИИИТЭИ, Москва, 1980, - 39 с.].

Известен способ получения пищевого белка из растительного сырья [Патент №2124844 С1. «Способ получения пищевого белка из растительного сырья». МПК-7 A23J 1/14, опубл. 20.01.1999], способ предусматривает очистку и помол растительного сырья с отделением отрубей. Вслед за помолом растительного сырья проводят его растворение и суспензирование в воде с последующим выделением сырца белкового изолята и шрота. Производят экстракцию липидов непосредственно из полученного сырца изолята и шрота с помощью жидкой двуокиси углерода под давлением выше атмосферного. При оптимальном варианте в качестве растительного сырья используют соевые бобы. Экстракцию липидов производят проточно-прерывисто, пропуская жидкую двуокись углерода сквозь массу изолята. Вместе с тем экстракцию липидов производят при давлении 5,6-6,5 МПа. Помол соевых бобов производят при температуре не выше 40°C с получением зерен размерами менее 45-65 мкм. В предпочтительном варианте растворение и суспензирование растительного сырья проводят в питьевой воде, имеющей pH 6-7. Техническим результатом, достигнутым в процессе решения задачи, является сокращение времени экстракции липидов в общем технологическом процессе получения пищевого белка из растительного сырья.

Но известный описанный выше способ получения пищевого белка из растительного сырья имеет ряд недостатков, основным из которых является применение в способе гексана, являющегося экологически негативным веществом, засоряющим не только целевой и побочные продукты, но и окружающую среду. Кроме того, применение гексана увеличивает себестоимость продукта за счет необходимости применения дорогого очистного оборудования.

Известен способ получения пищевого белка из растительного сырья [патент РФ №2054265, кл. А23J 1/14, 28.02.94. «Способ получения изолята белка и крахмала из гороха», опубл 20.02.1996], который предусматривает шелушение, измельчение семян гороха, экстракцию белка, отделение нерастворимого остатка от раствора белка, осаждение белка из раствора, отделение и нейтрализацию белкового осадка с получением изолята белка, фракционирование нерастворимого остатка с отделением мезги от крахмала, промывку, нейтрализацию и сушку крахмала с получением готового продукта. Согласно этому способу экстракцию проводят технологическим рассолом, имеющим ионную силу 0,0015-0,15 при pH 6,5-9,0. Осаждение белка проводят при pH 4,3-5,6, а технологический рассол с ионной силой 0,0015-0,15 для экстракции получают объединением супернатантов, образующихся при разделении, промывке и нейтрализации крахмала и мезги с добавлением или без добавления солей. Кроме того, отделение крахмала от мезги и остаточного белка осуществляют путем фракционирования нерастворимого остатка суспензии на гидроцилиндрах с одновременной противоточной водной промывкой.

Но известный описанный способ имеет низкую производительность и значительные трудозатраты на его производство, объясняющиеся тем, что при известном способе приходится вести обработку значительных масс сырья, расходуя значительное количество реагентов и используя сложные технологические параметры. Кроме этого, белок, получаемый известным способом, низкокачественен из-за высокого содержания в нем жирорастворимых соединений.

Известный способ получения пищевого белка из растительного сырья [патент РФ №2007927, кл. A23J 1/14, 09.10.92, «Способ получения пищевого белка из растительного сырья». Опубл. 28.02.1994]. Способ реализуется следующим образом. Растительное сырье измельчают и экстрагируют жидкой двуокисью углерода алкалоиды и жирорастворимые вещества, возможно с промежуточным сливом жидкой двуокиси углерода, сбросом давления и возвратом жидкой двуокиси углерода при давлении выше атмосферного, после чего CO₂ - экстракт удаляют, а сырье экстрагируют щелочным экстрагентом для извлечения белка. В процессе щелочной экстракции на время пропитки сырья сохраняют давление выше атмосферного для ускорения диффузии экстрагента в сырье, а затем давление сбрасывают до атмосферного, что облегчает выход щелочного экстракта за счет вскрытия растительных клеток. Щелочной экстракт отделяют и обрабатывают кислотой для снижения pH и осаждения белка в изоэлектрической точке. Осажденный белок сепарируют и промывают от остатков щелочи и кислоты.

Однако этот способ имеет низкую производительность и значительные трудозатраты на его производство, объясняющиеся тем, что в этом известном способе приходится вести обработку значительных масс сырья, «разбухшего» в щелочной среде, расходуя значительное количество реагентов и используя сложные технологические параметры.

Существующие «мокрые» способы производства белковых концентратов отличаются большой дороговизной. Кроме того, при существующих технологиях существенно ухудшаются нативные свойства белков в связи с тем, что из них вымываются многие микронутриенты: ферменты, витамины, минеральные вещества, сахар и другие.

Анализ превалирующего большинства описанных способов получения концентратов белков из растительных источников сырья позволяет сделать вывод, что фундаментальный принцип, лежащий в основе их производства, базируется на переведении большей части их белков в нерастворимое в водных растворителях состояние и последующей экстракции растворимых компонентов сырья высоко- и низкомолекулярной природы. При этом решается задача минимальной потери белков в экстрагирующую среду при максимально возможном извлечении низкомолекулярных веществ и высокомолекулярных компонентов небелковой природы.

