Исследование и разработка полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина и практическая реализация технологий пищевых продуктов с их использованием

На правах рукописи

КУРБАНОВА Марина Геннадьевна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА ОСНОВЕ ГИДРОЛИЗАТОВ КАЗЕИНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Кемерово 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО Кем ТИПП)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Просеков Александр Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гаврилова Наталья Борисовна доктор технических наук, профессор Евдокимов Иван Алексеевич доктор технических наук, профессор Рензяева Тамара Владимировна

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно исследовательский институт молочной про мышленности Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 14 марта 2012 г в 1300 на заседании дис сертационного совета Д 212.089.01 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологи ческий институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, 4л. ауд., факс (3842) 39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кеме ровский технологический институт пищевой промышленности».

С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Ми нобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/announcements/techn/), сайте КемТИППа (http://www.kemtipp.ru/).

Автореферат разослан « » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.Н. Потипаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из приоритетных направлений государст венной политики в области здорового питания населения России является соз дание пищевых продуктов функционального назначения, способных нормали зовать пищевой статус организма человека в физиологически активных ингре диентах. Сложившаяся в нашей стране структура питания не всегда отвечает требованиям науки о рациональном питании. Особое внимание заслуживают вопросы производства сбалансированной продукции по важнейшим функцио нальным компонентам. Решение поставленной задачи возможно только при создании в стране промышленной структуры производства пищевых добавок полифункционального действия, которыми можно обогатить и сбалансировать состав пищевых продуктов, сохранить и улучшить их структуру, вкус и внеш ний вид, повысить выход и сроки годности.

Положительное влияние на человеческий организм веществ, содержа щихся в продуктах питания, всё чаще становится предметом многочисленных исследований. Успехи, достигнутые в физиологии питания, позволяют легче находить связь между биохимическими структурами, которые естественным образом встречаются в пищевых продуктах, и их влиянием на здоровье.

Продукты функционального питания должны не только обеспечивать по требности организма в энергии и основных питательных веществах, но и состо ять из компонентов, доступных для усвоения пищеварительным трактом. Сре ди всех пищевых веществ белок играет наиболее важную, уникальную роль в жизнедеятельности человека и рассматривается на первом месте при формиро вании химического состава рационов питания. Рациональное сочетание в пище белка поможет снизить его дефицит и позволит создавать продукты, сбаланси рованные по аминокислотному составу.

В процессе гидролиза казеина происходит разрыв пептидных связей бел ковой молекулы с образованием ди- и трипептидов, а также свободных амино кислот, что увеличивает усвоение белковых веществ в организме. Недостаточ ное употребление легкоусвояемых форм белка приводит к нарушению процес сов роста, развития иммунной устойчивости организма человека.

Вклад в исследование белковой системы молока внесли К.К. Горбатова, Г.Б. Гаврилов, З.Х. Диланян, П.Ф. Дьяченко, И.А. Евдокимов, П.Ф. Крашени нин, В.И. Круглик, Г.Н. Крусь, Н.Н. Липатов, Н.Н. Липатов (мл.), А.А. Майо ров, Л.А. Остроумов, Г.Ю. Сажинов, В.Д. Харитонов, А.Г. Храмцов, А.М. Ша лыгина и другие отечественные и зарубежные ученые.

Ввиду актуальности вопроса создания полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина в последние годы отмечается значительное усиле ние интереса исследователей к процессам их получения. Полифункциональные добавки на основе гидролизатов казеина позволят существенно повысить био логическую ценность, а также улучшить реологические характеристики и орга нолептические показатели продуктов, в состав которых они будут входить.

В связи с этим, направление по созданию продуктов питания повседнев ного потребления полезных для здоровья, благодаря наличию в их составе фи зиологически функциональных ингредиентов на основе гидролизатов казеина, является актуальным направлением развития пищевой промышленности, по зволяющим решить важные социальные проблемы, а также расширить знания в области производства продуктов функционального назначения, что указывает на актуальность исследований.

Работа выполнена в рамках федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государст венные контракты № П1499, № П2609, № 02.740.11.5133, № 16.740.11.0058) и «Ис следования и разработки по приоритетным направлениям развития научно технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственный кон тракт № 16.512.11.2027).

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и исследование биотехнологических и физико химических закономерностей получения гидролизатов казеина различными способами, разработка технологий полифункциональных добавок на их основе и обоснование направлений их использования в производстве пищевых продук тов.

Для достижения поставленной цели определены задачи исследований:

– исследовать закономерности гидролиза казеина химическими агентами, в т.ч. в присутствии катализатора селена;

– оптимизировать параметры деминерализации гидролизатов казеина, по лученных химическим способом;

– изучить влияние технологических факторов на состав и свойства гидро лизатов казеина, полученных ферментативным способом;

– исследовать технологические параметры сублимационной сушки гид ролизатов казеина;

– разработать научно обоснованную технологию производства поли функциональных добавок на основе гидролизатов казеина;

– обосновать направления использования гидролизатов казеина в качест ве полифункциональных добавок;

– разработать рецептуры и технологии продуктов функционального на значения с использованием полифункциональных добавок на основе гидроли затов казеина;

– дать экономическую оценку применения полифункциональных добавок в производстве продуктов питания;

– использовать полученные результаты для разработки технической до кументации и освоения промышленного производства полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина, а также продуктов с их использовани ем.

Научная новизна работы. Предложена научная концепция, которая пре дусматривает систематизацию теоретических и экспериментальных исследова ний для комплексного подхода к разработке технологии полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина на базе оптимальных условий прове дения гидролиза кислотным, щелочным и ферментативным способами с после дующей их очисткой и деминерализацией, используя закономерности сублима ционной сушки, физико-химического изменения состава и состояния воды при получении сухих гидролизатов казеина и гидролизатов казеина с промежуточ ной влажностью.

Изучена биотехнологическая и физико-химическая сущность получения гидролизатов казеина химическим способом, в т.ч. в присутствии катализатора – селена. Подобраны энзиматические системы для проведения ферментативно го гидролиза казеина, позволяющие получить максимальное расщепление бел ковых молекул, т.е. высокую степень гидролиза. Получены зависимости, опи сывающие динамику накопления свободных аминокислот, молекулярно массовое распределение белков и пептидов в результате химического и фер ментативного гидролиза.

Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены рекомен дуемые параметры деминерализации кислотных и щелочных гидролизатов ка зеина. Получены зависимости, характеризующие взаимосвязь основных техно логических факторов и процесса деминерализации с качественными характери стиками очищенных гидролизатов.

Установлены режимы сублимационной сушки гидролизатов казеина, а также наличие корреляции между режимами сушки, количеством выморожен ной влаги и структурой готового продукта с промежуточной влажностью. Оп ределены параметры сушки гидролизатов казеина, позволяющие получить про дукт с максимальной степенью растворимости и длительным сроком хранения при определенных параметрах.

Проведена сравнительная оценка по качеству и технико-экономическим показателям полученных полифункциональных добавок на основе гидролиза тов казеина с обоснованием направлений их использования в производстве мясных паштетов, аэрированных напитков и диетических майонезных соусов.

Установлены технологические параметры производства и предложены рецеп туры вышеперечисленных продуктов. Определено влияние дозы полифункцио нальных добавок на органолептические, физико-химические показатели и рео логические характеристики получаемых функциональных продуктов.

Практическая значимость и реализация результатов работы в про мышленности. Созданы оригинальные технологии, новизна технических реше ний которых подтверждена патентами и положительными решениями на выдачу патентов №№2415943, 2010133020, 2010133019, 20111133, 2010146871.

Предложена принципиальная технологическая схема и разработаны техно логии гидролизатов казеина с использованием различных реагентов и фермента тивных систем. Обоснована технология полифункциональных добавок на осно ве гидролизатов казеина для пищевых продуктов. Указанные разработки вне дрены в производство (ТУ 935730-001-26647331-08, ТУ 989699-002-26647331-10, ТУ 935725-003-26647331-09, ТУ 263913-004-26647331-10, ТУ 938565-005 26647331-10, ТУ 918967-007-26647331-11, СТО 26647331-1-2011, СТО 26647331-2-2011, СТО 26647331-3-2011).

Экспериментальные исследования по оценке гидролизатов казеина, полу ченных разными способами, с целью использования их в качестве полифунк циональных добавок для продуктов, внедрены в учебный процесс при чтении лекционных курсов, в виде методических указаний к практическим занятиям, а также при выполнении выпускных квалификационных работ научно исследовательского характера для студентов 4-5 курсов ФГБОУ ВПО «Кеме ровский ГСХИ».

Получено положительное заключение о внедрении в производство ре зультатов научно-исследовательской работы от Департамента сельского хозяй ства и перерабатывающей промышленности Кемеровской области.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и получили одобрение на симпозиумах, конгрессах, конференциях, семинарах и совещани ях различного уровня в 2003–2012 годах (гг. Барнаул, Кемерово, Новосибирск, Омск, Пенза, Ставрополь, Тамбов, Тобольск, Ульяновск, Челябинск).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более шестиде сяти печатных работ, в том числе монография, статьи в журналах, рекомендо ванных ВАК для публикации основных материалов диссертаций («Молочная промышленность», «Вестник КрасГАУ», «Достижения науки и техники АПК», «Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук», «Вестник БГСХА», «Вестник АГАУ», «Техника и технология пищевых производств»), а также в научных трудах институтов, материалах молочного конгресса Сибири, симпозиумов, конференций, в описаниях патентов и заявок на выдачу патентов РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из восьми глав, в том числе введения, литературного обзора, методической части, резуль татов исследований, выводов, списка источников литературы и приложений.

Основной текст работы изложен на 323 страницах, включает 77 рисунков и таблицы. Список литературы насчитывает 452 наименования, в том числе – иностранных источников.

Основные положения, выносимые на защиту:

– биотехнологические и физико-химические закономерности получения гидролизатов казеина, предназначенных для использования в качестве поли функциональных добавок;

– результаты изменений качественных и количественных характеристик гидролизатов казеина в зависимости от вида гидролиза и деминерализации гид ролизатов;

– физико-химические закономерности сублимационной сушки гидролиза тов казеина;

– концепция создания технологии полифункциональных добавок на осно ве гидролизатов казеина и продуктов питания с их использованием.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Глава 1. Анализ научных и практических основ получения и исполь зования гидролизованных белков молока (аналитический обзор). Рассмот рены вопросы, связанные с особенностями строения и свойств белков: уровни организации состава белков, их конформация, виды связей и т.д. Приведена ха рактеристика фракций белков молока, аминокислотный состав, физико химические свойства молочных белков. Описаны научные и практические ас пекты гидролиза белков. Сформулированы условия протекания химического и ферментативного видов гидролиза. Рассмотрены общие вопросы получения гидролизатов молочных белков с позиции активности и специфичности приме няемых химических реагентов при химических способах гидролиза и фермент ных препаратов – при ферментативном гидролизе, а также режимов и кратно сти их обработки.

