Юлия анатольевна разработка процесса получения ферментативных белковых гидролизатов из гидробионтов электрохимическим методом
На правах рукописи
УДК 577.152.3:543.55:574.5:576.8 КУЧИНА ЮЛИЯ АНАТОЛЬЕВНА РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ БЕЛКОВЫХ ГИДРОЛИЗАТОВ ИЗ ГИДРОБИОНТОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ 05.18.12 – Процессы и аппараты пищевых производств 05.18.04 – Технология мясных, молочных, рыбных продуктов и холодильных производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Мурманск – 2009 2
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном уч реждении высшего профессионального образования «Мурманский государст венный технический университет» на кафедре технологий пищевых произ водств Научные руководители:
кандидат технических наук, доцент Дубровин Сергей Юлианович;
кандидат технических наук, профессор Коновалова Ирина Никандровна
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Мухин Вячеслав Анатольевич;
кандидат технических наук Димова Виктория Витальевна
Ведущая организация:
ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота (Гипрорыбфлот)» (С.-Петербург)
Защита диссертации состоится « 18 » декабря 2009 г. в ч мин на заседании диссертационного совета Д 307.009.02 в Мурманском государст венном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спор тивная, д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государст венного технического университета по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спор тивная, д. Отзывы на автореферат направлять по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спор тивная, д. 13, ФГОУВПО «МГТУ»
Автореферат размещен на сайте www.mstu.edu.ru «17» ноября 2009 г.
Автореферат разослан « 17 » ноября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор И. Н. Коновалова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Рациональное использование морских биоресурсов является важным направлением современных научных исследований. Решения в этой области связаны с созданием научно-обоснованных комплексных малоот ходных технологий путем глубокой переработки гидробионтов. Одной из таких технологий является изготовление белковых гидролизатов. Белковые гидролиза ты находят широкое применение в медицинской, пищевой, комбикормовой и микробиологической промышленности. Например, они используются для произ водства микробиологических питательных сред. В связи с дефицитом белоксо держащего сырья животного происхождения в последние годы разрабатываются технологии получения белковых гидролизатов из гидробионтов. В настоящее время более четверти разновидностей микробиологических сухих питательных сред содержат в своем составе панкреатический гидролизат из рыбной муки и различных видов гидробионтов. Поэтому проблемы выбора сырья и совершенст вование условий его гидролиза для производства питательных сред являются ак туальными. Для гидролиза белоксодержащего сырья в настоящее время исполь зуют два основных способа – химический и ферментативный. Совершенствова ние процесса гидролиза может быть осуществлено в результате применения бо лее дешевой и безопасной электрохимической технологии. При использовании этой технологии для создания необходимых значений рН среды и поддержания температурных режимов используют процесс электролиза водных растворов не органических солей под действием постоянного электрического тока.
На ОАО «Протеин» (г. Мурманск), и ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота (Гипро рыбфлот)» (С.-Петербург) были разработаны электрохимические технологии глу бокой переработки гидробионтов – получение хитина из хитинсодержащего сырья, щелочных гидролизатов из рыбы, получение альгината из бурых водорослей, элек трохимическая рафинация рыбных жиров. Сведения о гидролизе белоксодержаще го сырья под действием ферментов в процессе электролиза водных растворов не органических солей в научной и патентной литературе отсутствуют.
Цель работы. Изучение процесса получения электрохимическим методом ферментативных белковых гидролизатов из гидробионтов и разработка на его ос нове технологии гидролизатов микробиологического назначения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучение процесса электрохимического ферментолиза белоксодержаще го сырья.
2. Выбор математической модели, адекватно описывающей процесс элек трохимического ферментолиза белоксодержащего сырья.
3. Определение близких к оптимальным параметров процесса электрохи мического ферментолиза белоксодержащего сырья и разработка технологиче ской схемы процесса.
4. Оценка протеолитической активности фермента в процессе электролиза раствора хлорида натрия.
5. Проведение сравнительного анализа химического состава белковых гид ролизатов, полученных по ферментативной и ферментативной электрохимиче ской технологиям.
6. Оценка возможности использования белковых гидролизатов из путассу, креветки и рыбной муки, полученных по ферментативной электрохимической технологии, в составе микробиологических питательных сред.
Научная новизна. Изучен процесс гидролиза белоксодержащего сырья с использованием ферментов и электролиза водных растворов неорганических солей для создания необходимых условий ферментолиза (температуры и зна чений рН).
Разработана математическая модель, адекватно описывающая процесс ферментативного гидролиза белоксодержащего сырья электрохимическим ме тодом и установлены близкие к оптимальным параметры процесса.
Найдены условия, при которых физико-химические показатели получен ных гидролизатов допускают их использование в качестве основы для приго товления микробиологических питательных сред.
Установлено, что панкреатические гидролизаты, полученные электрохи мическим методом, характеризуются более высоким содержанием свободных аминокислот.
Показано, что процессы, происходящие при электролизе неорганической соли, не снижают протеолитическую активность ферментного препарата – панкреатина.
