Технология получения биологически активных веществ
В учебном пособии представлены материалы, необходимые для изучения лекционного курса по дисциплине Технология получения
179 79 1MB
Russian Pages 73
Citation preview
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П.Б. РАЗГОВОРОВ
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ Учебное пособие
ИВАНОВО 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет
П.Б. Разговоров
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Учебное пособие
Иваново 2010
1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 615.014 Разговоров, П.Б. Технология получения биологически активных веществ: учеб. пособие / П.Б. Разговоров; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2010. – 72 с. – ISВN 978-5-9616-0387-3 В учебном пособии представлены материалы, необходимые для изучения лекционного курса по дисциплине «Технология получения биологически активных веществ» в рамках подготовки студентов направления 240700 – Биотехнология (профиль «Пищевая биотехнология»). Полезно также магистрантам высших учебных заведений, обучающимся по направлению 260100 – Технология продуктов питания. Рассмотрены научно-технические предпосылки создания биологически активных веществ на основе жиров и пищевых волокон, технологии получения энтеро- и биосорбентов из природных алюмосиликатов, жиро- и водорастворимых витаминов, вопросы производства ферментированных напитков, энокрасителей и указаны факторы, способствующие повышению антиоксидантных свойств получаемых веществ. Табл. 5. Ил. 48. Библиогр.: 7 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного химико-технологического университета.
Рецензенты: Центр семейной медицины «Мега» (г. Иваново); доктор химических наук Д.Б. Березин (Ивановский государственный химико-технологический университет) Автор выражает благодарность студентке группы 5-28 Чупахиной Е.С. за помощь при подготовке материалов учебного пособия к печати.
ISBN 978-5-9616-0387-3
©
Разговоров П.Б., 2010
©
Ивановский государственный химико-технологический университет, 2010
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ …..………………………..…………………………………..………. 4 1. Формула «Пища = лекарство». Научные принципы и факторы технологии обогащения пищевых продуктов микронутриентами с целью создания новых биологически активных веществ ….…………….…. 6 2. Научно-технические предпосылки создания биологически активных веществ на основе жиров и пищевых волокон ……….................... 13 3. Технология выделения лигнина из природных целлюлозосодержащих материалов и создание новых биологически активных веществ …..…….... 17 4. Сорбционные свойства лигнина. Технология получения энтеросорбентов из дрожжевой биомассы …………….................................... 20 5. Получение биo- и энтеросорбентов из природных алюмосиликатов .……… 24 6. Технологии получения жиро- и водорастворимых витаминов ..………..........32 7. Технология получения ферментных препаратов ………………..………….... 45 8. Получение биологически активных веществ на базе ферментов и соединений углеводов …………………......................... 49 9. Технологии получения хитина и хитозана ………….…………………... 54 10. Получение белковых веществ из некоторых видов нетрадиционного сырья ………………………………………….................... 58 11. Получение энокрасителей из красных сортов винограда …......................... 60 12. Факторы, способствующие повышению антиоксидантных свойств биологически активных веществ …………….. 66 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………… 70 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .….…………………………………………..................71
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ Пищевые и биологически активные добавки, ароматизаторы – группы природных или искусственных (синтетических) веществ, которые преднамеренно вводят в пищевое сырье, полупродукты или готовые продукты с целью придания им заданных свойств, обеспечивающих пользу для здоровья, а также для продления сроков годности или хранения. История применения подобных соединений, первыми из которых стали поваренная соль, уксусная кислота, сернистый газ, пряности, компоненты растений, насчитывает несколько тысячелетий. Только во второй половине ХХ столетия этой категории веществ стали уделять достаточно внимания, благодаря чему они получили широкое распространение в пищевой промышленности. Питание – один из важнейших факторов, определяющих здоровье нации. Очевидно, что правильное питание обеспечивает нормальный рост и развитие детей, способствует продлению жизни, снижает уровень сердечнососудистых и онкологических заболеваний, создает условия для адаптации человека к окружающей среде и его эффективной жизнедеятельности. В последние годы сформировались новые требования к составу, свойствам и, соответственно, технологиям пищевых продуктов, которые должны не только удовлетворять потребности организма в основных пищевых веществах и энергии, но и обеспечивать его спектром необходимых макро- и микронутриентов. Эти требования привели к созданию нового поколения веществ, предназначенных для систематического употребления в составе пищевых рационов всех возрастных групп здорового населения. Биологически активные вещества снижают риск развития заболеваний, связанных с питанием, сохраняют и улучшают здоровье за счет наличия в их составе физиологически функциональных пищевых ингредиентов – витаминов, минеральных веществ, пищевых волокон, пробиотиков [1]. Такие вещества могут быть получены различными химическими и биотехнологическими способами из растительного, животного или минерального сырья; успехи науки химии позволяют достичь при этом высокой степени чистоты конечного продукта. Однако неумеренное поступление биологически активных веществ может нанести существенный вред здоровью, если будет нарушен баланс между питательными компонентами, в которых остро нуждается организм человека. Только в условиях полного сохранения в рационе необходимых пищевых ингредиентов индивидууму удается удовлетворить потребность в энергетической подпитке и обеспечить нормальное протекание обменных процессов в организме. 4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Употребление биологически активных веществ позволяет решать многочисленные задачи, основными из которых являются повышение резистентности организма (иммунитета) к неблагоприятным факторам внешней среды; связывание и выведение из организма токсичных продуктов жизнедеятельности, а также ядовитых соединений, поступающих в организм извне; целенаправленное регулирование метаболизма больного человека, особенно в послеоперационный период; поступление находящихся в недостатке важных химических соединений (в частности, белков, аминокислот, полиненасыщенных кислых соединений жирного ряда, фосфолипидов, витаминов); профилактика ряда хронических заболеваний (атеросклероз, полиартриты, ожирение), а также снижение риска возникновения и развития злокачественных новообразований; спортивное питание.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. Формула «Пища = лекарство». Научные принципы и факторы технологии обогащения пищевых продуктов микронутриентами с целью создания новых биологически активных веществ Если с позиций рационального питания рассмотреть вещества, обнаруженные в пищевых продуктах, станет очевидным, что, помимо главных соединений – белков, жиров и углеводов (макронутриентов), существует класс так называемых «минорных» веществ (микронутриентов), основные классы которых представлены в табл. 1.1. Макронутриенты присутствуют в пище в больших количествах и являются источниками энергии, вырабатываемой в организме человека. Этот класс соединений многие годы был главным предметом исследований специалистов, занимающихся вопросами лечебного и рационального питания. В отличие от макронутриентов, полиненасыщенные жирные кислоты и другие микронутриенты присутствуют в пищевых продуктах (ПП) в количестве, составляющем миллиграммы (мг) или микрограммы (мкг). Тем не менее именно эти компоненты обеспечивают лечебно-профилактическое воздействие пищи на организм человека. Относительно велико содержание в пищевых продуктах пищевых волокон, особенно при вегетарианском питании. Однако еще с 1920–1930-х гг. изучение биологического действия микронутриентов было приостановлено в связи с мировым развитием фармакологии и успешным применением на практике витаминов, свойства которых активно изучались в эти годы. В 1970-х гг. была экспериментально доказана определяющая роль отдельных компонентов пищи в профилактике различных хронических заболеваний. К концу ХХ столетия открытие новых классов микронутриентов (фитоэстрогенов, пребиотиков и парафармацевтиков, биофлавоноидов) и добавление более десятка химических элементов (бора, селена, кремния, ванадия) в список незаменимых биологически активных веществ (БАВ) послужило мощным толчком к проведению углубленных исследований в области микронутриентов. В последние десятилетия список микронутриентов расширился на два порядка. Кроме того, были открыты новые свойства уже известных соединений с микронутриентами, в частности иммунореактивное действие цинка, способность фосфора и кремния выступать в качестве заменителей кальция, а также антиагрегационное действие ω-3-полиненасыщенных жирных кислот. За короткое время (конец ХХ – начало ХХI столетий) были созданы технологии, позволяющие выделять из натуральных источников отдельные макронутриенты без потери их биологической активности. Таким образом, мы наблюдаем, как на новом уровне происходит возврат к ранним представлениям древней медицины о «лекарственной пище», что указывает на перспективы интеграции достижений классической западной и традиционной древневосточной медицины, которые ранее дистанционировались друг от друга (рис. 1.1). 6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1.1 Классификатор основных макро- и микронутриентов Макронутриенты
Микронутриенты
Белки Жиры Углеводы
Витамины Макроэлементы Микроэлементы, в том числе белковой природы: – аминокислоты; – полипептиды; в том числе липидной природы: – ω-3-полиненасыщенные жирные кислоты; – фосфолипиды; – γ-линолевая кислота; – фитостерины; в том числе углеводной природы: – пищевые волокна; – неусваеваемые олигосахариды (пребиотики); – живые кишечные микроорганизмы (пробиотики). Ферменты Парафармацевтики: – гликозиды; – сапонины; – терпены; – алкалоиды; – индолы; – аллилы; – эстрогены
Древние времена
Современная история
2000-е годы
Пища = лекарство
Пища
Лекарство
Воссоединение на базе БАВ
Единство
Разрыв
Восстановленное единство
Рис. 1.1. Биологически активные вещества как путь восстановления формулы «Пища = лекарство»
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Одним из наиболее реальных и легко реализуемых способов получения новых биологически активных веществ на базе известной теоретической базы (западная медицина) является обогащение пищевых продуктов микронутриентами, часть которых представлена в табл. 1.1. Разработка технологии обогащения пищевого сырья должна опираться на следующие научные принципы: 1) используют те микронутриенты, дефицит которых реально угрожает здоровью нации; 2) обогащают продукты массового употребления, регулярно используемые в питании (мука, молочные продукты, соль, сахар, напитки, продукты детского питания); 3) введение микронутриентов не должно ухудшать потребительские свойства продуктов; 4) следует учитывать возможность химического воздействия между микронутриентами и компонентами продукта, чтобы не снижалась сохранность продукта; 5) содержание микронутриентов в пищевых продуктах должно составлять не менее 20–50% от среднесуточной потребности в этих микронутриентах; 6) содержание вводимых микронутриентов находится на постоянном уровне в течение всего срока хранения продукта и контролируется государственными органами; 7) эффективность введения микронутриентов должна быть подтверждена апробацией на различных группах населения. В технологии пищевых продуктов эти принципы реализуются согласно схеме, представленной на рис. 1.2. Переработка микронутриентов Простота и научная обоснованность технологии Доступность и стабильность добавляемого микронутриента при хранении Стабильность органолептических и структурно-механических свойств продукта при хранении Равномерность распределения добавки по массе продукта, сообщающая равенство потребительских свойств в любой его точке
Рис. 1.2. Требования к технологии обогащения пищевого сырья
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выбор технологии обогащения Сухое смешивание микронутриентов друг с другом Растворение микронутриентов в воде Растворение миктонутриентов в жирах (маслах) Напыление растворов микронутриентов на поверхность продукта Адгезия (налипание) микронутриентов на поверхность продукта
Рис. 1.3. Способы обогащения, реализуемые в технологии получения новых БАВ
Основным процессом в технологии обогащения пищевых продуктов микронутриентами является перемешивание, обеспечивающее необходимое распределение микроколичеств добавки во всем объеме продукта. Существуют следующие типы перемешивания: – сухое, когда друг с другом смешиваются твердые тела; – набрызгивание (напыление), когда смешиваются твердые тела и жидкости; – растворение, когда смешиваются жидкости. Это схематически представлено на рис. 1.3. Основные типы перемешивающих устройств. Способы растворения микронутриентов в различных средах В технологии обогащения пищевых продуктов микронутриентами выделяют следующие способы перемешивания: – порционный; – непрерывный; – смешанный (комбинированный). Для порционного смешивания используют смесители шнекового (рис.1.4, а) или барабанного типа (рис.1.4, б) [2]. В шнековом смесителе рабочим органом является вращающийся шнек; производительность такого оборудования зависит от скорости вращения шнека, расстояния между соседними витками, условий подачи (загрузки) микронутриентов и общего объема, занимаемого в конусе аппарата витками шнека.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а
б Рис. 1.4. Смесители шнекового (а) и барабанного (б) типов для обработки исходного сырья и микронутриентов
а
б
Рис. 1.5. Оборудование типов «пьяная бочка» (а) и «бетономешалка» (б) для смешивания микронутриентов и сыпучего пищевого сырья
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Особенностью работы барабанного смесителя является то, что спиралеобразные направляющие, закрепленные как в корпусе, так и на валу, вращаются во взаимно противоположных направлениях. Достаточно часто, особенно при малотоннажном производстве (йодированная соль, обогащенный сахар), используется перемешивающее оборудование типа «бетономешалка» или «пьяная бочка» (рис. 1.5). Для такого оборудования загрузка микронутриентов осуществляется через весовой дозатор со скоростью, равной скорости потока пищевого носителя. Для повышения точности применяют шнековые транспортеры, снабженные щелевыми дозирующими устройствами. Эффективность работы оборудования, представленного на рис. 1.4, 1.5, определяют следующие факторы: – мощность на валу электродвигателя; – трение частиц при вращении рабочих органов; – скорость подачи (потока) обогащаемого пищевого сырья; – продолжительность перемешивания. Типовая технологическая схема непрерывного процесса производства на примере получения йодированной соли, выглядит следующим образом (рис. 1.6) [2]. Исходное сыпучее сырье (пищевая поваренная соль) поступает по вертикальному транспортеру 1 и подается через специальный патрубок в измельчающее устройство 3, минуя магнитоуловитель 2. Измельченная валками устройства 3 мелкодисперсная соль через питатель 4 с ворошителем (предназначен для равномерного поступления через раструб воронки) попадает на ленточный транспортер 5. В конечной точке маршрута транспортера 5 наблюдается контакт исходного сырья с йодным раствором, поступающим через форсунки 7 распылительного устройства 8. В качестве йодного раствора используют йодат калия, который хранят в специальных емкостях 10 из нержавеющей стали. Установка также снабжена воздушным компрессором 6. Обогащенный продукт (йодированная соль) попадает на шнековый транспортер 9 и, передвигаясь вдоль него, за счет действия шнеков, расположенных на вращающемся валу, поступает на упаковку (ссыпается в мешки 11). Готовый продукт, по мере наполнения мешка, транспортируют в складские помещения. Таким образом, на практике действует метод напыления (набрызгивания) жидких растворов на твердую фазу сыпучего сырья, представляющего собой кристаллы поваренной соли (хлористого натрия). Способ растворения в воде (молоке и др.) применяется при обогащении фруктовых соков, напитков, молока и молочных продуктов (типа «наринэ» и др.). Для обогащения маргаринов, майонезов и соусов, как правило, используют жирорастворимые витамины, предварительно растворенные в маслосодержащей среде. Процесс проводят в вертикальных смесителях, снабженных пропеллерной мешалкой. 11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1.6. Технологическая схема получения йодированной соли методом распыления микронутриента на сыпучий исходный материал. Обозначения: 1 – вертикальный транспортер; 2 – магнитоуловитель; 3 – измельчитель; 4 – питатель с ворошителем; 5 – ленточный транспортер; 6 – воздушный компрессор; 7 – распылительные форсунки; 8 – распылитель; 9 – шнековый транспортер; 10 – емкости из нержавеющей стали для хранения раствора йодида калия; 11 – упаковочный мешок; 12 – выход готовой йодированной соли
Эффективность процесса определяют следующие факторы: – вязкость жирового продукта; – гомогенность продукта; – соотношение концентраций смешиваемых ингредиентов; – степень контакта витаминов с кислородом воздуха и катионами металлов переменной валентности (железо, медь и др.), входящих в состав подложки технологического оборудования и оказывающих влияние на стабильность указанных микронутриентов.
