Переработка зерна люпина: новые технологии
Текст: В. Король, доцент, канд. техн. наук, Г. Лахмоткина, старший преподаватель, канд. техн. наук
Для сельского хозяйства бобовые культуры имеют огромное значение. Они представляют собой незаменимый источник белка в нашем рационе, а также используются в питании животных и севообороте. Но некоторые из этих растений требуют особой переработки.
Сегодня одна из перспективных бобовых культур — люпин — применяется в основном только для кормления сельскохозяйственных животных в виде зеленого корма или дробленого зерна без учета содержания антиалиментарных веществ. Однако они могут оказывать вредное воздействие на организм скота и способны задерживать усвоение питательных веществ.
СКРЫТАЯ УГРОЗА
Не только люпин, но и все традиционные бобовые культуры содержат антиалиментарные вещества, что вызывает необходимость разработки новых методов их удаления. Технология и оборудование для переработки зерна сои и гороха уже разработаны, налажен выпуск разных продуктов — концентратов, изолятов, пищевых волокон. Однако производство зерна сои в России составляет немногим больше процента, и оно импортируется из основных зон выращивания — Северной Америки, США, Китая. В сложившихся экономических условиях при удорожании доллара цены на зерно сои и продукты ее переработки значительно возросли, что привело к увеличению стоимости комбикормов для животных при использовании импортного сырья. Альтернативный источник продукта для комбикормовой промышленности в России — люпин, так как выращивание его зерна возможно на большей территории нашей страны, от Ленинградской области до Западной и Восточной Сибири. Однако производство и использование этой культуры сдерживаются наличием в ней алкалоидов выше предельно допустимых норм для людей и животных.
С учетом требований гигиенической безопасности для человека, исследований на токсичность Пятигорской фармацевтической академией и технических регламентов Австралии и Новой Зеландии было установлено предельно допустимое содержание алкалоидов в зерне люпина — не более 0,02 процента. Анализ ФГУ ВГНКИ и ряда зарубежных ученых дал возможность определить допустимые нормы алкалоидов в зерне люпина при кормлении разных видов животных. Предельные концентрации этих веществ зависят не только от массы тела — чем крупнее, тем выше нормы, но и от особенностей устройства пищеварительной системы.
ЗАПАТЕНТОВАННОЕ СРЕДСТВО
Одним из авторов совместно с Пятигорской фармакологической академией была разработана методика определения алкалоидов, которая имеет государственную регистрацию, — патентная заявка № 2012 102 430. При проведении исследования зерна разных сортов люпина на содержание алкалоидов удалось установить, что их концентрация зависит не только от сорта, но и от погодных условий по годам выращивания, причем разница в этих значениях может быть в 2–2,5 раза и значительно превышать предельно допустимые нормы как для человека, так и для животных. Алкалоиды зерна люпина определяют токсические свойства, но существуют другие антиалиментарные вещества, служащие ингибиторами протеаз — трипсина и химотрипсина, влияющих на усвоение белка. Это можно считать основной причиной неполной его переваримости у бобовых культур. Содержание этих компонентов у зернобобовых различно. Данные по концентрации белков-ингибиторов в разных видах рассматриваемых растений показали, что в люпине их в 100 раз меньше, чем в сое, и даже в 10 раз меньше, чем в горохе. Это является положительным качеством белка зерна люпина и определяет его лучшую усвояемость и переваримость по сравнению с соей.
Большая работа по определению коэффициентов перевариваемости — КП, и биологической ценности — БЦ, белков люпина, гороха и сои была проведена разными научно-исследовательскими институтами, а установление этих показателей у молочных белков — Северо-Кавказской технологической академией. Обобщение полученных результатов позволило оценить качество белков бобовых и молочных продуктов. Белок люпина имеет самую высокую переваримость по сравнению с показателями традиционных пищевых продуктов сои и гороха. Однако все бобовые обладают меньшими биологической ценностью и переваримостью, чем у молока и молочной сыворотки.Учеными-гигиенистами было установлено, что продукты, содержащие в составе белок только животного или растительного происхождения, обладают более низкой БЦ, чем при их совмещении.
Преимущество зерна люпина по сравнению с другими зернобобовыми культурами — оптимальный аминокислотный состав белка, который по биологической ценности равнозначен белку сои. Исследования, проведенные лабораторией оценки пищевых белков ГУ НИИ питания Академии медицинских наук РФ под руководством заведующего А. В. Высоцкого, определили, что белок люпина содержит основные лимитирующие аминокислоты — лизин, метионин, цистин. Установленные физико-химические показатели зерна узколистной и белой разновидностей этого растения доказали возможность их использования на пищевые цели наряду с другими бобовыми — соей и горохом.
