Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы и задачи исследования 11
1.1. Физико-химические характеристики растительных и молочных белков 11
1.2. Анализ поведения белков в растворах 19
1.3. Анализ методов и технологий извлечения белков из растительного и молочного сырья 29
1.4. Задачи исследования 48
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Объекты исследования 49
2.1.1. Зернобобовая культура нут 49
2.1.2 Творожная сыворотка 56
2.1.3. Электролиты 59
2.1.4. Электроды 59
2.2. Методика подготовки растворов нута и творожной сыворотки 61
2.3.Ячейка для извлечения белков методом электрофлотации 62
2.4 Ячейка для извлечения белков методом электрофлотокоагуляции 62
2.5. Метод циклической вольтамперометрии 65
2.6. Методика определения знака заряда коллоидных частиц с помощью метода электрофоретического зонда 68
2.7. Метод определения электрохимического потенциала 69
2.8. Метод определения изоэлектрической точки белков 71
2.9 Физико-химические методы исследования 72
2.10. Методика статистической обработки экспериментальных данных 74
Глава 3. Исследование процессов извлечения белков из растворов нута и творожной сыворотки методом электрофлотации
3.1. Влияние режима электрофлотации на степень извлечения белков нута и творожной сыворотки 76
3.2. Определение кинетических закономерностей процесса извлечения растительных и сывороточных белков методом электрофлотации 78
Глава 4. Исследование и оптимизация процессов извлечения белков из растворов нута и творожной сыворотки методом электрофлотокоагуляции 85
4.1. Влияние конструкции ячейки на степень извлечение белков 85
4.2 Влияние режима электрофлотокоагуляции на степень извлечения белков нута и творожной сыворотки 88
4.3. Определение кинетических закономерностей процесса извлечения растительных и сывороточных белков в режиме электрофлотокоагуляции 94
4.3.1.Закономерности адсорбционно-электрохимического поведения растительных белков при работе ячейки в режиме электрофлотокоагуляции 94
4.3.2. Закономерности адсорбционно-электрохимического поведения творожной сыворотки при работе ячейки в режиме электрофлотокоагуляции 97
4.3.3. Особенности кинетики адсорбционно-электрохимического поведения смеси белков творожной сыворотки и нута 100
4.3.4. Влияние природы материала рабочего электрода на адсорбционно-электрохимическое поведение белков 110
4.3.5. Кинетические закономерности адсорбционно-электрохимического поведения белков на электроде из стеклоуглерода в режиме
электрофлотокоагуляции 128
Глава 5. Разработка технологий и оборудования для электрофлотокоагуляционного извлечения белков из растительного и молочного сырья 144
5.1. Разработка многокамерной электрофлотокоагуляционной установки для извлечения белков из растворов 144
5.2. Технология получения изолята белков нута и концентрата сывороточных белков с использованием многокамерной электрофлоткоагуляционной установки 146
6. Исследование физико-химических и функциональных свойств белковых изолятов и концентратов и их использование в пищевом производстве 154
6.1. Физико-химические и функциональные свойства полученных белковых продуктов 154
6.2. Использование изолятов белков нута в консервных и колбасных продуктах 157
Заключение 165
Список используемых источников
- Анализ поведения белков в растворах
- Методика подготовки растворов нута и творожной сыворотки
- Определение кинетических закономерностей процесса извлечения растительных и сывороточных белков методом электрофлотации
- Определение кинетических закономерностей процесса извлечения растительных и сывороточных белков в режиме электрофлотокоагуляции
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Создание эффективных
технологий по переработке белоксодержащего молочного и растительного сырья и получение пищевых и кормовых концентратов с регулируемыми функциональными свойствами являются одними из наиболее перспективных направлений в перерабатывающих отраслях АПК.
Существующие в настоящее время технологии являются многостадийными, недостаточно универсальными и имеют сравнительно низкие технико-экономические показатели. В связи с этим актуальным является поиск более эффективных методов обработки сырья, позволяющих внедрять в отечественное производство ресурсоэнергосберегающие, экологически чистые технологии нового поколения. Это, прежде всего, электрофизические и электрохимические методы обработки жидких сред, среди которых можно выделить методы электрофлотации и электрокоагуляции. Неоспоримым преимуществом этих методов является возможность, благодаря полиэлектролитным свойствам белков, на стадии их выделения из раствора осуществлять безреагентную корректировку рН среды путем регулирования плотности тока. Большим преимуществом методов электрофлотации и электрокоагуляции является также низкая концентрация электролита фона, вводимого в раствор для обеспечения необходимой электропроводности.
