مقاله بهره برداری از پسماندهای صنایع غذایی جهت بازیافت پروتئین ها

بخشی از مقاله

بهره برداری از پسماندهای صنایع غذایی جهت بازیافت پروتئین ها

امروزه مدیریت پسماندها و ضایعات کارخانجات فراوری میوه جات از مشکلات عمده صنایع غدایی می باشد، حال آن که در جوامع پیشرفته از پسماند به عنوان منبع ارزشمندی جهت بازیافت انواع فراورده های غنی شده ، مکمل ها و افزودنی ها استفاده می شود. غذاهای عملگرا(Functional FOOdS) در واقع فرمولاسیون بهینه شده ای از انواع ریزمغذی و درشت مغذی ها هستند که باعث برآورده شدن تمام نیازهای بدن می شود. پسماندها و ضایعات میوه جات در حین فرآورش نیز منبع غنی از این ترکیبات هستند. پروتئین ها،فیبر غذایی، آنتی اکسیدان ها و مواد پلی فنلی از جمله این ترکیبات هستند.
این مقاله سعی بر آن دارد تا ضمن مرور منابع گیاهی استخراج ترکیبات فوق ، روشهای رایج صنعتی استخراج ترکیبات عملگرا رانیز بررسی کرده ودر انتها راهکارهایی جهت بهینه سازی بازیافت این مواد ارایه گی کند تا استفاده .3 پسماند مواد غذایی از یک تهدید زیست محیطی به "فرصت "تبدیل شود.
مقدمه
فرآوری میوه ها و سبزی ها و دانه های روغنی باعث تولید پسماندهای زیادی گی شود کیے شامل پوست میوه ها، دانه ها، هسته ها و هسته های روغنی می شوند. جداسازی این مواد معمولاً مشکل زا است که با محدودیت قانونی این مشکل دو چندان می شود. ضایعات گیاهی مستعد به فساد هستند بنابراین قبل معدوم سازی باید خشک شوند. هزینه خشک کنی و انبار داری و حمل و نقل آن باعث مشکل می شود. بنابراین ترجیح بر این است که به صورت کود یا خوراک دام مورد استفاده قرار گیرند که البته تقاضا برای اینها نیز متفاوت است. علاوه بر این مواد مغذی که در تفاله ها وجود دارند هم به هدر می روند. بنابراین امروز استفاده از تفاله ها جهت احیا مواد غذایی یا مکمل غذایی افزایش یافته چون از لحاظ اقتصادی هم سودمند و به صرفه است. پسماندهای واحدهای تولیدی عموماً غنی از فیبرها، رنگیزه ها، آنتی اکسیدان ها و مواد فنلی و پروتئینی هستند. فیبرهای غذایی معمولاً شامل پلی ساکارید ها و لیگنین هستند که هضم و جذب نمی شوند. فیبرهای محلول ٪۵۰-٪۳۰ کل فیبرها را شامل می شوند. نقش اینها کاهش خطر بیماری های قلبی و جلوگیری از سرطان است. ADI( میزان جذب توصیه شده روزانه) فیبرها در حدود gr ۳۰-۴۵ برای هر نفر در روز است. در حالی که در جوامع غربی این مقدار کمتر است. غلات غنی از فیبرهای غذایی هستند که نقش تنظیم کنندگی در روده دارند که باعث کاهش سطح کلسترول خون و جذب گلوکز می شوند. عمده فیبرها حاصل از غلات هستند. فیبرها خواص نگهداری و جذب آب و خواص متورم شدن، افزایش ویسکوزیته و تشکیل ژل را دارا هستند که در که امروزه در فرمولاسیون غذا بسیار مهم می باشند. پوماسه مرکبات و سیب پیش ساز خوبی برای تهیه پودرهای فیبرهای غذایی ھسستثل= سایر مواد ریز مغذی آلی مثل کاروتنوئیدها، پلی فنل ها هم نقش مهمی در سلامتی دارند. کاروتنوئیدها عمدتاً به عنوان رنگیزه بکار می روند که بعضی از آن ها مثل B کاروتن و آپوکاروتنال