Отмечены преимущества и недостатки белковых гидролизатов, получен ных различными способами. Проанализированы данные мировой патентной ли тературы об основных технологических подходах к получению гидролизатов молочных белков, методах их фракционирования, очистки и деминерализации.

Эти данные использованы в дальнейшем при выборе способов гидролиза ка зеина, очистки и применения гидролизатов в качестве полифункциональных добавок для продуктов питания. Представлены основные направления исполь зования гидролизатов белков, полученных различными способами в медицине, микробиологии, различных отраслях промышленности и АПК.

Глава 2. Обоснование базовых направлений исследований, их цель и задачи. Рассмотрен ассортимент, физико-химические показатели и отличи тельные особенности молочно-белковых концентратов, служащих резервом для повышения эффективности использования ресурсов молочного сырья и увели чения выпуска продуктов на их основе, показано, что в зависимости от массо вой доли сухих веществ молочно-белковые концентраты подразделяют на жид кие, пастообразные и сухие. Кроме того, внутри каждой группы молочно белковые концентраты делят по виду белка и растворимости в воде. Пищевая ценность всех видов пищевых молочно-белковых концентратов определяется исключительно содержанием белка – казеина и сывороточных белков. Показа но, что наиболее перспективно использование казеина в производстве поли функциональных добавок.

Глава 3. Организация проведения исследований. Теоретические и экс периментальные исследования выполнены в соответствии с поставленными за дачами на кафедре «Бионанотехнология» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального обра зования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

Общая схема проведения исследований приведена на рис. 1. Весь цикл иссле дований состоял из нескольких логически взаимосвязанных этапов.

Первый этап посвящен обобщению и анализу результатов отечественных и зарубежных исследований по направлению диссертационной работы. Обос нована необходимость создания полифункциональных добавок на основе гид ролизатов казеина, сформулированы цель и задачи собственных исследований.

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ДОБАВОК НА ОСНОВЕ ГИДРОЛИЗАТОВ КАЗЕИНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ С ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ – аналитический обзор Обобщение и анализ результатов – обоснование направлений собствен отечественных и зарубежных ных исследований исследований – цель и задачи работы – параметры гидролиза Исследование закономерностей гидро- – присутствие катализаторов лиза казеина химическими агентами в – степень гидролиза т.ч. в присутствии катализатора – состав гидролизатов – свойства гидролизатов – подбор сорбентов – параметры деминерализации Оптимизация параметров деминерали- – селективность зации гидролизатов казеина – оптимизация процесса – динамика показателей – эффективность процесса – параметры ферментации Изучение влияния технологических – оптимизация критериев факторов на состав и свойства гидро – степень гидролиза лизатов казеина, полученных фермен – состав гидролизатов тативным способом – свойства гидролизатов – криоскопические температуры – количество вымороженной воды Исследование и разработка техноло- – параметры сушки гических параметров сублимационной – кинетика процесса сушки гидролизатов казеина – температура стабилизации слоя – микроструктура гидролизатов – активность воды – технологический регламент производ ства полифункциональных добавок Технология и обоснование направле- – использование гидролизатов казеина в ний использования гидролизатов производстве:

казеина – мясных паштетов;

– коктейлей;

– майонезных соусов – техническая документация Практическая реализация результатов – экономическая эффективность исследований – апробация и внедрение Рис. 1. Общая схема проведения исследований Второй этап заключался в исследовании закономерностей гидролиза ка зеина химическими агентами, в качестве которых использовали кислоты (соля ную, серную) и щелочи (гидроксид натрия и кальция). Варьируя параметры технологического процесса (вид химического агента, температуру, продолжи тельность процесса и соотношение субстрат – химический агент), выбирали па раметры проведения процесса гидролиза казеина, обеспечивающие максималь ное сохранение аминокислот. Для интенсификации процесса гидролиза казеина использовали катализатор процесса, оценивали его влияние на гидролиз хими ческими агентами. Исследовали состав и свойства полученных в результате гидролиза систем (степень гидролиза белков молока, молекулярно-массовое распределение белков и пептидов в полученных системах по окончании про цесса гидролиза), состав небелковых компонентов.

Третий этап посвящен оптимизации параметров деминерализации гидро лизатов казеина, полученных химическими агентами. Для этого подбирали сор бенты, обеспечивающие максимальную степень очистки гидролизатов от хими ческих агентов, используемых при их получении. Варьируя параметры процес са (размеры колонки, массовую долю сорбента и скорость фильтрации), изуча ли динамику показателей (потери азота, изменение массовой доли пептидов и аминокислот) в гидролизатах, подвергающихся деминерализации.

На четвертом этапе оценивали влияние технологических факторов (эндо и экзопептидаз, фермент-субстратное соотношение, продолжительность про цесса) на состав и свойства гидролизатов казеина, полученных ферментатив ным способом. Исследовали состав и свойства систем, полученных в результате гидролиза (степень гидролиза, аминокислотный состав и молекулярно-массовое распределение пептидов в полученных системах).

На пятом этапе работы исследовали и разрабатывали технологические параметры сублимационной сушки гидролизатов казеина, полученных различ ными способами. Для этого варьировали параметры криоскопической темпера туры, продолжительность замораживания и сушки. Исследовали влияние уров ня стабилизации температуры высохшего слоя на продолжительность сушки и свойства гидролизатов, изучали микроструктуру до и после сушки, оценивали показатели качества полученных гидролизатов казеина. Анализировали пара метры активность воды, микроструктуры сухих гидролизатов казеина и с про межуточной влажностью.

На шестом этапе проводили обоснование технологических параметров полу чения полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина, а также ос новных направлений использования этих добавок для производства функциональ ных продуктов. Разрабатывали рецептуры и технологии мясных паштетов, коктей лей на молочной основе и кислородных, низкокалорийных майонезных соусов.

Заключительный этап работы связан с практической реализацией резуль татов исследований: разрабатывали техническую документацию, внедряли ре зультаты исследований, оформляли патентную документацию.

На разных этапах работы объектами исследований являлись: казеин пи щевой по ГОСТ Р 53667;

кислота соляная по ГОСТ 3118;

кислота серная по ГОСТ 4204;

натр едкий по ГОСТ 4328;

кальция гидроокись по ГОСТ 9262;

се лен по ГОСТ 10298;

натрий лимоннокислый трехзамещенный 5,5-водный пи щевой (цитрат натрия) по ГОСТ 312274;

коммерческие ферментные препараты:

химотрипсин 40 ед., папаин 60 ед., карбоксипептидаза А 1980 ед., лейцинами нопептидаза 24,0 ед. (фирмы Sigma);

лабораторные и промышленные образцы продукции.

Экспериментальные исследования проводили с учетом современной ме тодологии исследования сложных явлений с помощью общепринятых, стан дартных и оригинальных методов биохимического, физико-химического, структурно-механического анализа с использованием последних достижений науки и техники. Экспериментальные данные обрабатывали методом матема тической статистики на ЭВМ. Для дальнейшей обработки применяли пакет программ WinStat или Statistica 5.0.

Глава 4. Исследование закономерностей гидролиза казеина химиче скими агентами, в т.ч. в присутствии катализатора. Кислотный гидролиз проводили с использованием 6 М соляной или серной кислот в герметичных условиях в режиме вакуума, при остаточном давлении 6 Па и температуре 110±5оС, в течение (4,00–24,00) ч. Для щелочного гидролиза в качестве реаген тов использовали 2 М гидроокись натрия или кальция при аналогичных усло виях протекания реакции.

В первой серии экспериментов изучали состав гидролизатов казеина, по лученных при химическом гидролизе (табл. 1-2).

Таблица Состав гидролизатов казеина, полученных в результате обработки 6 М соляной кислотой Массовая доля, % Продолжитель- Степень общего аминного ность, ч гидролиза, % аммиака азота азота 1 2 3 4 Исходный образец 13,32±0,93 0 0 казеина Соотношение субстрат-кислота 1: 4,00±0,05 0,015±0,001 0,076±0,005 19,48±1, 8,00±0,05 13,32±0,93 0,062±0,004 0,310±0,022 39,30±2, 24,00±0,05 0,095±0,007 1,976±0,138 82,69±5, Соотношение субстрат-кислота 1: 4,00±0,05 0,034±0,002 0,136±0,010 26,15±1, 8,00±0,05 13,32±0,93 0,138±0,010 0,550±0,039 52,38±3, 24,00±0,05 0,156±0,011 3,126±0,219 92,99±6, Соотношение субстрат-кислота 1: 4,00±0,05 0,085±0,006 0,284±0,020 32,75±2, 8,00±0,05 13,32±0,93 0,144±0,024 1,148±0,0080 65,50±4, 24,00±0,05 0,200±0,070 3,880±0,272 96,20±6, При уменьшении концентрации кислоты наблюдается снижение степени гидролиза. Возможно, это связано с недостаточной атакуемостью полипептид ной цепи раствором соляной кислоты. С увеличением продолжительности гид ролиза молекул казеина происходит накопление аммиака и аминного азота.

Данный факт, очевидно, связан с увеличением числа расщепленных амидных связей отдельных аминокислот.

Таблица Молекулярно-массовое распределение белков и пептидов при проведении гидролиза 6 М соляной кислотой Относительное содержание, %, при молекулярной массе, кДа Продолжительность, ч более 20 менее 10–20 5– 1 2 3 4 Соотношение субстрат-кислота 1: 4,00±0,05 14,02±0,98 38,50±2,69 26,00±1,82 21,48±1, 8,00±0,05 6,02±0,42 14,12±0,98 37,06±2,59 42,80±2, 24,00±0,05 0±0,07 7,02±0,49 8,42±0,59 84,56±5, Соотношение субстрат-кислота 1: 4,00±0,05 12,72±0,89 26,25±1,84 30,40±2,13 30,63±2, 8,00±0,05 4,02±0,28 10,12±0,71 33,06±2,31 52,80±3, 24,00±0,05 0±0,06 2,10±0,15 3,52±0,25 94,38±6, Соотношение субстрат-кислота 1: 4,00±0,05 10,27±0,72 20,42±1,43 40,80±1,94 28,51±1, 8,00±0,05 3,73±0,26 7,53±0,53 21,62±1,51 67,12±4, 24,00±0,05 0±0,06 0,52±0,03 1,87±0,13 97,61±6, С целью более детальной оценки изучали влияние продолжительности гидролиза казеина на молекулярно-массовое распределение пептидов в полу ченных кислотных гидролизатах. Выяснили, что накопление полипептидов, олигопептидов, пептидов и аминокислот происходит пропорционально про должительности протекания гидролиза. Так, при продолжительности гидролиза 4,00±0,05 ч состав реакционной смеси характеризуется преимущественно пеп тидами с молекулярной массой более 20 кДа, при 8,00±0,05 ч гидролиза – 5– 20 кДа, при 24,00±0,05 ч – менее 5 кДа независимо от соотношения субстрат кислота. Также отмечено, что с повышением концентрации химического агента происходит увеличение степени гидролиза, что приводит к нарастанию количе ства пептидов с молекулярной массой менее 5 кДа.