Наиболее перспективным подходом к совершенствованию технологий извлечения белков из растительного и молочного сырья является организация совместного протекания процессов электро флотации и электрокоагуляции, позволяющая повысить выход белков из растворов.
Для выбора оптимальных параметров совмещенного процесса электрофлотокоагуляции, отработки приемлемой конструкции электролизера необходимы научные данные о влиянии различных факторов (плотности тока, продолжительности процесса, температуры раствора, материала электродов) на эффективность извлечения белков. Полученные данные послужат базой для разработки эффективной технологии электрофлотокоагуляционного извлечения из растворов растительных и молочных белков.
Целью диссертационного исследования является разработка совмещенной электрофлотокоагуляционной технологии извлечения белков из растительного и молочного сырья.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследовать процессы извлечения белков из растворов нута и творожной сыворотки методом электрофлотации. Выявить влияние режимных и конструктивных факторов на степень и кинетику электрофлотационного извлечения белков;
исследовать и оптимизировать процессы извлечения белков из растворов нута, творожной сыворотки и их смесей методом электрофлотокоагуляции. Выявить влияние конструкции электролизера, материала рабочих электродов, технологических параметров на степень извлечения растительных и молочных белков, а также их смесей;
изучить кинетические закономерности адсорбционно-электрохимического поведения белков в режиме электрофлотокоагуляции с электродами из различных материалов;
разработать установку для электрофлотокоагуляционного извлечения белков из растительного и молочного сырья;
разработать технологии получения изолята белков нута и концентрата сывороточных белков, использующие электрофлотационную установку.
исследовать свойства полученных белковых продуктов и определить рациональную область их применения.
Научная новизна работы заключается в том, что:
экспериментально доказана принципиальная возможность извлечения растительных и молочных белков комплексным методом электрофлотокоагуляции;
установлена пригодность электрофлотокоагуляционного метода для совмещнного извлечения растительных и молочных белков путем изменения параметров электролиза и направленного регулирования изоэлектрического состояния белков;
обоснован выбор стеклоуглерода и показаны его преимущества в качестве материала рабочих электродов в электрофлотокоагуляционной установке;
доказано, что процессы взаимодействия молекул белков с поверхностью электрода протекают по адсорбционному механизму и лимитируются диффузией водорода в твердой фазе, а кинетика процессов надежнее всего описывается уравнением первого порядка;
определены оптимальные параметры процесса электрофлотокоагуляции для изученных видов белков; установлено, что максимальная степень извлечения белков достигается при плотности тока ~ 105 А/м2 (для растворов белков нута) и ~ 210 А/м2 (для растворов сывороточных белков) и продолжительности процесса 30 мин;
установлено, что изменение температуры подвергаемого электрофлотокоагуляции раствора белков в диапазоне 20-50 С не оказывает существенного влияния на эффективность извлечения белков.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в расширении и углублении современных представлений о адсорбционно-электрохимическом механизме процессов, протекающих на электродах в электрофлотокоагуляционном модуле, и в разработке технологии электрофлотокоагуляционного извлечения белков из растворов растительного и молочного сырья.
Были решены следующие практические задачи:
разработаны установка и технологические схемы для извлечения растительных и молочных белков, основанные на совмещении процессов электрофлотации и электрокоагуляции;
проведены технологические испытания, позволившие определить оптимальные условия, обеспечивающие наиболее высокий выход продукта и его качественные показатели;
- получены готовые изоляты и концентраты белков нута и творожной
сыворотки, которые были внедрены в производство и позволили
улучшить функциональные свойства пищевой продукции.
Методология и методы исследования. Методология исследования базировалась на современных достижениях ведущих отечественных и зарубежных исследователей в области электролиза растворов и создания безреагентных технологий извлечения белков, а также на использовании гостированных методик физико-химического анализа, рН - метрии, потенциометрического и органолептического анализа, методов циклической хроновольтамперометрии и бестоковой хронопотенциометрии.