فعالیت ویتامین A هم دارند و هم نقش آنتی اکسیدان دارند. پلی فنل ها همچنین نقش آنتی اکسیدانی دارند. آنها رادیکال های آزاد را به دام می اندازند که مسئول اکسیداسیون لیپیدها و تخریب پروتئین ها و DNA هستند. این ترکیبات خواص ضد سرطانی، ضد جهش زایی و ضد لخته کنندگی دارند. مکمل کردن غذاها با پلی فنل ها باعث تأخیر در ایجاد طعم بد شده و اکسیداسیو لیپیدی را کاهش می دهد. عمده گیاهان می توانند منبع تولید برای کاروتنوئیدها و پلی فنل ها باشد. علاوه بر این چون اینها منشا طبیعی دارند و باعث ایجاد مشکل نمی شوند.پروتیئن ها نیز از اصلی ترین تأمین کننده های نیاز بدن هستند که نقش ساختاری در بدن دارند. امروزه متخصصان تغذیه مصرف پروتئین های گیاهی را بیشتر توصیه می کنند و از آنجا که با افزایش جمعیت، مصرف پروتیئن نیز افزایش می یابد بنابراین بازیافت وتخلیص آن ها بصورت کنسانتره و ایزوله پروتئینی یک ضرورت است. مصرف کنندگان از رابطه نزدیک بین تغذیه صحیح و سلامت آگاهند و خواهان موادی هستند که در تغذیه آن ها ارزش افزوده ایجاد کنند. غذاهای غنی شده با مواد شبه دارویی غذایی (nutraceuticalS ) یا غذاهای عملگرا Functional (FOOdS) امروز مقوله های جدیدی از غذا هستند که خواهان زیادی دارند. بنابراین محققان صنعت غذا برای تولید این مواد متمرکز شده اند.
ضایعات حاصل از فرآورش محصولات گیاهی است. میزان بازده آن ها که بر حسب درصد ماده فرآوری شده به وزن اولیه در جدول زیر آمده است.

Laufenberg(2003) مواد قابل بهره برداری از محصولات گیاهی را به صورت زیر ارائه کرد که عمدتاً شامل محصولات زیر هستند : مرکبات، هشويچ، انگور، نههایپها چغندرقند، نیشکر و سیب زمینی و غلاست که اساس کاربرد آن ها بحث خواهد شد.
مرکبات
مرکبات بیش ترین محصولات میوه کشاورزی تولیدی در دنیا هستند (در حدود ۱۰۰ میلیون تن سالانه) (2005 ,FAO) پرتقال ۶۰٪ این سهم را شامل می شود و محصول اصلی برای تهیه بازآوری ترکیبات عملگرا است. برزیل و آمریکا تولید کننده های اصلی هستند که پرورش دهنده ۶۰٪ پرتقال دنیا هستند که ۸۵٪ محصول خود را فراوری می کنند. کشورهای حوزه مدیترانه هم سهم مهمی دارند و کشورهای اتحادیه اروپا در حدود ۱۰ میلیون تن سالانه تولید می کنند. پوست مرکبات که بعد از آبمیوه گیری حاصل می شود جزء اصلی پسماند است که حدود ۵۰٪ وزن میوه را شامل می شود. (Braddock 1995)

پوست ابتدا پالپ شده سپس خشک شده ، یا به مصرف دام می رسد یا برای تولید الکل تخمیر می شود. همچنین از محصول فوق پکتین از طریق استخراج اسیدی وفیبرها از طریق فرآورش مکانیکی حاصل می شود. جدیداً نیز فلاوونوئیدها و کاروتنوئیدها استحصال می شوند. پالپ آبمیوه گیری حاصل از فرآورده نهایی و اسانس بازیافت شده و لیکور حاصل از فشار پوست میوه ها که ٪۵ را شامل می شود هم شامل موارد فوق می شوند. دانه مرکبات که ٪۶ وزن میوه را شامل می شوند که وابسته به واریته است. دانه مرکبات می توانند برای استحصال روغن و استخراج ترپنوئیدها استفاده شوند در صورتی که کنجاله حاصل از اینها هم منبع مناسب پروتئین است.
