ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 441, № 2, с. 214-218
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 547.458.88:541.64
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЭКСТРАКЦИИ ПЕКТИНОВ ИЗ ДАЙКОНА В АППАРАТЕ РОТОРНО-ПУЛЬСАЦИОННОГО ТИПА
© 2011 г. С. Т. Минзанова, В. Ф. Миронов, В. В. Зобов, О. В. Цепаева, А. Б. Выштакалюк, Л. Г. Миронова, К. В. Холин, А. З. Миндубаев, академик А. И. Коновалов
Поступило 29.06.2011 г.
Ухудшение экологической обстановки в мире ведет к росту числа хронических заболеваний, усугубляющихся из-за иммунодепрессивного воздействия антропогенных факторов. В связи с этим большое значение для адаптации населения приобретают иммунокорректоры и детоксикан-ты, к числу которых относят пектиновые полисахариды. Они представляют собой биополимеры полиуронидной природы, присутствующие в растворимой и нерастворимой формах практически во всех растениях, морских травах и в ряде пресноводных водорослей. Повышенный интерес к этим природным соединениям связан с их хорошо известными лечебно-профилактическими, диетическими и защитными свойствами [1—3]. Пектиновые полисахариды, или просто пектины, широко используют в различных отраслях промышленности как пищевые добавки и студнеобра-зующие вещества, в медицинской практике — как вспомогательные компоненты при производстве лекарственных форм, а также как лекарственные средства.
На мировом рынке крупнейшим производителем пектина является компания "CP Kelco" (США), объем производства которой составляет ~47% от общего мирового объема, равного свыше 30 тыс. т в год. Компания "Herbstreith & Fox KG" (Германия) вырабатывает ~20% от мирового производства пектина. В России на сегодняшний день крупномасштабное производство пектина отсутствует, поэтому отечественными учеными активно ведутся исследования, направленные на разработку технологии выделения пектинов как из традиционного, так и нетрадиционного сырья. В качестве промышленного сырья для получения пектина традиционно используют цитрусовые и яблочные выжимки, а также свекловичный жом
Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской Академии наук, Казань
[4, 5]. В ИОФХ им. А.Е. Арбузова созданы экологически безопасные способы выделения пектинов из амаранта, люпина, яблочных выжимок и разработаны способы модифицирования пектиновых полисахаридов [6—10].
Объектом настоящих исследований является овощная культура дайкон сорта Дракон, интро-дуцированная и предоставленная учеными ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур (Одинцово Московской обл.). Это однолетнее корнеплодное растение, обладающее высокой продуктивностью, скороспелостью и пищевой ценностью, а также лекарственным эффектом [11]. Еще в 1929 г. дайкон был высоко оценен академиком Н.И. Вавиловым, который назвал его шедевром мировой селекции.
Результаты исследования биохимического состава корнеплодов дайкона и способ выделения пектинов из его свежих и высушенных корнеплодов в лабораторных условиях представлены в работе [11]. Технологическая схема получения пектинов включает следующие стадии: подготовка сырья, гидролиз—экстракция, центрифугирование для отделения экстракта от жома, концентрирование экстракта, осаждение и сушка целевого продукта. Определяющим этапом в технологии получения пектинов, от которого зависят комплексо- и гелеобразую-щая способности продуктов, является экстракция. В рамках настоящих исследований представлены результаты усовершенствования данного этапа за счет использования механоакустическо-го воздействия в роторно-пульсационном аппарате (РПА).
Основы усиления процессов гидролиза—экс -тракции с использованием экстракторов на базе генератора кавитации роторного типа заложены и развиты в работах В.Ф. Фридмана и В.Н. Голубева (см. [12]). Известно, что параметры экстрагирования свекловичного жома, принятые на производстве, достаточно жесткие: рН 0.5—0.7, 75— 80°С, время экстрагирования 2 ч. Выход целевого
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЭКСТРАКЦИИ ПЕКТИНОВ ИЗ ДАЙКОНА
215
(а)
У 0
с
(б)
0.1
I I
-1 1 1 1 1
=
1=
3 6 9 12 15 20 25 Продолжительность экстрагирования, мин
Рис. 1. Зависимость концентрации пектинов из дай-кона в экстракте от продолжительности гидролиза—экстракции щавелевой (а) и лимонной (б) кислотами.
продукта при этом составляет 10—12% в расчете на воздушно-сухую массу. Как показали работы авторов монографии [12], использование гидродинамической кавитации позволило им провести обработку свекловичного жома при рН среды 1.5, 60°С и времени 30—35 мин. Выход пектина составил 16.5—17% в расчете на массу сухого сырья.
В наших экспериментах при разработке способа выделения пектинов из дайкона был использован РПА "Авиамотор". Выжимки дайкона обрабатывались в присутствии 0.5%-го раствора щавелевой или лимонной кислоты в течение 20 мин при скорости вращения ротора 3000 об/мин, гидромодуль (соотношение сырья и экстрагента по
объему) составил 1 : 15. В условиях механоакусти-ческого воздействия в РПА процессы гидролиза— экстракции проводили в мягких температурных режимах: температура не превышала 45°С, а минеральные кислоты, применяемые в традиционной технологии, заменяли на органические.