Положения, выносимые на защиту:
результаты исследований и оптимизации процессов электрохимического извлечения белков из растворов нута и творожной сыворотки;
кинетические закономерности процессов электрофлотации и электро-флотокоагуляции белков в циклических потенциодинамических режимах;
конструкция установки и технологические схемы, использующие электрофлотокоагуляцию для получения растительных и молочных белков;
физико-химические и функциональные свойства белковых изолятов и концентратов, а также рациональная область их использования.
Степень достоверности и апробации результатов.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась использованием комплекса современных, независимых и взаимодополняющих методов исследования растворов и белков: циклической вольтамперометрии, метода снятия потенциодинамических кривых с различными электродами (платиновыми, графитовыми, стеклоуглеродными), позволяющих получать экспериментальные результаты с приемлемой и контролируемой точностью. Воспроизводимость опытных данных оценивалась их статистической обработкой с анализом погрешностей.
Результаты диссертационного исследования были доложены на: Международной конференции «Композит - 2013» (Саратов, 2013); «Композит - 2016» (Саратов, 2016); VII-ой международной научно-практической конференции « Технология и продукты здорового питания» (Саратов, 2013); Всероссийской научно-практической конференции «Малоотходные, ресурсосберегающие химические технологии и экологическая безопасность» (Стерлитамак, 2013); II Международной конференции молодых ученых (Энгельс, 2014); Всероссийской молодежной конференции «Новые материалы и технологии: состояние вопроса и перспективы развития» (Саратов, 2014); IV Всероссийской научной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы биомедицинской инженерии» (Саратов, 2014); Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства» (Алматы, 2014); XIV Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2015); III Международной научно-практической конференции
«Актуальные вопросы технических наук в современных условиях» (Санкт – Петербург, 2016).
По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 6 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Она изложена на 189 страницах, содержит 32 таблицы и 72 рисунка.
Автор считает своим долгом выразить благодарность и
признательность за научные консультации д.х.н., профессору кафедры «Химическая технология» ЭТИ (филиала) СГТУ имени Гагарина Ю. А. Поповой С. С.
Анализ поведения белков в растворах
В последние годы накапливается все больше сведений о существенной роли четверичной структуры в регулировании процесса гидролиза запасных белков при прорастании семян. Показано, что при прорастании семян такие белки распадаются на низкомолекулярные соединения. Высказано предположение, что гидролиз запасных белков предшествует их диссоциации на субъединицы. Более того, сейчас можно считать установленным, что диссоциация белков сопровождается дезамидированием остатков аминокислот, накоплением мочевины и протеканием ряда других процессов, облегчающих эту диссоциацию [22]. Белковые комплексы суммарных глобулинов различных видов бобовых различаются по растворимости, определенными хроматографическими, электрофоретическими методами и аминокислотному составу. Эти данные используются в селекционно-генетических работах для выведения новых сортов растений с заданным количеством незаменимых аминокислот.
Среди бобовых культур в качестве источника пищевого биологически ценного белка наибольшее значение имеют семена сои. С их использованием организовано производство соевой муки (обезжиренной, полужирной и необезжиренной), концентратов и изолятов.
Наряду с белками, обладающими питательной ценностью, в состав бобовых культур частности семян входит не менее пяти ингибиторов трипсина в количестве 5 - 10% от общего содержания белка. Наиболее хорошо изучены ингибитор Кунитца, на долю которого приходится 90% общей активности ингибиторов, и Баумана - Бирк. Ингибиторы представляют собой белковые молекулы с молекулярными массами 21,5 и 8 кДа, соответственно. Для них расшифрована первичная структура. Так, самый высокомолекулярный -ингибитор Кунитца - имеет в своем составе 181 остаток аминокислот и две дисульфидные связи. Расщепление одной из них не влияет на активность ингибитора, тогда как одновременное восстановление двух связей приводит к получению неактивного продукта.
В состав всех ингибиторов трипсина входят, расположенные в пространстве особым образом, остатки лизина или аргинина. Белковые ингибиторы различаются по специфичности, выражающейся в неодинаковой способности подавлять активность различных ферментов. Так, ингибитор Кунитца в случае сои подавляет активность трипсина и фермента крови плазмина, но слабо ингибирует химотрипсин, а ингибитор Баумана - Бирк снижает активность не только трипсина, по и химотрипсипа. Являясь «двухцентровым» ингибитором, ингибитор Баумана - Бирк одновременно вступает в реакцию с двумя молекулами различных ферментов и не может связывать две молекулы одного фермента. Вс сказанное неизбежно ведет к значительному усложнению технологических процессов в производстве белковых продуктов.
