Выделение и использование глютена : получение глутаминовой кислоты и глутамата натрия.

Глютен представляет собой белковую часть крахмального молока. Отделение глютена от крахмала основано на различной скорости их осаждения (удельный вес крахмала 1,61, а удельный вес глютена 1,18) и ведется в движущемся потоке в тонком слое на дуговых ситах (желобах) или на центробежных сепараторах.

Общее количество растворимых веществ — белков и углеводов — в крахмальном молоке (на абсолютно сухое вещество АСВ) колеблется от 3 до 6%.

При отделении глютена на дуговых ситах (желобах) сходы имеют плотность от 2 до 2,5 °Бр и содержат протеина 40—50% (на сухое вещество СВ). Дальнейшее уплотнение глютена проводится в отстойниках или на специальных концентрирующих (сгущающих) сепараторах.

При использовании отстойников сходы с желобов самотеком поступают в отстойник первого отстаивания, откуда их перекачивают насосом в отстойники второго отстаивания, а слив спускают в приемный сборник. Уплотненный после второго отстаивания глютен направляют насосом на станцию обезвоживания, а слив — в приемный сборник, из которого вместе со сливом первого отстаивания его перекачивают в контрольный отстойник. Из контрольного отстойника слив при замкнутом процессе производства поступает в сборник и насосом откачивается на пастеризацию; при незамкнутом процессе — спускается в канализацию. Уплотненный глютен периодически откачивают на второе отстаивание.

Выход глютеновых сходов (на 100 кг абсолютно сухой кукурузы) составляет при плотности 3 °Бр 565 кг, или 560 л.

В зависимости от принятой технологической схемы из 100 кг сухой кукурузы получается примерно 9—11,5 кг а.с. глютена. Глютен получается в виде молока светло-желтого цвета, содержащего 10—15% сухих веществ.

Химический состав глютена (в % на абсолютно сухое вещество) приведен ниже.

В сухом глютене количество переваримого белка составляет 71,7%; питательная ценность его — 135 кормовых единиц.

Сгущенный глютен поступает на обезвоживание в виде суспензии, содержащей:

• 10—15% сухих веществ при крахмалистости глютена 35—55% и

• 6 —12% сухих веществ — при крахмалистости 20—30%.

Глютен обезвоживают на вакуум-фильтрах, а глютен в смеси с мелкой мезгой — на фильтрпрессах до влажности 62—66%; фильтрат возвращают в глютеновые отстойники. Производительность глютеновых вакуум-фильтров при работе на высококрахмалистом глютене составляет 40—60 кг абсолютно сухого глютена с 1 м2 в час; при переработке низкокрахмалистого глютена она снижается до 15—18 кг.

Глютен — один из самых богатых растительными белками кормов — содержит довольно большое количество жира, но сравнительно беден углеводами и минеральными солями. Он служит белковой добавкой к кормам, богатым углеводами, но бедным белком. Особенно ценен этот глютеновый корм для крупного рогатого скота. Для молодняка крупного рогатого скота и свиней глютен не может быть единственной белковой добавкой, так как он не обладает всеми необходимыми аминокислотами.

Обезвоженный глютен используют для приготовления смешанного кукурузного корма.

На кукурузоперерабатывающем комбинате в Пхеньяне глютен влажностью 60% высушивается до влажности 8—9% в паровой сушилке. После сушки он отсеивается на сите с щелевыми отверстиями 3,0 X 3,5 мм. Остаток измельчается и возвращается в сушилку. Высушенный глютен упаковывают в мешки. В основном такой глютен используется для производства белковых гидролизатов — соусов — очень распространенной приправы для различных блюд. Небольшая часть его идет на выработку зеина для мебельной промышленности. Опыт сушки глютена в паровых сушилках отдельно от остального корма представляет интерес для нашей промышленности, так как дает возможность более широко применять глютен для выработки ценных продуктов, таких, как глутаминовая кислота и глутамат натрия, белковые гидролизаты, зеин.

В последние годы благодаря широкому внедрению в кукурузокрахмальное производство усовершенствованных крахмальных сепараторов различных типов удается получать глютен с пониженным содержанием крахмала (10—15%) и высоким содержанием белка (65—70%). Поэтому производство зеина из кукурузного глютена становится более рентабельным.

В КНДР производство зеина из кукурузного глютена организовано на одном предприятии.