تولید سیب
تولید سالانه سیب بالغ بر ۲۷ میلیون تن است (2005 ,FAO). سیب فرآوری شده در حدود ۱۲ میلیون تن است چین کشور اصلی است که ۳۸ میلیون تن را فرآورش می کند و سپس آمریکا با ۱.۴۶ میلیون تن، پوماسه سیب محصول اصلی پسماند است که ٪۳۵-۲۵ وزن میوه را شامل می شود. عمدتاً پوماسه حاصل به صورت تغذیه دام مصرف می شود ولی استحصال پکتین می تواند جایگزین خوبی برای رهایی از مشکلات اقتصادی و زیست محیطی آن باشد. پکتین ٪ ۱۵- ۱۰ پوماسه را شامل می شود. (2003 Shieber) که به وسیله اسید استخراج شده و ته نشین می شود. پکتین حاصل از سیب خواص ژل سازی بهتر دارند اما باعث ایجاد یک رنگ قهوه ای می شود که در غذاهای با رنگ روشن محدودیت استفاده دارد. رنگ پوماسه سیب و پکتین استخراجی تحت اثر اکسیداسیون فنلی اجزاء آن است که همراه با پکتین خارج می شوند. امروزه از شیوه جدیدی برای جداسازی ترکیبات فنلی استفاده می شود. ابتدا این ترکیبات با غشاء هیدروفوب استایرن دی ونیل بنزن خارج می شود که سپس با اتانول رقیق شده تا پلی فنل ها کلاً جدا شوند. پکتین حاصل به روش فوق رنگ روشن دارد و پلی فنل های حاصل هم به صورت آنتی اکسیدان مورد استفاده قرار می گیرد. هسته سیب هم یک منبع پروتیئن است چون تا ٪۳۷ پروتیئن دارد.
هلو و زردآلو سالانه 0.7 میلیون تن هلو در اتحادیه اروپا برای تولید آبمیوه یا کمپوت فرآوری می شود در سال (2002) . پوماسه حاصل برای استحصال پکتین استفاده می شود. پکتین حاصل از پوماسه تازه HPME و خواص ژلی بالا دارد. اجزای هسته جزء اصلی فرآورش این میوه ها هستند. روغن این هسته ها در مواد آرایشی و بهداشتی استفاده می شود. این هسته ها باید به وسیله هیدرولیز گلوزیدهای سیانوژنیک اسید تلخی زدایی شوند. خرد کردن، خیس خوردن و پخت باعث کاهش میزان گلیکوزیدهای سیانوژنیک می شود که هیدرولیز کامل توسط B گلوکوزیداز ها صورت می گیرد. هسته زردآلو و هلو هم منابع خوبی برای تولید پروتئین هستند که تا ٪۴۵ پروتئین دارند ولی مشکل اصلی آن ها وجود آمیگدالین است.
انگور
دومین محصول پرتولید میوه جهان است که سالانه بالغ بر ۶۰ میلیون تن تولید می شود که ۸۰٪ آن در تولید مشروبات الکلی به کار می روند. که در حدود ٪۸۰ آن هم پوماسه می شود. بنابراین سالانه ۹-۵ میلیون تن پوماسه انگور حاصل خواهد شد. بنابراین خیلی ترکیبات مثل تارتارات ها، سیتریک اسیدها، روغن هسته انگور، هیدروکلوئیدها و فیبرهای غذایی می تواند بازیافت شوند. تحقیقات نشان داده که پلی فنل های پوماسه در سلامتی بسیار سودمند هستند. این فنل ها (آنتوسیانین ها، کاتشین، فلاونوئیدها و اسیدهای فنلی) می تواند به عنوان آنتی اکسیدان بکار روند.