В технологических процессах, например, по производству белковых продуктов из сои предусматривается инактивация ингибиторов протеиназ обработкой паром, микроволновым нагревом, вымачиванием с последующим кипячением и другими способами. Инактивация ингибиторов трипсина на 80— 90% по сравнению с их активностью в исходном сырье уже позволяет отнести белковые продукты к пищевым, не обладающим отрицательным воздействием на организм [23].
Отсутствие высокой активности лектинов, как и ингибиторов ферментов, в белковых продуктах из бобовых является одним из санитарно-гигиенических требований, предусматриваемых сертификацией для использования их в хлебопечении, кондитерской и других отраслях промышленности в целях повышения пищевой ценности изделий. Снижение активности лектинов достигается применением более мягких условий, чем снижение активности ингибиторов ферментов - нагреванием при 80С [23].
Белки молочного происхождения характеризуются большим количеством видов и подвидов. Их состав зависит от выбора метода и как следствие, сложности технологического цикла обработки молока.
Молоко - это гетерогенная система, в которой в качестве дисперсной фазы выступают эмульгированные жировые глобулы и коллоидные мицеллы казеина, а в роли дисперсионной среды - раствор содержит отдельные молекулы белков, лактозы, солей и витаминов. Общее содержание белков в молоке колеблется от 2,9 до 3,5%. Среди них выделяются две основные группы: казеины и сывороточные белки (таблица 1.4). В молоке содержится более 20 ферментов (ксантиноксидаза, пероксидаза, каталаза, липаза, холинэстераза, -амилаза, лизоцим, протеаза и др.), а также гормоны (пролактин, окситоцин, кортикостероиды, тироксин, трииодтиронин и др.). Оболочка жировых шариков, также содержит молекулы белков [22].
Основными белками молока являются казеины, которые являются источниками незаменимых аминокислот, кальция, фосфора и ряда физиологически активных пептидов. Так, при действии в желудке на -казеин химозина высвобождаются глико- и фосфопептиды, которые регулируют секрецию желудочного сока, моделируют физико-химические свойства белков (растворимость, вязкость, заряд, денатурацию), осуществляют защиту от протеолиза и влияют на проницаемость мембран клеток. Важнейшими физиологическими функциями обладают и сывороточные белки, отличающиеся от казеина высокой степенью усвояемости и богатым аминоскислотным составом. Иммуноглобулины выполняют защитную функцию, лактоферрин и лизоцим (фермент) являются носителями антибактериальных свойств, а лактоферрин и -лактоглобулин выполняют транспортную роль, перенося в кишечник микро- и макроэлементы, витамины и липиды. -лактальбумин необходим для синтеза лактозы в молоке из УДФ - галактозы и глюкозы [24].
Методика подготовки растворов нута и творожной сыворотки
Для выделения белков из подсырной сыворотки наиболее широкое распространение получили тепловой, кислотный и кислотно-щелочной способы коагуляции сывороточных белков. При нагревании подсырной сыворотки сывороточные белки начинают денатурировать при температуре 65С, видимая коагуляция отмечается при 75-80С, а оптимум соответствует 90-95С. Однако после тепловой денатурации из подсырной сыворотки выделяется от 20 до 30% сывороточных белков. Усиление тепловой денатурации белков происходит путем введения реагентов, сдвигающих реакцию среды сыворотки в кислую сторону.
Подкисление подсырной сыворотки соляной кислотой до рН = 4,5 позволяет выделить на 10% больше белка, чем при тепловой коагуляции. Кислотность рН = 4,5 соответствует изоэлектрической точке -лактоальбумина. Неполное выделение белковых фракций при кислотной коагуляции объясняется их неоднородностью и различием свойств. Дальнейшего выделения сывороточных белков можно достичь путем раскисления подсырной сыворотки от рН = 4,5 до рН = 6,5.
Подкисление и последующее раскисление доводят реакцию среды до изоэлектрической точки всех присутствующих в сыворотке белков. При этом выделяется 50-55% азотистых соединений. На количество выделившихся сывороточных белков, кроме температуры и рН среды, влияет время воздействия [43-45].