Сухой кукурузный глютен поступает в мешках и подъемником направляется на III этаж, где его загружают в бункер. Из бункера глютен засыпают в закрытый чан с паровым обогревом и с пропеллерной мешалкой, делающей 18 об/мин. В этот же чан заливают 80%-ный технический спирт и бензол: 3 части спирта и 1,4 части бензола по весу сухого глютена. Содержимое чана при перемешивании нагревается до температуры 50—60 °С и выдерживается в этих условиях в течение четырех часов. Затем смесь направляется на центрифугу. Осадок выводится из производства, а фильтрат направляется в цилиндрический сосуд с мешалкой, делающей 17 об/мин. После перемешивания в течение 20—30 мин содержимое сосуда оставляют в покое на 20 мин. При этом жидкость расслаивается: в верхнем слое находится в основном бензол с растворенным в нем жиром, в нижнем — спирт с растворенным в нем зеином. Сначала сливают нижнюю часть, затем верхнюю. Раствор зеина в спирте направляют в две ванны размером 60 X 300 X 70 см с холодной водой.

Когда в ваннах получается водно-спиртовой раствор крепостью 40% по спиртомеру, смешивание прекращают. Всплывший зеин снимают шумовкой, мутный раствор зеина направляют на центрифугу. Снятый с центрифуги зеин соединяется с зеином, собранным из ванны. Затем зеин намазывают на рамы, обтянутые саржевой сеткой, и высушивают в сушилке камерного типа при температуре 30—40 °С. По окончании сушки зеин снимают в виде тонких пластин и упаковывают в мешки.

Бензольная часть, слитая из разделительного цилиндра, направляется на дополнительный отстой в два разделителя. Отстой продолжается до получения 50%-ного спирта, для чего в отстойники добавляют воду. После разделения спиртовую часть сливают и соединяют с основной, идущей на выделение зеина. Бензол направляют на отгонку в специальные колонки, после чего вновь используют. Сорокаградусный раствор спирта после выделения из него зеина направляют также в колонку для отгонки; спирт после отгонки возвращается в производство.

Выход зеина составляет 15% по весу перерабатываемого глютена. Практически регенируется и возвращается в производство 90% спирта и бензола. При тщательном проведении процесса потери бензола и спирта можно сократить до 5% по отношению к исходному. Всего на зеин перерабатывается 55 т глютена в год.

В СССР кукурузный глютен использовался исключительно как корм. На зарубежных заводах из него получают аминокислоты (глютаминовую, лейцин и тирозин). Это вызвано тем, что кукурузный белок считается неполноценным продуктом питания из-за малого содержания в нем аминокислот лизина и триптофана и повышенного содержания трудноперевариваемого белка зеина. Содержание последнего в глютене в процессе производства кукурузного крахмала увеличивается с 40 (в протеине зерна) до 70%.

Между тем в кукурузном глютене содержание глутаминовой кислоты (в % к глютену) составляет 16—18%, а в клейковине пшеницы 28—30%. Поэтому в таких странах, как Япония, Канада, а также в Западной Европе пшеничная клейковина и кукурузный глютен являются основным сырьем для производства глутамата натрия. В Китайской Народной Республике для производства глутамата натрия используют частично пшеничную клейковину.

В США до 50-х годов основным видом сырья для производства глутамата натрия была пшеничная клейковина (пшеничный глютен), а в 1954 году 30 % глутамата натрия было выработано из клейковины пшеницы и около 20 % из кукурузного глютена.

Глутаминовая кислота принадлежит к числу дикарбоновых аминокислот; она входит в состав большинства белков растительного и животного происхождения; сравнительно много ее в плазме крови и тканях организма человека и животных. Глутаминовая кислота относится к жизненно необходимым аминокислотам, играющим важнейшую роль в процессах обмена веществ человеческого организма и животных.

Она участвует в процессе обмена веществ в реакции переаминирования, служит в организме переносчиком аминогрупп; играет важную роль в удалении из организма аммиака; принимает участие в биохимических превращениях центральной нервной системы. В большом количестве входит в состав белого и серого вещества мозга и является единственной кислотой, интенсивно потребляемой нервными клетками при окислительных процессах в головном мозгу. Поэтому она применяется в качестве медицинского препарата в тяжелых случаях истощения нервной системы, при усталости и потере памяти, аммиачном отравлении организма; ее применяют также при детских нервных заболеваниях, эпилепсии, шизофрении и других душевных заболеваниях. Глутаминовая кислота применяется при белковой недостаточности, в лечебном питании и зубоврачебном деле. Она оказывает защитное действие от х-лучей.

Глутамат натрия является однозамещенной солью глютаминовой кислоты. Глутамат натрия образуется в результате нейтрализации глютаминовой кислоты раствором едкого натра и представляет собой белый кристаллический порошок слабо-солено-сладкого вкуса, хорошо растворяющийся в воде. В водном растворе глютамат натрия обладает мясоподобным вкусом, вызываемым присутствием аниона глутаминовой кислоты, образующегося при диссоциации глютамата в воде.