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2. Научно-технические предпосылки создания биологически активных веществ на основе жиров и пищевых волокон Отдельные виды микронутриентов, роль которых в жизнедеятельности организма была экспериментально установлена во второй половине XX столетия – начале 2000-х годов (в частности, пищевые волокна), целесообразно перед смешением с жировой фазой предварительно растворить в воде. Отметим, что пищевые волокна (ПВ) выполняют следующие функции: – функционально стимулируют перистальтику кишечника, ускоряя эвакуацию продуктов переработки пищи; – набухая под действием желудочно-кишечных соков, обеспечивают чувство сытости при меньшем объеме потребления по сравнению с иными ингредиентами пищи; – снижают уровень триглицеридов в крови, не изменяя уровень глюкозы и инсулина; – уменьшают степень ожирения печени и снижают вероятность кишечных инфекций и последующих осложнений. Технологические свойства пищевых волокон условно отображены на схеме (рис. 2.1), при этом особо следует выделить два: – гелеобразующую способность волокон при высокой их концентрации; – способность давать продукты с пониженным содержанием жира.
Умеренная растворимость
Гелеобразующая способность при высокой концентрации
Способность улучшать текстуру и вкусовые качества продукта
Пищевые волокна
Способность повышать стабильность жировых эмульсий
Диапазон вкуса – от нейтрального до слабого; нейтральный вкус и запах
Способность давать жироподобные смеси
Рис. 2.1. Принципиальные технические свойства пищевых волокон, важные для производства биологически активных соединений с их участием
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В частности, для жировой основы майонезов и соусов сбалансированное соотношение полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) соблюдается при ω-6:ω-3 = =10:1. Это обеспечивается подготовкой купажа из подсолнечного и рапсового масел. В купаж вводят комплекс природных антиоксидантов в количестве 0,5– 4,0%, каротиноиды, токоферолы и кофермент Q10 (в составе нерафинированного пальмового масла). Получают жировую основу кремового цвета; последний, по мере повышения количества вводимой добавки пальмового масла в указанном диапазоне, становится интенсивно желтым. Взамен яичного порошка, содержащего до 2 мас.% холестерина, в рецептуру вводят ПВ, включающие инулин (рН дисперсии 5–7) либо пектин, лигнин и целлюлозу (рН 1% водной дисперсии находится в диапазоне 4–8). Введение ПВ предполагает предварительный перевод их в гелеобразное состояние, в котором они будут иметь текстуру, максимально приближенную к текстуре жира. Это достигается путем следующих операций: – растворение ПВ в воде (в пропорции 3:1); – перемещение полученной массы в пастеризатор и перемешивание при температуре 80–85°С и частоте вращения пропеллерной мешалки 1500 мин–1 в течение 5–10 мин (до образования вязкой массы); – введение пастеризованных растворов других нежировых ингредиентов рецептуры майонеза; – снижение температуры до 20–25°С и внесение в него жировой фазы, содержащей камеди, повышение частоты перемешивания до 2500–3000 мин–1 с последующим введением уксусной кислоты и образованием майонеза. Важнейшим параметром является стойкость получаемой эмульсии (ГОСТ 300004.2–93). Также необходимо осуществлять контроль вязкости готового продукта. Вязкость определяется количеством вносимой добавки ПВ и измеряется с помощью вискозиметров ротационного типа (например, Rheotest-2). Реологические свойства типовых эмульсий представлены на (рис. 2.2) [3]. Как видно из рис. 2.2, для эмульсий жирностью 10% при увеличении содержания ПВ от 3% до 6% разброс вязкости максимален, тогда как для эмульсий жирностью 5% он, напротив, относительно невелик. При увеличении дозировок ПВ получаемые эмульсии, как показывают приведенные графические зависимости, способны значительно загущаться. Это свойство активно используется в технологии получения майонезов различного технологического назначения: – соусных майонезов для заправки салатов (в качестве связующего компонента); – майонезных композиций (украшение блюд, декоративная задача); – бутербродных майонезов. На основании представленных экспериментальных данных построены математические модели изменения вязкости и получены регрессионные уравнения, с помощью которых можно рассчитать вязкость майонеза и соусных эмульсий без существенных временных затрат на опыты (рис. 2.3) [3]. 14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
m
m
25
33,03
23,34
а
32
б 20
28 15
24
23,44
23,44 10
1
2
3
ПВ,
4
5
2
3
%
4
5
ПВ, %
а
40
6
б
m
m
в
38,76
36,21
г
36 35
32
30 25
28
21,41 20
3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
ПВ,
28,71
3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
%
ПВ,
в
% г
Рис. 2.2. Разброс вязкости для эмульсий различной жирности. Обозначения по осям: μ – вязкость эмульсии, Па·с; ПВ – содержание пищевых волокон в системе, мас.%. Жирность эмульсии Веneо НР, %: а – 25; б – 15; в – 10; г – 5
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис 2.3. Статистическая обработка данных по низкожирным майонезам и соусам, включащим в свой состав пищевые волокна
В заключение имеет смысл напомнить, что ПВ относятся к классу неусвояемых углеводов, которые в организме не утилизируются. В наше время не подлежит сомнению, что пищевые волокна, активно стимулируя моторную деятельность кишечника, препятствуют всасыванию холестерина, играют положительную роль в нормализации состава микрофлоры кишечника и ингибировании гнилостных процессов, оказывают влияние на липидный обмен (нарушение приводит к ожирению), адсорбируют желчные кислоты, способствуют снижению концентрации ядовитых веществ жизнедеятельности микроорганизмов и выделению из организма токсичных элементов. При недостаточном содержании в пище неусвояемых углеводов резко возрастает риск сердечно-сосудистых заболеваний и злокачественных образований прямой кишки. Суточная норма потребления пищевых волокон составляет 20–25 г.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Технология выделения лигнина из природных целлюлозосодержащих материалов и создание новых биологически активных веществ Способы введения ПВ в различные пищевые продукты с целью влияния на биологическую активность могут быть следующими: – использование в полном объеме сырья, содержащего ПВ; – добавление продуктов переработки, содержащих высокое количество ПВ; – введение препаратов ПВ в чистом виде. Последний способ является наиболее предпочтительным. Он основан на извлечении ПВ из растительного сырья и их очистке с получением биологически активных соединений различных марок (Beneo HP и др.) Наиболее часто используют в пищу так называемые волокнистые (природные) целлюлозосодержащие материалы (ЦСМ). Природные ЦСМ делятся на два типа, которые представлены на рис. 3.1. Природные ЦСМ
Лигноцеллюлоза
Чистая целлюлоза
(древесина, кустарники, листья, трава, водоросли)
(хлопок, отходы хлопка, лен)
Рис. 3.1. Типы природных ЦСМ
Ввыделение лигнина из природных ЦСМ, входящего в них в количестве 6,8–30,5% и по химическому строению представляющего собой фенилпропановый комплекс с гемицеллюлозой (глюканы, галактаны, фруктозаны), есть главный шаг в получении очищенных ПВ. Этот шаг является необходимым для всех природных веществ, за исключением торфа. Процесс выделения лигнина из природных волокнистых соединений называют делигнификацией. Его осуществляют следующими путями: 1) Физический (предобработка) – облучение γ-лучами или потоком электронов; обработка микроволновым излучением (2400–2500 мГц); нагревание на воздухе, в воде или керосине; действие ультразвука. Эти методы вызывают частичную деградацию сложной структуры целлюлозы и лигнина. 2) Механический – измельчение в шаровых, коллоидных и вибромельницах, валковых дробилках, дезинтегарторах. 3) Химический – кипячение или автоклавирование в течение 30–60 мин в разбавленных растворах щелочи (как правило, 1–2% растворах NaOH или NH4OH); сульфатная или сульфитная варка либо обработка нижеприведенными химическими препаратами: 17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Измельчение сырья Пар, р-р NаОН
Вода
Химическая обработка; τ = 60 мин, t = 100°C, C NаОН = 0,01%
Фильтрация и промывка;
Сток в канализацию
Сток в канализацию
τ =10–15 мин, рН = 6
1% р-р лигниназы
Введение фермента лигниназы; τ = 12 мин, t = 40°C, рН =8
Оборотная вода
Конденсат Пар
Инактивация лигниназы; вода τ = 2–5Оборотная мин, t = 100°C Сток в канализацию
Фильтрование Сушильный агент (паровоздушная смесь)
Сушка (конечная ω = 6–10%)
Очистка ( (паровоздушная смесь)
Измельчение и просеивание концентрата ПВ; d = 0,2–0,5мм Упаковочный материал
Фасовка и упаковка
Готовый продукт
Рис. 3.2. Технологическая схема получения концентрата ПВ из растительного сырья
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а) раствор аммиака (NH4OH) в смеси с Н2О2 или надуксусной кислотой; б) NH4OH в смеси с уксусным ангидридом (99,9%) и Н2О2 (30%) в пропорции 1:1 при 80°С; в) делигнификация бутанолом с добавкой Н2О (1:1) и 0,3 мас.% HCl, NH3, NaOH при температуре t = 170°С в течение 1 ч. Катализаторами процесса служат H2SO4 , FeCl3, антрахинон. 4) Биологический – используют специальные микроорганизмы (из среды грибов, бактерий, дрожжей), утилизирующие лигнин из ЦСМ как источник углерода или ферментов, синтезируемых этими микроорганизмами. Это весьма длительный процесс (несколько суток, месяцев), который, однако, приводит к эффективному повышению реакционной способности ЦСМ. Поскольку выделенная и очищенная целлюлоза может быть использована в качестве биологически активной добавки к пище, способной не только снижать калорийность пищи, но и выступать в качестве улучшителя товарного вида и качества пищевых продуктов, разработка технологии получения ферментных препаратов, активно разрушающих лигнин в составе ЦСМ, является важнейшей задачей. Схема получения концентрата пищевых волокон (КПВ), обладающего повышенной биологической активностью, представлена на рис. 3.2. Одним из важнейших этапов (операций) технологического цикла является введение и обработка исходного сырья лигниназой, представляющей собой штамм микроорганизмов актиномицетов Streptomyces mersei C-24, утилизирующий до 74% лигнина из основных опилок в питательной среде. Питательная среда включает на 82 части (ч.) опилок: нитрата аммония – 14 ч., гидрофосфата калия – 0,4 ч.; глюкозы – 0,8 ч.; кукурузного экстракта – 1,6 ч. Активную белковую часть из культуральной жидкости, содержащей штамм, высаждают этанолом при соотношении жидкость: этанол = 1:3, затем отделяют осадок фильтрацией и сушат его под вакуумом при 40–50°С. Обработка 1% раствором такого препарата позволяет получить концентрат ПВ следующего состава, мас.%: целлюлоза – 87, гемицеллюлоза – 11, лигнин – 2. Этот концентрат пищевых волокон отлично зарекомендовал себя в производстве хлебобулочных изделий, а также апробирован в качестве функциональной добавки к масложировым продуктам различного назначения. Необходимо еще раз подчеркнуть, что пищевые волокна играют примечательную роль в оживлении деятельности кишечного тракта (ЖКТ), так как, набухая, заполняют собой пространство желудка и способствуют тем самым меньшему потреблению пищи, а также активизируют процесс движения пищи в ЖКТ. Основными источниками пищевых волокон являются хлеб грубого помола, капуста, бананы, картофель.