Коагуляция хлоридом кальция, позволяет увеличить степень выделения белков из подсырной сыворотки до значений свыше 50 %. Однако хлорид кальция можно применять только для свежей подсырной сыворотки. Одним из направлений безреагентной коагуляции сывороточных белков является их выделение на стадии сгущения. При сгущении сыворотки до 28% сухих веществ степень коагуляции белка составляет 61,5 %,что почти на 10 % выше, чем при кислотно-щелочном способе. Кроме того, с белком удаляется до 20 % минеральных веществ.
Сывороточные белки, полученные в результате тепловой коагуляции, теряют по сравнению с нативными белками значительную часть своих ценных функциональных свойств, таких, как хорошая растворимость, влагоемкость, способность к образованию и стабилизации эмульсий, к связыванию и стабилизации жира, способность к пенообразованию и гелеобразованию. Нативные сывороточные белки обладают следующими функциональными свойствами: они хорошо растворимы, гидрофильны, способны образовывать пену, эмульсии и гели [45].
В последнее время для извлечения молочных белков из растворов используются баромембранные методы, когда низкомолекулярные вещества переносятся через мембраны за счет разности давлений и эти методы позволяют извлекать белок в нативном состоянии [46, 47]. При производстве сыра, казеина и творога получается около 90 % сыворотки от общего объема перерабатываемого молока. Одним из направлений применения баромембранных методов (ультрафильтрации – УФ) является получение белковых концентратов из сыворотки, которые затем используют в производстве сыра. Другим важным направлением является получение новых продуктов из сыворотки на основе концентратов с высоким содержанием сывороточных белков [48].
Для извлечения белков из растительного и молочного сырья весьма перспективно использование электрохимических технологий (электрофлотации и электрокоагуляции) [1-6, 8,9]. Большим преимуществом методов электрофлотации и электрокоагуляции является низкая концентрация электролита фона, вводимого в раствор для обеспечения необходимой электропроводности. Более того, подбор определенной конструкции ячейки (электролизера) и определенного расположения электродов позволяет осуществлять совместное протекание процессов электрофлотации и электрокоагуляции и обеспечить более высокий процент извлечения белка. При электрокоагуляции образование белковых коллоидных систем происходит в результате адсорбции на частицах белка ионов, присутствующих в растворе (следствие электролитической диссоциации), которые придают частицам белка заряд и обеспечивают их перемещение в электрическом поле и их коагуляцию.
При электрофлотации изоэлектрическое состояние белка достигается без использования дополнительных химических реагентов. Перенос частиц белка из объема раствора на его поверхность осуществляется газовыми пузырьками водорода (у катода) или кислорода (у анода), образующимися в результате электролитического разложения воды [1,2,3,4,49].
Принципиальное отличие электофлотации от обычной флотации – это возможность осуществления процесса без реагентов-собирателей (применяются только реагенты для образования осадков и их флокуляции), а также высокая дисперсность пузырьков (мкм и десятки мкм), что на 1-2 порядка меньше, чем в обычной пенной флотации. Это позволяет флотировать более мелкие частицы (белковые макромолекулы) [50, 51].
Величина пузырьков газа при электрофлотации зависит от электропроводности белкового раствора: чем меньше электропроводность, тем выше напряженность электрического поля и тем мельче пузырьки. Размер пузырьков водорода значительно меньше пузырьков кислорода, выделяющихся на аноде, и меньше, чем при других методах флотации. Диаметр пузырьков водорода меняется в пределах от 20 до 40 мкм, тогда как диаметр пузырьков кислорода в двое больше водородных. На размер пузырьков влияет плотность тока, свойства поверхности электрода, его форма, рН и температура среды, поверхностное натяжение на границе раздела фаз электрод-раствор белка. [52, 53].
Определение кинетических закономерностей процесса извлечения растительных и сывороточных белков методом электрофлотации
Для определения содержания белка в сухом остатке после электрофлотокоагуляции использовали метод Кьельдаля по ГОСТ 10846-91 [92]. Сущность метода заключается в минерализации органического вещества серной кислотой в присутствии катализатора с образованием сульфата аммония, разрушении сульфата аммония щелочью с выделением аммиака, отгонке аммиака водяным паром в раствор серной или борной кислоты с последующем титрованием.