Дальнейшие исследования направлены на изучение динамики накопления свободных аминокислот в процессе гидролиза, проводимого при разном соот ношении субстрата и соляной кислоты (табл. 3). При проведении исследований пристальное внимание было уделено изменению массовой доли аминокислот, которые, по литературным данным, быстрее всего подвергаются разрушению в процессе кислотного гидролиза, а именно: серину, треонину, цистину, тирози ну, фенилаланину.

Анализ данных, представленных в табл. 3, свидетельствует о том, что для всех образцов гидролизатов казеина максимальное накопление свободных ами нокислот наблюдается при соотношении 1:25 и составляет 96,20 % от субстра та, в то время как при соотношении субстрат-кислота 1:15 и 1:20, данный пока затель составляет 82,68 и 92,99 %, соответственно.

Таблица Динамика накопления свободных аминокислот в результате обработки 6 М соляной кислотой Соотношение Соотношение Соотношение Исход субстрат-кислота 1:15 субстрат-кислота 1:20 субстрат-кислота 1: Аминокислоты, ный об % разец ка- Продолжительность гидролиза, ч.

4±0,05 8±0,05 24±0,05 4±0,05 8±0,05 24±0,05 4±0,05 8±0,05 24±0, зеина 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Незаменимые аминокислоты 6,47± 1,26± 2,54± 5,35± 1,69± 3,39± 6,34± 2,12± 4,24± 6,47± Валин ±0,38 ±0,07 ±0,15 ±0,32 ±0,10 ±0,20 ±0,38 ±0,12 ±0,25 ±0, 5,48± 1,07± 2,15± 4,53± 1,43± 2,87± 5,37± 1,79± 3,59± 5,48± Изолейцин ±0,33 ±0,06 ±0,13 ±0,27 ±0,08 ±0,17 ±0,32 ±0,10 ±0,21 ±0, 8,27± 1,61± 3,25± 6,84± 2,16± 4,33± 8,10± 2,71± 5,42± 8,27± Лейцин ±0,50 ±0,09 ±0,19 ±0,41 ±0,13 ±0,26 ±0,48 ±0,16 ±0,30 ±0, 7,37± 1,44± 2,90± 6,09± 1,93± 3,86± 7,22± 2,41± 4,83± 7,37± Лизин ±0,44 ±0,08 ±0,17 ±0,36 ±0,11 ±0,23 ±0,43 ±0,14 ±0,29 ±0, 2,52± 0,49± 0,99± 2,08± 0,66± 1,32± 2,47± 0,83± 1,65± 2,52± Метионин ±0,15 ±0,03 ±0,06 ±0,12 ±0,04 ±0,08 ±0,15 ±0,05 ±0,09 ±0, 4,40± 0,86± 1,73± 3,64± 1,15± 2,30± 4,31± 1,44± 2,88± 3,40± Треонин ±0,26 ±0,05 ±0,10 ±0,22 ±0,07 ±0,14 ±0,26 ±0,08 ±0,17 ±0, 1,08± 0,21± 0,42± 0,89± 0,28± 0,57± 1,06± 0,35± 0,71± 1,08± Триптофан ±0,64 ±0,01 ±0,02 ±0,05 ±0,01 ±0,03 ±0,06 ±0,02 ±0,04 ±0, 4,49± 0,87± 1,76± 3,71± 1,17± 2,35± 4,40± 1,47± 2,94± 3,29± Фенилаланин ±0,27 ±0,05 ±0,10 ±0,22 ±0,07 ±0,14 ±0,26 ±0,08 ±0,17 ±0, Окончание табл. Заменимые аминокислоты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2,70± 0,53± 1,06± 2,23± 0,71± 1,41± 2,65± 0,88± 1,77± 2,70± Аланин ±0,16 ±0,03 ±0,06 ±0,13 ±0,04 ±0,08 ±0,16 ±0,05 ±0,10 ±0, 3,69± 0,72± 1,45± 3,05± 0,96± 1,93± 3,62± 1,21± 2,42± 3,69± Аргинин ±0,22 ±0,04 ±0,08 ±0,18 ±0,06 ±0,11 ±0,21 ±0,07 ±0,14 ±0, 6,38± 1,24± 2,51± 5,28± 1,67± 3,34± 6,25± 2,09± 4,18± 6,38± Аспарагиновая ±0,38 ±0,07 ±0,15 ±0,31 ±0,10 ±0,20 ±0,37 ±0,12 ±0,25 ±0, кислота 2,79± 0,54± 1,10± 2,31± 0,73± 1,46± 2,73± 0,91± 1,83± 2,79± Гистидин ±0,38 ±0,03 ±0,06 ±0,14 ±0,04 ±0,08 ±0,16 ±0,05 ±0,10 ±0, 2,43± 0,47± 0,95± 2,01± 0,64± 1,27± 2,38± 0,80± 1,59± 2,43± Глицин ±0,14 ±0,03 ±0,06 ±0,12 ±0,04 ±0,07 ±0,14 ±0,05 ±0,09 ±0, 20,14± 3,92± 7,92± 16,65± 5,27± 10,55± 19,74± 6,60± 13,19± 20,14± Глутаминовая ±1,20 ±0,23 ±0,47 ±0,99 ±0,31 ±0,63 ±1,18 ±0,40 ±0,80 ±1, кислота 10,16± 1,98± 3,99± 8,40± 2,66± 5,32± 9,96± 3,33± 6,65± 10,16± Пролин ±0,61 ±0,12 ±0,24 ±0,50 ±0,16 ±0,32 ±0,59 ±0,20 ±0,40 ±0, 5,66± 1,10± 2,22± 4,68± 1,48± 2,96± 5,55± 1,85± 3,71± 5,06± Серин ±0,34 ±0,06 ±0,13 ±0,28 ±0,09 ±0,17 ±0,33 ±0,11 ±0,22 ±0, 5,66± 1,10± 2,22± 4,68± 1,48± 2,96± 5,55± 1,85± 3,71± 4,66± Тирозин ±0,34 ±0,06 ±0,13 ±0,28 ±0,09 ±0,17 ±0,33 ±0,11 ±0,22 ±0, 0,31± 0,06± 0,12± 0,26± 0,08± 0,16± 0,30± 0,10± 0,20± 0,31± Цистеин ±0,02 ±0,01 ±0,01 ±0,01 ±0,05 ±0,01 ±0,02 ±0,01 ±0,01 ±0, 100,00± 19,47± 39,28± 82,68± 26,15± 52,35± 92,99± 32,74± 65,51± 96,20± Всего ±6,00 ±1,17 ±2,35 ±4,96 ±1,57 ±3,14 ±5,58 ±1,96 ±3,93 ±5, Данный факт, очевидно, связан с большей концентрацией химического агента, которая способна атаковать полипептидную цепь молекулы казеина. С увеличением продолжительности гидролиза казеина наблюдается интенсивное накопление свободных аминокислот.

Для сравнения в аналогичных условиях был проведен гидролиз казеина 6 М серной кислотой, в ходе поставленных экспериментов выяснили, что гидролиз ка зеина под действием химических агентов идет быстрее и эффективнее с ис пользованием 6 М соляной кислоты.

В ходе постановки экспериментов выяснили, что соотношение субстрат кислота 1:20 является оптимальным для проведения гидролиза казеина кислот ным способом, позволяющим максимально сохранить потенциально опасные для разрушения аминокислоты.

Щелочной гидролиз молочных белков практически не используется, так как при действии щелочи имеет место значительное разрушение таких амино кислот, как аргинин, лизин, серин, цистеин.

В ходе исследований мы попытались оптимизировать параметры щелоч ного гидролиза казеина с целью максимального сохранения от разрушения вы шеперечисленных аминокислот (табл. 4).

Таблица Состав гидролизатов казеина, полученных в результате обработки 2 М гидроксидом натрия Массовая доля, % Продолжитель- Степень общего аминного ность, ч гидролиза, % аммиака азота азота 1 2 3 4 Исходный 13,32±0,93 0 0 образец казеина Соотношение субстрат-щелочь 1: 4,00±0,05 0,011±0,001 0,057±0,004 14,64±1, 8,00±0,05 0,047±0,003 0,233±0,01 29,49±2, 13,32±0, 24,00±0,05 0,196±0,01 1,482±0,10 62,02±4, Соотношение субстрат-щелочь 1: 4,00±0,05 0,026±0,001 0,102±0,007 19,62±1, 8,00±0,05 0,064±0,004 0,413±0,03 39,28±2, 13,32±0, 24,00±0,05 0,117±0,008 2,345±0,16 62,41±4, Соотношение субстрат-щелочь 1: 4,00±0,05 0,064±0,004 0,213±0,015 24,56±1, 8,00±0,05 13,32±0,93 0,058±0,004 0,861±0,06 49,14±3, 24,00±0,05 0,175±0,012 2,910±0,20 69,47±4, По мере роста продолжительности гидролиза происходит увеличение степени гидролиза и накопление аминного азота при всех исследуемых соот ношениях субстрат-щелочь. Рациональными условиями для получения целена правленных щелочных гидролизатов казеина являются продолжительность процесса 24,00±0,05 ч и соотношение субстрат-щелочь 1:20, поскольку данные условия обеспечивают достаточную глубину протекания гидролиза.

С целью более детальной оценки свойств полученных щелочных гидро лизатов изучали влияние продолжительности гидролиза на молекулярно массовое распределение белков и пептидов в полученных гидролизатах. Ре зультаты исследований представлены в табл. 5.

Таблица Молекулярно-массовое распределение пептидов при проведении гидролиза 2 М гидроксидом натрия Относительное содержание, %, Продолжитель при молекулярной массе, кДа ность, ч более 20 менее 10–20 5– 1 2 3 4 Соотношение субстрат-щелочь 1: 4,00±0,05 16,34±1,14 41,62±2,91 26,62±1,86 15,42±1, 8,00±0,05 10,20±0,71 22,12±1,55 37,00±2,59 30,68±1, 24,00±0,05 0,72±0,45 9,61±0,67 23,79±1,67 65,88±2, Соотношение субстрат-щелочь 1: 4,00±0,05 14,09±0,98 36,52±2,56 28,41±1,98 20,98±1, 8,00±0,05 8,12±0,56 12,07±0,84 38,49±2,69 41,32±2, 24,00±0,05 0 9,10±0,64 25,38±2,41 65,52±4, Соотношение субстрат-щелочь 1: 4,00±0,05 12,24±0,86 30,92±2,16 30,42±2,13 26,42±1, 8,00±0,05 6,72±0,47 14,14±0,98 25,02±1,75 54,12±1, 24,00±0,05 0 7,56±0,52 20,22±1,42 72,22±2, Гидролизаты, полученные под воздействием гидроксида натрия, при про ведении гидролиза продолжительностью 4,00±0,05 ч характеризуются преиму щественно пептидами с молекулярной массой более 10 кДа, при 8,00±0,05 ча совом гидролизе, как правило, пептидами с молекулярной массой 5–10 кДа, а при 24,00±0,05 ч – менее 5 кДа независимо от соотношения субстрат-щелочь.