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Сорбционные свойства лигнина. Технология получения энтеросорбентов из дрожжевой биомассы Известны следующие механизмы действия энтеросорбентов и БАВ, обладающих высокой сорбционной способностью: – связывание и удаление токсичных соединений, поступающих из крови в кишечник или образующихся в кишечнике (бактерии, фенолы, аммиак, индол и др.), с ослаблением нагрузки на печень; – измельчение липидного и аминокислотного состава кишечника при поглощении энтеросорбентом аминокислот и свободных жирных кислот; – очистка пищеварительных соков желудочного тракта с устранением возможности попадания токсинов в кровь. Наиболее известным энтеросорбентом является активированный уголь, действие которого сводится к физической адсорбции на нем различных органических веществ. К энтеросорбентам ионного типа можно отнести пектины и природные алюмосиликаты (в частности, бентонитовые и каолиновые порошки высушенных глин). Перспективными направлениями получения сорбентов являются: 1) разработка новых энтеросорбентов на основе пектина; 2) разработка технологий энтеросорбентов из отходов, в частности, из продуктов разложения панцирей представителей морской и речной фауны (хитин, хитозан); 3) разработка эффективных энтеросорбентов из природных минеральных соединений (природных алюмосиликатов) – производных кремнезема, бентонитовых и каолиновых глин, цеолитов. Выбор системы адсорбента Исходные активированные угли и алюмосиликаты, поступающие в виде порошков в организм человека, в первую очередь, адсорбируют вещества, обладающие выраженными полярными и поверхностно-активными свойствами, – воду, сводные жирные кислоты, фосфолипиды, а затем – более инертные в химическом плане соединения, например, пищевые красители, пигменты и др. С другой стороны, для выделения малополярных соединений лучше подходят менее полярные энтеросорбенты – например, активированные угли, обладающие гидрофобной поверхностью. Вещества, молекулы которых имеют разветвленную структуру, ненасыщенные связи и обладают зарядом на поверхности, эффективнее выделяются на полярных сорбентах – в частности, природных алюмосиликатах, характеризуемых гидрофильностью (свойством набухать в воде). Таким образом, при создании энтеросорбентов, в первую очередь, важно знать, в какой среде они будут работать. Если состав среды, оказывающей токсическое воздействие на организм, неизвестен, целесообразно смешение обоих типов энтеросорбентов в массовом соотношении природный алюмосиликат: активированный уголь, равном 1:1 ÷1:2. 20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Альтернативой природным алюмосиликатным соединениям в качестве энтеросорбента может служить аптечный Полифепан (на основе гидролизного лигнина). Полифепан получил свое название как симбиоз слов «полимер» (естественное происхождение) и «фенилпропан» (главное звено макромолекулы лигнина). Технология его получения включает жесткий гидролиз древесного сырья в щелочной среде (при повышенной температуре); готовый продукт содержит 8–20% целлюлозы. Сорбционные свойства гидролизного лигнина в водных растворах не уступают таковым для активированного угля, даже превосходя последний в отношении действия на микроорганизмы и токсины. Преимуществами гидролизного лигнина являются: – дешевизна источников сырья (древесина); – более мягкое воздействие на желудочно-кишечный тракт. Сорбция катионов тяжелых металлов (ТМ) из водной фазы на лигнине, включающем 20% целлюлозы, составляет, г-ион/г сорбента Таблица 4.1 Сорбция БАВ гидролизным лигнином Компонент
Молекулярная масса
Концентрация сорбата (БАВ), моль/л после исходная сорбции С0
Ск
Количество сорбированного вещества
количество удаленного вещества
мг/г сорб
%
Холестерин
386
8,9
5,5
3,4
41,00
38
Мочевина
60
9,4
5,9
3,5
6,00
47
Креатинин
113
0,15
0,12
0,03
0,12
22
Липиды
–
6,2
4,6
1,6
20,80
9
Белки
–
81,8
76,0
5,8
186,00
7
Углеводы (глюкоза)
180
8,5
7,7
0,8
21
4,6
9,4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сu+2 – 0,010; Cd+2 – 0,025; Pb+2 – 0,040. В отношении других биологически активных веществ лигнин, полученный гидролизом, проявляет активность, представленную данными табл. 4.1. Как видно из табл. 4.1, лигнин, получаемый по гидролизной технологии древесного сырья, наряду с тяжелыми металлами, хорошо сорбирует из растворов мочевину, креатинин, холестерин, тогда как липиды, белки (аминокислоты) и углеводы он выделяет хуже. Альтернативой гидролизному лигнину являются хитин и хитозан – природные отходы, получаемые из панцирей морских и речных обитателей, и выращенная биомасса (клетки микроорганизмов, дрожжи), обладающая в отдельных случаях более высокой сорбционной способностью к широкому спектру различных органических соединений, либо, как уже отмечалось выше, природные алюмосиликаты. Типовые технологические схемы получения энтеросорбентов из дрожжевой биомассы представлены на рис. 4.1.
Выращивание дрожжей (питательной среды) Дезинтеграция
Термообработка;
(гомогенизация)
Обработка ферментами
Отделение оболочек
Отделение оболочек
Промывка
Промывка
Заморозка; t < 0°C
Сушка
Сушка
Упаковка энтеросорбента
Упаковка энтеросорбента
(технология без заморозки, ферментативная)
(оболочковая технология)
t > 40°C
Заморозка; t < 0°C Сушка Упаковка энтеросорбента (беспромывочная технология, с гомогенизацией сырья)
Рис. 4.1. Схемы получения энтеросорбентов из дрожжевой биомассы
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Из неводных сред (например, растительных масел), содержащих примесные воски, последние хорошо выделяются на минеральных соединениях – цеолитах, бентонитах, каолинитах. Типовая схема образования комплекса из молекул энтеросорбентов и слабозаряженных восковых молекул представлена схемой на рис. 4.2. Образование связей происходит следующим образом: атаке подвергается атом кислорода карбонильной группы молекулы воска, образующий с положительно заряженным концевым атомом ОН-группы силикатного материала (бренстедовский центр) Н-связь. Расчетная энергия связи составляет -19,2 кДж/моль (-4,6 ккал/моль), что близко к значению теоретической водородной связи (20,9 кДж/моль, т.е. 5 ккал/моль). Для углеводородных радикалов умеренного размера (≤С12 ) угол между карбонильной группой восковой системы и концевым водородом вещества монтмориллонита составляет 119,6–121,0° (согласуется с величиной угла в правильном шестиугольнике). Это указывает на благоприятные условия для sp2-гибридизации – перекрывания р-орбиталей в направлении связи и получения энергетически стабилизированного комплекса [4].
Рис. 4.2. Схема образования адсорбционного комплекса «монтмориллонит – восковые вещества»
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Получение биo- и энтеросорбентов из природных алюмосиликатов Из среды льняного масла на гранулированных алюмосиликатах (АС) удается извлекать катионы тяжелых металлов (ТМ), мг/г сорбента (см. рис. 5.1): Ni2+ – 0,03…0,05 (кривая 1); 2+ Cu – 0,08…0,10 (кривая 2); Fe (II, III) – 0,25…0,30 (кривая 3); Zn 2+ – 0,35…0,38 (кривая 4). ПДК этих элементов в маслосодержащих средах, мг/кг масла: Fe (II, III) – 1,5; Сu+2, Zn+2 – 0,5; Cd+2 , Ni2+ – 0,05; As+2, Pb+2 – 0,10; Hg+2 – 0,03. Оптимальное содержание твердой фазы энтеросорбента в маслосодержащей среде (отработанное льняное масло) ≤ 1,0–1,5 мас.% Наилучшие результаты по очистке таких сред от катионов ТМ, негативно влияющих на окисляемость (масло прогоркает и становится экологически небезопасным для здоровья человека), достигается на гранулированных алюмосиликатных энтеросорбентах из каолина, предварительно обработанного уксусной кислотой (УК) либо растворами силиката натрия (СН) или калия (СК). Технологическая схема получения таких гранулированных энтеросорбентов приведена на рис. 5.2 [4].
Рис. 5.1. Кривые сорбции катионов тяжелых металлов из льняного масла на гранулированном сорбенте из каолина. Катионы ТМ: 1 – Ni2+; 2 – Cu2+; 3 – Fe (II, III); 4 – Zn2+
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Вода АС СН (СК)
1 2
3
4
Готовый энтеросорбент
Рис. 5.2. Технологическая схема получения гранулированных энтеросорбентов, активных в отношении катионов ТМ и СЖК, содержащихся в маслосодержащих средах: 1 – Z-образный смеситель; 2 – экструдер; 3 – устройство для ультразвуковой резки гранул; 4 – ленточная сушилка
Отмученный минеральный продукт, включающий каолин с примесями кварца (до 5–8 мас.%) и преобладающим размером частиц 5–20 мкм, направляют в Z-образный смеситель 1 (рис. 5.2). Использование смесителя данной конструкции вследствие высокого сдвигового напряжения, создаваемого рабочими органами, позволяет получать массу с требуемой степенью гомогенизации. При постоянном перемешивании в смеситель 1 подают раствор СН либо СК (плотностью 1,35–1,42 г/см3 и модулем 2,7–3,3), а также воду до получения формовочной массы с влажностью 28–33%. Получение формовочной массы занимает 15–20 мин (контролируется по получению однородной пластинчатой системы). Приготовленную таким образом формовочную массу подают в дозатор шнекового экструдера 2. Форма и размер изделий определяются конфигурацией фильеры, изготовленной из стали и фторопласта. Устройство для ультразвуковой резки 3 целесообразно совместить с экструдером. Полученные гранулы сорбирующего материала после выдержки на воздухе поступают по транспортеру на ленточную сушилку 4. В качестве сушильного агента используют воздух, подаваемый в сушильную камеру и обогреваемый отходящими дымовыми газами. Температуру в сушильной камере устанавливают в диапазоне 105–115°С; продолжительность сушки составляет 5–6 ч. 25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Преимуществом использования такого сорбента является возможность исключить операцию фильтрации из технологического цикла и проводить процесс выделения примесных ингредиентов из маслосодержащих сред в непрерывном режиме. Технология получения энтеросорбентов, активных в маслосодержащих средах, должна учитывать позицию обеспечения стабильности таких сред к окислению. Стабильность среды к окислению характеризуется, как известно, значением перекисного числа (п.ч.). Производители должны стремиться работать на нижнем пределе диапазона п.ч. (0–10 мг-экв О2/кг), когда содержание гидроперекисей в маслах минимально и тем самым обеспечивается здоровье потребителя. Выявлено, что для очистки предварительно нейтрализованных щелочью (NаОН) и рафинированных маслосодержащих сред целесообразно использовать порошковые алюмосиликатные энтеросорбенты. Создание таких сорбционно-активных материалов включает стадии, представленные на рис. 5.3. Сначала осуществляют перетир исходного минерального сырья при нормальной температуре с перкарбонатом натрия (ПКН). Процесс ведут в шаровой мельнице при массовом отношении сырье: ПКН = 1:8÷1:12. Затем измельченный продукт подают в специальную камеру (смеситель), на боках которой установлены форсунки для подачи 50–75% растворов Н3РО4. Растворы Н3РО4 распыляют на поверхность продукта измельчения минерального сырья и ПКН Каолин
ПНК (Nа2СО3 · 1,5 Н2О2)
Перетирание с перкарбонатом натрия Н3РО4 (50–75% р-р)
Обработка кислотой Н2О
Промывка до нейтральной реакции
Сушка при 105–115°C
Измельчение в вибромельнице Рис. 5.3. Получение порошковых сорбентов из минерального сырья
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
в количестве 60–100% от массы; полученный модифицированный продукт загружают в колонну и пропускают через него воду с небольшой скоростью (объемный расход 0,1–0,5 см3/с), после чего высушивают с использованием ленточной сушилки, как это показано на рис. 5.2, и выгружают. Готовый сорбент вводят в модифицированные маслосодержащие среды и затем проводят операции, указанные на рис. 5.4. Показатели очищенной маслосодержащей среды представлены в табл. 5.1. Как видно из табл. 5.1, выделение катионов Сu2+ и Ni2+ позволяет прогнозировать получение экологически безопасных растительных масел, стабильных при хранении (см. значения перекисных чисел до и после введения сорбента), и указывает на перспективы очистки пищевых саломасов от остатков медноникелевых катализаторов. Уже при малом расходе сорбентов, полученных по схеме, представленной на рис. 5.2 и использованных, как показано на рис. 5.4, содержание соединений Сu2+ снижается приблизительно в 2,5 раза, Ni2+ – в 2 раза, тогда как концентрация Fe (II, III) несколько увеличивается, вероятно, вследствие привнесения с материалом сорбента фосфатов железа. Введение таких сорбентов в маслосодержащие среды обеспечивает значительный эффект выделения трудногидратируемых фосфолипидов (73–90%), что связано с их химическим сродством к веществам, используемым для активации исходного сырья (фосфорная кислота) и частично остающимся в его порах (за счет силикофосфатных связей).