Для измерения влажности полученного белкового порошка использовали метод определения влажности по ГОСТ 13586.5-93 [93].
Сущность метода заключается в обезвоживании навески измельченного сырья (mн=5,00 г) в шкафу СЭШ-3М при температуре 130С продолжительностью 40 мин и определении убыли ее массы.
Для определения содержания массовой доли жира в конечном продукте использовали метод Сокслета по ГОСТ 29033-91 [94]. Сущность метода заключается в извлечении сырого жира из продукта растворителем, последующем удалении растворителя , высушивании и взвешивании извлеченного жира. Для измерения массовой доли крахмала в нутовой муки использования метод определения по ГОСТ 10845-98 [95]. Сущность поляриметрического метода определения крахмала заключается в растворении крахмала, содержащегося в зерне или продуктах его переработки, в горячем разбавленном растворе соляной кислоты, осаждении и фильтровании растворенных белковых веществ и измерении оптического угла вращения раствора крахмала.
Для измерения общего количества минеральных веществ использовали метод определения зольности по ГОСТ Р 51411-99 [96].
Сущность метода состоит в сжигании испытываемой навески в присутствии кислорода воздуха при температуре (900±10)С до полного сгорания органического вещества и последующем взвешивании полученного остатка. Для определения фракционного состава белков нута использовали метод Осборна [99]. Белки из растительных тканей последовательно экстрагируют водой (альбумины), слабыми растворами нейтральных солей (глобулины), спиртом (проламины) и щелочными растворами (глютелины).
При выделении белков из семян их тонко размалывают и в случае необходимости обезжиривают петролейным эфиром или ацетоном, после чего высушивают в вакуум-эксикаторе.
Наиболее объективным показателем качества полученных белков является его аминокислотный состав [97]. Количественный аминокислотный анализ выполнялся на жидкостном хроматографе модели L-8800 фирмы Hitachi(Япония). Анализы проводили в стандартном режиме для белковых гидролизатов, используя высокоэффективные ионообменные хроматографические колонки и специальный нингидриновый реагент для детектирования элюирующихся аминокислот. Разделение аминокислот осуществлялось на ионообменной колонке с использованием ступенчатого градиента натрий-цитратных буферных растворов возрастающего рН и молярности.
Для обработки экспериментальных данных использовалась online системе «МультиХром 1.52» для Windows. На основе результатов опытов определялось абсолютное и относительное (в %) количество извлекаемых из раствора белков (выход белков). Полученные опытные данные подвергались статистической обработке. На первом этапе методами первичной обработки определялись такие параметры как: выборочное среднее (характеризуемое как среднее значение экспериментальных данных); S разброс (был вычислен путем аппроксимация данных графика, с получением значения аппроксимации с помощью программы «MS Word»; результаты апроксимации представлены на соответствующих графиках; S дисперсия (среднее арифметическое квадратов отклонений значений переменной от е среднего значения; результаты представленны на графиках в виде планок погрешностей отклонений). Дальнейший статистический анализ данных осуществляли с применением пакета программ Statictica 6.0 (StatSoft, США). Среднее значение и стандартное отклонение рассчитывали при доверительной вероятности 95% по формуле: S= Р , (2.15) п-1 где S - выборочное стандартное отклонение; ХІ - отдельное значение; х- среднее всех xi; П - общее число измерений. Стандартную ошибку рассчитывали по формуле: SE = 4, (2-16) где SE - стандартная ошибка; S - выборочное стандартное отклонение; n -общее число измерений. Данные о точности, а также о положительном и отрицательном результатах эксперимента были получены с помощью обработки матрицы решений (четырехпольной таблицы) [100,101].
Точность (Ас) соответствовала доле правильных результатов эксперимента в общем количестве результатов: Ас = Ь 2-17 где: a,b,c,d - параметры четырехпольной таблицы. электрофлотации, является коэффициэнт степени извлечения белков. Для наиболее высокой эффективности процесса необходимо разработать и подобрать основные параметры, обеспечивающие максимальный выход белков в процессе извлечения (концентрация белка в растворе, плотность тока, продолжительность процесса и температура среды) [3,4,6, 53].
Анализ литературных данных [1-9] показал, что наиболее эффективно процесс электрофлотационного извлечения белков из раствора протекает при температуре среды 20 – 25 С. При этом установлено, что оптимальное время электролиза составляет 30 минут.