Одним из путей решения указанной проблемы является создание технологии производства концентратов белков с сохранением их нативных свойств на основе «сухого» способа разделения макронутриентов: белка и крахмала.

Аналогов «сухого» способа концентрации белковых и углеводных компонентов тритикалевой муки нами не выявлено.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем использования зерна тритикале при производстве белковых и углеводных концентратов.

Задачей изобретения является достижение более четкого управления границами разделения сыпучего продукта на фракции с заданными размерами частиц и биохимическим составом.

Техническим результатом изобретения является создание эффективного и недорогого «сухого» способа производства белковой и углеводной муки из зерна тритикале, упрощение технологического процесса производства, улучшение потребительских свойств и расширение ассортимента готовой продукции.

Технический результат достигается посредством создания способа концентрации частиц белка и крахмала тритикалевой муки методом пневмоклассификации, включающего очистку и помол зерна тритикале на вальцовых станках до крупности частиц не более 100 мкм, разделение тритикалевой муки на белковую и углеводную фракции на установке пневмоклассификации с предельным количеством пропусков измельченной муки через центробежно-осевой роторный пневмоклассификатор равным трем, при этом на каждом пропуске, следующем за первым, пневмоклассифицируют углеводную и белково-углеводную фракции, полученные на предыдущем пропуске, при производительности установки при первом пропуске 55-58 кг/ч и 72-74 кг/ч при втором и третьем пропуске со скоростью уноса частиц в аппарате пневмоклассификатора - в пределах 1,0-1,5 м/с и окружной скоростью ротора 70 м/с.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе производства белковой и углеводной муки из зерна тритикале, задействован принцип физико-механического воздействия на промежуточные продукты. Он относятся к так называемым «сухим» способам, отличающимся лучшими экологическими показателями в связи с отсутствием проблем очистки воды, использованной в технологическом процессе. Вместе с тем «сухие» способы в отличие от способов на гидравлической основе отличаются меньшей чистотой готовой продукции в виде белковых и белково-углеводных продуктов. В отличие от физико-химических способов извлечения и концентрации белковых компонентов зерна физико-механические способы отличаются существенно большей пищевой безопасностью в связи с отсутствием в операциях различного рода химических реагентов: экстрактирующего, расщепляющего, очищающего, сгущающего и другого рода воздействия на продукты.

В результате технологического моделирования «сухих» физико-механических способов извлечения и концентрации белково-липидных, углеводных компонентов зерна установлена принципиальная возможность получения белковой и углеводной муки из зерна тритикале на основе центробежно-осевого роторного пневмоклассификатора.

Тритикалевая мука, предназначенная для дальнейшего выделения из нее углеводной и белковой фракций, должна быть низкозольной и светлой, чтобы обеспечить требования товарного вида изделий, вырабатываемых с ее использованием.

Основой разрабатываемого способа извлечения белка из тритикалевой муки «сухим» способом является разрушение белковой матрицы и получение ее частиц, свободных от крахмала. Эти частицы имеют размеры в интервале 0-18 мкм. Такие же размеры имеют мелкие (2-9 мкм) и средние (10-18 мкм) зерна крахмала. Крупные зерна крахмала имеют размер более 18 мкм. В результате такого разрушения появляется возможность выделить частицы белка в процессе пневмоклассификации, как более легкие и мелкие.

В тритикалевой муке мелких частиц сравнительно мало (см. табл. 1). Эта мука получается при валковом способе измельчения на мукомольных вальцах диаметром 250 мм, при межвальцовом зазоре 5-10 мкм и соотношении 1:1,25 скоростей быстровращающегося и медленновращающегося вальцов. Шероховатость вальцов составляет R_a=2,5-4,0 мкм.

Увеличить концентрацию свободных мелких частиц белка можно путем измельчения муки ударно-истирающим способом в дезинтеграторах, ударным способом в энтолейторах или валковым способом в вальцевых станках.

В таблице 1 представлены данные о гранулометрическом составе исходного (контрольного) образца тритикалевой муки, полученной при валковом измельчении (по схеме односортного помола пшеницы «высшего сорта»), и образцов, измельченных на дезинтеграторной машине до различной степени дисперсности. Эту степень дисперсности характеризовали удельной поверхностью образца, определяемую на приборе ПСХ-4 [Попова Е.П. Микроструктура зерна и семян. - М.: Колос, 1979. -224 с.].

Главные составные части эндосперма тритикалевого зерна - крахмал и белок - заметно отличаются друг от друга по удельному весу.

На поверхности каждого крахмального зерна имеется слой белка, который очень прочно соединен с крахмалом и не отделяется от него при измельчении муки и ее фракционировании ситовым способом по удельному весу.

На наш взгляд описанные отличия являются новыми, полезными, так как позволяют достичь поставленной цели, и являются промышленно применимыми. Для осуществления предлагаемого способа не требуется разработка нового оборудования и осуществляется на выпускаемом серийном оборудовании.