گوجه فرنگی
تولید سالانه گوجه فرنگی 296 میلیون تن می شود در سال 2000 که در این زمینه ایالات متحده آمریکا با ۱۱۶ میلیون تن پیشرو است سپس اتحادیه اروپا با 9.1 میلیون تن و ترکیه با 1.8 میلیون تن. در حین فرآورش در حدود ٪۷-۳ ماده خام به عنوان پسماند تلقی می شود. پوماسه حاصل شامل پوست خرد شده و دانه های محصول است. که غنی از پروتئین است تا (٪۳۳ وزن بر اساس خشک) و چربی تا ٪۱۸ (که عمدتاً در هسته است)، جزو اصلی بعدی فیبرهای غذایی است. روغن تخم گوجه غنی از اسیدهای غیر اشباع است که عمدتا 003 هستند. بنابراین استخراج شده، خالص سازی شده و به عنوان روغن خوراکی یا در صنایع آرایشی استفاده می شود. مواد چربی زدایی شده هم به عنوان علوفه برای دام استفاده می شود.
که می تواند منبع مناسبی برای جداسازی کنسانتره های پروتئینی می شود چون تا ٪۸۵ پروتئین دارند. جزء ارزشمند دیگر رنگدانه لیکوپن است که در پوست گوجه قرار دارد.
زمینی سیب
زمینی بیشترین تولید را به عنوان محصول زراعی دارد (سالانه ۳۲۰ میلیون تن) فراوری سیب زمینی به عنوان تولید چیس، سیب زمینی سرخ کرده و سیب زمینی خشک کرده نیاز خود را حفظ کرده و روز به روز هم افزایش می یابد. مواد خشک پسماند که در حین فرآوری تولید می شود عمدتاً شامل پوست سیب زمینی می شوند ولی سیب زمینی های نارس سبز هم جزء این دسته هستند که تا ٪۴۵ پوماسه را شامل می شوند. می توانند به عنوان علوفه دام یا منبع غنی از پروتئین برای تولید SCP (پروتئین تک یاخته ای) یا الکل مورد توجه قرار بگیرند. آب حاصل از فرآورش سیب زمینی ها برای جداسازیپروتئینها به وسیله دناتوراسیون حرارتی آن ها استفاده می شود. امروزه بازیافت آنتی اکسیدان ها هم از آب فراورش سیب زمینی صورت می گیرد.
دانه های روغنی
سالانه ۳۵- ۳۰ میلیون تن دانه روغنی در اتحادیه اروپا تولید می شود که منجر به دو دسته محصول می شوند. روغن و کنجاله عمدتاً برای مصرف دام در این بین سویا محصول زراعی اصلی است که ٪۵۰ روغن تولیدی از آن است سپس کلزا با ۳۳٪ و گلرنگ با ٪۱۸ . دانه های روغنی هم ٪۴۷-۱۷ روغن دارند. کنجاله های حاصل از دانه های روغنی بعد استخراجروغن از طریق حلال پسماند تلقی می شوند. بعد اینکه کنجاله های حاصل حلال زدایی شدند منبع بسیار مناسب و ارزانی برای تولید پروتئین هستند. که قابلیت جذب بالایی هم دارند. ارزش تغذیه پروتئین های کنجاله روغنی از طریق اسیدآمینه ها تعیین می شوند. بکارگیری آنها در مصرف غذای انسان محدود است بعلت وجود ترکیبات فنلی، قندهای احیاء و مواد سمی، هسته روغن کتان ٪۵۵ وزن را شامل می شود و ٪۲۹ پروتئین دارد. بعد فرآورش ٪۴۵ آن کنجاله می شود. اشکال اصلی در این عمل و استفاده از کنجاله آن گوسپیول است یک ترکیب پلی فنلی زرد رنگ. هسته گلرنگ بین ٪۲۰-۱۵ وزن را شامل می شود. حضور ترکیبات کلروژنیک، کنیک و کافئیک اسید در هسته، باعث رنگ تیره پروتیئن حاصله از آن می شود. سویا دارای بیشترین میزان پروتئین در بین هسته هاست که ٪۴۲ پروتئین دارد و کنجاله چربی زدایی شده آن ٪۵۲. اگرچه روغن سویا عمده ترین روغن تولیدی و مصرفی دنیاست، ارزش اقتصادی آن بخاطر پروتئین هاست. پروتئین سویا دارای ترکیبات مضر ممانعت کننده های تریپسین، هماگلوتینین، اسید فیتیک، ساپونین ها است. کنجاله چربی زدایی شده عمدتا در خوراک دام استفاده می شود اگرچه پروتئین فراوری شده آن در صنعت غذا هم بکار می رود.