Установлено, что панкреатические гидролизаты из путассу и рыбной му ки, полученные электрохимическим методом, могут быть использованы в со ставе микробиологических питательных сред.
Практическая значимость. Изучены основные параметры процесса электрохимического ферментолиза белоксодержащего сырья.
Разработана новая ферментативная технология гидролиза белоксодер жащего сырья без применения химически агрессивных реагентов, которая за ключается в использовании ферментов в процессе электролиза водных раство ров неорганических солей.
Получены панкреатические гидролизаты из рыбной муки, путассу, кре ветки, сайки и определены близкие к оптимальным параметры технологиче ского процесса.
На основании опытно-промышленных испытаний, проведенных на базе ООО «НТЦ Экобиотек-Мурманск», разработана технологическая инструкция по получению панкреатического гидролизата рыбной муки электрохимическим методом и изготовлена опытная партия гидролизата.
В ФГУ «Мурманский ЦСМ» проведены микробиологические испытания панкреатических гидролизатов, полученных электрохимическим методом, на соответствие требованиям фармакопейной статьи ФС-42-3378-97 «Питатель ный агар для культивирования микроорганизмов сухой (ГРГ-агар)». Установ лено, что гидролизаты из путассу и рыбной муки могут быть использованы в составе микробиологических питательных сред.
Получен патент на изобретение 2312514 РФ, МПК-7 А 23J 3/34 «Способ получения белковых ферментативных гидролизатов» № 2006109309/13(010121).
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1. Результаты изучения влияния основных параметров процесса (природы белоксодержащего сырья, температуры, продолжительности, кон центрации фермента) на качество ферментативных белковых гидролизатов, полученных электрохимическим методом.
2. Разработанная технология гидролиза белоксодержащего сырья с ис пользованием ферментов и электролиза водных растворов неорганических солей.
3. Математические модели, описывающие процесс получения пан креатического гидролизата из путассу, креветки и рыбной муки электрохими ческим методом и рассчитанные с их помощью технологические параметры процесса, близкие к оптимальным.
4. Сравнительный анализ химического и аминокислотного состава белковой фракции ферментативных гидролизатов, полученных электрохими ческим методом.
5. Результаты микробиологических исследований панкреатических гидролизатов в составе питательных сред.
6. Результаты производственной апробации панкреатического гидро лиза рыбной муки электрохимическим методом.
7. Технологическая инструкция на электрохимический метод получе ния панкреатического гидролизата рыбной муки.
8. Технико-экономические показатели эффективности разработанной технологии.
Внедрение результатов исследований. На основании проведенных опытно-промышленных испытаний на базе ООО «НТЦ Экобиотек-Мурманск» разработана технологическая инструкция на электрохимический метод полу чения панкреатического гидролизата рыбной муки. Определены технические требования к оборудованию для аппаратурного оформления процесса получе ния электрохимическим методом панкреатического гидролизата рыбной муки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава, аспирантов, научных и инженерных работников МГТУ «Наука и образование» (г. Мурманск, 2002-2009 г.), V Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2007» КГТУ (г. Калининград), 10-ой международной конференции молодых ученых «Пище вые технологии и биотехнологии» на базе Казанского государственного техно логического университета (г. Казань, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (г. Тула, 2008), международ ной научно-практической конференции «Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья» МГТУ (г. Мурманск, 2008).
Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государст венном техническом университете в рамках научно-исследовательской работы по госбюджетной теме «Химический и электрохимический гидролиз гидро бионтов различной природы» (ГР 01200603803).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ: 4 статьи в журналах (из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ), получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, выводов, списка литературы (106 наименований) и 5 приложений.
Работа изложена на 126 страницах, содержит 25 таблиц, 26 рисунков.
Содержание работы Введение. Во введении обоснована актуальность работы, сформулирова ны цель исследования, научная новизна, защищаемые положения. Показана практическая значимость результатов работы.
В первой главе «Обзор литературы» приведен анализ отечественной и зарубежной литературы по вопросам, связанным со способами получения и методами очистки белковых гидролизатов. Рассмотрено влияние физико химических свойств белковых гидролизатов на возможность их использования в различных отраслях промышленности.
Во второй главе «Объекты и методы исследования» определены объекты исследования, методы анализа, приведено описание электрохимического мето да получения ферментативных белковых гидролизатов, и порядок статистиче ской обработки экспериментальных данных.
Ферментативный гидролизат из белоксодержащего сырья получали элек трохимическим методом в установке для электролиза – электролизере, кото рый представляет собой емкость с двумя угольными электродами. Анодная и катодная части электролизера разделены мембраной. Температуру и значения рН, необходимые для ферментолиза создавали за счет электролиза водного раствора электролита, заполняющего электролизную установку.