Далее, с целью оценки свойств полученных щелочных гидролизатов изу чали динамику накопления свободных аминокислот в процессе гидролиза ка зеина (табл. 6).

Отмечено, что с увеличением продолжительности гидролиза и соотноше ния субстрат-щелочь наблюдается более интенсивное накопление свободных аминокислот в процессе реакции. Наиболее интенсивно накапливаются такие аминокислоты, как валин, изолейцин, глутаминовая кислота, пролин. Напротив, следующие аминокислоты наиболее подвержены разрушению при щелочном гидролизе: аргинин, лизин, серин, цистеин.

Следует отметить тот факт что, аналогичная динамика наблюдалась при использовании в качестве химического агента гидроксида кальция, гидролиз ха рактеризуется более мягким протеканием процесса.

Дальнейшие исследования направлены на изучение химического гидро лиза казеина в присутствии катализатора при указанных условиях.

Таблица Динамика накопления свободных аминокислот в результате обработки 2 М гидроксидом натрия Соотношение Соотношение Соотношение Исходный субстрат-щелочь 1:15 субстрат-щелочь 1:20 субстрат-щелочь 1: Аминокислоты, образец % Продолжительность гидролиза, ч казеина 4±0,05 8±0,05 24±0,05 4±0,05 8±0,05 24±0,05 4±0,05 8±0,05 24±0, 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Незаменимые аминокислоты 6,47± 0,95± 1,91± 4,01± 1,27± 2,54± 4,76± 1,59± 3,18± 4,85± Валин ±0,40 ±0,06 ±0,11 ±0,24 ±0,07 ±0,15 ±0,28 ±0,09 ±0,18 ±0, 5,48± 0,80± 1,61± 3,40± 1,07± 2,15± 4,03± 1,34± 2,69± 4,11± Изолейцин ±0,33 ±0,05 ±0,10 ±0,20 ±0,06 ±0,13 ±0,24 ±0,08 ±0,16 ±0, 8,27± 1,21± 2,44± 5,13± 1,62± 3,25± 6,08± 2,03± 4,07± 6,20± Лейцин ±0,50 ±0,07 ±0,14 ±0,30 ±0,09 ±0,19 ±0,36 ±0,12 ±0,24 ±0, 7,37± 1,08± 2,18± 4,57± 1,45± 2,90± 5,42± 1,81± 3,62± 4,33± Лизин ±0,45 ±0,06 ±0,13 ±0,27 ±0,08 ±0,17 ±0,32 ±0,10 ±0,21 ±0, 2,52± 0,37± 0,74± 1,56± 0,50± 0,99± 1,85± 0,62± 1,24± 1,89± Метионин ±0,15 ±0,01 ±0,04 ±0,09 ±0,03 ±0,06 ±0,11 ±0,03 ±0,07 ±0, 4,40± 0,65± 1,30± 2,73± 0,86± 1,73± 3,23± 1,08± 2,16± 2,55± Треонин ±0,26 ±0,04 ±0,07 ±0,16 ±0,05 ±0,10 ±0,19 ±0,06 ±0,15 ±0, 1,08± 0,16± 0,32± 0,67± 0,21± 0,43± 0,80± 0,26± 0,53± 0,81± Триптофан ±0,06 ±0,01 ±0,02 ±0,04 ±0,01 ±0,02 ±0,04 ±0,01 ±0,03 ±0, 4,49± 0,65± 1,32± 2,78± 0,88± 1,76± 3,30± 1,10± 2,21± 2,47± Фенилаланин ±0,26 ±0,04 ±0,08 ±0,16 ±0,04 ±0,10 ±0,19 ±0,06 ±0,13 ±0, Окончание табл. Заменимые аминокислоты 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2,70± 0,40± 0,80± 1,67± 0,53± 1,06± 1,99± 0,66± 1,33± 2,03± Аланин ±0,16 ±0,02 ±0,04 ±0,10 ±0,03 ±0,06 ±0,12 ±0,04 ±0,08 ±0, 3,69± 0,54± 1,09± 2,29± 0,72± 1,45± 2,72± 0,91± 1,82± 1,92± Аргинин ±0,22 ±0,03 ±0,06 ±0,13 ±0,03 ±0,08 ±0,16 ±0,05 ±0,10 ±0, 6,38± 0,93± 1,88± 3,96± 1,25± 2,51± 4,69± 1,57± 3,14± 4,79± Аспарагиновая ±0,38 ±0,05 ±0,11 ±0,04 ±0,07 ±0,15 ±0,28 ±0,09 ±0,18 ±0, кислота 2,79± 0,41± 0,83± 1,73± 0,55± 1,10± 2,05± 0,68± 1,37± 2,09± Гистидин ±0,16 ±0,02 ±0,05 ±0,10 ±0,03 ±0,06 ±0,12 ±0,04 ±0,08 ±0, 2,43± 0,35± 0,71± 1,51± 0,48± 0,95± 1,79± 0,60± 1,19± 1,82± Глицин ±0,14 ±0,02 ±0,04 ±0,09 ±0,03 ±0,05 ±0,10 ±0,03 ±0,07 ±0, 20,14± 2,94± 5,94± 12,49± 3,95± 7,91± 14,81± 4,95± 9,89± 15,11± Глутаминовая ±1,20 ±0,17 ±0,35 ±0,74 ±0,23 ±0,47 ±0,89 ±0,29 ±0,59 ±0, кислота 10,16± 1,49± 2,99± 6,30± 2,00± 3,99± 7,47± 2,50± 4,99± 7,62± Пролин ±0,61 ±0,09 ±0,18 ±0,37 ±0,12 ±0,24 ±0,45 ±0,15 ±0,30 ±0, 5,66± 0,83± 1,67± 3,51± 1,11± 2,22± 4,16± 1,39± 2,78± 3,20± Серин ±0,34 ±0,07 ±0,10 ±0,21 ±0,06 ±0,13 ±0,25 ±0,08 ±0,16 ±0, 5,66± 0,83± 1,67± 3,51± 1,11± 2,22± 4,16± 1,39± 2,78± 3,50± Тирозин ±0,34 ±0,05 ±0,10 ±0,21 ±0,06 ±0,13 ±0,25 ±0,08 ±0,16 ±0, 0,31± 0,05± 0,09± 0,20± 0,06± 0,12± 0,23± 0,08± 0,15± 0,18± Цистеин ±0,02 ±0,003 ±0,005 ±0,01 ±0,003 ±0,01 ±0,01 ±0,004 ±0,01 ±0, 100,00± 14,64± 29,49± 62,02± 19,62± 39,28± 62,41± 24,56± 49,14± 69,47± Всего ±6,00 ±0,87 ±1,77 ±3,72 ±1,17 ±2,35 ±2,74 ±1,47 ±2,94 ±4, В качестве катализатора использовали чистый селен (Se), в количестве 0,01% от гидролизуемого казеина. Сравнительная характеристика гидролизатов казеина, полученных с использованием катализатора и без него, представлена в табл. 7.

Таблица Сравнительная характеристика гидролизатов казеина, полученных с использованием катализатора Кислотный гидролиз Щелочной гидролиз Показатель без катали- с катализато- без катали- с катализато затора ром затора ром Массовая доля 0,156±0,011 0,180±0,01 0,117±0,008 0,140±0, аммиака, % Массовая доля 3,126±0,219 3,600±0,04 2,345±0,160 2,690±0, аминного азота, % Степень 92,99±6,50 97,25±0,5 62,41±4,37 71,77±5, гидролиза, % Массовая доля аммиака в кислотном и щелочном гидролизатах казеина, полученных в присутствии катализатора, увеличивается с 0,156 до 0,180 и с 0,117 до 0,140%, соответственно. Накопление аминного азота при проведении кислотного гидролиза с катализатором увеличивается в 1,15 раза, при проведе нии щелочного – в 1,14 раза. Как показал анализ представленных эксперимен тальных данных, гидролиз казеина под действием химического агента совмест но с катализатором способствует увеличению степени гидролиза на 4,26% в случае кислотного гидролиза и на 9,36% для щелочного гидролиза.

Глава 5. Оптимизация параметров деминерализации гидролизатов казеина. Использование химических агентов предопределяет направление дальнейших исследований, связанных с очисткой и деминерализацией полу ченных гидролизатов. Очистку гидролизатов, полученных химическим спосо бом, проводили в два этапа. На первом этапе удаляли соляную кислоту и гид роксид натрия с помощью ротационного испарителя при постоянном переме шивании и вакууме (рис. 2).

а) б) Относительное содержание Относительное содержание соляной кислоты, % гидроксида натрия, % 15 30 45 60 75 90 15 30 45 60 75 Продолжительность, мин Продолжительность, мин Рис. 2. Кинетика удаления (а) соляной кислоты и (б) гидроксида натрия в процессе ротационного испарения: 1 – 60±5оС;

2 – 70±5оС;

3 – 80±5оС Удаление кислоты и щелочи происходило пропорционально продолжи тельности и температуре ведения процесса ротационной обработки. Анализ влияния технологических факторов на процесс очистки от используемых для гидролиза агентов показал, что температура 80±5оС и продолжительность про цесса 90 мин являются наиболее целесообразными, так как при данных парамет рах достигается максимальное удаление соляной кислоты и гидроксида натрия.

На втором этапе проводили доочистку кислотных и щелочных гидролиза тов путем деминерализации на полиакриловых синтетических смолах. В каче стве сорбентов выбраны марки сильноосновного анионита TULSION А-23 UPS и слабокислотного катионита DOSHION CWA-92D, обладающих наиболее высо кими кинетическими показателями удаления органических соединений, хоро шими регенерационными свойствами, высокой стойкостью к физическим, тем пературным и осмотическим нагрузкам, широким рабочим диапазоном рН, кото рые позволяют очищать гидролизаты как кислотной, так и щелочной среды.

Дальнейшие исследования направлены на определение параметров процесса, влияющих на степень очистки. К ним относятся размер частиц анионита и ка тионита, а также минимальная высота их слоев (рис. 3) а) б) Массовая доля щелочи, % Массовая доля кислоты, % 2 25 50 75 100 25 50 75 Продолжительность очистки, мин Продолжительность очистки, мин в) г) Массовая доля щелочи, % Массовая доля кислоты, % 25 50 75 100 25 50 75 Продолжительность очистки, мин Продолжительность очистки, мин Рис. 3. Параметры деминерализации: размер частиц для очистки кислотного (а) и щелочного (б) гидролизатов казеина: 1 – 0,4–0,6 мм;

2 – 0,6–0,8 мм;

3 – 0,8–1,0 мм;

определение минимального слоя анионита (в) и катионита (г): 1 – 650–700 мм;

2 – 700–750 мм;

3 – 750–800 мм Таким образом, для деминерализации кислотного и щелочного гидроли затов от соляной кислоты и гидроксида натрия целесообразно использовать в ионообменной колонке высоту слоя анионита и катионита на уровне 750– мм при размере частиц 0,8–1,0 мм.