بازیافت
ترکیبات کارکردی دیاگرام حاصل این عمل را به خوبی نشان می دهد.

۱ - آسیاب کنی مرطوب؛ این عمل برای افزایش راندمان استخراج کاملاً ضروری است. اجزاء خرد شده نباید زیاد ریز باشد چون آب بیشتری مصرف کرده و فیلتر کردن آنها مشکل خواهد بود. آسیاب های چکشی اصولاً به آسیاب های کلوئیدی ترجیح داده می شوند چون کنترل اجزاء در آنها ساده تر است.
۲- استخراج با حلال، برای بازیافت رنگیزه ها و آنتی اسیدان ها به کار گرفته می شوند. حلال های آلی زیادی به همراه آب استفاده می شود که کاربرد آن ها وابسته به نوع ماده خام است. فرآوری در نهایت ممکن است در یک آکتور با بستر فشرده که از یک سو حلال و از سوی دیگر پوماسه، در حرکت است که البته حلال هم دوباره بر می گردد یا در یک لحظه که تکان داده می شود که استخراج را تسریع می کند. که بعداً با فیلتراسیون و جداسازی بقایا ادامه می یابد. شرایط ما، زمان نسبت حلال به ماده و PH باید دقیقاً در میزان بهینه خود تعیین شوند.
طوری که تحت شرایط فوق بعضی از مواد تخریب نشده یا زیست دسترس پذیری آنها کاسته نشود.
۳- خشک کردن : روش خشک کردن بر اساس محصول متفاوت است. کوره های تحت خلاً یا خشک کن های پاششی در دمای کم عمل می کنند و برای تولید پکتین مرغوب مناسبند. خشک کن های غلطکی می توانند برای تولید فیبرهای غذایی مناسب باشند. اما باعث تخریب پکتین و کاهش میزان قند تام خواهد شد.

استخراج کاروتنوئیدها رنگیزه ها و آنتی اکسیدان ها
کاروتنوئیدها و رنگیزه های دیگر
کاروتنوئیدها می توانند از پوماسه هویچ، پوست پرتقال و پوماسه گوجه استخراج می شوند. حلال های آلی برای استخراج استفاده می شود استون در مقایسه با اتانول، پترولیوم اتر و هگزان بازده بیشتری دارد. اگر از مواد مرطوب تازه استخراج شود شستشوی اولیه با آب میزان قند را کاهش می دهد و همچنین میزان مواد محلول دیگر را مثل فلاونوئیدها و خلوص محلول حاصل را هم افزایش می دهد. شستشوی بعدی با استون آب را از پسماند جدا می کند و جداسازی کاروتنوئید را تسهیل می کند. یک استخراج موفق نیازمند به بازیافتهای متعددی است (دو بار استخراج با استون با نسبت حلال ½ پوسته در دمای محیط باعث جداسازی ٪۹۰ کاروتنوئیدها از پوسته پرتقال می شود). خیساندن پسماند با محلول آنزیمی هم راندمان را افزایش می دهد، ممکن است بر روی کیفیت پکتین اثر منفی بگذارد.
کاروتنوئید حاصل می تواند به عنوان رنگدانه خام استفاده شود البته بعداً در دمای پایین حلال زدایی می شود یا اینکه به وسیله انتقال حلال - حلال به هگزان تحت فشار اسمزی بالا تخلیص می شود. رنگیزه های پالپ هویچ به طریق خشک کن پاششی یا فریزدرای خشک می شوند. پودرهای فریزدرای ماندگاری و پایداری بیشتر دارند که البته ماندگاری تحت تأثیر شرایط نگهداری و بسته بندی است. رنگیزه های دیگر می توانند از پوماسه انگور یا برگه موز که زرد است نیز استخراج شود.