В качестве объектов исследования были выбраны – рыбная мука, неконди ционная креветка, путассу и сайка. В качестве ферментных препаратов использо вали панкреатин (США «ICN Biochemicals») и гепатопанкреатин, полученный по методике, разработанной в Полярном научно-исследовательском институте мор ского рыбного хозяйства и океанографии им. Н.М. Книповича (ПИНРО). Вы бранное белоксодержащее сырье является перспективным для производства фер ментативных белковых гидролизатов. Так, рыбная мука удобна для транспорти ровки и хранения. Выбор креветки объясняется тем, что актуальной является проблема переработки хитинсодержащего сырья с максимальным использовани ем всех его полезных компонентов. Малорентабельные виды рыб (путассу и сай ка) содержат биологически ценный белок и добываются в большом количестве.
Анализ сырья и продуктов выполняли по методикам, описанным в науч ной литературе и нормативных документах. Химический анализ сырья и про дуктов определяли по методикам ГОСТ 7636-85.
Аминокислотный анализ продуктов проводили методом обращенно-фазной высокоэффективной жидкостной хроматографии с использованием системы ВЭЖХ LC-10АVP («Shimadzu Corp.», Япония) и колонки SupelcosilТМ LC-18 («SUPELCO», США). Молекулярный состав гидролизатов оценивали методом гель хроматографии на колонке, заполненной сефадексом G-100, используя стандартную аппаратуру «Pharmacia Biotech» (США). Анализ проводили в лаборатории ПИНРО.
Эффективность протеолитического расщепления белоксодержащего сы рья определяли расчетным методом, который основан на определении аминно го (Nам) и общего (Nобщ) азота по ГОСТ 7636-85 и вычислении соотношения:
(Nам / Nобщ ) х 100% = СГ (степень гидролиза).
О влиянии электролиза на активность панкреатина судили по изменению со держания аминного азота в белковом субстрате, который инкубировали с ферментом.
Построение математической модели процесса электрохимического фер ментолиза белоксодержащего сырья и поиск оптимальных условий его прове дения выполняли по методу Бокса-Уилсона с использованием центральных ор тогональных композиционных планов. Расчет коэффициентов уравнений рег рессии, проверку адекватности уравнений регрессии и поиск оптимума полу ченной функции в заданной области факторного пространства осуществляли на ПЭВМ с использованием программы Data Fit Ver. 8.1.
В третьей главе «Результаты и их обсуждение» приведены результаты исследований и их обсуждение;
разработан процесс получения белковых гид ролизатов из гидробионтов ферментативным электрохимическим методом и изучены факторы, влияющие на качество полученных гидролизатов.
1. Разработка процесса получения ферментативных белковых гид ролизатов электрохимическим методом 1.1. Выбор электролита. Электролиты, используемые для создания ус ловий проведения ферментолиза белоксодержащего сырья, должны полностью растворяться в воде, обеспечивать необходимые значения рН и температуры, не содержать токсичных элементов, быть дешевыми. С этой целью изучили соли: нитраты калия и натрия (KNO3, NaNO3), хлорид натрия (NaCl), сульфат натрия (Na2SO4). Были рассчитаны теоретические и получены эксперименталь ные данные по изменению температуры и величины рН растворов электроли тов в зависимости от концентрации соли при плотности тока 250, 400, 530 А/м2.
Теоретическое изменение температуры раствора (Tтеор) в условиях экс перимента определяли как отношение теплового эффекта процесса к мольной теплоемкости раствора. При расчете Tтеор учитывали, что выделение тепла обусловлено протеканием химической реакции электролиза соли и нагревани ем раствора электролита при прохождением через него тока.
С учетом потерь тепловой энергии, для расчета Tтеор использовали сле дующее соотношение:
где I - сила тока, А;
- время электролиза, с;
U – напряжение, подаваемое на электроды, В;
F -постоянная Фарадея;
М и Ср соответственно молярная масса, г/моль и мольная теплоемкость раствора электролита, Дж/(мольК);
Q3 - потери тепловой энергии, Дж/моль.
Теоретические значения рН рассчитывали по формуле где I - сила тока, А;
- время электролиза, с;
- коэффициент активности ионов водорода в растворе;
V - объем раствора, м3.
На основании анализа полученных данных в качестве электролита для проведения ферментативного гидролиза белоксодержащего сырья электрохи мическим методом был выбран 1% раствор хлорида натрия.
Влияние процессов, происходящих в реакционной среде при электролизе раствора хлорида натрия с концентрацией 1–4 %, на протеолитическую актив ность панкреатина было изучено в ходе ферментолиза рыбной муки и 1 % рас твора белка – казеината натрия. Анализ полученных результатов показал, что электрохимические процессы, происходящие при ферментолизе белоксодержа щего сырья электрохимическим методом, не снижают протеолитическую актив ность панкреатина в исследованном интервале концентраций хлорида натрия.