Эксперименты проводили как в лабораторных условиях (колонка 40 см), так и на производственной установке в условиях опытного производства (колонка 44100 см). Предварительные эксперименты в лабораторных условиях позволили определить оптимальную скорость элюирования. В качестве основ ного критерия подобия при переходе к производственной установке принято время элюирования полного объема колонки, которое составило 90 минут.

Важным моментом в деминерализации гидролизата является выбор правильного соотношения количества анионита (катионита) и гидролизата во избежание ад сорбции на смоле части побочных продуктов гидролиза, либо попадания в фильт рат излишних количеств минеральной кислоты или щелочи.

Основные технологические характеристики очистки и деминерализации гидролизатов казеина, полученных химическим способом гидролиза, представ лены в табл. 9.

Таблица Технологические параметры очистки и деминерализации кислотного и щелочного гидролизатов казеина Показатель Параметры этап-очистка Ротационный испаритель о Температура, С 80± Продолжительность, мин этап-деминерализация Производственная хроматографическая колонка Марка анионита TULSION А-23 UPS Марка катионита DOSHION CWA-92D Размер анионита и катионота, мм 0,8-1, Высота слоя, мм 750- Рабочее давление на входе в колонку, МПа 5, Подвижная фаза Обратноосмотическая вода Концентрация наносимого гидролизата, % 40- Объем наносимого гидролизата, % от объема ко не более 15- лонки Скорость элюирования, л/мин 1,5–2, Продолжительность элюирования полного объема колонки, мин Результаты очистки и деминерализации гидролизатов казеина, получен ные в ходе проведения исследований, представлены в табл. 10.

Таблица Изменение массовой доли аминного азота в процессе очистки и деминерализации гидролизатов казеина Концентрация Массовая доля аминного Вид гидролизата кислоты азота, % Кислотный гидролизат:

до анионита 6,00 М 3,600±0, после анионита 0,01 М 3,348±0, Щелочной гидролизат:

до катионита 2,00 М 2,690±0, после катионита 0,01 М 2,475±0, В условиях опыта при деминерализации гидролизатов казеина концен трация соляной кислоты уменьшилась в 600 раз с потерей 7% аминного азота, а концентрация гидроксида натрия в 200 раз, с потерей 8% аминного азота.

Полученные данные позволяют рекомендовать указанные параметры для деминерализации кислотных и щелочных гидролизатов казеина с целью вклю чения их в функциональные продукты питания в качестве полифункциональ ных добавок.

Глава 6. Изучение влияния технологических факторов на состав и свойства гидролизатов казеина, полученных ферментативным способом.

В дальнейших исследованиях полагали, что, варьируя параметры техно логического процесса, можно провести ферментативный гидролиз полипептид ной цепи с получением низкомолекулярных пептидов, причем применение эн зиматической системы, состоящей из экзо- и эндопептидаз, является рацио нальным и щадящим способом гидролиза белков по сравнению с гидролизом химическими агентами. Для исследований выбраны четыре ферментных пре парата, два из которых обладают экзопептидазной и два – эндопептидазной ак тивностью.

Изучали влияние технологических факторов на закономерности процесса ферментного гидролиза казеина химотрипсином и папаином. Процесс фермен тации вели при активной кислотности 7,0±0,1, оптимальной температуре для энзиматической системы 50±1оС в течение 8,00±0,05 ч, при фермент субстратном соотношении 1:50. Детальный анализ фракционного состава ка зеина до и после процесса ферментации эндопептидазами представлен в табл.

11.

Таблица Фракционный состав казеина в результате обработки эндопептидазами Массовая доля азота во фракциях, % Исследуемый образец казеина общее s содержание До ферментации 13,33±0,92 7,17 2,94 0,68 2, После ферментации:

в присутствии химотрипсина 4,45±0,83 2,38 1,05 0,34 0, в присутствии папаина 4,73±0,87 2,37 1,01 0,34 1, Анализ результатов, представленных в табл. 11, свидетельствует о том, что практически все фракции, входящие в состав казеина, практически наполо вину биотрансформировались по сравнению с неферментированным казеином.

Степень гидролиза полипептидной цепи с накоплением свободных ами нокислот и пептидов в результате гидролиза в присутствии химотрипсина и па паина составила 32,84 и 34,48%, соответственно.

Следующим этапом исследований явился анализ молекулярно-массового распределения образовавшихся казеиновых фракций под действием протеоли тических ферментных препаратов, с целью получения наиболее полного пред ставления о закономерностях ферментативного гидролиза. В качестве контроля выбрали казеин, не подвергшийся ферментативному гидролизу, с молекуляр ной массой 30 кДа (табл. 12).

Таблица Молекулярно-массовое распределение белков и пептидов в результате обработки эндопептидазами Массовая доля фракций, % Молекулярная масса, кДа в присутствии химотрипсина в присутствии папаина Более 20 9,95±0,69 5,22±0, 20–10 16,24±1,14 18,09±1, 10–5 31,05±2,17 30,64±2, Менее 0,5 42,76±2,99 46,05±3, При продолжительности 8,00±0,05 ч ферментации количество фракций с молекулярной массой более 20 кДа резко снижается, что сопровождается нако плением пептидов с низкой молекулярной массой и свободных аминокислот.

При этом массовая доля фракций с молекулярной массой более 20 кДа по исте чении 8,00±0,05 ч гидролиза составляет 9,95 и 5,22% для химотрипсина и па паина, соответственно. С целью изучения свойств полученных гидролизатов исследована динамика накопления свободных аминокислот в процессе фермен тативного гидролиза химотрипсином и папаином. Результаты исследований представлены на рис. 3. и табл. 13.

а) б) 35.806' Leu 35.992' Leu 38.085' Tyr 38.093' Tyr 45.593' His 41.464' Phe 44.208' His 31.643' Cys 46.906' 56.093' NH 33.286' Met 53.027' Lys 28.741' Ala 41.731' Phe 46.485' 54.991' 31.920' Cys 34.868' Ile 27.780' Gly 21.706' 54.657' NH 44.712' 33.553' Met 52.490' Lys 17.618' Thr 51.887' 52.306' 61.546' Arg 16.515' Ser 19.718' Glu 25.133' Pro 50.138' 10.690' Asp 63.931' 29.092' Ala 12.818' 61.154' Arg 35.127' Ile 28.152' Gly 22.171' 17.982' Thr 20.170' Glu 16.866' Ser 25.462' Pro 12.983' Asp 14.783' 1 23 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 234 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Рис. 3. Хроматографический профиль свободных аминокислот, полученных в результате гидролиза казеина а) химотрипсином б) папаином: 1 – аспарагиновая кислота;

2 – се рин;

3 – треонин;

4 – глутаминовая кислота;

5 – пролин;

6 – глицин;

7 – аланин;

8 – цистеин;

9 – метионин;

10 – изолейцин;

11 – лейцин;

12 – тирозин;

13 – фенилаланин;

14 – гистидин;

15 – лизин;

16 – аргинин Таблица Динамика накопления свободных аминокислот в результате обработки казеина эндопептидазами Исходный образец Химотрипсин Папаин Аминокислоты, % казеина (связанные) (свободные) (свободные) Незаменимые аминокислоты Валин 6,47±0,40 2,12±0,14 2,23±0, Изолейцин 5,48±0,33 1,80±0,13 1,89±0, Лейцин 8,27±0,50 2,72±0,22 2,85±0, Лизин 7,37±0,45 2,42±0,21 2,54±0, Метионин 2,52±0,15 0,83±0,05 0,87±0, Треонин 4,40±0,26 1,44±0,11 1,52±0, Триптофан 1,08±0,06 0,35±0,02 0,37±0, Фенилаланин 4,49±0,26 1,47±0,13 1,55±0, Заменимые аминокислоты Аланин 2,70±0,16 0,89±0,07 0,93±0, Аргинин 3,69±0,22 1,21±0,09 1,27±0, Аспарагиновая кислота 6,38±0,38 2,10±0,18 2,20±0, Гистидин 2,79±0,16 0,92±0,07 0,96±0, Глицин 2,43±0,14 0,80±0,05 0,84±0, Глутаминовая кислота 20,14±1,20 6,61±0,52 6,94±0, Пролин 10,16±0,61 3,34±0,27 3,50±0, Серин 5,66±0,34 1,86±0,16 1,95±0, Тирозин 5,66±0,34 1,86±0,16 1,95±0, Цистеин 0,31±0,01 0,10±0,01 0,11±0, Всего 100,00±6,00 32,84±2,63 34,48±2, При обработке казеина папаином наблюдается наибольшее накопление та ких аминокислот, как глутаминовая кислота (массовая доля увеличилась на 4,9%) и пролин (массовая доля увеличилась на 4,7%) по сравнению с обработкой химотрипсином. Также можно наблюдать увеличение массовой доли незамени мых аминокислот: концентрация лизина увеличилась на 4,9%, массовая доля лейцина – на 4,7%, а концентрация валина в гидролизате, полученном фермента цией папаином, увеличилась на 5,2% по сравнению с гидролизатом, полученным при ферментации химотрипсином. Полученные результаты не противоречат ли тературным данным.

Дальнейшие исследования направлены на изучение влияния технологиче ских факторов на особенности протекания процесса ферментативного гидроли за казеина при использовании энзиматических систем, состоящих из экзо- и эн допептидаз, где в качестве эндопептидаз использовались ферментные препара ты химотрипсин и папаин, а в качестве экзопептидаз – карбоксипептидаза А и лейцинаминопептидаза в равноколичественном соотношении 1:1:1.

Степень гидролиза казеина энзиматическими системами в течение 4, 8 и 24,00±0,05 ч отражена в табл. 14.

Таблица Степень гидролиза казеина энзиматическими системами Химотрипсин, Папаин, Показатель карбоксипептидаза А, карбоксипептидаза А, лейцинаминопептидаза лейцинаминопептидаза Продолжительность, ч 4±0,05 8±0,05 24±0,05 4±0,05 8±0,05 24±0, 36,12± 75,89± 89,56± 37,92± 88,64± 94,04± Степень гидролиза, % ±2,88 ±6,07 ±6,26 ±3,03 ±7,09 ±7, C целью детального анализа закономерностей ферментативного гидроли за с применением экзо- и эндопептидаз рассмотрим фракционный состав казеи на до и после обработки энзиматическими системами (табл. 15).