В экстракторе обрабатываемую смесь гидро-лизующего реагента и пектинсодержащего сырья прокачивают через ступени ротор—статор и подвергают кавитационным, резонансным и механо-акустическим воздействиям. В результате происходит дезинтеграция пектинсодержащего сырья с одновременной высокоэффективной экстракцией пектиновых полисахаридов в водную фазу. Далее экстракт подвергают фильтрованию и центрифугированию.
Изучено влияние механоакустического воздействия на концентрацию пектиновых полисахаридов из выжимок дайкона в зависимости от продолжительности обработки. Для оптимизации продолжительности процесса через определенные промежутки времени Са-пектатным методом исследовали содержание пектиновых веществ в экстрактах (рис. 1). Анализ результатов исследования экстрактов показывает, что в условиях механоакустического воздействия в РПА максимальный выход пектина достигается при обработке выжимок дайкона 0.5%-м раствором щавелевой кислоты в течение 15 мин.
Концентрирование полученных экстрактов осуществляют ультрафильтрацией с использованием половолоконного ультрафильтрационного модуля. Этот метод обладает рядом достоинств. Во-первых, концентрирование происходит без фазового перехода среды при комнатной температуре, при этом пектиновые макромолекулы не подвергаются деструкции. Во-вторых, при концентрировании ультрафильтрацией одновременно происходит освобождение от значительной части низкомолекулярных органических и неорганиче-
0.55
0.45
е и н е
Э
о л г
о По
0.35
0.25
0.15
4000
3500
3000
2500
V, см
2000 1
1500
1000
500
Рис. 2. ИК-спектры пектинов из дайкона, экстрагированных щавелевой (1) и лимонной (2) кислотами.
Таблица 1. Физико-химические характеристики пектинов
Экстракция
Характеристика 0.5%-м раствором 0.5%-м раствором
щавелевой лимонной
кислоты кислоты
Влажность, % 8.4 7.0
Зольность, % 1.14 2.08
Степень этерификации, % 61.6 53.5
Комплексообразующая способность, РЪ2+ мг/г 174.83 90.65
Кинематическая вязкость 3.13 • 10-6 2.66 • 10-6
0.5%-го раствора пектина, м2/с
Молекулярная масса, кДа 19.452 17.990
Выход пектина, мас. %* 10.5 9.0
* В расчете на абсолютно сухую массу сырья.
ских веществ, ухудшающих физико-химические свойства продукта [12]. После этапа концентрирования пектины осаждают двукратным объемом 96%-го этанола, скоагулированный осадок отделяют центрифугированием и сушат.
Физико-химические характеристики целевых продуктов представлены в табл. 1. Анализ результатов показывает, что пектины, полученные из
выжимок дайкона в условиях механоакустическо-го воздействия, являются высокоэтерифициро-ванными (степень этерификации 65—70%) и высокомолекулярными (молекулярная масса пектинов колеблется в пределах 18—19.5 кДа), обладают высокой гелеобразующей способностью.
Показано, что зольность пектиновых полисахаридов дайкона колеблется в пределах 1—2%. Важно отметить, что впервые на атомно-эмис-сионном спектрометре с индуктивно-связанной плазмой iCAP 6300 DUO (фирма "Thermo Scientific", США) идентифицированы зольные элементы пектина и установлено, что Са, K, Mg, Fe, P, Si, Na, B, Zn содержатся в количестве 0.5-0.002 мас. %; Cu, Mn - в количестве 0.00030.0004 мас. %, содержание тяжелых металлов Pb, Со, Ni составляет не более 0.4 ■ 10-5 мас. %.
Важным свойством, характеризующим способность выводить радиоактивные и тяжелые металлы из организма человека, является комплек-сообразующая способность пектиновых полисахаридов. При использовании 0.5%-го раствора щавелевой кислоты получен пектин с высокой комплексообразующей способностью, равной ~175 Pb2+ мг/г [12]. Комплексообразующая способность пектина, выделенного из выжимок корнеплодов дайкона при экстракции 0.5%-м раствором лимонной кислоты, составляет ~91 Pb2+ мг/г, что сопоставимо с комплексообразующей способностью яблочного пектина производства компании "Hersbreith & Fox KG", равной 110 Pb2+ мг/г.
100 94 88 82 76 70 64 58
8C, см-1
13 1з i
Рис. 3. ЯМР-спектры C (а) и 13C-{1H} (б) пектинов из дайкона.
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ЭКСТРАКЦИИ ПЕКТИНОВ ИЗ ДАЙКОНА
217
По органолептическим и микробиологическим показателям выделенные пектиновые полисахариды дайкона соответствуют требованиям ГОСТ 29186 на пектин.
Структурная идентификация пектиновых полисахаридов проведена методами ИК- и 13С ЯМР-спектроскопии (рис. 2 и 3) [13, 14]. ИК-спектры сняты на приборе UR-20 и IRS-113 фирмы "Bruker" (Германия) с разрешением 1 см-1 в диапазоне 400-4000 см-1 в таблетках KBr. Основные максимумы полос поглощения в ИК-спек-трах пектинов из дайкона (рис. 2) в сравнении с яблочным пектином представлены в табл. 2. Установлено, что ИК-спектры пектинов, выделенных из дайкона, содержат все характерные для пектинов полосы поглощения.
Анализ ИК-спектров пектинов, полученных из дайкона гидролизом-экстракцией щавелевой или лимонной кислотой, и сопоставление их с литературными данными [15] показали большое сходство этих пектинов с яблочным пектином. Установлено, что интенсивность по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.