Исходя из этих данных, исследование электрофлотации растворов белков нута и молочной сыворотки на двухэлектродной ячейке было проведено нами при =30 мин и tраствора = 25 С.
На рисунках 3.1 и 3.2 приведены результаты исследования выхода белков из растворов нута и творожной сыворотки в зависимости от плотности тока. Анализ полученных результатов исследования зависимости эффективности извлечения белков из растворов творожной сыворотки и нутового экстракта от плотности тока при равном времени электролиза (30 мин) в двухэлектродной ячейке показывают, что максимальная степень извлечения достигает 46% для раствора белков нута при плотности тока 60 – 80 А/м2 и 50% - для раствора творожной сыворотки при плотности тока 100 – 120 А/м2. Последующий рост тока не увеличивает эффективность извлечения, несмотря на ускорение разряда молекул воды.
Определение кинетических закономерностей процесса извлечения растительных и сывороточных белков в режиме электрофлотокоагуляции
Анализ хода ЦПДК в области потенциалов от точки реверса до максимума тока в координатах Е - lg і для раствора белка нута и творожной сыворотки на платине Е / lg і достигает 0,925 В для раствора белка нута и 1,083 В для раствора творожной сыворотки. Значение Е / lg і на стеклоуглероде достигает большего значения 1,635 В для раствора белка нута и 2,49 В для раствора творожной сыворотки. Угловой коэффициент наклона сохраняет неизменно высокое значение на всм интервале и позволяет утверждать, что скорость электрохимического процесса в рассматриваемой области потенциалов лимитируется стадией диффузии в адсорбированном слое белковых молекул при этом скорость диффузии на стеклоуглероде гораздо выше, чем на платине.
Величина імакс в анодной и катодной области уменьшается по мере снижения скорости развертки потенциала vр, а потенциал в точке максимума смещается в область более отрицательных значений как на стеклоуглероде, так и на платине. Зависимости імакс и Емакс от величины vр (рисунки 4.36 - 4.43), представлены в координатах, соответственно імакс - Vvр и Емакс- lg vр и имеют вид прямых. Значения полученных угловых коэффициентов представлено в таблице 4.2.
Как видно из таблицы 4.2. значения угловых коэффициентов на платине значительно превышают значения угловых коэффициентов на стеклоуглероде исключением лишь составляет імакс - Vvр для раствора творожной сыворотки на стеклоуглероде, где угловые коэффициенты близки по значению.
Кинетические закономерности адсорбционно-электрохимического поведения белков на электроде из стеклоуглерода в режиме электрофлотокоагуляции Анализ хода ЦПДК раствора белка нута (рисунок 4.44) показывает, что при катодном направлении тока (от Е= 2 В до Е=-2 В) в области потенциала от 1 В до - 0,4 В наблюдается пассивное состояние где і 0 мА/см2, а в области потенциалов от «-0,4 В до «-1,0 В устанавливается предельный ток: -0,794; 0,596; -0,456; -0,226 мА/см2 соответственно снижающейся скорости развертки потенциала: 100, 40, 20, 10 мВ/с. При изменении направления тока (после достижения потенциала -2 В) наблюдается практически линейный рост плотности катодного тока, например, при vр=100 мВ/с от 2,125 мА/см2 (Е= -2 В) до нуля (Е= -0,6 В) и переход процесса в анодную область, где наблюдается линейный рост тока предельному значению которого отвечает максимум на ЦПДК анодного хода імакс 3,32 мА/см2 при Е« 2 В Линейное возрастание плотности анодного тока с коэффициентом (Аі / АЕ) = 1,1 мА/(В-см2) (при vр=100 мВ/с). Аналогичный характер ЦПДК сохраняется на рабочем электроде при всех скоростях развертки потенциала (рисунок 4.44).