Сорбент
Масло
Перемешивание с маслом; Ссорб = 0,2–1,0 мас.%; τ = 20–25 мин, n = 0,8–1,0 с-–1
Разделение фаз фильтрацией; t = 40°C
Удаление сорбента
Биологически активная маслосодержащая среда без примесей
Рис. 5.4. Технология получения биологически активной маслосодержащей среды
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Относительная стабильность перекисных чисел после кратковременного (20–25 мин) контакта с таким сорбентом есть результат компенсирующего действия двух факторов – разрушения первичных перекисных соединений в растворе триглицеридов и некоторого увеличения в них доли сопряженных диенов, о чем свидетельствует слабый рост показателя преломления систем после фильтрации (табл. 5.1). Для выделения из масел компонентов пигментного комплекса (хлорофилла, госсипола, ксантофила) применяют технологию, представленную на рис. 5.5. Условия: температура обработки 80 °С, контакт 30 мин при перемешивании с частотой 1 с–1; концентрация уксусной кислоты 6 мас. %; соотношение Т:Ж = 1:1. Как видно из рис. 5.6, использование 1,5–2,0 мас. % отечественного каолина способствует снижению цветности биологически активной среды (льняного масла) в 2,4 раза – с 36 до 15 мг J2/100 мл (кривая 1). Однако по эффективности отбелки исходный отечественный каолин несколько уступает сорбенту сравнения фирмы «Engelhard» (США) (кривая 3), представляющему собой выщелоченный бентонит [4]. Таблица 5.1 Результаты очитки маслосодержащих сред на порошковом модифицированном сорбенте из алюмосиликата Показатель
Содержание ТМ, мг/кг: – никель – медь – железо (II,III) Массовая доля фосфатидов, % Перекисное число, мг-экв О2//кг Показатель преломления
Исходная маслосодержащая среда
Маслосодержащая среда, обработанная сорбентом
Подсолнечное
Льняное
Подсолнечное
Льняное
рафинированное
нейтрализованное
рафинированное
нейтрализованное
0,27
0,19
0,11
0,03
0,35 0,53
0,33 1,20
0,15 0,54
0,11 1,23
0,040
0,070
0,007
0,011
4,33
0,79
4,05
0,80
nD 20
1,4678
Кислотное число, мг КОН/г Цветное число, мг J2/100мл
0,42
0,64
0,19
20
55
15
1,4786
28
1,4680
1,4790
0,40 25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Уксусная кислота
Кислотная активация сорбента Льняное, оливковое масло и др.
Активированный сорбент
Перемешивание в масле; t = 80°C, τ = 30 мин, n = 1,0 с–1
Разделение фаз фильтрацией; t = 20°C Получение биологически активной маслосодержащащей среды Регенерация сорбента Рис. 5.5. Схема выделения красящих веществ из маслосодержащих сред
J
40
30
20
1 3 2
10
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
C Рис. 5.6. Зависимость цветного числа льняного масла J (мг I2/100 см3) от количества введенного сорбента С (мас.%): 1 – каолин; 2 – каолин, обработанный уксусной кислотой; 3 – сорбент фирмы «Engelhard» (США)
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Различия в значениях цветного числа обработанного льняного масла (J) оцениваются величиной 3 мг J2/100 мл раствора. Предварительная активация сорбента в уксусной кислоте (рис. 5.6, кривая 2) позволяет добиться более существенного (на 60%) эффекта осветления льняного масла при 80°С всего за 0,5 ч его контакта с молекулами сорбента. Активированный каолин, как показывает кривая 2 на рис. 5.7, по эффективности выделения красящих веществ превосходит зарубежный аналог; степень извлечения достигает 75%. Другим критерием, определяющим качество льняного масла, является содержание восков. Схема выделения восков по операциям аналогична таковой, представленной на рис. 5.1, однако режимы процесса в данном случае существенно отличаются, а именно: 1) процесс ведут при температуре перемешивания твердой и жидкой фаз («масло–сорбент»), равной 12–14°С, – с целью образования относительно крупных кристаллов восков, которые затем выделяют на фильтре; 2) продолжительность перемешивания составляет 5–6 ч; 3) фильтрацию (разделение фаз) проводят при температуре ≈ 40°С, так как в этом случае возрастает скорость процесса. Как видно из рис. 5.3, при введении в биологически активную среду сорбента в количестве, сопоставимом с содержанием восковых веществ в неочищенном льняном масле, уже в течение 4 ч обработки при 12–14°С удается в 4– 5 раз снизить содержание восков по сравнению с первоначальным (500 мг/кг). Дальнейшая экспозиция системы слабо влияет на степень сорбции указанных соединений. Подходящие условия для выделения восков: расход сорбента 0,2 мас.%; температура 12°С, интенсивность перемешивания 1 с–1; концентрация уксусной кислоты 6 мас.%; соотношение Т:Ж = 1:1. Аналогично данным по выделению компонентов пигментного комплекса (красящих веществ), сродством к воскам обладает каолин, активированный уксусной кислотой (рис. 5.7, кривая 2).Несмотря на то, что он по этому показателю несколько уступает импортному аналогу – сорбенту фирмы «Engelhard» (рис. 5.7, кривая 3), динамика сорбции при указанных условиях позволяет через 6 часов достичь значения СВ, близкого к 90 мг/кг масла и отвечающего получению прозрачного продукта очистки. Очищенное масло с цветным числом ≤ 10 мгJ2/100 мл и Ссжк ≤ 0,007 моль/л может быть использовано без переработки в области фармацевтической химии как источник биологически незаменимых ω-полиненасыщенных ЖК, входящих в состав клеточных мембран живых организмов [4]. Весьма интересна технология выделения на поверхности природных АС белковых веществ из водных растворов ферментов-стимуляторов – микоцивина при рН = 8,5 и эсвицина при рН = 2,0–3,0. Активацию поверхности энтеросорбента проводят следующим образом: сорбент помещают в реактор проточного типа, который представляет собой цилиндр из молибденового стекла тол30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
C ВВ
В 500
400 300 200
1
100
2 3
0
0
1
2
3
4
5
ф
6
τ, ч Рис. 5.7. Зависимость остаточного содержания восков СВ (мг/кг) в льняном масле от продолжительности обработки сорбентом t (ч): 1 – каолин; 2 – каолин, обработанный уксусной кислотой; 3 – сорбент фирмы «Engelhard»
35
S, %
1
30 25
2
20 15 10
1
2
3
4
5
C , С, м амас.% с. % Рис. 5.8.. Сорбция сывороточного альбумина S (%) на активированном алюмосиликате при различной концентрации сорбента (С) в растворе ферментовстимуляторов микоцивина (рН = 8,5): 1 – активированный алюмосиликат (каолин); 2 – голубая глина (основа – бентонит). Начальная концентрация альбумина в растворе 100 мкг/мл
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
щиной 350 мм, и обрабатывают в тлеющем разряде (в аргоне) при давлении 100 Па и токе разряда 20 мА. После активации рентгеновский спектральный коэффициент А, полученный при расшифровке дифрактограмм на приборе «Дрон-3М», составляет 3,0–4,0 (исходный спектральный коэффициент равен 5,3), что указывает на повышение степени совершенства структуры образца. Такая модифицированная структура проявляет повышенные сорбционные свойства к сывороточному альбумину. Для альбумина изоэлектрическая точка в области рI = 4,5 обусловлена наличием в составе молекул активных NH2- и СООН-групп. Установлено, что даже в жестких условиях (щелочная среда в присутствии фермента микоцивина, рН = 8,5) сорбция сывороточного альбумина из таких растворов по мере увеличения концентрации сорбента в диапазоне 1–5 мас.% возрастает более существенно, чем на исходном образце, не подвергнутом плазмохимической обработке. Так, степень сорбции альбумина (S, %) на материале исходного каолина из 10% водной дисперсии микоцивина не превышает 23–24% (2,3–2,3 мг/г сорбента) и, по мере изменения концентрации твердой фазы в растворе, изменяется мало. Однако на активированном каолине (при концентрации его в биологически активной среде 5 мас.%) сорбция альбумина достигает уже 34% (3,4 мг/г сорбента), превосходя величину S на голубой бентонитовой глине (с примесями Сu2+ и Со (II, III)) приблизительно на 20% (рис. 5.8). Максимальная сорбция на активированном каолине (6,6 мг/г сорбента) достигается при рН = 4,5–5,0 (≈ рI АЛЬБ) из 7–8% водной суспензии, подкисленной раствором биостимулятора эсвицина. Предложенная технология не требует применения растворителей, обеспечивает снижение энергозатрат на активацию в 1,3–2,0 раз и представляет большой интерес для фармацевтической химии и медицины.
6. Технологии получения жиро- и водорастворимых витаминов Технология получения витамина А Витамин А встречается в качестве четырех индивидуальных представителей: ретинол, ретиналь, ретинилацетат, ретинолевая кислота. Ретинол имеет две формы – А1 и А2 (рис. 6.1, а и б). Витамин А оказывает влияние на рост человека, улучшает состояние кожи, обеспечивает развитие клеток, входит в состав пигмента, регулирующего адаптацию глаза к условиям среды. Недостаток витамина (гиповитаминоз) приводит к наличию сухой по норме кожи, недостатку веса и задержке роста, вплоть до истощения организма [5].