На рисунке приведены направления движения промежуточных продуктов, предусмотренные предлагаемым способом производства белковой и углеводной муки из зерна тритикале.

Способ иллюстрируется рисунком (фиг. 1), на котором приведена схема центробежно-осевого роторного пневмоклассификатора.

На схеме обозначены:

1. Аппарат,

2. Приемный бункер,

3. Вибропитатель,

4. Короба для сбора продуктов,

5. Фильтр,

6. Вентилятор,

7. Материалопровод.

Способ осуществляется следующим образом. Процесс предусматривает очистку и помол зерна тритикале на вальцовых станках с отделением отрубей, крупность муки тритикалевой должна быть не более 100 мкм.

Разделение тритикалевой муки на белковую и углеводную фракции осуществляют на установке пневмоклассификации, которая состоит из следующих основных частей: аппарата - 1, приемного бункера - 2, вибропитателя - 3, коробов для сбора продуктов - 4, фильтра с коробом - 5, вентилятора - 6 и материалопроводов - 7. Все составные части установки объединены в три блока: блок питания, состоящий из бункера и вибропитателя; блок аппарата, включающий аппарат и короба для сбора продуктов; пневмотранспортный блок, в который включены вентилятор, фильтр и материалопроводы. Предельное количество пропусков измельченной муки через пневмоклассификатор должно быть равное трем. Производительность установки 55-58 кг/ч (1-й пропуск) и 72-74 кг/ч (2-й - 3-й пропуск). Скорость уноса частиц в аппарате - в пределах 1,0-1,5 м/с. Окружная скорость ротора 70 м/с.

Блок питания имеет станину, на которой закреплены бункер - 2, а под ним вибропитатель - 3 марки У1-БВР-1. Фильтр - 5 пневмотранспортного блока, предназначенный для разделения воздуха и продукта, снабжен матерчатыми рукавами, которые помещены в корпусе.

Все блоки установки связаны между собой материалопроводами - 7. Первый материалопроводсоединяет аппарат с фильтром, а второй фильтр - с вентилятором.

В центробежно-осевом роторном пневмоклассификаторе - 1 получают десять промежуточных фракций и одну основную - относы циклона (таблица 2), которая представляет собой белковую муку. Промежуточные фракции распределяют в зависимости от их качества: из 1-6 фракций формируют муку углеводную, из 7-10 фракций - муку белково-углеводную, а из относов - муку белковую Таблица 3.

Исходная смесь, представляющая собой тритикалевую муку заданной крупности, загружается в приемный бункер - 2, емкостью 50 кг. Она состоит из частиц белка с размером до 20 мкм, частиц крахмала от 20 до 40 мкм и частиц конгломератов с размером более 40 мкм. С включением вентилятора - 6 и вибропитателя - 3 исходный продукт с воздухом по материалопроводу поступает через приемный патрубок внутрь аппарата - 1, где происходит их разделение друг от друга на основе различия аэродинамических свойств. Это различие, в основном, обусловлено разными размерами и плотностью частиц крахмала и белка. Частицы конгломераты, обладая большими размерами, остаются внутри аппарата, перемещаются по его поверхности в нижнюю часть и выводятся через патрубки в сборные короба - 4 с первого по шестой в виде исходной (крупной) фракции.

Частицы белка и крахмала проходят дальше по аппарату - 1, в котором происходит их разделение. Частицы крахмала - как более тяжелые - попадают в патрубки и выводятся из аппарата в сборные короба - 4 с седьмого по десятый в виде мелкой тяжелой фракции. Частицы белка - как более легкие - уносятся воздухом из аппарата - 1 по материалопроводу - 7, попадают в фильтр - 5, где отделяются от воздуха и собираются в сборном коробе в виде мелкой легкой фракции.

На втором пропуске в установке пневмоклассификации обрабатывают с 1 по 10 фракции, полученные при первом пропуске, то есть углеводную и белково-углеводную муку. На третьем пропуске также обрабатывают с 1 по 10 фракции, полученные при втором пропуске.

В процессе центробежно-осевой роторной пневмоклассификации муки получены фракции: мелкая легкая - относы (белковая) в количестве 12,6%, мелкая тяжелая (белково-углеводная) в количестве 48,1% и крупная (углеводная) в количестве 39,3%.

Способ концентрации частиц белка и крахмала тритикалевой муки методом пневмоклассификации, включающий очистку и помол зерна тритикале на вальцовых станках до крупности частиц не более 100 мкм, разделение тритикалевой муки на белковую и углеводную фракции на установке пневмоклассификации с предельным количеством пропусков измельченной муки через центробежно-осевой роторный пневмоклассификатор равным трем, при этом на каждом пропуске, следующем за первым, пневмоклассифицируют углеводную и белково-углеводную фракции, полученные на предыдущем пропуске, при производительности установки при первом пропуске 55-58 кг/ч и 72-74 кг/ч при втором и третьем пропуске, со скоростью уноса частиц в аппарате пневмоклассификатора - в пределах 1,0-1,5 м/с и окружной скоростью ротора 70 м/с.