Величина імакс в катодной области уменьшается по мере снижения скорости развертки потенциала vр, а потенциал в точке максимума смещается в область более отрицательных значений. Зависимости імакс и Емакс от величины vр представлены на рисунок 4.45 и рисунок 4.46 в координатах, соответственно макс - Vvр и Емакс-lg vр, и имеют вид прямых. Рисунок 4.45 - Зависимость плотности тока пика (імакс) от величины корня квадратного из скорости развертки потенциала (\vр) в растворе белка нута с концентрацией белка в растворе 15 мг/мл 0.8 0.75 0.7 -65 AE/Alg\/p= 0,141B -55 0.5 0.45 0.9 1.1 1.3 1.5lgvp (В/с) 1.7 1.9 2.1 Рисунок 4.46 - Зависимость максимального потенциала (Емакс) от логарифма скорости развертки (lg vр) в растворе белка нута с концентрацией белка в растворе 15 мг/мл 130 Анализ хода ЦПДК раствора творожной сыворотки (рисунок 4.47) показывает, что при катодном направлении тока (от Е= 2 В до Е=-2 В) в области потенциала от 1,5 В до 0 В наблюдается пассивное состояние где і 0 мА/см2, а в области потенциалов от « 0 В до «-1,0 В устанавливается предельный ток: -6,31; -2,76; -1,2; -0,59 мА/см2 соответственно снижающейся скорости развертки потенциала: 100, 40, 20, 10 мВ/с. При изменении направления тока (после достижения потенциала -2 В) наблюдается практически линейный рост плотности катодного тока, например, при vp=100 мВ/с от «-10,21 мА/см2 (Е= -2 В) до нуля (Е= -0,525 В) и переход процесса в анодную область, где наблюдается пассивное состояние і 0 мА/см2 до потенциала Е = 0 В. В анодной области потенциалов от 0 до 1 В устанавливается предельный ток: : -5,18; -2,719; -1,44; -0,7 мА/см2 соответственно снижающейся скорости развертки потенциала: 100, 40, 20, 10 мВ/с. Линейный рост тока предельному значению которого отвечает максимум на ЦПДК анодного хода імакс 18,6 мА/см2 при Е 2 В Линейное возрастание плотности анодного тока с коэффициентом (Аі / АЕ) = 12,2 мА/(В-см2) (при vp=100 мВ/с). Аналогичный характер ЦПДК сохраняется на рабочем электроде при всех скоростях развертки потенциала (рисунок 4.47).
Высокое значение коэффициентов A/Aigvp на стеклоуглероде во всех случаях указывает, что процесс взаимодействия молекул белка с электродом протекает аналогично платине по адсорбционному механизму и лимитируется диффузией водорода в твердой фазе. Что позволяет рекомендовать данный материал для электродов применительно к извлечению белка методом электрофлотокоагуляции.
Сравнительный анализ хода ЦПДК при различном объемном соотношении растворов белковых изолятов экстракта нута к творожной сыворотки (4:1, 3:2, 1:1 ,2:3, 1:4) (рисунок 4.50 - 4.55). Влияние объемном соотношении растворов смеси белков нута и творожной сыворотки на ход ЦПДК на стеклоуглеродном электроде при скорости развертки потенциала 100 мВ/с представлена на рисунке 4.34. Анализ хода ЦПДК сведетельствует о низкой адсорбционной активности белков на поверхности стеклографитового электрода, выраженные низким значением імакс их изменение со скоростью развертки потенциала vp в обоих направлениях хода ЦПДК. Скачек імакс наиболее выражено проявляется при скорости развертки равной 100 мВ/с в растворах с обьмным соотношением белка нута и творожной сыворотки 4:1 и 1:4. Для раствора с соотношением 4:1 в области потенциалов от « - 1,0 В до 0,6 В устанавливается предельный ток імакс = 0,595 мА и імакс = 0,384 мА в области потенциалов от « 0,1 В до « 0,5 В. . Для раствора с соотношением 1:4 в области потенциалов от - 1,0 В до 0,6 В устанавливается предельный ток імакс = 0,623 мА и імакс = 0,513 мА в области потенциалов от 0,5 В до 1,0 В.
Низкие значения імакс выражены активным протеканием химической реакции - коагуляции белка в растворах смеси белка нута и творожной сыворотки, вызванным близким зачением рН к значению изоэлектрическому состоянию белков (таблица 2.13) Вследствие чего, белки находящиеся в нерастворенном, нейтральном и слабогидратированной состоянии коагулируются и выпадают в осадок последующее электрохимическое воздейтсвие доводит до изоэлектрического состояния нескоагулированные белки. Полученные данные подтверждаются высоким значением коэффициента эффективности извлечения белка (90 - 95%) растворов смесей и высокое содержание белка в готовом продукте до 90%.