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
OH
OH
а
б Рис. 6.1. Строение витамина: а – А1; б – А2
Рис. 6.2. Строение β-каротина
Витамин А содержится в жировых продуктах, в том числе в рыбьем жире, сливках, твороге, продуктах животного происхождения, сыре и яичном желтке. Потребность человека в витамине А может быть удовлетворена за счет растительной пищи, в которой содержатся его провитамины – каротины. Из молекулы β-каротина в организме человека образуются две молекулы витамина А. Суточная потребность взрослого человека в витамине А – 1 мг; для детей первого года жизни она составляет 0,4 мг, для беременных – 1,5 мг. Если имеются нарушения в работе печени, дозу витамина А повышают в 2 раза. β-каротин (провитамин А) (рис. 6.2) – природный антиоксидант, защищающий клетки организма от вредного воздействия свободных радикалов, позволяет к тому же повышать пищевую ценность продуктов. Создание и использование в рационе питания пищевых добавок, содержащих β-каротин и обладающих лечебно-профилактическим действием, позволяет повысить уровень адаптационной защиты организма от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды и снизить риск возникновения злокачественных новообразований. Каротин вводят в продукты в виде масляных растворов и дисперсий. Чтобы получить готовый β-каротин, используют технологию, где применяют следующие питательные среды: соевая мука, кукурузное, подсолнечное масло (см. рис. 6.3). Производственная среда имеет состав: соевая мука – 4,0%; кукурузная мука – 1,7%; подсолнечное масло – 4,0%; КН2РO4 – 0,05%; витамин В1 – 0,0002%. Соевую и кукурузную муку предварительно гидролизуют в 0,1 н. растворе Н2SО4 при температуре 120°C в течение 30–45 мин. После ферментации (в течение 40–44 ч вводят добавку 0,15% раствора β-ионона и 0,04% раствора сантохина. Выход каротина через 72 ч роста при рН = 6,2–6,7 и температуре 28–30°С составляет 1–2 г/дм3 среды. 33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ввод соевой, кукурузной муки, подсолнечного масла, витамина В1, КН2РО4
Приготовление питательной среды
Добавление воды
Стерилизация и охлаждение
Обработка паром
Ферментация; t =28–30°C; τ =72 ч; рН = 6,2–6,7
Отработанный воздух
Отделение биомассы фильтрацией
Фильтрат
Ввод посевного материала Ввод β-инона, аэрирующего воздуха, сантохина
Ввод теплоносителя
Сушка биомассы
Очистка отходящих газов
Обработка ацетоном
Экстракция ацетоном
Обработка паром
Удаление ацетона выпариванием
Ферментативная сушка
Сушка
Очистка отходящих газов
Ввод теплоносителя
Подсолнечное масло
Масляный раствор β-каротина
Рис. 6.3. Принципиальная технологическая схема получения β-каротина
Также возможно получение водорастворимого β-каротина по схеме, представленной на рис. 6.4 [6]. Основные технологические стадии: подготовка и измельчение носителя; приготовление водно-спиртовых растворов стабилизаторов; перемешивание компонентов; сушка и упаковка препарата. В качестве носителя, обладающего способностью впитывать масляную фазу раствора β-каротина, используют лактозу, а в качестве стабилизаторов – пектины и аскорбиновую кислоту в концентрациях 4 и 2,5% соответственно. Российскими специалистами предложены биотехнологические методы получения высших гомологов убихинона и эргостерина из липидов дрожжей рода Candida. 34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6.4. Схема получения растворимого β-каротина: 1 – дробилка; 2 – ленточный транспортер; 3 – сборник лактозы; 4 – весы-дозатор; 5 – сборник-дозатор β-каротина; 6 – насос; 7 – сборник-дозатор пектина; 8 – сборник-дозатор для этилового спирта; 9 – сборник-дозатор для аскорбиновой кислоты; 10 – сборник-дозатор для дистиллированной воды; 11,12 – смесители; 13– сушилка; 14 – сборник-дозатор; 15 – упаковочная машина
В настоящее время разработан способ выделения на основе комплексной переработки биомассы микроскопического гриба Blakesleatrispora, позволяющий получать в едином технологическом цикле сразу несколько ценных целевых продуктов – β-каротин, убихиноны, эргостерин, фосфолипиды и полиненасыщенные жирные кислоты (рис 6.5). Технология включает следующие основные стадии. Экстракция биолипидного комплекса. Проводят при температуре 55°C в присутствии ацетона и этанола. Время экстракции ацетоном составляет 30 мин, этанолом – 65 мин. Выделение β-каротина. Проводят в присутствии ацетона при температуре 55°C в течение 18 ч. Выделение фосфолипидов. Проводят при массовом соотношении фосфолипиды: ацетон = 1: 5 при температуре t = 10°C в течение 20 мин. Омыление нейтральных липидов. Среда представляет собой смесь нейтральных липидов, ацетона, воды и КОН. Температура процесса 67°C, продолжительность 50 мин. Экстракция неомыляемой фракции. Проводят в присутствии гексана. 35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Промывка биомассы гриба Биошрот Ацетон
КОН, вода, ацетон
Гексан, вода
Экстракция биолипидного комплекса
Выделение β-каротина
β-каротин
Выделение фосфолипидов
Фосфолипиды
Омыление нейтральных липидов Экстракция неомыляемой фракции Получение жирных кислот
Жирные кислоты (сульфатная вода, ацетон)
Очистка неомыляемой фракции
Смолоподобные вещества
Н2SО4
Гексан, вода
Гексан
Ацетон, гексан Этанол
Кристаллизация эргостерина
Эргостерин
Колоночная хроматография
Выделение убихинонов
Убихиноны
Рис. 6.5. Получение биологически активных веществ из биомассы Blakesleatrispora
Получение эргостерина. Проводят при объемном сотношении неомыляемая фракция: гексан = 1:5 при температуре 20°C. Кристаллизация убихинонов. Проводят при температуре 20°C. На базе данной технологии разработаны добавки Липидовит, Кютенвит. Из 100 кг сухой биомассы гриба можно выделить следующие биологически активные вещества: β-каротин – 2,5 кг; фосфолипиды – 8,2 кг; жирные кислоты – 36,2 кг; убихиноны – 0,5 кг. 36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технология получения витамина В2 (рибофлавина) Витамин В2, строение которого представлено на рис. 6.6, является производным рибозы; при этом рибоза входит в состав молекул в виде многоатомного спирта рибита. Имеет большое распространение в природе и синтезируется грибами, дрожжами, растениями. У животных этот витамин не синтезируется, и они получают его в составе комбикормов. Недостаток витамина В2 резко нарушает процесс роста и протекание белкового обмена [5]. Данный витамин широко используют в составе различных медицинских препаратов и лекарств. Промышленное получение витамина В2 происходит путем химического синтеза. При этом осуществляется трансформация рибозы в витамин В2 . Чтобы обеспечить чистоту витамина В2, необходимо брать исходные компоненты для питательной среды и реагенты с определенной концентрацией. Например, можно применять глюкозную патоку, а для оптимизации среды – соевое масло (до 5%). Процесс могут стимулировать различные аминокислоты – например, глицин. Технологическая схема получения витамина В2 представлена на рис. 6.7. Ферментацию проводят при температуре 28–30°C, при этом необходимо обеспечить хорошую аэрацию. Расход воздуха (r) составляет 0,3 м3/мин. Исходный водородный показатель (рН среды) составляет 7,0; в ходе ферментации он снижается до 4,5–6,0. После утилизации углеродного субстрата начинает образовываться витамин В2 (идет накопление кристаллов рибофлавина). Уровень концентрации витамина В2 в культивируемой жидкости составляет 2,0–2,5 г/дм3 . Содержание сухих веществ в продукте находится на уровне 30–40%. Конечный продукт представляет собой порошок с содержанием витамина 10 мг/г и сырого протеина до 10% (рис. 6.7). В ряде стран витамин В2 получают генной инженерией на основе штамма бактерий рода Bacillus Subtiles. Грибок выращивают в глюкозной патоке при температуре 28–30°C в течение 80–84 ч, в присутствии добавок Са(ОН)2 – 0,5 % , NН4NО3 – 2,5% (рис. 6.8).
OH
OH OH
O H
N N
N
OH
N O
Рис. 6.6. Строение витамина В2
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Н2О, глюкозная патока, NН4NО3, СаСО3
Пар, Н2О Посевной материал, аэрирующий воздух
Приготовление питательной среды Стерилизация и охлаждение Ферментация; t = 28–30°C, τ = 84 ч, рН = 4,5–6,0 Фильтрация
Пар
Выпаривание до с.о. 30–40%
Воздух
Сушка; t = 280°C, ω=10%
Экстрагент Активированный уголь
Мицелий Конденсат Воздух на очистку
воздух
Экстракция, центрифугирование Очистка на угольной колонке Кристаллизация, отделение кристаллов
Теплота
Воздух на очистку
Отработанный уголь
Маточный раствор
Окончательная сушка
Витамин В2 Рис. 6.7. Технологическая схема получения витамина В2 Глюкозная патока, NН4NО3, Са(ОН)2
Приготовление питательной среды Пар
Пар
Стерилизация Ферментация; t = 28°C, 3 3 r = 0,5 м /м ·мин, рН = 7,0
Конденсат
Нагревание мицелия; t =120°C, τ = 1 ч
Витамин В2 Рис. 6.8. Получение витамина В2 на основе штамма бактерий Bacillus Subtiles
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технология получения витамина В12 Строение витамина В12 представлено на рис. 6.9. В12 является наиболее сложным химическим соединением среди витаминов. При замене цианогруппы на группу ОН– в молекуле цианокобаламина образуется оксикобаламин, который является истинным витамином В12. При недостатке витамина В12 наступает слабость, падает аппетит, развивается злокачественное малокровие, нарушается деятельность нервной системы. Данный витамин содержится в продуктах животного происхождения; им богаты печень, почки, рыба. Витамин В12 применяется для лечения анемий, нормализации функции кроветворения, в разделе неврологии. Следует помнить, что витамин В12 разрушается при длительном действии световых лучей, в кислой, щелочной среде [5]. Его получают путем микробиологического синтеза из Propionobacterium, а также Pseudomonas и смешанных структурных бактерий. Основной метод включает использование Propionobacterium. Процесс ведут в реакторе объемом 1 м3 при коэффициенте заполнения 0,65–0,7. Технология получения В12 включает две стадии: 1) перемешивание в реакторе в течение 80–88 ч в анаэробных условиях до полной утилизации сахара, после чего полученную массу центрифугируют; 2) процесс обработки суспензии во втором аппарате, уже при доступе воздуха; расход воздуха составляет 2м3/ч (рис. 6.10). Для питательной среды используют глюкозу, до 10% солей железа, марганца, магния и кобальта (концентрация соли колеблется от 10 до 100 мг/л), сульфат аммония. NH2 H
O
O
H 2N H
H 2N
O
NH2
H
H
O
H
N N C N Co N N
O
NH2
NH2
O
N NH O
O P O
N O
HO O
HO
Рис. 6.9. Строение витамина В12
39
O
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Глюкоза, NН4SО4,
соли металлов
Посевной материал; аэрированный воздух Экстрагент
Активированный уголь, оксид алюминия
Приготовление питательной среды I стадия ферментации; t = 30°C, τ =10–30мин, рН = 6,5–7,0 Центрифугирование II стадия ферментации; τ = 88 ч, 3 t = 30°C, рН =6,5–7,0, r =2 м /ч Экстракция из клеток; t = 80–120°C, τ =10–30 мин
Обработка цианидом Сорбция
Воздух на очистку
Осадок
Отработанный активированный уголь
Обработка водным раствором спирта/хлороформом Конденсат
Выпаривание растворителя Кристаллический В12 Рис. 6.10. Технологическая схема получения витамина В12
Выход кристаллического витамина В12 составляет 40 мг/л. Разработана также технология получения В12 из термических бацилл Bacillus Circulans в течение 18 ч при температуре 65–75°C в нейтральных условиях. Выход витамина составляет 2–6 мг/л. Технология получения витамина С (L-аскорбиновая кислота) Витамин С, необходимый для нормальной жизнедеятельности человека, впервые выделен из лимона. Он участвует во многих видах окислительновосстановительных процессов, положительно действует на нервную систему; выступает как мощный противоцинготный препарат. При нехватке витамина С наблюдается сонливость, утомляемость, снижается сопротивляемость организма болезням. Основные источники – свежий шиповник, капуста, крыжовник, овощи, фрукты. Его строение представлено на рис. 6.11 [5]. 40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
OH
HO O
OH
O
OH
Рис. 6.11. Строение витамина С
Витамин С синтезируют следующими способами: – экстракция из растений; – химический синтез; – ферментативный синтез; – смешанный ферментативно-химический синтез. В промышленных масштабах витамин С получают двумя способами: 1) метод Рейхштейна; 2) двухстадийный ферментативный синтез. Метод Рейхштейна впервые использован в 1933 г. и до сих пор применяется компаниями «BASF», «Roshe», «Takeda». Его сущность заключается в двухстадийном превращении L-сорбозы в диацетонкетогулоновую кислоту. Процесс получения аскорбиновой кислоты представлен на рис. 6.12. α-D-глюкоза + H2
D-сорбит Биотрансформация L-сорбоза + (CH3)CO; H2SO4
Диацетонсорбоза + [O]; OH–
Диацетонкетогулоновая кислота Техническая L-аскорбиновая кислота Очищенная L-аскорбиновая кислота
Рис. 6.12. Схема процесса получения аскорбиновой кислоты
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
α-D-глюкоза +Н2
D-сорбит Биотрансформация α-сорбоза Биотрансформация Диацетонкетогулоновая кислота Техническая L-аскорбиновая кислота Очищенная L-аскорбиновая кислота
a
б Рис. 6.13. Схема ферментативного способа (а) и химизм получения L-аскорбиновой кислоты (б)
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Технология включает 5 стадий: 1) получение D-сорбита из D-глюкозы методом каталитического восстановления глюкозы водородом при давлении 8–10 МПа и температуре 135– 140°C; 2) получение α-сорбозы из D-сорбита путем биохимического глубинного окисления; 3) получение диацетонсорбозы из сорбозы путем обработки сорбозы ацетоном в присутствии серной кислоты; 4) окисление диацетонсорбозы в диацетонкетогулоновую кислоту с помощью КМnО4 или других сильных окислителей; 5) образование аскорбиновой кислоты в среде органического растворителя (хлороформа или дихлорэтана) в присутствии соляной кислоты, после чего техническую аскорбиновую кислоту перекристаллизовывают в чистый продукт. Ферментативный синтез. Ферментативный двухстадийный синтез используется компаниями «BASF», «Merck», а также китайскими производителями. Структурная схема процесса представлена на рис. 6.13, а, а химизм – на рис. 6.13, б. Известен способ получения аскорбиновой кислоты с помощью микроорганизмов. Питательной средой выступают глюкоза и дрожжи (≈ 200 мг/г биомассы) либо грибы рода Fusarium или рода Aspergillus и бактерии Streptococсus thermopiles. Витамин С выпускают в различных формах – в виде порошков, гранул, аскорбатов натрия и кальция (рис. 6.13, а) [6]. Получение витамина группы D Под этим термином понимают несколько соединений, относящихся к стеринам; наиболее активными из них являются эргокальциферол (D2) (рис. 6.14) и холкальциферол (D3) [5]. Витамин D регулирует содержание кальция и неорганического фосфора в крови, участвует в минерализации костей. Его хронический дефицит приводит к развитию рахита у детей и разрежению костей у взрослых (остеопороз). Кальциферолы содержатся в продуктах животного происхождения – рыбьем жире, печени трески, яйцах. При избытке витамина D у детей и взрослых (гипервитаминоз) развивается интоксикация. Витамин D не разрушается при кулинарной обработке, очень чувствителен к свету, действию кислорода. Витамин D2 получают по технологической схеме, сходной с представленной на рис. 6.5.