Глутамат натрия имеет большое значение для питания, так как добавление его в виде приправы к различным пищевым продуктам резко усиливает и делает более выраженными присущие им натуральный вкус и аромат. Кроме того, глутамат натрия ослабляет неприятные привкусы продуктов (прогорклость, горечь лука и т. п.).

Глутамат натрия широко применяется в США, Японии, Китае и ряде европейских стран для улучшения разнообразных мясных, крупяных и овощных блюд, овощей (свежих и замороженных), овощных и мясных консервов, рыбы, солений и маринованных продуктов, маргарина, сыра, пищевых концентратов, пива и других продуктов.

В США 80% вырабатываемого препарата используется в консервном и концентратном производствах.

На консервных заводах Краснодарского края практикуют производство консервов с применением глутамата натрия по инструкциям, разработанным научно-исследовательскими институтами консервной и мясной промышленности.

Разработаны также инструкции для кулинаров по применению глутамата в различных кулинарных изделиях. Количество глютамата натрия, добавляемое в эти продукты и изделия, составляет 0,2—0,4% к их весу.

При добавке в маргарин глутамата натрия в количестве 0,025—0,050% вкус маргарина улучшается.

В Японии испытывалось действие глутамата натрия на вкус пива. При дозе глютамата натрия в 200 мг на литр пильзенского — сильно охмеленного и глубокоотбродившего пива — вкус пива значительно улучшился, стал более нежным, с менее заметным горьким привкусом хмеля.

Доза добавки глутамата натрия к Водке по тем же испытаниям находилась в пределах 10—25 мг/л.

По данным К. Шиллера, незначительная добавка глутамата натрия в продукты, оставленные на длительное хранение, способствует сохранению их качества. При опытной обработке глутаматом окорока, сала, колбасы, жирной рыбы и птицы они после 10 месяцев хранения при 17,8 °С хорошо сохранялись и по внешнему виду и вкусу значительно превосходили контрольные пробы. Полагают, что продукты, обработанные глутаматом, лучше защищены от окисления, чем необработанные продукты. Данные Шиллера подтверждены работниками ВНИХИ для ряда замороженных полуфабрикатов и кулинарных изделий.

Основные процессы получения глутаминовой кислоты и глутамата натрия сводятся к гидролизу белков и других исходных веществ сырьевых материалов; очистке гидролизата от примесей; выделению и очистке глутаминовой кислоты; превращению глютаминовой кислоты в глютамат натрия; сушке и упаковке готового продукта.

Кроме этого, в технологической схеме производства глутамата натрия предусмотрены вспомогательные операции, зависящие от рода сырья, например подготовка и очистка сырья и т. п.

Поскольку гидролиз и некоторые процессы предварительной очистки гидролизатов перед выделением из них собственно глутаминовой кислоты являются наиболее характерными, они требуют более подробного рассмотрения.

Гидролиз. В зависимости от гидролизирующего агента различают три вида гидролиза:

• кислотный,

• щелочной,

• протеолитический.

На промышленных предприятиях протеолитический гидролиз не применяют, так как он требует много времени и проходит неполно. Кислотный гидролиз проводят при помощи серной или соляной кислоты.

Как кислотный, так и щелочной гидролиз имеет свои положительные и отрицательные стороны. При гидролизе белков кислотами в результате взаимодействия углеводов и аминокислот или разложения аминокислот образуются гумины - коричневые и черные продукты. К числу аминокислот, претерпевающих почти полное разрушение, принадлежит триптофан; частично разрушаются цистин и тирозин. Для уменьшения степени разрушения аминокислот предложено в гидролизную смесь вводить хлориды олова, цинка и титана.

Из кислот, применяемых при гидролизе в качестве катализатора, наибольшее распространение имеет соляная кислота. При переработке ПШЕНИЧНОЙ КЛЕЙКОВИНЫ и некоторых других белковых продуктов для выделения глутаминовой кислоты используют низкую растворимость ее хлористоводородной соли — хлор-гидрата в концентрированных растворах соляной кислоты. Недостатком соляной кислоты является сильнокорродирующее свойство ее.

Исследованиями, проведенными в ЦНИИКППе (А. И. Жушман), установлено, что при обработке измельченного глютена четырехкратным количеством 0,15—0,25%-ной НС1 при температуре 100 °С в течение 2 часов происходит эффективное удаление углеводной примеси. Остаток глютена, полученный после обработки, содержит 75—80% сырого протеина и является хорошим сырьем для производства глютаминовой кислоты и глютамата натрия.

Содержание протеина в глютене можно повысить до 85—88%, если провести дополнительное обезжиривание серным эфиром предварительно обескрахмаленного глютена.