1.2. Изучение процесса ферментативного гидролиза белоксодержаще го сырья Предварительная обработка белоксодержащего сырья в электролизере Предварительную обработку сырья проводят для того, чтобы технологи ческие параметры реакционной среды соответствовали оптимальным условиям работы ферментного препарата. Обработку сырья в растворе электролита осу ществляли токами плотностью не менее 400 А/м2, так как ток более низкой плотности не обеспечивает нагрев реакционной среды до температуры 45– 50 °С в условиях эксперимента. Сырье смешивали с раствором электролита в массовом соотношении 1:1 - для дефростированного сырья и 1:8 – для рыбной муки. Поскольку выбранные ферменты имеют наибольшую активность при значениях рН7, то обработку сырья проводили в катодной камере электроли зера. Анодную камеру заполняли раствором электролита. Зависимость измене ния температуры и рН реакционной среды от продолжительности обработки смеси сырье/электролит токами различной плотности представлена на рис. 1.
Анализ данных, приведенных на рис. 1, показал, что предварительную обработку сырья следует проводить при плотности тока 530 А/м2 в 2 этапа: на первом – процесс ведут в течение 40 мин при переменном токе до t = 40-45 С, затем необходимо заменить переменный ток на постоянный и обрабатывать сырье в течение 15 мин до значений рН = 7,8–8,0 и t = 45–50 С.
14 рН Рис. 1. Зависимость величины рН и t, С 60 температуры (t, С) от продолжи тельности обработки сырья токами 50 различной плотности в катодной 40 камере электролизера 1 – t при J = 400 А/м2;
30 2 – t при J = 530 А/м2;
3 – рН при J = 400 А/м2;
20 0 15 30 45 60 75 90 105 4 – рН при J = 530 А/м2.
Время, мин Гидролиз белоксодержащего сырья в катодной камере электролизера Ферментные препараты вводили после достижения оптимальных усло вий для их работы. После введения в камеру электролизера фермента, для обеспечения максимальной скорости реакции ферментативного расщепления, первые 2 часа поддерживали оптимальные значения рН и t С реакционной среды (t = 48 ± 2 С и рН = 7,8 ± 0,2). Плотность постоянного тока при этом составила J = 300–400 А/м2. Плотность тока выше 530 А/м2 вызывает пере грев реакционной среды. В дальнейшем, для предотвращения увеличения рН среды, необходимо перейти на переменный ток плотностью J = 300 А/м2, что позволит поддерживать t = 48 ± 2C в течение последующих 4 часов про цесса ферментолиза (значения рН при этом не изменяются).
Обработка ферментативного гидролизата в кислой среде Кислотную обработку гидролизата проводили для его осветления. Для создания значений рН7, обработку сырья проводили в анодной камере элек тролизера, так как при прохождении постоянного электрического тока через раствор в анодной камере создается кислая среда. Поскольку на данном этапе не требуется поддержания постоянной температуры, то использовали токи плотностью 250, 400 и 530 А/м2.
Зависимость изменения величины рН реакционной среды от продолжи тельности обработки токами различной плотности приведена на рис. 2.
рН Рис. 2. Зависимость величин рН от продолжительности обработки гидро лизатов токами различной плотности в анодной камере электролизера 1 – J = 250 А/м2;
2 – J = 400 А/м2;
3 – J = 530 А/м2.
0 15 30 45 60 75 90 105 Время, мин Анализ кривых на рис. 2 показал, что значения рН = 4,0-4,5 достигаются при плотности тока J = 400 А/м2 за 105 мин, при J = 530 А/м2 за 60–75 мин. Ток плотностью тока J = 250 А/м2 не обеспечивает значения рН = 4,0–4,5 за ис следованный промежуток времени. На следующей стадии гидролизат нагре вали до 100 °С для инактивации фермента и денатурации негидролизованных белковых молекул. Негидролизованное сырье удаляли фильтрацией.
Обработка ферментативного гидролизата в щелочной среде На этом этапе проводили нейтрализацию гидролизата при рН = 7,6–8, в катодной камере электролизера. Необходимые значения рН достигались в течение 1 часа при прохождении постоянного электрического тока J = 400 530 А/м2. Нейтрализованный гидролизат извлекали из ячейки, нагревали до t = 100 °С, фильтровали и сушили.
Разработанный процесс ферментативного гидролиза белоксодержащего сырья электрохимическим методом позволяет поддерживать необходимые для ферментолиза значения рН и температуры путем изменения плотности постоянного и переменного тока, без использования концентрированных ки слот и щелочей. Это повышает безопасность технологии гидролизатов и улучшает санитарно-гигиенические условия производства.
2. Факторы, влияющие на процесс ферментолиза белоксодержаще го сырья электрохимическим методом 2.1. Природа ферментного препарата и белоксодержащего сырья Сравнительная характеристика белковой фракции ферментативных гид ролизатов, полученных электрохимическим методом под действием панкреати на и гепатопанкреатина, приведена в таблицах 1,2 и на рис. 3. Гидролиз прово дили при t = 48 ± 2C, рН = 7,8–8,0, времени обработки – 6 часов, количество вводимого ферментного препарата – 1,25 % от массы сырья. Осветление фер ментативного гидролизата в кислой среде проводили при рН = 4,0–4,5;
нейтра лизацию при рН = 7,6–8,0. Негидролизованное сырье удаляли фильтрацией.