HO
Рис. 6.14. Строение витамина D2
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Способ получения витамина Е Строение витамина Е представлено на рис. 6.15. Витамин Е (α-токоферол) в чистом виде был впервые выделен в 1936 г. из зародышей пшеницы. Одним из способов получения является экстракция из массы ростков и зерна. Токоферолы регулируют интенсивность свободнорадикальных реакций, протекающих в живых организмах, предотвращают окисление ненасыщенных жирных кислот в липидах мембран, влияют на биосинтез ферментов. При недостатке этого витамина нарушаются функции размножения живых организмов, поражаются кровеносные сосуды. Токоферолы присутствуют в растительных маслах (соевом, хлопковом, подсолнечном), а также в крупах и хлебе [5]. Основные функции витамина Е в организме человека: – действует как антиоксидант; – участвует в биосинтезе гема; – препятствует тромбообразованию; – участвует в синтезе гормонов; – поддерживает иммунитет; – обладает антиканцерогенным действием. Способ получения витамина Е включает взаимодействие 2,3,5-триметилгидрохинона с изофитолом в присутствии галогенида цинка, который является донором протонов, а также в присутствии аминосоединений при повышенной температуре с последующей этерификацией при использовании ацетангидрида (с возвратом катализатора конденсации). В производстве витамина Е галогениды (бромиды и хлориды цинка) используют совместно с кислотами Льюиса. Альтернативной технологией получения витамина Е является экстракция из отходов лесной промышленности (ели, сосны, пихты и др.) в присутствии бензола при повышенной температуре.
R' HO "R
O R"'
R` R`` R``` α…………..СН3….СН3….СН3 β…………..СН3……Н…..СН3 γ…………….Н…...СН3....СН3 σ……………Н……..Н…..СН3 Токол…… ...Н……..Н…….Н Рис. 6.15. Строение токоферолов
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Краткие сведения о витамине К Витамин К открыт в 1929 г. как антигеморрагический фактор, необходимый для нормализации или ускорения свертывания крови. По химической природе витамин К является хиноном с боковой изопреноидной цепью. Существует два ряда витаминов группы К – филлохиноны (К1-ряд, рис. 6.16, а) и менахиноны (К2-ряд, рис. 6.16, б). Филлохиноны и их производные содержатся в зеленых частях растений и поступают в организм с пищей; менахиноны образуются как результат деятельности микрофлоры кишечника или при метаболизме нафтохинонов в тканях организма. При недостатке витамина К наблюдается повышение кровоточивости, особенно при порезах. Основные источники поступления витамина К – укроп, шпинат и капуста [5]. Витамин К3 – препарат «Викасол» используется для предотвращения внутренних кровотечений. O
O
a O
O
б Рис. 6.16. Строение витаминов К1 (а) и К2 (б)
7. Технология получения ферментных препаратов Ферментные препараты – концентраты ферментов, полученные с помощью микроорганизмов и содержащие в своем составе, наряду с ферментом, балластные вещества. Основными промышленными микроорганизмами для производства ферментных препаратов являются: – грибы рода Aspergillus, Rhizopas, Penicillium; – бактерии рода Bacillus и актиномицеты. Для нужд производственных процессов вырабатывают ферментные препараты: – амилоризин ШОХ; – амилосубтилин Г10Х. Состав амилоризина ШОХ – комплекс препаратов с превалирующим действием α-амилазы и сопутствующих протеолитических ферментов. Оптимальные условия действия таких ферментов: рН = 4,7–5,4; температура 40–45°C. 45
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Амилосубтилин Г10Х – α-амилаза, Р-глюконаза, протеаза. Оптимальные условия действия: рН = 6,0–6,3, температура 50–55°C. Особенности технологии Применяют два способа выращивания продуцентов ферментов: 1) поверхностный – предусматривает выращивание микроорганизмов на поверхности твердых, жидких, полужидких или сыпучих материалов в условиях максимального контакта микроорганизма с кислородом воздуха; 2) глубинный – предусматривает выращивание микроорганизма в жидких средах в условиях недостаточного контакта клеток с кислородом. При поверхностном способе культивирования оптимальная температура для развития грибов составляет 28–30°C, а относительная влажность воздуха – 60–70%. Наиболее перспективным способом является глубинный способ культивирования. Производство ферментных препаратов глубинным способом на жидких питательных средах можно разделить на стадии: – приготовление, стерилизация и охлаждение питательной среды; – приготовление посевного материала и выращивание производственной культуры; – отделение и сушка биомассы; – фасовка отходов и отделение фильтрата; – концентрирование и сушка концентрата; – осаждение, сушка и стандартизация препарата; – фасовка препарата. Структурная схема получения ферментных препаратов представлена на рис. 7.1, а машинно-аппаратурная схема – на рис. 7.2 [7]. Для получения питательной среды используют свекловичный жом, который через циклон-разгрузитель 1 направляют на весы 3 и далее в экстрактор свекловичного жома 4. Полученный экстракт насосом перекачивают в стекатель 5, шнек-пресс для отжима 6, после чего он через приемник 7 подается в смеситель 20, куда подводят соли и остальные компоненты с таким расчетом, чтобы при соедине-нии растворов была достигнута концентрация, заданная регламентом. Солодовые ростки из бункера 8 взвешивают на весах 10 и винтовым подъем-ником 9 направляют в экстрактор 11 и затем в ленточный вакуум-фильтр 12, откуда промывные воды отводят в ресивер 13, а осадок спускают в бункер 14. Над вакуум-фильтром 12 размещены барометрический конденсатор 16 и ловушка 17, а ниже установлен барометрический ящик 18. Полученный экстракт солодовых ростков из ресивера для фильтрата 15 насосом через приемник 19 закачивают в смеситель 20. Приготовленные смеси поступают в приемник питательной среды 21, аппарат для получения посевного материала 22 и затем в стерилизатор 23 и выдерживатель 24, где поддерживают температуру питательной среды при 130°C, после чего направляют на охлаждение в теплообменники 25 и 26, откуда охлажденная среда поступает в аппарат для ферментации 33, заполняя его на 70–75%. 46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приготовление питательной среды Стерилизация питательной среды Охлаждение питательной среды Приготовление посевного материала Выращивание производственной культуры Отделение биомассы Сушка биомассы Фасовка отходов Отделение фильтрата Концентрирование и сушка концентрата Осаждение препарата Сушка препарата Стандартизация препарата Фасовка препарата
Рис. 7.1. Структурная схема производства ферментных препаратов (глубинный способ)
До начала ферментации в среду вводят посевной материал; посев осуществляют в аппарате 22, откуда его направляют в аппарат 33 с форсунками 32. Здесь же установлены фильтры 27, 28, 29 для очистки воздуха. Забираемый из атмосферы воздух очищается от грубой взвеси, сжимается и охлаждается. 47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7.2. Схема линии производства ферментных препаратов на жидких питательных средах глубинным способом: 1– циклон-разгрузитель; 2 – циклон очистки воздуха; 3, 10, 63 – весы; 4, 11 – экстракторы; 5 – стекатель; 6 – шнек-пресс; 7, 19, 21 – приемники; 8, 14, 37, 48, 59, 61, 62 – бункера; 9 – подъемник; 12 – вакуум-фильтр; 13, 15 – ресиверы; 16 – барометрический конденсатор; 17 – ловушка; 18, 51 – ящики; 20, 64 – смесители; 22 – аппарат для приготовления посевного материала; 23 – стерилизатор; 24 – выдерживатель; 25, 26, 34, 54 – теплообменники; 27, 28, 29 – фильтры для очистки воздуха; 30 – стерилизатор пеногасителя; 31, 53 – мерники; 32 – форсунки; 33 – аппарат для ферментации; 35, 38, 40, 43, 44 – сборники; 36 – фильтр-пресс; 39, 50, 55 – сепараторы; 41 – конденсатор; 42 – вакуум-выпарной аппарат; 45 – сушилка; 46 – циклон; 47 – рукавный фильтр; 49 – шнековый транспортер; 52 – установка непрерывного осаждения; 56 – аппарат для отсушки осадка; 57 – центрифуга; 58 – вакуум-сушилка; 60 – измельчители; 65, 66 – фасовочные машины
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Длительность культивирования зависит от продуцента и условий введения питательных веществ. Готовую культуральную жидкость, биомассу продуцентов, твердую взвесь среды и всю сумму веществ насосом пропускают через теплообменник 34 для охлаждения и далее направляют в сборник 35. По окончании ферментации отделение биомассы от культуральной жидкости производят в фильтр-прессе 36, откуда биомассу через бункер 37 направляют на сушку и фасовку, а отделенную культуральную жидкость направляют на сепараторы 39, 50, 55. После сепарации концентрат поступает в теплообменник для охлаждения 54. Перед выпариванием культуральную жидкость подогревают до температуры 95–100°C, затем уже направляют в вакуум-выпарной аппарат 42. После выпаривания культуральная жидкость с содержанием сухих веществ 40% представляет собой жидкий концентрат, который перекачивают в сборник 44. Концентрированная культуральная жидкость может быть высушена в распылительной сушилке 45 и через циклон 46 и рукавный фильтр 47 направляется в бункер 48. Далее шнековым транспортером 49 ферментный препарат подают на установку непрерывного осаждения этанолом 52, куда из мерника 53 подается спирт. Осажденный препарат поступает в аппарат для отсушки ферментного осадка 56, откуда после обработки на центрифуге 57 его направляют на барабанную вакуум-сушилку 58. Высушенный препарат собирают в бункере 59, добавляют из бункеров 61 и 62 наполнители, измельченные на аппаратах 60, взвешивают эти компоненты на весах 63 и направляют в смеситель 64. Фасовку ферментного препарата проводят в машинах 65 и 66 – порциями по 17 кг или 0,5 кг, после чего направляют на склад готовой продукции. 8. Получение биологически активных веществ на базе ферментов и соединений углеводов Перспективные разработки в этой области связаны с использованием ферментов в сочетании с крахмалсодержащим сырьем. Известно, что путем гидролиза крахмалсодержащего сырья удается получать ценные виды биологически активных соединений из углеводов. Их потребительские свойства во многом определяются условиями проведения гидролиза. Гидролиз наиболее благоприятно протекает с использованием ферментов (ферментативный путь). Отличие данного способа от обработки щелочью заключается в том, что щелочь придает конечному продукту ряд неприемлемых потребительских свойств и повышает энергетические затраты на обработку. Ферменты играют роль катализаторов процесса разложения исходного сырья. Технология включает две стадии: 1) разрыхление сырья; 2) осахаривание. Таким образом получен ряд новых биологически активных веществ, которые в виде сиропов, включающих глюкозу и фруктозу, могут применяться для лечения и профилактики болезней живых организмов, имеющих различные патологии. Исходным сырьем для получения таких сиропов является глюкоза. Технология включает следующие операции: 49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
– приготовление раствора глюкозы; – очистка раствора фильтрацией путем последовательного пропускания через природный алюмосиликат кизельгур, активированный уголь и ионообменные смолы; – упаривание концентрата; – изомеризация концентрата с применением ферментов. В качестве ферментативной основы применяют компоненты типа ГлИ (глюкозоизомераза). Аппаратурно-технологическая схема получения сиропов из глюкозы [6] представлена на рис. 8.1. Основу ГлИ составляют штаммы микроорганизмов типа Streptomyces albogriseolus. Из этого штамма при рН = 8 получают иммобилизованную ферментную систему. Изомеризацию глюкозы ведут в колонных реакторах. Степень конверсии (превращения) глюкозы зависит от скорости пропускания раствора через реактор, рН среды, температуры процесса, а также от концентрации солей магния и кольбата, которые обеспечивают необходимую степень превращения.