Удаление углеводной примеси из пшеничного глютена при помощи разбавленной соляной кислоты или водной вытяжки из культуры плесневых грибов Aspergilius Orisae происходит менее эффективно, так как значительная часть белков (до 20%) переходит в раствор. Содержание протеина в остатке повышается с 42,9 до 60—63%.

ЦНИИКППом разработана технологическая схема получения глутаминовой кислоты из кукурузного глютена (рис. 1). По этой схеме кукурузный глютен обрабатывают слабым раствором соляной кислоты для удаления углеводной примеси (главным образом крахмала). Обезвоженный глютен гидролизуют при кипячении с применением 20%-ной соляной кислоты. Полученный белковый солянокислый гидролизат нейтрализуют 35%-ным раствором NаОН до рН 5—6, уваривают, удаляют примеси, выпавшие в осадок, очищают путем обработки активированным углем, подкисляют до рН 3,2 и в течение 5—8 дней на холоду выкристаллизовывают глютаминовую кислоту. Отвешенную на весах 1 порцию кукурузного глютена помещают в реактор 2, добавляют 0,2%-ный раствор НСl и подвергают кипячению в течение 1—2 ч. Затем суспензию направляют на центрифугу 4 для удаления растворимых веществ, фильтрат собирают в сборник.5 для передачи в кормовой цех. Отфугованный обескрахмаленный глютен помещают в реактор 6 для гидролиза. В качестве катализатора используют концентрированную НСl, которую добавляют из сборника 7 в таком количестве чтобы получить раствор концентрацией 20%.

По окончании гидролиза продукт направляют в нейтрализатор 5, куда из сборника 9 при постоянном перемешивании добавляют 35%-ный раствор NаОН и доводят рН смеси дo 5—6.

Нейтрализованную смесь направляют на фильтрпресс 10 где отделяют от гидролизата гуминовые вещества. Гуминовыё вещества собирают в сборник 10а (это отход производства), гидролизат направляют на вакуум-аппарат 11 для уваривания!

После уваривания до удельного веса 1,23 (при t = 65 C) раствор охлаждают в холодильнике 12 до +6°С и подают в кристаллизатор 13. Выпавшая здесь в осадок смесь аминокислот содержит лейцин, тирозин, фенилаланин и другие вещства. Осадок отделяют от гидролизата на центрифуге 14 и собирают в сборник 15. Этот продукт может быть использован для получения препаратов других аминокислот. Фильтрат уваривают вторично в вакуум-аппарате 16 до удельного веса 1,23 (t = 65°С), охлаждают в холодильнике 17 до +5°С и выдерживают в кристаллизаторе 18. Выпавшие в осадок неорганические примеси, главным образом поваренную соль, отделяют на центрифуге 19, собирают в сборнике 20 и выводят из производства. Отфильтрованный раствор подают в контактный сборник 21 и подогревают до 80°С.

Для обесцвечивания гидролизата сюда добавляют активированный уголь из сборника 22 в количестве 3% (к исходному глютену).

После выдержки в течение 30 мин при перемешивании отработанный уголь отделяют на фильтрпрессе 23, собирают в сборнике 24 и выводят из производства. Раствор охлаждают в холодильнике 25 до 5 °С, подкисляют чистой концентрированной соляной кислотой из сборника 25а до рН 3,2 и направляют в кристаллизатор 26, где выдерживают в течение 5—8 суток. Кристаллы глютаминовой кислоты отделяют от маточного раствора на центрифуге 27, маточный раствор направляют в сборник 28; он может быть использован для производства пищевых соусов.

Для получения чистой глютаминовой кислоты кристаллы растворяют теплой водой в контактном чане 29, добавляют 1 % (к исходному глютену) активированного угля из сборника 30; отработанный уголь отделяют на фильтрпрессе 31, собирают в сборник 31а и выводят из производства.

Раствор охлаждают в холоднильнике 32 до +5°С и направляют в кристаллизатор 33, где выдерживают его в течение 24 ч. Кристаллы чистой глютаминовой кислоты отделяют на центрифуге 34, маточный раствор собирают в сборник 35 и возвращают в производство. Кристаллы глютаминовой кислоты высушивают в сушилке 36 при 60 C, просеивают на сите 37 и упаковывают в специальную тару 38.

Выход глутаминовой кислоты составляет 5% по весу подготовленного глютена, или 6% по весу белка.

Преимуществом этой схемы получения глютаминовой кислоты является ведение процесса в зоне рН, близкой к нейтральной, что позволяет использовать оборудование выполненное из обычных материалов.

Глутаминовая кислота и глутамат натрия из мелассы