Таблица Фракционный состав казеина в результате обработки энзиматическими системами Массовая доля азота во фракциях, % Исследуемый образец казеина общее s содержание До ферментации 13,33±0,92 7,17 2,94 0,68 2, После ферментации:

-химотрипсином, карбоксипептидазой А и лейцинаминопептидазой 1,48±0,72 0,54 0,23 0,07 0, -папаином, карбоксипептидазой А и лейцинаминопептидазой 0,36±0,87 0,19 0,08 0,02 0, В большей степени биоизменениям подверглась s-фракция. Установлен ная закономерность связана с отщеплением от казеиновых фракций аминокис лотных остатков и пептидов с различной молекулярной массой.

Молекулярно-массовое распределение пептидных фракций в полученных гидролизатах при различной продолжительности процесса анализировали ме тодом электрофореза в полиакриламидном геле по Леммли. В качестве контро ля использовали нативный казеин с молекулярной массой 30 кДа (табл. 16).

Таблица Молекулярно-массовое распределение белков и пептидов в результате обработки энзиматическими системами Массовая доля фракций, % Молеку- в присутствии химотрипсина, в присутствии папаина, карбок лярная карбоксипептидазы А, лейцинами- сипептидазы А, лейцинамино масса, кДа нопептидазы пептидазы 4,00±0,05 8,00±0,05 24,00±0,05 4,00±0,05 8,00±0,05 24,00±0, Более 20 5,53±0,39 – – 3,73±0,26 – – 20–10 12,32±0,86 7,01±0,49 – 10,21±0,71 1,62±0,11 – 10–5 36,74±2,57 10,87±0,76 7,22±0,51 38,52±2,70 7,74±0,54 3,46±0, Менее 0,5 45,41±3,18 82,12±5,75 92,78±6,49 47,54±3,33 90,64±6,64 96,54±6, В результате анализа данных, представленных в табл.16, можно сделать вывод о том, что продолжительность как фактор процесса позволяет не только вовлекать в процесс новые молекулы белка с тем же распределением пептид ных продуктов реакции, но и влиять на увеличение массовой доли свободных аминокислот в гидролизатах, получаемых за счет действия энзиматических систем, в состав которых входят эндо- и экзопептидазы.

Дальнейшие исследования направлены на изучение динамики накопления свободных аминокислот в процессе ферментации энзиматическими системами различного состава, проводимой в одинаковых условиях (табл. 17).

Таблица Динамика накопления свободных аминокислот в результате обработки энзиматическими системами Химотрипсин, Папаин, Исход карбоксипептидаза А, карбоксипептидаза А, Аминокислоты, % ный об лейцинаминопептидаза лейцинаминопептидаза разец Продолжительность гидролиза, ч казеина 4±0,05 8±0,05 24±0,05 4±0,05 8±0,05 24±0, 1 2 3 4 5 6 7 Незаменимые аминокислоты Валин 6,47± 2,34± 4,91± 5,79± 2,45± 5,74± 6,08± ±0,40 ±0,16 ±0,39 ±0,40 ±0,17 ±0,45 ±0, Изолейцин 5,48± 1,98± 4,16± 4,91± 2,08± 4,86± 5,15± ±0,33 ±0,15 ±0,29 ±0,44 ±0,16 ±0,38 ±0, Лейцин 8,27± 2,99± 6,28± 7,41± 3,14± 7,33± 7,78± ±0,50 ±0,21 ±0,56 ±0,52 ±0,25 ±0,57 ±0, Лизин 7,37± 2,66± 5,59± 6,60± 2,79± 6,53± 6,93± ±0,45 ±0,23 ±0,39 ±0,52 ±0,25 ±0,52 ±0, Метионин 2,52± 0,91± 1,91± 2,26± 0,96± 2,23± 2,37± ±0,15 ±0,08 ±0,15 ±0,18 ±0,051 ±0,15 ±0, Треонин 4,40± 1,59± 3,34± 3,94± 1,67± 3,90± 4,14± ±0,26 ±0,12 ±0,26 ±0,27 ±0,12 ±0,31 ±0, Триптофан 1,08± 0,39± 0,82± 0,97± 0,41± 0,96± 1,02± ±0,06 ±0,03 ±0,06 ±0,07 ±0,03 ±0,07 ±0, Фенилаланин 4,49± 1,62± 3,41± 4,02± 1,70± 3,98± 4,22± ±0,26 ±0,12 ±0,30 ±0,32 ±0,13 ±0,35 ±0, Заменимые аминокислоты Аланин 2,70± 0,98± 2,05± 2,42± 1,02± 2,39± 2,54± ±0,16 ±0,05 ±0,18 ±0,19 ±0,07 ±0,19 ±0, Аргинин 3,69± 1,33± 2,80± 3,30± 1,40± 3,27± 3,47± ±0,22 ±0,11 ±0,21 ±0,26 ±0,09 ±0,26 ±0, Аспарагиновая 6,38± 2,30± 4,84± 5,7± 2,42± 5,66± 6,00± кислота ±0,38 ±0,18 ±0,38 ±0,45 ±0,16 ±0,45 ±0, Гистидин 2,79± 1,01± 2,12± 2,50± 1,06± 2,47± 2,62± ±0,16 ±0,08 ±0,16 ±0,17 ±0,07 ±0,19 ±0, Глицин 2,43± 0,88± 1,84 2,18± 0,92± 2,15± 2,29± ±0,14 ±0,07 ±0,14 ±0,15 ±0,06 ±0,17 ±0, Глутаминовая 20,14± 7,27± 15,28± 18,04± 7,64± 17,85± 18,94± кислота ±1,20 ±0,51 ±1,22 ±1,26 ±0,61 ±1,25 ±1, Окончание табл. 1 2 3 4 5 6 7 Пролин 10,16± 3,67± 7,71± 9,10± 3,85± 9,01± 9,55± ±0,61 ±0,29 ±0,61 ±0,81 ±0,30 ±0,72 ±0, Серин 5,66± 2,04± 4,30± 5,07± 2,15± 5,02± 5,32± ±0,34 ±0,14 ±0,34 ±0,41 ±0,17 ±0,40 ±0, Тирозин 5,66± 2,04± 4,30± 5,07± 2,15± 5,02± 5,32± ±0,34 ±0,14 ±0,34 ±0,41 ±0,17 ±0,40 ±0, Цистеин 0,31± 0,11± 0,24± 0,28± 0,12± 0,27± 0,29± ±0,01 ±0,007 ±0,02 ±0,02 ±0,007 ±0,02 ±0, Всего 100,00± 36,12± 75,89± 89,56± 37,92± 88,64± 94,04± ±6,00 ±2,88 ±6,07 ±6,26 ±3,03 ±7,09 ±5, При проведении исследований выяснили, что наибольшая степень гидро лиза достигается в результате использования энзиматических систем, в состав которых входят экзо- и эндопептидазы. Данный факт может быть использован при разработке технологии получения гидролизатов казеина необходимого ка чества с заданными свойствами. Наибольшая степень гидролиза 94,04% дости гается в результате действия на казеин энзиматической системы, где в качестве эндопептидазы использовали папаин, при продолжительности процесса 24,00±0,05 ч.

Глава 7. Исследование и разработка технологических параметров сублимационной сушки гидролизатов казеина. Прогрессивным методом обезвоживания лабильных биологических систем является метод сублимацион ной сушки, заключающийся в том, что в условиях вакуума из замороженного ма териала сублимирует лед, который превращается в пар, минуя жидкую фазу. Не обходимость обоснованного выбора температуры замораживания гидролизатов казеина для сублимационной сушки и отсутствие сведений по количеству вы мороженной влаги в нем, в зависимости от начальной криоскопической темпе ратуры определили направление исследований настоящего раздела работы.

В ходе экспериментов исследованы криоскопические температуры гидролиза тов казеина (рис. 5 а) и количество вымороженной влаги в процессе замораживания гидролизатов (рис. 5 б).

Результаты исследований показывают, что между криоскопической тем пературой и массовой долей сухих веществ в гидролизатах казеина в пределах от 8 до 16% существует обратная логарифмическая зависимость, описываемая для каждого вида молочного гидролизата характерным аппроксимирующим уравнением:

– для кислотного гидролизата казеина:

t кр = 0,5727 ln( x) 2,2483 ;

(1) – для щелочного гидролизата казеина:

t кр = 0,9624 ln( x) 3,4415 ;

(2) – для ферментативного гидролизата казеина:

t кр = 1,0381 ln( x) 3,8539, (3) где x – массовая доля сухих веществ в гидролизате казеина, %.

а) б) 8 10 12 14 16 0 -10 -20 -30 -40 -50 - Количество вымороженной влаги, % - Криоскопическая температура оС -1, - -2, - -3, - Температура замораживания гидролизата, оС Массовая доля сухих веществ, % Рис. 5. Зависимость криоскопической температуры (а) от массовой доли сухих ве ществ в гидролизатах и количество вымороженной влаги (б) от температуры замо раживания: 1- кислотный, 2- щелочной, 3 -ферментативный Следует отметить достаточно высокую степень достоверности аппрокси мации уравнениями (1–3) зависимостей, приведенных на рис. 5а, которая со ставляет: для кислотного гидролизата R 2 = 0,8027 ;

щелочного гидролизата R 2 = 0,801 ;

ферментативного гидролизата R 2 = 0,8242.

Из уравнений (1–3) и рис. 5а следует, что при изменении массовой доли сухих веществ в гидролизатах от 8 до 12% их криоскопическая температура из меняется на 0,3–0,6оС;

при изменении массовой доли сухих веществ от 12 до 16% криоскопическая температура изменятся на 0,6–1,3оС. Изменение криоско пической температуры гидролизатов казеина от массовой доли в них сухих ве ществ происходит вследствие изменения концентрации растворимых веществ, то есть перехода свободной влаги в связанную.

Кривые, приведенные на рис. 5б, показывают, что 60–73% влаги в гидро лизатах вымораживается при температуре минус 40оС. Дальнейшее понижение температуры не приводит к заметному увеличению количества вымороженной влаги в гидролизатах. Экономическая эффективность сушки гидролизатов при температурах от минус 50 до минус 60оС будет крайне низкой. Количество вы мороженной влаги зависит от вида гидролизата казеина, в частности от его на чальной криоскопической температуры (рис. 5б), при одной и той же темпера туре замораживания количество вымороженной влаги в гидролизатах казеина уменьшается с понижением их криоскопической температуры.

Известно, что продолжительность сушки и качество высушенного про дукта зависят от количества удаленной влаги в период сублимации. Количество удаляемой влаги из продукта при сушке зависит от структуры и физико химических свойств объектов сушки. В табл. 18 представлено количество вла ги, удаленной из гидролизатов казеина в процессе сублимационной сушки.