Рис. 8.1. Аппаратурно-технологическая схема получения биологически активных сиропов из глюкозы: 1 – аппараты-реакторы для приготовления субстрата; 2 – теплообменники; 3 – биореакторы с иммобилизованной глюкозоизомеразой (ГлИ); 4 – реактор для раствора с системой регулирования рН; 5 – угольная колонна для деколоризации раствора; 6, 8, 11 – сборники раствора (8 – установки с мешалкой); 7 – фильтр; 9 – ионообменные колонки; 10 – вакуум-выпарная установка
50
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Изомеризацию целесообразно проводить при температуре 60°C, так как при более низкой температуре повышается возможность инфицирования конечного продукта, а при росте температуры выше 60°C усиливаются процессы разложения сахаров, что приводит к увеличению концентрации темноокрашенных продуктов распада этих сахаров. Пропущенная через теплообменник 2 солевая смесь раствора глюкозы, поступает из аппарата 1 с помощью насосов в биореакторы 3, где ее пропускают через слой иммобилизованной глюкозоизомеразы. Из реактора 4 вытекает смесь фруктозы и глюкозы при рН = 7,8. Затем эту смесь с целью деколоризации (обесцвечивания) пропускают через слои угля в колонне 5 и фильтруют от частичек угля на фильтре 7. После прохождения фильтра 7 систему вновь нагревают до температуры 60°C и с помощью насоса подают в ионообменные колонки 9, где происходит освобождение раствора от примесей, в частности от катионов металлов. Затем система поступает в вакуум-выпарной аппарат 10, где ее упаривают до содержания сухих веществ 70±1%. Этот обезвоженный остаток содержит 50 мас.% глюкозы и 42 мас.% фруктозы. Примечания 1. При повышенном содержании фруктозы в сиропе (не менее 50%) удается приостановить протекание процесса кристаллизации глюкозы при хранении. 2. Использование сиропа целесообразно при организации лечебного питания не только в составе соков и безалкагольных напитков (кваса), но также в составе ликероводочных изделий или в качестве добавки к молочным консервам и мороженому. 3. Оптимизация технологического маршрута позволяет снизить расход ферментов в 6,5–10 раз. Трудозатраты процесса при использовании иммобилизованных ферментов снижаются в 2,5–3 раза. Технология получения сиропа из инулинсодержащего сырья Технологическая схема во многом аналогична таковой, представленной на рис.8.1. Лучшим инулинсодержащим сырьем являются корни топинамбура (18–20% от массы смеси) и порошок высушенного топинамбура (75–80% от массы смеси). Процесс получения сиропа сводится к следующему. 1) проводят экстракцию инулина из корней топинамбура водой, подкисленной до рН = 5,5. Соотношение сырья к воде составляет 1:1 ÷ 1,5:1; температура процесса 70–75°C, продолжительность экстракции 30 мин; 2) по истечении 30 мин в полученный экстракт подают сернистый газ в виде 0,1% раствора (с целью предотвращения потемнения); 3) после добавления сернистого газа подкисляют экстракт до значений рН, близких к изоэлектрической точке белка (рI = 4,5); 4) проводят центрифугирование с целью удаления осадка (высокоскоростная центрифуга; частота вращения n = 10000–20000 мин-1); 51
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5) полученный раствор с содержанием инулина 10–12% пропускают через систему фильтров в угольной колонне; 6) пропускают обесцвеченный раствор через систему иммобилизованного фермента (на дрожжевой основе) при условиях: рН = 4,5; температура 50°C; объемная скорость пропускания 0,4 ч–1; 7) пропускают раствор через ионообменные колонки и затем вновь – через колонну с активированным углем; 8) обрабатывают сироп в вакуум-выпарном аппарате до получения продукта с содержанием сухих веществ 71%. Содержание фруктозы в готовом сиропе составляет 75%. Технология получения овощных ферментированных напитков Целью приготовления таких напитков является возможность снижения желудочно-кишечных заболеваний при их употреблении. Напитки из соков овощей имеют антибактерицидные свойства, поскольку дополнительно содержат бифидо- и лактобактерии, ингибирующие развитие условно-патогенной микрофлоры в кишечнике. Они включают также добавки сахарных сиропов. С целью предотвращения расслоения ферментированных соков на отдельные фракции систему необходимо стабилизировать 7–10% раствором крахмала, взятым в количестве 20% от массы смеси. Содержание компонентов в таких овощных ферментированных напитках указано в табл. 8.1; стадии технологического процесса их получения представлены на рис. 8.2 [4]. Таблица 8.1 Рецептура ферментированных соков с добавками биологически активных сиропов Компонент
Содержание в напитке, мас.% морковь
свекла
+ красная смородина
+ черная смородина
Ферментированный сок
54
57
Раствор крахмала (71%)
20
20
Сахарный сироп (10%)
6
3
Смородина (красная либо черная)
20
20
52
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Плоды
Ягоды
Промывка плодов овощей (фруктов)
Вода
Мойка ягод
Пар Инспекция Бланширование Очистка и резка Получение сока-пюре Вода Разведение водой Гомогенизация Пар Стерилизация горячим паром Ферментация (фермент Bifidobacterium bifidum, Lactobacillus acidophilus); t = 37°C; τ = 10 ч, СЗАКВАСКИ = 5 %
Инспекция (отбор ягод)
Измельчение ягод
Прессование Закваска (бифидобактериальнолактобацильная смесь, 1:1) Получение сока Стабилизация раствором крахмала; СДОБ = 20% Пар 7–10% раствор крахмала Введение сахарного сиропа; Сдоб = 10%
Стерилизация горячим паром
10% сахарный сироп Купажирование смородиновым соком
Готовый продукт
Рис. 8.2. Структурно-технологическая схема получения овощных ферментированных напитков
53
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Примечание. Неосветленные красно- и черносмородиновые соки в ходе купажирования повышают органолептические свойства напитков и их питательную ценность. Аналогичная структурно-технологическая схема применяется и при получении фруктовых соков. Однако следует отметить, что при исключении стадии пастеризации из технологического цикла сроки хранения напитков снижаются (для овощных они ниже – не более 3 сут при температуре 7–9°C). 9. Технологии получения хитина и хитозана Хитин и хитозан являются природными полисахаридами. Хитин представляет собой поли-К-ацетил-Б-глюкозоамин, по химическому строению сходный с целлюлозой, занимая после нее 2 место по распространенности в природе. Хитозан (поли-Д-глюкозамин) является производным хитина; в живых организмах он не встречается, за исключением некоторых мицелиев. Его получают в процессе деацетилирования хитина. Хитин встречается в наружных покровах членистоногих (ракообразных, насекомых), скелете морского зоопланктона, клеточных стенках грибов и дрожжей; он присутствует в стенках цисты инфузории, клетках зеленых водорослей. В 2000-х гг. российскими учеными разработана технология выделения хитина и хитозана из полипа O. longissima – организма морского происхождения. При этом используют метод последовательной экстракции сопутствующих веществ из белкового сырья (процесс депрoтеинизации). Депротеинизацию осуществляют в 4%-м растворе гидроксида натрия при соотношении сырья к щелочи, равном 1:4; температура процесса составляет 95–97ºС, продолжительность 60 мин. Затем проводят деминерализацию раствором соляной кислоты при комнатной температуре в течение 30 мин; соотношение сырья к кислоте составляет 1:4. При этом стадии депротеинизации и деминерализации чередуют дважды. Технологическая схема процесса представлена на рис. 9.1.
NaOH (4% р-р) O. longissima
НСl
Экстракция белковых веществ (депротеинизация); t = 95–97ºC, τ = 60 мин
Деминерализация; t =20–22°C, τ = 30 мин
Чистые белки
Минеральные вещества
Хитин Рис. 9.1. Схема получения хитина и хитозана из полипа O. longissima
54
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Выделенный хитин представляет собой мелкие волокна белого, светлокремового или светло-бежевого цвета. Поскольку хитин не плавится и растворяется в ограниченном наборе агрессивных растворителей, получение из него пленок, волокон и других форм затруднительно. Более удобным для использования в различных областях (медицине, косметике, пищевой, текстильной, бумажной промышленностях) является хитозан. Он легко растворяется в разбавленных органических и одноосновных минеральных кислотах. Хитозан получают по технологической схеме, сходной с представленной на рис. 9.1. Отличие заключается в том, что обработку хитина 50% раствором NaOH проводят при температуре 80–120ºС в течение 10–60 мин. Уже при температуре 80ºС в течение 10 мин достигается степень дезацетилирования (СД) 70 %, достаточная для растворения продукта в 2% уксусной кислоте. Повышение температуры реакции и увеличение продолжительности щелочной обработки хитина приводят к росту СД при одновременном снижении молекулярной массы хитозана и выхода конечного продукта. Снижение молекулярной массы вызвано гидролитической и окислительной деструкцией макромолекул в присутствии кислорода воздуха; уменьшение выхода продукта является следствием естественной убыли массы за счет отщепления ацетильной группы, а также деструкции вплоть до растворимых в воде олигомеров, которые удаляются из продукта при его очистке. Варьирование режимов получения хитозана позволяет получить продукт с определенной СД в интервале 70,0–87,8 %. Оптимальные условия, отвечающие повышенной экономичности и упрощению технологии, достигаются при температуре 80ºС и обработке щелочью в течение 10 мин. Полученный хитозан имеет морфологию и цвет, подобные хитину. К недостаткам известных технологий хитинсодержащих материалов, основанных на процессах депротеинизации, деминерализации и обесцвечивания сырья с использованием щелочей, кислот, окислителей и ферментных препаратов, следует отнести значительную стоимость способов получения, связанную с многостадийностью, а также необходимость повторять стадии многократно с промывками до нейтральной реакции среды. Кроме того, использование указанных агрессивных сред приводит к ухудшению качества получаемого хитина и образованию канцерогенных продуктов. Таким образом, представленная технология нуждается в дополнительной проработке вопросов экологии. Нетрадиционный способ получения хитина и хитозана В середине 90-х годов ушедшего столетия предложен нетрадиционный (электрохимический) способ получения хитинсодержащих материалов. Его сущность заключается в обработке панцирьсодержащего сырья (в виде водносолевой суспензии) в электролизерах. При этом процессы депротеинизации, деминерализации и обесцвечивания протекают под действием электромагнитного поля и направленного потока ионов, образующихся в результате электролиза воды. 55
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Преимуществами данного метода являются экологическая безопасность, возможность проводить процессы депротеинизации, деминерализации и обесцвечивания в одну стадию при низких концентрациях щелочи и кислоты, а также без промежуточных промывок до нейтральной среды. При электрохимическом способе в качестве сырья используют пресноводное ракообразное (Gummarus pulex) в диспергированном мороженном и сухом виде. Технологическая схема представлена на рис. 9.2. Полученные материалы могут быть использованы в качестве сорбентов в процессах очистки промышленных стоков, питьевой воды, почв, а также представляют большой интерес для медицинской химии [4]. Панцирьсодержащее сырье
Диспергирование
Католит
Смешивание с раствором католита, выдерживание, термостатирование
лин
Фильтрование с отжимом
Панцирь (полуфабрикат)
Депротеинизация панциря в катодной камере электролизера с раствором электролита; рН ≥12, t = 300–500°C, τ = 30–40 мин
Основные белки (раствор) Панцирь (полуфабрикат)
Термостатирование, активирование и обезжиривание, обработка ПАВ в растворе католита; t = 60°C, τ = 45 мин Вода
Фильтрование и промывка водой; рН = 7
Хизинтэл
Деминерализация в анодной камере электролизера в растворе электролита; рН ≥ 2, τ = 12–17 мин
Вода
Фильтрование и промывка водой Хитинол
Рис. 9.2. Получение хитинсодержащих материалов электрохимическим методом
56
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Известно более 200 областей применения таких материалов, основные из которых указаны ниже. Медицина: – биологически активное вещество, способствующее восстановлению коллагеновой (соединительной) ткани хрящей и суставов при профилактике и предупреждении артрита, артрозов, полиомиелита, ряда заболеваний опорнодвигательного аппарата и сердечно-сосудистой системы; – средство для механической защиты ран и регенерации поврежденной ткани (заживление ран происходит в 3–4 раза быстрее); – средство лечения и устранения поражений и ожогов слизистой оболочки полости рта и зубов; – функциональный материал для создания мембран, обладающих адгезивными свойствами, а также пленок, наночастиц и наносистем для доставки витаминов, белков, пептидов и лекарственных средств (перорально, парентерально) и пролонгации их действия. – радиопротектор при острой лучевой болезни; – аналог гепарина, обладающий антикоагулянтной активностью и замедляющий свертывание крови, препятствующий возникновению тромбов. Пищевая промышленность: – эмульгатор, загуститель соусов, приправ, паштетов, паст; стабилизатор гомогенных и гетерогенных систем при производстве пудингов, муссов, желе; – осветление жидкости в производстве вин, пива, соков; – образование защитных пленок на поверхности плодов и овощей; – консервант, подавляющий условно-патогенную микрофлору и повышающий биологическую ценность продуктов питания и напитков; – биологически активная добавка для связывания жиров и избыточного холестерина. Парфюмерно-косметическая промышленность: – компонент косметических кремов (образование защитной пленки на коже, снижающей потерю воды; повышение эффективности УФ-фильтров); – средство по уходу за волосами (шампуни, бальзамы, лосьоны) – для улучшения расчесываемости и уменьшения статического заряда, предупреждения перхоти и обеспечения блеска волос; – гелеобразователь в жидком мыле, гелевых зубных пастах (0,5–1,5%), а также в лаках для ногтей с бактерицидными свойствами; – стабилизатор аромата духов. Сельское хозяйство: – облагораживание почв в композициях с природными или искусственными удобрениями; – связующий материал при изготовлении гранулированных форм удобрений; – средство, вызывающее системную и продолжительную болезнеустойчивость растений против различных заболеваний (бактериальных, грибковых, 57