Результаты сравнительного анализа химического состава белковой фрак ции гидролизатов, полученных по ферментативной и ферментативной электро химической технологиям, приведены в табл. 1.
Таблица Сравнительная характеристика белковой фракции гидролизатов из путассу Путассу Сайка Фермента- Ферментативная Ферментатив Ферментативная техно- технология логия (электрохимиче- тивная тех- (электрохимиче- ная техноло Показатели ский метод) нология гия ский метод) гепатопан панкреатин панкреатин панкреатин панкреатин креатин Nоб. % 10,1 10,4 10,9 9,1 11, Nам. % 3,9 4,1 4,2 3,3 4, СГ=Nам./ Nоб., % 39,0 39,1 39,0 35,7 40, Nнба. % 7,9 7,5 8,7 6,7 8, Nнба/Nоб. 0,78 0,72 0,80 0,74 0, САК, % 23,3 23,2 21,3 - Ферментативные гидролизаты из путассу, полученные электрохимиче ским методом, под действием различных ферментов имеют практически одина ковые величины СГ и САК (табл. 1).Отношение Nнба/Nоб в панкреатическом гидролизате выше, т.е. этот гидролизат содержит больше поли- и олигопеп тидов.
Аминокислотный анализ панкреатических гидролизатов из путассу, полу ченных ферментативным и ферментативным электрохимическим методами по казал, что последний содержит в 1,5–3 раза больше глицина, аргинина и лейцина.
В табл. 2 приведена сравнительная характеристика белковой фракции гидролизатов из креветки, полученных по ферментативной и ферментатив ной электрохимической технологиям.
Таблица Сравнительная характеристика белковой фракции гидролизатов из креветки Ферментативная технология Ферментативная технология (электрохимический метод) Показатели панкреатин гепатопанкреатин панкреатин гепатопанкреатин Nоб. % 9,4 9,3 10,8 12, Nам. % 3,5 3,9 4,1 4, СГ=Nам./ Nоб., % 37,0 41,0 38,0 38, Nнба. % 7,2 7,4 8,1 9, Nнба/Nоб. 0,76 0,79 0,75 0, САК, % 24,9 35,3 - 35, Из данных, представленных в таблице 2, следует, что все гидролизаты имеют высокую СГ (37–41 %). Панкреатический гидролизат из креветки, по лученный электрохимическим методом, имеет СГ = 37 %, что на 4 % ниже, чем у гидролизата, полученного под действием гепатопанкреатина, и содер жит на 10,4 % меньше САК. Очевидно, что ферментный препарат гепатопан креатин проявляет большее сродство к белкам ракообразных. Гидролизаты из креветки, полученные под действием гепатопанкреатина по ферментативной и ферментативной электрохимической технологиям, содержат практически одинаковое количество САК (35,3 % и 35,5 %).
Результаты сравнительного анализа химического и аминокислотного состава панкреатического гидролизата рыбной муки (ПГРМ), полученного электрохимическим методом, показали, что данный гидролизат может быть использован в качестве основы для приготовления микробиологических пи тательных сред. Свойства белкового гидролизата из рыбной муки, получен ного ферментативным электрохимическим методом под действием гепато панкреатина, не позволяют использовать его для приготовления микробио логических питательных сред из-за низкой СГ (менее 10 %).
Данные, характеризующие молекулярный состав панкреатических гидро лизатов из рыбной муки, путассу и креветки, полученных электрохимическим методом, приведены в табл. 3. Результаты молекулярно-массового распределе ния белковых фракций обрабатывались с помощью программы PeakFit.
Таблица Молекулярно-массовое распределение белковых фракций в панкреатических гидролизатах Фракции белковых веществ, % Белоксодержащие сырье 100 кД 100-25 кД 25 кД САК рыбная мука 9,8 16 53,6 20, путассу 9 5,5 62,2 23, креветка 4 8,1 63 24, Анализ полученных экспериментальных данных показал, что свойства гидролизатов зависят от природы белоксодержащего сырья и ферментного препарата. Эффективность расщепления (СГ) путассу, сайки и креветки фер ментными препаратами – панкреатином и гепатопанкреатином составила 35,7– 41 %. ПГРМ, полученный электрохимическим методом, имеет СГ = 28,9 %.
2.2. Продолжительность процесса ферментолиза Влияние продолжительности гидролиза на содержание САК и поли пептидных фрагментов в ферментативном гидролизате, полученном электро химическим методом, определяли по изменению концентрации аминного азота (АА). Изменение этого показателя свидетельствует о скорости расщеп ления белковых молекул в процессе ферментолиза.
С о д -е а м и н. а з о та, % 0, Рис. 3. Изменение концентрации 0, аминного азота в процессе фермен толиза электрохимическим методом 0, 1 – рыбная мука;
0, 2 – креветка;
3 – путассу.
0 1 2 3 4 5 6 Время, ч Анализ данных, приведенных на рис. 3, показал, что содержание АА достигает максимальных и практически постоянных значений за 5–6 часов и не зависит от природы белоксодержащего сырья. Наибольшее изменение концентрации АА наблюдается в первые 2 часа ферментолиза. После 6 часов - количество АА в исследуемых гидролизатах достигает 0,30–0,40 %.