ТОЧНЫЕ ИНСТРУКЦИИ
На основе данных рекомендаций ученые разработали технические условия на «Люпин продовольственный»: ТУ 9716-001-11951678-2003 и гигиеническое заключение, выданное Центром госсанэпиднадзора Минздрава РФ по Орловской области. Они распространяются на люпин, предназначенный для использования в продуктах и служащий сырьем для перерабатывающей пищевой промышленности и общественного питания. При этом сырье должно соответствовать требованиям технических условий, вырабатываться по технологическим инструкциям с соблюдением санитарных норм и правил.
Одним из направлений переработки зерна люпина является получение муки разных видов, поэтому были разработаны технические условияна «Муку из люпина продовольственного»: ТУ 9716-003-00668502-2007 и санитарно-эпидемиологическое заключение, выданное управлением Роспотребнадзора по Орловской области. Этот продукт можно получать путем размола целого зерна — нативная мука, семядолей после отделения оболочек и самих зерновых оболочек на мельницах разных конструкций. Продукт из целого зерна, оболочек и семядолей перерабатывают экструзионным методом с добавлением вкусовых компонентов или без них. Муку, полученную таким способом, можно использовать непосредственно в пищу и в качестве добавок, применять в хлебопекарной, макаронной, кондитерской, мясоперерабатывающей, сыродельной и других отраслях пищевой промышленности.
Практика показывает, что существующие технологии переработки люпина основаны на механическом дроблении зерна с последующей термической обработкой или экструдировании, экспандировании, снижающих содержание алкалоидов всего на 20–30 процентов, что не отвечает нормам кормления скота, а тем более — питания человека. Поэтому зерно люпина вводят в комбикорма в пределах 3–5 процентов, но полученный продукт по концентрации белка уступает соевому шроту и не дает необходимого результата при использовании в рационах животных. Это доказывает потребность определения содержания и удаления антиалиментарных веществ при промышленной переработке люпина. Однако в нашей стране такие методики в промышленных масштабах не применяются. Авторами была разработана и запатентована биотехнология устранения алкалоидов — обезгорчивания зерна люпина, основанная на использовании ферментов, молочной сыворотки и ультразвука.
МОЛОЧНАЯ ПОЛЬЗА
В первоначальных исследованиях в качестве жидкой среды для обезгорчивания использовалась питьевая вода, в которую вводились ингредиенты, изменяющие ее физико-химические показатели. Дальнейшие разработки показали эффективность применения в качестве жидкой среды молочной сыворотки для улучшения химических параметров зерна люпина. Для определения ее продуктивности проанализировали аминокислотный состав люпиновой пасты как одного из востребованных продуктов при кормлении свиней и КРС по предложенной биотехнологии. Проведенный анализ подтвердил, что белковая составляющая улучшается. Однако этого недостаточно для изучения пасты как функционального ингредиента, поэтому был проанализирован аминокислотный состав с использованием молочной сыворотки. В результате установили, что комплекс белка люпиновой пасты, приготовленной с применением исследуемого компонента, на 10 процентов шире, чем у пасты с питьевой водой. Содержание отдельных аминокислот — изолейцина, лейцина, лизина, фенилаланина и тирозина — до 20 процентов выше по сравнению с установленным в идеальном белке. Лимитирующими являются валин, метионин и цистин.
На основании исследований установили, что при замачивании зерна люпина в молочной сыворотке, в отличие от выдерживания в воде, создаются лучшие условия для его обезгорчивания, изменяются показатели химического состава, повышается пищевая ценность люпиновой пасты за счет белка сыворотки. Она увеличивает содержание минеральных компонентов, играющих важную роль в обмене веществ в организме. Для улучшения сроков хранения пасту можно подвергать сушке с получением сухого обезгорченного продукта.
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
Технологический процесс переработки зерна биотехнологическим методом имеет несколько особенностей. По методике производства гранулированного продукта из обезгорченного люпина зерно принимается по техническим условиям на люпин продовольственный — ТУ 9716-001-11951678-2003. Сырье поставляется автотранспортом, сваливается в завальную яму накопительного бункера вместимостью 120 т и транспортером подается в ванну для обезгорчивания. Затем промывается чистой проточной питьевой водой, отвечающей требованиям СанПиН. Жидкость сливается в приемное отделение, проходя через фильтры, где, очищенная от посторонних примесей, направляется на повторное использование. После чего молочная сыворотка подается в ванну, заполненную зерном. В подготовленную жидкость добавляют мультиэнзимный комплекс ферментов и размешивают до полного их растворения. За счет воздействия этого компонента с использованием ультразвука определенной частоты на зерно уменьшается содержание алкалоидов в люпине, изменяются показатели питательности и химического состава пасты. Молочная сыворотка, не поглощенная люпином, сливается, проходит через фильтры, очищается от примесей и направляется на вторичное использование в емкость. После обезгорчивания зерно по транспортерам подается на устройство для отделения оболочки от семядолей. Затем оболочка подсушивается, а измельченная масса семядолей идет в смеситель. Далее люпин без оболочки отправляется в смеситель по транспортеру, где смешивается с дробленой пшеницей или ячменем в соотношении 70 на 30 процентов. Такая смесь дает оптимальные кормовые показатели. По шнековому транспортеру она поступает в гранулятор, где под действием давления и высокой температуры преобразуется в гранулы разных размеров в зависимости от заданной матрицы. Влажность продукта снижается до 12 процентов.