Таблица Количество влаги, удаленной из гидролизатов казеина в процессе сублимационной сушки Температура сублимационной сушки, оС 20 30 40 50 Период сублимационной сушки Количество влаги (%) от общего количества вла ги, удаленной во время сушки Вакуумирование системы 15±0,9 17±1,0 16±1,0 15±0,9 15±0, Сублимация 45±2,7 55±3,3 57±3,4 60±2,4 65±2, Прогрев 40±2,4 28±1,6 27±1,5 25±1,3 20±1, Общая продолжительность, мин 410±2,0 375±2,0 330±1,9 270±1,6 240±1, Температура 30–50оС является наиболее благоприятной для ведения про цесса сушки гидролизатов казеина, так как при таком уровне температур интен сифицируется удаление влаги при отрицательных температурах центрального слоя гидролизатов, сокращается продолжительность сушки.

На рис. 6 приведена микроструктура сухих гидролизатов казеина, полу ченных способом сублимационной сушки при различных температурах стаби лизации на поверхности высохшего слоя.

а) б) в) г) д) Рис. 6. Микроструктура гидролизатов ка зеина (кратность увеличения 500 раз) при различных температурах сублимационной сушки: а – 20оС;

б – 30оС;

в – 40оС;

г – 50оС;

д – 60оС Под микроскопом гидролизаты казеина представляются в виде сплошной массы. При температурах стабилизации высохшего слоя 40–60оС массовая доля влаги в гидролизтах казеина не превышает 5,0%. Повышение температуры ста билизации высохшего слоя выше 60оС приводит к снижению органолептиче ской оценки сухих гидролизатов, которая снижается из-за изменений в цвете (наблюдаются оттенки коричневого цвета) и вкусе (пригорелый). Сухие гидро лизаты, выработанные сублимационным способом, содержат примерно одинако вые по размеру частицы с твердой и гладкой поверхностью.

На рис. 7 представлены фотографии микроструктуры кислотного, щелоч ного и ферментативного гидролизатов до и после сушки при кратности увели чения 1000 раз.

а) в) д) б) г) е) Рис. 7. Микроструктура гидролизатов казеина (кратность увеличения 1000 раз): а, б – кислотного;

в, г – щелочного;

д, е – ферментативного;

а, в, д – до сушки;

б, г, е – по сле сушки Изменение элементного состава гидролизатов связано с особенностями процесса дегидратации влаги. В гидролизатах до и после сушки с помощью электронного микроскопа определен элементный состав (табл. 19).

Таблица Элементный состав гидролизатов казеина до и после сушки Вид гидролизата Элемент, кислотный щелочной ферментативный до сушки после до сушки после до сушки после % сушки сушки сушки O2 50,82 30,56 43,09 28,34 40,58 26, Na 10,58 15,15 10,47 16,54 11,66 15, P 17,15 26,59 19,51 23,65 19,40 22, Cl 6,98 9,65 8,62 12,36 11,92 15, Ca 13,47 18,05 18,32 19,11 16,44 19, Сумма 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100, Установлено, что в гидролизатах казеина после сушки происходит уменьшение содержания кислорода на 20,26–14,04%;

увеличение содержания натрия на 6,07–3,92%, фосфора на 9,44–3,25%, хлора на 3,92–2,67%, кальция на 4,58–0,79%. При сушке гидролизатов улетучивается часть кислорода, за счет чего происходит снижение его концентрации и увеличение массовой доли дру гих элементов, входящих в состав сухих веществ.

При проведении процесса сублимационной сушки в производственных ус ловиях значительный интерес представляют данные по удельным затратам теп лоты на единицу удаленной влаги из молочных продуктов в зависимости от тем пературы и продолжительности концентрирования. На рис. 8 представлены зави симости удельных затрат теплоты на сублимационную сушку кислотного, ще лочного и ферментативного гидролизатов казеина.

а) б) Удельные затраты теплоты, Удельные затраты теплоты, Вт на кг удельной влаги Вт на кг удельной влаги 1 3 5 7 1 3 5 Продолжительность концентрирования, ч Продолжительность концентрирования, ч Рис. 8. Зависимость удельных затрат теплоты на сублимационную сушку кислотного (а) и ферментативного (б) гидролизатов казеина от температуры стабилизации высо хшего слоя: 1 - 20оС;

2 – 30оС;

3 – 40оС;

4 – 50оС;

5 – 60оС;

6 – 70оС Из приведенных зависимостей следует увеличение удельных затрат теп лоты на сублимационную сушку с ростом температуры стабилизации высохше го слоя в независимости от вида гидролизата казеина. Известно, что удельный расход теплоты в вакуум-выпарных установках составляет 0,8–1,2 кВт/кг уда ленной влаги. По данным собственных исследований установлено, что удель ные затраты теплоты на сублимационную сушку гидролизатов казеина при температуре 30–60оС составляют 0,7–0,9 кВт/кг удаленной влаги. Использова ние сублимационной установки позволяет уменьшить затраты теплоты на суш ку по сравнению с вакуумными выпарными аппаратами практически на 10– 20%.

Характер воздействия воды на процессы, протекающие в пищевых про дуктах при хранении, определяется общим количеством содержащейся в них воды и прежде всего ее состоянием, формой и энергией связи.

В гидролизатах казеина с промежуточной влажностью большая часть во ды связана с компонентами продукта. Консервирование пищевых продуктов за ключается в понижении активности воды до уровня, при котором рост микро организмов становится невозможным или подавляется в значительной степени.

На рис. 9 приведены зависимости активности воды от массовой доли су хих веществ концентрированных гидролизатов казеина (рис. 9а) и от относи тельного содержания влаги в гидролизатах (рис. 9б). В гидролизатах казеина наибольшее изменение активности воды от 0 до 0,65–0,70 происходит при из менении относительного содержания влаги от 0 до 10%. Данная вода прочно связана с сухим веществом, что не может служить растворителем. Следует от метить, что сухие гидролизаты казеина с массовой долей влаги не более 5% имеют активность воды от 0,43 до 0,55 в зависимости от способа его получения, содержание влаги в гидролизатах казеина с промежуточной влажностью нахо дится в пределах от 10 до 40%, активность воды от 0,65 до 0,9.

а) б) Активность воды Активность воды Массовая доля сухих веществ, % Относительное содержание влаги, % Рис. 9. Зависимость активности воды от массовой доли сухих веществ (а) и относи тельного содержания влаги в гидролизатах казеина: 1 – кислотного;

2 – щелочного;

3 - ферментативного На рис. 10 приведены микрофотографии гидролизатов казеина с проме жуточной влажностью (кратность увеличения 500 раз).

а) б) в) г) д) е) Рис. 10. Микрофотографии гидролизатов казеина с промежуточной влажностью (кратность увеличения 500 раз): а, б – кислотный гидролизат;

в, г – щелочной гидро лизат;

д, е – ферментативный гидролизат;

а, в, д – массовая доля влаги 12–14%;

б, г, е – массовая доля влаги 20–22% У гидролизатов казеина с промежуточной влажностью на микрофотогра фиях поверхность представлена рельефными элементами, они представляют собой однородную вязкую консистенцию, равномерную по всей массе. В таких продуктах сохраняется исходное количество связанной воды, и структурные изменения, отрицательно сказывающиеся на их консистенции, сводятся к ми нимуму или не наблюдаются. Среднее содержание элементного состава в гид ролизатах казеина с промежуточной влажностью распределился в следующей последовательности: кислород – 29,30%, фосфор – 23,54%, кальций – 18,52%.

Остальные элементы представлены в меньшем количестве: натрий – 15,29%, хлор – 13,35%.

Микрофотография сухого измельченного молочного гидролизата казеина представлена на рис. 11.

а б Рис. 11. Микрофотография сухого измельченного гидролизата казеина (кратность увеличения 200 раз): а) кислотный;

б) ферментативный Сухой гидролизат представляет собой порошок. По микрофотографии с двухсоткратным увеличением видно, что порошок представлен в виде отдель ных конгломератов в форме неправильных прямоугольников и призм. Размеры частиц измельченного гидролизата сублимационной сушки, приведенного на рис. 11, составляют от 100х100 до 300х300 мкм. В целом степень дисперсности и размеры частиц измельченных гидролизатов зависят от способа и продолжи тельности измельчения, а также от технологических требований производст венного процесса, на который направляются сухие гидролизаты казеина.

Глава 8. Технология и обоснование направлений использования гид ролизатов казеина. Научной основой современной стратегии производства пи щи является изыскание новых ресурсов незаменимых компонентов пищи, ис пользование нетрадиционных видов сырья, создание новых прогрессивных тех нологий, позволяющих повысить пищевую и биологическую ценность продукта, придать ему заданные свойства, увеличить срок хранения. Одним из путей реше ния этой проблемы является использование полифункциональных добавок.

Результаты проведенных исследований, изложенные в 4-7 главах, явились основными определяющими факторами при разработке технологического рег ламента получения полифункциональных добавок на основе гидролизатов ка зеина. Общая технологическая схема производства полифункциональных доба вок на основе гидролизатов казеина представлена на рис. 12.

Основными технологическими операциями производства полифункцио нальных добавок являются: приемка основного и вспомогательного сырья, под готовка его к гидролизу, гидролиз, очистка, деминерализация гидролизатов ка зеина (для химического гидролиза), пастеризация жидких гидролизатов, охлаж дение гидролизатов казеина, сублимационная сушка, охлаждение, упаковыва ние, маркирование, хранение готового продукта.

Направления использования полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина в пищевой промышленности приведены на рис. 13.

Приемка казеина, оценка качества согласно ГОСТ Р Измельчение казеина, подготовка к гидролизу щелочной гидролиз кислотный гидролиз ферментативный гидролиз Кислота Подготовка ка- Гидроокись Подготовка энзиматической соляная тализатора- натрия системы папаин (химотрип (серная) селена в количе- (кальция) син), карбоксипептидаза А, (конц. 6 М) стве 0,01% (конц. 2 М) лейцинаминопептидаза в соотношении 1:1: Приготовление гид- Приготовление гид Регулирование рН среды до 7, ролизной смеси в со- ролизной смеси в приготовление гидролизной отношении соотношении смеси в соотношении субстрат:кислота – субстрат:щелочь – фермент:субстрат – 1: 1:20 1: Ферментативный гидролиз при температуре 50±1оС, 24 ч.