2.3. Количество ферментного препарата Количество вводимого ферментного препарата зависит от активности фермента и требований, предъявляемых к гидролизатам. Гидролизаты, ис пользуемые для микробиологических целей, должны содержать общего азо та – не менее 9 %, аминного – не менее 2,9 % (ТУ 480-00001927-27-93). Ре зультаты изучения влияния количества ферментного препарата на состав белковой фракции панкреатических гидролизатов, полученных электрохими ческим методом, приведены в табл. 4.
Таблица Сравнительная характеристика белковой фракции панкреатических гидроли затов, полученных электрохимическим методом, при различных концентра циях ферментного препарата Белоксодержащее сырье Рыбная мука Путассу Креветка Показатели Массовая доля вводимого фермента, % 0,75 1,25 1,75 0,75 1,25 1,75 0,75 1,25 1, Nам. % 2,1 3,0 3,4 2,6 3,9 4,5 2,4 3,5 4, Nоб. % 10,1 10,5 11,2 10,6 10,1 10,5 9,9 9,4 10, Nнб. % 5,4 7,2 7,5 6,2 7,9 8,2 6,1 7,2 7, Из данных, представленных в табл. 4, следует, что концентрация пан креатина равная 1,25 % масс. является оптимальной. При увеличении кон центрации фермента до 1,75 % для более эффективного расщепления белко вой молекулы необходимо увеличить гидромодуль, чтобы обеспечить доступ ферментного препарата к макромолекулам белка. Увеличение гидромодуля приведет к росту экономических затрат на стадии сушки гидролизатов.
2.4. Температура процесса Влияние температуры на эффективность процесса ферментолиза оце нивали по изменению содержания АА и САК в гидролизатах. (табл. 5) Таблица Влияние температуры на состав белковой фракции панкреатических гидро лизатов, полученных электрохимическим методом Белоксодержащее сырьё Рыбная мука Путассу Креветка Показатели Температура, °C 45±1 50±1 55±1 45±1 50±1 55±1 45±1 50±1 55± Nам. % 3,1 3,0 2,1 3,4 3,9 1,7 3,1 3,5 1, Nоб. % 10,6 10,5 10,1 10,2 10,1 10,8 9,1 9,4 9, Nнб. % 7,3 7,2 5,1 7,4 7,9 5,1 6,8 7,2 3, СГ=Nам/ Nоб.% 29,0 28,9 20,6 33,2 39,0 16,0 33,6 37,0 17, Анализ полученных экспериментальных данных показал, что наиболь шее количество АА содержится в гидролизатах из путассу и креветки, полу ченных при t = 50 ± 1 С. Понижение температуры до 45 ± 1 С снижает каче ство гидролизатов. В гидролизатах из рыбной муки, полученных при темпе ратурах 45 ± 1 и 50 ± 1 С, количество аминного, небелкового азота и СГ практически одинаковы. Количество АА во всех гидролизатах, полученных при t = 55 ± 1°С, уменьшилось в 1,5 раза, а СГ снизилась до 16–20 %. При температуре выше 54-55 °С преобладает процесс деструкции белков, приво дящий к инактивации ферментного препарата.
В четвертой главе «Разработка технологии получения белковых гид ролизатов на основании изучения процесса ферментолиза белоксодержащего сырья электрохимическим методом» определены близкие к оптимальным технологические параметры процесса, разработана электрохимическая тех нология получения ферментативных гидролизатов из гидробионтов и про дуктов их переработки. Изучена возможность использования панкреатических гидролизатов, полученных по разработанной технологии, в качестве основы для приготовления питательных сред, рассчитан экономический эффект.
При моделировании процесса получения панкреатических гидролиза тов из гидробионтов электрохимическим методом было использовано цен тральное ортогональное композиционное планирование, полнофакторный эксперимент. В качестве функции отклика Y была выбрана СГ, в качестве влияющих факторов: температура ферментолиза x1, С, и продолжительность процесса x2, час. Математическая модель, описывающая процесс ферменто лиза белоксодержащего сырья электрохимическим методом была получена с помощью компьютерной программы DataFit ver 8.1, позволяющей получать уравнение регрессии, связывающее функцию отклика с выбранным количе ством влияющих факторов.
Поверхности функции отклика Y в зависимости от влияющих факторов при ферментолизе путассу, рыбной муки и креветки электрохимическим ме тодом представлены на рис. 4, 5, 6.
Рис. 5. Поверхность функции откли Рис. 4. Поверхность функции отклика ка Y – СГ панкреатического гидро Y – СГ панкреатического гидролизата лизата из рыбной муки, полученного из путассу, полученного электрохими электрохимическим методом.
ческим методом.
Уравнение регрессии процесса ферментолиза путассу электрохимиче ским методом: Y = - 1074 + 45,96 х1 – 0,4776 х12 + 0,72 х2 + 0,13 х22.