ЭТАПЫ РОСТА
Для экономической оценки вариантов технологической переработки зерна люпина на пищевые и кормовые цели был проведен сравнительный анализ традиционного способа и созданной специалистами биотехнологии. Процесс получения конечного продукта состоит из следующих этапов: выращивание люпина с получением зерна и его переработка разными методами.
При возделывании этой культуры почва обогащалась азотными удобрениями, равномерно распределенными по всей площади посева в дозировке до 300 кг на один гектар, и фосфором. Это позволило снизить себестоимость производимых после люпина всех видов зерновых и пропашных культур. Цена приобретаемых аммофосных подкормок для картофеля, кормовой свеклы, кукурузы составляла примерно 23 рубля за один килограмм. При селекционном методе выращивания содержание алкалоидов в люпине доходило до 0,02 процента, урожайность — в пределах двух тонн с гектара. Стоимость сырья для посева составила до 50 рублей в связи с использованием семян не ниже первой репродукции. Однако при таком методе наблюдалась зависимость от поставок селекционного зерна или необходимость строительства целого зерноочистительного комплекса. При традиционном способе выращивания применялся люпин собственного производства с разным содержанием алкалоидов выше 0,02 процента, что обеспечивало лучшие выживаемость и всхожесть растений, и урожайность более трех тонн с гектара. Стоимость семян для посева находилась в пределах 13–15 рублей за один килограмм. Посевной материал был собственного производства.
УСТАРЕВШИЕ ТРАДИЦИИ
Этапы переработки люпина традиционным и биотехнологическим способом выглядят по-разному. При первой методике используется целое зерно, в котором белка не более 30–32 процентов, а клетчатки свыше 15 процентов, что не отвечает нормам кормления птицы и свиней. Предпринимаются дробление и тепловая обработка зерна, получаемый белок тех же качества и количества. Второй метод включает два этапа. Зерно обезгорчивается с использованием ферментов, молочной сыворотки и ультразвука, при этом содержание белка увеличивается на 20 процентов, а концентрация алкалоидов снижается до предельно допустимых норм. Затем сырье разделяется на семядоли и оболочку, которая впоследствии расщепляется на пищевые волокна. В семядолях наблюдается на 20–25 процентов больше белка, чем в целом зерне.
Традиционный способ позволяет получать дробленое зерно, не отвечающее нормам кормления животных. Поэтому для него характерна маленькая доля вводимого в корма продукта — 3–5 процентов. Кроме того, производится экструдированное, экспандированное или плющеное зерно, не в полной мере соответствующее нормативным показателям — снижение концентрации алкалоидов всего лишь на 20–30 процентов — и уступающее по содержанию белка соевому шроту.
ЛУЧШИЙ СПОСОБ
Биотехнологическая методика дает возможность получать люпиновую пасту для раздачи жидких кормов с содержанием белка, которое на 40 процентов превышает показатели при традиционном способе. Наблюдается увеличение значений лимитирующих аминокислот — лизина, метионина и других — на 25 процентов. Вырабатываемый продукт отвечает нормам кормления всех групп животных и рыб, не уступает по концентрации белка соевому шроту и вводится в количестве 20–30 процентов. Также из оболочки зерна люпина производятся пищевые волокна.
Цена готового продукта, полученного при использовании традиционной методики, складывается из себестоимости одного килограмма зерна люпина — 13 рублей, плюс четыре рубля на производственный процесс. Себестоимость килограмма сырья, переработанного биотехнологическим способом, составляет 13 рублей. При этом шесть рублей идет на обработку с получением обезгорченного зерна, не уступающего по кормовой ценности соевому шроту, цена которого доходит до 40 руб./кг, и пищевым волокнам при их стоимости 100 руб./кг.
В результате применения традиционной методики обработки люпина наблюдается увеличение привесов для всех групп животных до пяти процентов, а при биотехнологическом способе этот показатель возрастает до 20 процентов за счет наличия в комбикорме до 30 процентов обезгорченного зерна люпина. При этом значительно уменьшается расход кормов. Пищевые волокна из оболочки люпина можно использовать как импортозамещающий продукт в виде добавок в мясных полуфабрикатах, колбасных и макаронных изделиях.