Химический гидролиз казеина при температуре Инактивация ферментов ост 110±5оС, вакууме 6 Па, 24 ч рым паром Подготовка ро Очистка гидролизата казеина на ротационном испарителе тационного ис при температуре 80±5оС парителя, размер анионита 0,8-1,0 мм, Доочистка и высота слоя деминерализа 750-800 мм ция гидролиза тов казеина Подготовка хроматографи Пастеризация гидролизатов казеина ческой колонки при температуре 85±3оС, 120 с, охлаждение Очищенные жидкие гидролизаты казеина Сублимацион ная сушка Вакуумирование и сублимация гидролизатов казеина при температуре минус 40оС Прогрев гидролизатов казеина при температуре 40±10оС, удаление влаги, охлаждение Гидролизаты казеина с массовой Гидролизаты казеина с массовой долей влаги 4-5% долей влаги 14-22% ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ Рис. 12. Технологическая схема производства полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина Полифункциональные добавки на основе гидролизатов казеина Мясоперераба- Масло тывающая про- жировая Хлебопекарная и промыш мышленность Молочная промышленность кондитерская мышлен промышленность лен ность Мясные и комбинированные консервы мороженое, смесь для коктейлей, шей Кондитерские изделия (зефир, суфле, молочные смеси для детского и геро Молочные десерты (пудинги, муссы, Молочные и сливочные напитки Вареные колбасные изделия Многокомпонентные сухие Плавленые и мягкие сыры, молочно-белковые пасты кремообразные массы) со взбитой структурой диетического питания Пекарские порошки Смесь для выпечки Паштеты мясные Майонез, соусы ков, кремов) Рис. 13. Направления использования полифункциональных добавок на основе гидроли затов казеина в пищевой промышленности Характеристики полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина представлены в табл. 20.

Таблица Характеристика полифункциональных добавок Норма на основе на основе на основе Наименование показателя кислотных щелочных ферментатив гидролиза- гидролиза- ных гидроли тов тов затов 1 2 3 Массовая доля общего азота, % 13,32±0,93 13,32±0,93 13,32±0, Массовая доля аммиака, мг/100г не опред.

0,18±0,010 0,14±0, Массовая доля аминного азота, % не опред.

3,60±0,040 2,69±0, Относительное содержание пептидов и аминокислот, % при молекулярной массе:

более 20 кДа 0±0,06 0±0,05 10-20 кДа 2,10±0,15 9,10±0,64 5-10 кДа 3,52±0,25 25,38±2,41 3,46±0, менее 5 кДа 94,38±6,61 65,52±4,58 96,54±6, Окончание табл. 1 2 3 Массовая доля аминокислот, %: 97,25±0,51 71,77±5,03 94,04±5, - незаменимых, в т.ч. 39,12±0,34 33,88±0,33 37,69±0, валин 6,31±0,38 5,47±0,33 6,08±0, изолейцин 5,42±0,32 4,63±0,27 5,15±0, лейцин 8,07±0,48 6,99±0,42 7,78±0, лизин 7,17±0,43 6,23±0,37 6,93±0, метионин 2,40±0,14 2,13±0,12 2,37±0, треонин 4,35±0,26 3,71±0,22 4,14±0, триптофан 1,00±0,06 0,92±0,05 1,02±0, фенилаланин 4,40±0,27 3,80±0,23 4,22±0, - заменимых, в т.ч. 58,13±0,48 37,89±0,21 56,35±0, Аланин 2,50±0,15 2,29±0,13 2,54±0, Аргинин 3,43±0,20 3,13±0,18 3,47±0, Аспарагиновая кислота 6,10±0,36 5,39±0,32 6,00±0, Гистидин 2,21±0,13 2,36±0,14 2,62±0, Глицин 2,40±0,14 2,06±0,12 2,29±0, Глутаминовая кислота 20,14±1,02 17,03±1,02 18,94±1, Пролин 10,06±0,61 8,59±0,51 9,55±0, Серин 5,60±0,33 4,78±0,28 5,32±0, Тирозин 5,45±0,32 4,78±0,28 5,32±0, Цистеин 0,24±0,01 0,26±0,01 0,29±0, Массовая доля жира, %, не более 1,5 1,5 1, Массовая доля влаги, % -для сухих добавок 4-5 4-5 4- -для промежуточной влажности 14-22 14-22 14- Внешний вид:

-сухих добавок Сыпучий нетоксичный мелкодисперсный порошок с высокой степенью растворимо сти.

-промежуточной влажности Однородная, вязкая по всей массе жид кость.

Цвет От кремового до светло-желтого, однород ный по всей массе.

Запах Специфический.

Допустимо выпускать полифункциональные добавки на основе гидроли затов казеина в жидком и в сухом виде с массовой долей влаги от 4 до 22%.

Введение в продукты питания гидролизатов казеина в качестве полифунк циональных добавок позволит сбалансировать состав продуктов питания, со хранить или улучшить их вкус и внешний вид, реологические характеристики, структуру, повысить выход и сроки хранения готовой продукции.

Глава 9. Практическая реализация результатов исследований. На ос новании анализа отечественных и зарубежных источников информации, а так же результатов собственных исследований, которые приведены в эксперимен тальных главах настоящей диссертационной работы, теоретически обоснована и практикой научных исследований доказана возможность создания технологий полифункциональных добавок для пищевых продуктов. Частная технологиче ская схема производства диетических майонезных соусов с полифункциональ ными добавками представлена на рис. 14.

Приемка, оценка качества сырья Яблочный Соль, сахар, Поли- Вода Масло Хитозан функцио (винный) горчичный растительное нальная сухой порошок уксус 1 % добавка Просеива- Просеивание Фильтрация ние Дозирование Растворение в Дозирование воде Дозирование Подготовка Растворение в прянностей Набухание уксусе и наполни телей Приготовление смеси эмульгаторов- Дозиро стабилизаторов вание Смешивание компонентов Эмульгирование Смешивание Фасовка, упаковка, реализация Рис. 14.Технологическая схема производства майонезных соусов с полифункцио нальными добавками на основе гидролизата казеина Технологии производства новых видов продуктов апробированы и вне дрены на предприятиях Кемеровской области: ООО «Палыч», ООО «Колмого ровская Птицефабрика», КФК «ИП Тарасов С.М.», ООО «Сибирская губерния».

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ Установлены основные биотехнологические и физико-химические 1.

закономерности получения полифункциональных добавок на основе гидролиза тов казеина на базе оптимальных условий проведения кислотного, щелочного и ферментативного гидролиза, с последующей деминерализацией и сушкой. Раз работана концепция, позволяющая обосновать направления использования по лифункциональных добавок в производстве мясных паштетов, аэрированных напитков и майонезных соусов.

Систематизированы и определены условия получения гидролизатов 2.

казеина химическими способами, в т.ч. в присутствии катализатора селена. Ра циональными параметрами кислотного гидролиза стали: использование в каче стве химических агентов 6 М соляной кислоты и 2 М гидроксида натрия, соот ношение субстрат-агент 1:20, температурный режим 110±5оС.

Исследованы закономерности очистки и деминерализации гидроли 3.

затов казеина полученных химическим способом. Подобраны оптимальные па раметры, обеспечивающие удаление соляной кислоты и гидроксида натрия из гидролизатов казеина: температура 80±5оС, продолжительность процесса мин. Определены параметры деминерализации кислотного и щелочного гидро лизатов: размер частиц анионита и катионита 0,8–0,1 мм, высота слоя 750– мм, концентрация наносимого гидролизата 40-50%, продолжительность элюи рования полного объема хроматографической колонки производственной уста новки 90 мин. В условиях опыта при фильтровании гидролизатов казеина кон центрация кислоты уменьшилась в 600 раз, а щелочи в 200 раз с потерей 7 и 8% аминного азота, соответственно.

В процессе ферментативного гидролиза казеина изучено влияние 4.

энзиматических систем, в состав которых входят эндо- и экзопептидазы, на ди намику накопления свободных аминокислот, молекулярно-массовое распреде ление белков и пептидов. Подобраны параметры, при которых происходит наи большее накопление свободных аминокислот: активная кислотность 7,0, опти мальная температура активности энзиматической системы 50±1оС, фермент субстратное соотношение 1:25. Наибольшая степень гидролиза 94,04±5,52 % достигается в результате действия на казеин энзиматической системы, где в ка честве эндопептидазы использовали папаин, экзопептидаз – карбоксипептидазу А и лейцинаминопептидазу.

На основании изучения процессов сублимационной сушки гидроли 5.

затов казеина исследованы технологические особенности и обоснованы опти мальные параметры процесса: температура замораживания минус 40оС, количе ство вымороженной влаги при этом составило 60-73%.Установлено, что гидро лизаты казеина, как и большинство жидких материалов, перед сублимационной сушкой требуют предварительного замораживания. Температура 30–50оС явля ется наиболее благоприятной для ведения процесса сушки гидролизатов казеи на. Установлено, что удельные затраты теплоты на сублимационную сушку при указанных температурах составляют 0,7–0,9 кВт/кг удаленной влаги. Использо вание сублимационной установки позволяет уменьшить затраты теплоты на сушку по сравнению с вакуумными выпарными аппаратами до 20%.

Выполнены исследования микроструктуры сухих гидролизатов ка 6.

зеина и с промежуточной влажностью от 12 до 22%. Установлено, что в гидро лизатах казеина после сушки происходит уменьшение содержания кислорода на 20,26–14,04%;

увеличение содержания натрия на 6,07–3,92%, фосфора на 9,44–3,25%, хлора на 3,92–2,67%, кальция на 4,58–0,79%. При сушке гидроли затов улетучивается часть кислорода, за счет чего происходит снижение его концентрации и увеличение массовой доли других элементов, входящих в со став сухих веществ. В гидролизатах казеина с промежуточной влажностью со держание кислорода составило 29,30%, фосфора – 23,54%, кальция – 18,52%, остальные элементы представлены в меньшем количестве: натрий – 15,29%, хлор – 13,35%.

На основании проведенных исследований разработаны регламент и 7.

технологические схемы получения полифункциональных добавок на основе гидролизатов казеина. Технологический регламент производства полифунк циональных добавок состоит из основных операций: подготовка основного и вспомогательного сырья к гидролизу;

гидролиз (кислотный, щелочной или ферментативный);

инактивация ферментов - для ферментативного гидролизата;

очистка и деминерализация - для кислотного и щелочного гидролизатов;

суб лимационная сушка;

фасование и упаковывание готового продукта.

Рассмотрены направления использования полифункциональных до 8.

бавок в различных отраслях пищевой промышленности: при производстве мяс ных паштетов, аэрированных коктейлей, майонезных соусов. Разработаны ре цептуры и технологические параметры продуктов с полифункциональными до бавками на основе гидролизатов казеина. Установлено, что полифункциональ ные добавки положительно влияют на функционально-технологические свой ства и реологические характеристики продуктов: влагосвязывающую, влаго- и жироудерживающие способности фарша;

процесс пенообразования и устойчи вости пены в аэрированных напитках, эмульгирования майонезных эмульсий.

Рассчитаны основные технико-экономические показатели по произ 9.

водству кислородных коктейлей и майонезных соусов с полифункциональными добавками, которые показывают целесообразность проектов;

разработана тех ническая документация на полифункциональные добавки и продукты с их ис пользованием;

результаты работы апробированы и внедрены на перерабаты вающих предприятиях.

По материалам диссертации опубликованы следующие основные работы:

Монография 1. Курбанова, М.Г. Научное обоснование и технологические аспекты гидролиза ка зеина: монография. – Кемерово, 2011. – 126 с.