Расчетные значения влияющих факторов, наиболее близкие к опти мальным: при х1=50 С;
х1=6 часов.
Уравнение регрессии процесса ферментативного гидролиза рыбной муки электрохимическим методом: Y = - 392,2 + 17,01 х1 – 0,176 х12 + 2,04 х2.
Расчетные значения влияющих факторов, наиболее близкие к опти мальным: при х1=45 С;
х1=6 часов.
Рис. 6. Поверхность функции отклика Y – СГ панкреатического гидролизата из креветки, полученного электрохи мическим методом.
Уравнение регрессии процесса ферментативного гидролиза креветки элек трохимическим методов: Y = - 851 + 37,4 х1 – 0,3879 х12 – 91,4 / х2 + 102,4 / х22.
Расчетные значения влияющих факторов, наиболее близкие к опти мальным: при х1=50 С;
х1=6 часов.
Анализ полученных данных показал, что продолжительность процесса ферментолиза электрохимическим методом не имеет оптимума на поверхно сти функции отклика, но для получения панкреатических гидролизатов с вы сокой СГ достаточно 6 часов. Поэтому, рациональными условиями протека ния процесса ферментолиза электрохимическим методом являются: темпера тура 45-50 °С, продолжительность – 6 часов.
Технологическая схема процесса получения панкреатических гидроли затов электрохимическим методом представлена на рис. 7.
По физико-химическим показателям панкреатический гидролизат, по лученный электрохимическим методом, должен соответствовать требовани ям, предъявляемым к гидролизатам, используемым в микробиологических питательных средах.
В табл. 6 приведена характеристика панкреатических гидролизатов, полученных электрохимическим методом, на соответствие требованиям ТУ-480-00001927-27-93 «Панкреатический гидролизат рыбной муки».
Таблица Физико-химические показатели панкреатических гидролизатов, полу ченных электрохимическим методом Панкреатический гидролизат Требования Наименование показателя ТУ-480-00001927- рыбной путассу креветки 27-93 муки не более 7 6,0 ± 0,5 6,0 ± 0,5 6,0 ± 0, Массовая доля влаги, % 3,4 ± 0,5 3,1 ± 0,2 3,9 ± 0,2 3,6 ± 0, Массовая доля аминного азота, % 10 ± 2 10,2 ± 0,3 10,5 ± 0,5 10,0 ± 0, Массовая доля общего азота, % 20 ± 5 19 ± 3 18 ± 1 18 ± Массовая доля хлорида натрия, % 7,5 ± 0,5 7,8 ± 0,2 7,8 ± 0,2 7,8 ± 0, Концентрация ионов водорода, рН Рис. 7. Технологическая схема получения панкреатического гидролизата из гидробионтов и продуктов их переработки электрохимическим методом.
На основании полученных экспериментальных данных и в соответст вии с технологической схемой получения панкреатического гидролизата электрохимическим методом, были разработаны исходные данные для про ектирования технологии ферментативного гидролиза белоксодержащего сы рья. Принципиальная схема получения ферментативных гидролизатов из гидробионтов и продуктов их переработки электрохимическим методом представлена на рис. 8.
Рис. 8. Принципиальная технологическая схема получения ферментативных гидролизатов из гидробионтов электрохимическим методом: 1, 5 - реактор с мешалкой;
2 – электролитическая ячейка;
3– волчок;
4 – насос;
6 –сборник;
7– нутч-фильтр;
8 – емкость;
9 – распылительная сушилка.
Выводы 1. Впервые изучен процесс электрохимического ферментолиза белоксо держащего сырья. Показано влияние электролитов: хлорида натрия (NaCl), сульфата натрия (Na2SO4), нитратов калия и натрия (KNO3, NaNO3) и их кон центраций на величину рН и температурный режим процесса. В качестве элек тролита для проведения процесса ферментолиза выбран раствор хлорида натрия с массовой долей 1 %.
2. Определены близкие к оптимальным параметры процесса панкреа тического гидролиза изученного белоксодержащего сырья. Установлено, что химический состав, молекулярно-массовое распределение белковых фракций и содержание свободных аминокислот в панкреатических гидролизатах зави сит от природы фермента и белоксодержащего сырья.
3. Установлено, что электрохимические процессы, происходящие при электролизе, не снижают протеолитическую активность ферментного препа рата – панкреатина.
4. Разработаны математические модели адекватно описывающие про цесс электрохимического ферментолиза белоксодержащего сырья.
5. Разработана технология гидролиза белоксодержащего сырья с ис пользованием ферментов и электролиза неорганических солей для создания оптимальных условий при проведении процесса ферментолиза (температуры и значений рН).
6. Установлено, что содержание свободных аминокислот в панкреати ческих гидролизатах, полученных по ферментативной электрохимической технологии на 4-6 % выше, чем в гидролизатах, полученных по фермента тивной технологии.
7. Показано, что химические и биологические показатели панкреатических гидролизатов из путассу и рыбной муки, полученных по ферментативной элек трохимической технологии, соответствуют требованиям ТУ-480-00001927-27- и могут быть использованы в качестве основы для приготовления микробио логических питательных сред.
8. Рассчитана экономическая эффективность разработанной технологии.
Показано, что применение электролиза для создания необходимых значений рН реакционной среды на стадиях ферментолиза и осветления гидролизатов снижает объем материальных затрат на 35 %.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:
Кучина, Ю. А. Ферментативный гидролизат рыбной муки, полученный 1.
электрохимическим способом / Ю. А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И. Н.Коновалова // Хранение и переработка сельскохозяйственного сырья. - 2009. - № 6.- С. 24-25.
Кучина, Ю. А. Ферментативный белковый гидролизат из путассу, 2.
полученный электрохимическим методом / Ю. А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И.
Н. Коновалова // Рыб. хоз-во. - 2009. - № 4. - С. 115-116.
Статьи в журналахи материалы конференций:
1. К вопросу о производстве ферментативных белковых гидролиза тов с использованием электрохимической технологии / Ю. А. Кучина, П. Б.
Василевский, С. Ю. Дубровин, И. Н. Коновалова // Материалы Всерос. науч. техн. конф «Наука и образование - 2002», Мурманск, 16—29 апреля 2002 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2002. - С. 629-630.
2. Система терморегулирования реакционных смесей в электрохи мических технологиях производства продуктов из гидробионтов / В. И. Вол ченко, Ю. А. Кучина, В. Н. Маркин, П. Б. Василевский // Материалы Всерос.
науч.-техн. конф. «Наука и образование – 2003», Мурманск, 2-16 апреля г. : в 5 ч. / МГТУ. – Мурманск, 2003. - Ч. 4. – С. 188-190.
3. Кучина, Ю. А. Белковые ферментативные гидролизаты из гидробио нтов, полученные электрохимическим способом / Ю. А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И.
Н. Коновалова // Наука и образование-2007 [Электронный ресурс] : междунар. на учн.-техн. конф., Мурманск, 4-13 апреля 2007 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Элек трон. текст дан. (18 Мб). – Мурманск : МГТУ, 2007. - 1 электрон. опт. диск (CD ROM). - С. 629-630. - Гос. рег. НТЦ «Информрегистр» № 0320700491 от 05.03.07.
4. Панкреатический гидролизат рыбной муки, полученный электро химическим методом, как основа микробиологических питательных сред / Ю.
А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И. Н. Коновалова, Т. И. Молчановская // Вест ник развития науки и образования. - 2007. - № 4. - С. 9-14.
5. Кучина, Ю. А. Химический и аминокислотный анализ белковых гидроли затов из гидробионтов, полученных по ферментативной электрохимической тех нологии / Ю. А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И. Н. Коновалова // V Междунар. науч.
конф. «Инновации в науке и образовании – 2007», Калининград, 23-25 октября 2007 г. : труды науч. конф. : в 2 ч. / КГТУ. - Калининград, 2007. - Ч. 1. - С.354-357.
6. Электрохимический способ получения ферментативных белковых гидролизатов из гидробионтов, используемых для приготовления микробио логических питательных сред / Ю. А. Кучина, Е. В. Шошина, С. Ю. Дубро вин, Н. М. Путинцев, И. Н. Коновалова, П. Б. Василевский // Вестник МГТУ :
труды Мурман. гос. техн. ун-та. - Мурманск, 2007. - Т. 10, № 4. - С. 628-632.
7. Кучина, Ю. А. Влияние электролиза на свойства панкреатина при гидролизе белоксодержащего сырья / Ю. А. Кучина // Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья : материалы меж дунар. науч.-практ. конф. посвящ. памяти проф. Н. Н. Рулева, Мурманск, 24– 25 апреля 2008 г. / Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2008. - С. 46.
8. Кучина, Ю. А. Ферментативные белковые гидролизаты из гидробионтов, полученные электрохимическим способом / Ю. А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И. Н.
Коновалова // Всерос. науч.-техн. конф.«Современные проблемы экологии» : сб.
докл. / Тульск. гос. ун-т ;
под. общ. ред. В. П. Мешалкина. - Тула, 2008. - С. 19.
9. Кучина, Ю. А. Влияние электролиза на протеолитическую актив ность панкреатина / Ю. А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И. Н. Коновалова // Х междунар. конф. молодых ученых «Пищевые технологии и биотехноло гии» : сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф., Казань, 12-15 мая г. / Казан. гос. техн. ун-т. - Казань, 2008. - С. 316.
10. Свойства электрохимического панкреатического гидролизата из креветки / Ю. А. Кучина, С. Ю. Дубровин, И. Н. Коновалова, Т. И. Молча новская // Наука и образование-2009 [Электронный ресурс] : междунар. на уч.-техн. конф., Мурманск, 1–9 апреля 2009 г. / МГТУ. - Электрон. текст дан.
(43 Мб). – Мурманск : МГТУ, 2009. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). - С.
300-303. - Гос. рег. НТЦ «Информрегистр» № 0320900170.