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вирусных, нематод) при обработке семян до посева и обработке растений в фазу ветвления; – ростостимулирующее средство сельскохозяйственных растений. Экология: – очистка сточных вод от тяжелых металлов, радионуклидов, белков, углеводородов, пестицидов, красителей и бактериальных клеток. 10. Получение белковых веществ из некоторых видов нетрадиционного сырья В качестве нетрадиционного сырья для получения белковых веществ используют спирулину, фукус пузырчатый, амарант. Спирулина содержит ряд ценных для человека компонентов и входит в состав различных БАВ. Она улучшает обменные процессы, способствует насыщению организма редкими макро- и микроэлементами, а также полиненасыщенными жирными кислотами. Содержит ряд ценных пищевых волокон, которые в сочетании с белковыми компонентами способны регулировать уровень содержания сахара в крови; благоприятно воздействует на кожу, способствует восстановлению микрофлоры кишечника. Состав амаранта весьма специфичен: – проламины – до 1,5%; – альбумины 2–4%; – глобулины 6–8%. Усредненный аминокислотный состав амаранта приведен в табл. 10.1. Таблица 10.1 Аминокислотный состав белков амаранта Аминокислоты
Содержание аминокислот, мас.%
Изолейцин
3,2–4,5
Лейцин
4,8–5,2
Лизин
4,3–6,5
Цистеин + метионин
–
Фенилаланин + тирозин
4,5–6,6
Треонин
2,2–4,5
Триптофан
0,5–1,8
Валин
3,0–4,6 58
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Фукус пузырчатый содержит минеральные вещества, большое количество йода и полифенолы в усвояемой для организма форме. Он ускоряет обмен веществ, улучшает состояние лимфы крови и способствует выведению токсинов, препятствует всасыванию жиров, служит источником минералов и йода. Метод противоточной экстракции Данный метод является одним из наиболее эффективных в получении белковых веществ из нетрадиционного сырья. Технологические операции, согласно этому методу, указаны на рис. 10.1. Исходное сырье (40 г измельченной травы) замачивают в воде (массовое соотношение 1:1) при комнатной температуре 20°C в течение 1–2 ч, затем смесь фильтруют и сушат. Высушенную фитомассу направляют в кавитационный экстрактор и проводят процесс непрерывной противоточной экстракции водным раствором NаОН при рН=8,5–10,0 и температуре 35–40°C; продолжительность экстракции составляет 20–40 мин. Затем осуществляют фильтрацию и осаждение целевого продукта в присутствии уксусной кислоты при рН в области 3,9–4,5. После осаждения целевой продукт центрифугируют и сушат при комнатной температуре. Для увеличения выхода продукта проводят непрерывную противоточную экстракцию. Экстрагент
Высушенная фитомасса амаранта NаОН
Экстракция; рН=8,5–10,0, t = 43–45°C, τ = 20–40 мин Фильтрация
СН3СООН
Осаждение; рН = 3,9–4,5
Сбор в осадительную емкость
Выпаривание
Осаждение в центрифуге Распыление, сушка Сухой концентрат белка
Жидкий концентрат белка
Рис. 10.1. Технологические операции получения белковых веществ по методу противоточной экстракции
59
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разделение белков на фракции осуществляют следующим образом. Сырьем является сухая молотая травяная мука амаранта. Травяной жом после обработки NаОН (процесс экстракции альбуминов), отделения жидкой фазы и промывки направляют на стадию экстракции глобулинов. Технология экстракции аналогична вышеприведенной. Жом после экстракции глобулинов направляют на экстракцию глютелинов и проламинов. Максимальное количество глобулинов и глютелинов удается получить при введении в раствор фермента целловридина. Добавление соляной кислоты до рН = 3,8 при ферментативной экстракции альбуминов приводит к увеличению выхода фракции глютелинов на 35%. Максимальное извлечение белка достигается при последовательной его обработке раствором целловридина Г20Х и раствором соляной кислоты при рН = 3,8, а затем 0,1 М раствором гидроксида натрия. Особенности технологии: – применение установок кавитационного типа позволяет сократить в 10 раз продолжительность экстрагирования; – целесообразно применять ультрафильтрационные установки, включающие сменные мембранные блоки с различными размерами пор; – выполняется разделение твердой и жидкой фаз после осаждения белка центрифугированием. В результате получают продукт, который можно использовать в качестве кормовой добавки или как отдельное биологически активное вещество. Установлено, что экстракт обладает высокой биологической ценностью и усвояемостью (переваривается до 97%).
11. Получение энокрасителей из красных сортов винограда Пищевая ценность ягод винограда обусловлена их химическим составом (мас.%): вода 65–85; сахара 10–33; органические кислоты 0,5–1,4; белки 0,15–0,90; пектины 0,3–1,0; минеральные вещества 0,3–0,5; витамины А, С, B1, В2 – остальное. Также в них содержатся эфирные масла, дубильные и красящие вещества, технология выделения которых на примере красного красителя рассмотрена ниже [4]. Основу красящих веществ темных сортов винограда составляют антоцианы. Красный пигмент энин содержит глюкозу в гетероциклической цепи; при гидролизе глюкоза отщепляется, и энин переходит в энидин. При глубоком гидролизе энина интенсивность окраски снижается. Кроме того, в ягодах винограда содержится пигмент кверцетин С15Н10О7. Извлечение антоцианов из растительного сырья обычно осуществляют методом экстракции слабыми водными или водно-спиртовыми растворами минеральных или органических кислот.
60
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методы получения красителя Один из методов получения путем экстрагирования включает использование спирта, предварительно подкисленного винной кислотой. Экстракт концентрируют под вакуумом и полученный краситель вводят в вина для подкраски. Однако такой краситель имеет низкое качество вследствие неблагоприятного влияния семян винограда как источника дубильных веществ, продукты конденсации которых способствуют помутнению жидкости. Для получения экстракта красящих веществ из виноградных выжимок можно использовать 2% водный раствор лимонной или винной кислот или 50% водно-спиртовой раствор названных кислот. В этих случаях экстракцию проводят при температуре 35–45°С в течение 4 ч, затем вытяжку сливают и операцию повторяют. При экстрагировании водно-спиртовым раствором концентрацию спирта уменьшают до 30%, после чего производят прессование выжимок. Объединенный экстракт концентрируют под вакуумом до содержания сухих веществ 30–40%. Следует отметить, что использование дорогостоящих и дефицитных пищевых кислот и растворителя, которые частично теряются в процессе извлечения красящих веществ из выжимок винограда, делает эти способы малодоступными для широкого производства. Экстракты, приготовленные на водных растворах органических кислот, нестойки к действию микроорганизмов; хранить их можно до 15 сут, а затем – необходимо сульфитировать. Наиболее распространен способ Карпентьери, схема для которого представлена на рис. 11.1. 0,2% р-р SO2 или 0,4% р-р метабисульфита калия
Обработка виноградных выжимок
Настаивание; τ = 48–72 ч Слив вытяжки Прессование Экстракт Острый пар
Десульфитирование экстракта
Концентрирование экстракта в вакуум-аппаратах; t = 40–45°С
Готовый продукт
Рис. 11.1. Схема получения виноградного красителя по Карпентьери
61
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Массу настаивают в течение 48–72 ч. Затем сливают вытяжку и отпрессовывают осадок. Экстракт хранят в герметичной таре; перед концентрированием его десульфитируют острым паром. Виноградные выжимки обрабатывают равным количеством 0,2% раствора сернистого газа или 0,4% раствора метабисульфита калия; в последнем случае дополнительно добавляют винную кислоту. При высоком содержании красящих веществ в выжимках концентрацию экстрагента повышают в 1,5 раза Далее процесс ведут в вакуум-аппаратах при температуре 40–45°C до упаривания массы в 3–5 раз. Другим способом получения красного пищевого красителя является способ Леонова-Руднева; технологическая схема представлена на рис. 11.2. Свежие выжимки после прессования заливают 1% раствором НСl при соотношении 1:1 и настаивают в течение 12–20 ч при периодическом перемешивании.
1% раствор НСl (1:1) Выжимки
Обработка виноградных выжимок Настаивание при комнатной температуре; τ =12–20 ч
Нагревание и выстаивание; t = 65–70 °С, τ = 30–60 мин
Охлаждение и слив жидкой фракции
Экстракт
Жидкая фракция
Прессование остатка Фильтрование Упаривание экстракта; t = 60–65°С
Готовый продукт Рис. 11.2. Схема получения виноградного красителя способом Леонова-Руднева
62
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С целью ускорения процесса массу подогревают до 65–75°С и выдерживают 30–60 мин. По окончании экстрагирования массу охлаждают, жидкую фракцию сливают, осадок промывают водой и вторично отжимают на прессе; воду используют для приготовления новой порции раствора кислоты. Готовый первичный экстракт представляет собой жидкость красного цвета (плотностью 1010–1080 кг/м3), содержащую 3–5% сахара и 5–7 г красящих веществ/л. Он непригоден для окрашивания пищевых продуктов, так как количество красящих веществ в нем мало. Поэтому его концентрируют путем упаривания под вакуумом при температуре 60–65°С в аппаратуре из нержавеющей стали. В целях сокращения потерь красящих веществ в первичный экстракт перед концентрированием добавляют 1–2% пищевой глюкозы или 3–5% карамельной патоки, или 1,5% глюкозо-белкового концентрата. Добавление глюкозы облегчает достижение в красителе требуемого содержания сухих веществ (30%), однако стоимость изготовления такого продукта выше. Количество красящих веществ в экстракте зависит от сорта винограда и способа получения из него вина; в выжимках красных сортов концентрация красителей максимальна. Красители выпускают в виде паст и порошков. Так, изготовление порошкового красителя включает следующие операции: – экстрагирование из виноградных выжимок; – нейтрализация экстракта; – удаление жидкой фазы в распылительной сушилке. Содержание красящих веществ в таком красителе достигает 67,5%. Предложены способы получения сухого энокрасителя, основанные на осаждении антоцианов в виде комплексов с двухвалентными металлами. Солянокислый экстракт красящих веществ нейтрализуют до рН=7 едким натром или содой и затем обрабатывают хлористым кальцием. После 3–4 ч отстоя нерастворимый в воде осадок отделяют, сушат и измельчают. Рассмотрим иной способ получения энокрасителя, представленный на рис. 11.3. Выжимки экстрагируют 0,3–0,5% раствором соляной кислоты с добавлением 0,001% SO2 при 50°С, затем смесь подщелачивают едким натром. Полученный экстракт отделяют и обрабатывают гидроксидом бария при рН = 8,3. Выпавший в осадок комплекс разлагают на фильтре смесью концентрированной соляной кислоты и спирта. В фильтрат добавляют сульфат натрия для осаждения ионов бария и повторяют процесс разделения фаз. Антоциановый комплекс следует разлагать сразу же после осаждения, иначе будут велики потери красящих веществ, которые по истечении 24 ч проблематично извлечь из осадка. Описанный способ позволяет без подвода тепла повысить содержание красящих веществ в упаренном продукте до 2–5%. Отметим, что экстракт содержит значительное количество поваренной соли. Его хранят при температуре 0–2°С и рН = 1.
63
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
0,3–0,5% НСI; 0,80% раствор SО2
Обработка виноградных выжимок
Экстрагирование; t = 90°C
Отведение экстракта Ва (ОН)2
Смесь концентрированной НСI и спирта
Обработка экстракта; рН = 8,3 Отделение экстракта
Маточный раствор
Разложение осадка на фильтре Фильтрат
Nа2SО4
2+
Осаждение ионов Ва
Жидкая фракция Фильтрование Экстракт Упаривание
Готовый продукт
Рис. 11.3. Структурно-технологическая схема получения сухого энокрасителя методом осаждения
К недостаткам данного способа следует отнести высокую кислотность и малую устойчивость красителя при хранении в обычных условиях, что затрудняет его использование. Общими недостатками представленных способов получения красителей является сравнительно низкое содержание в красителях красящих веществ и наличие сопутствующих компонентов, что связано со сложным химическим составом растительного сырья. Так как концентрация антоцианов в сырье невелика, получение качественного красителя возможно лишь при условии предварительной очистки экстракта красящих веществ от примесей. Условия экстракции должны способствовать наименьшему переходу этих примесей в раствор. 64
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Разработана технология получения виноградного красителя в виде концентрата и порошка с высокой окрашивающей способностью (рис. 11.4). При этом извлечение красящих веществ происходит в противотоке методом вытеснения с применением раствора сернистого ангидрида. Соотношение сырья и раствора экстрагента составляет 1:1 (по массе). Получаемый экстракт меньше загрязнен балластными веществами (в основном – сахарами), чем солянокислый, и не подвержен микробиальной порче. Очищенный экстракт сгущают под вакуумом до содержания в нем сухих веществ не менее 40%. В результате очистки повышается концентрация пигментов, и конечный продукт имеет высокую окрашивающую способность. В ходе вакуум-сушки такой концентрат может быть превращен в порошок. Содержание красящих веществ в порошке составляет 325 г/л. Сухие вещества красителя на 75% представлены антоцианами. Концентрированный краситель испытан при окрашивании карамели, мармеладной массы и газированных напитков; расход красителя составляет 0,2–0,7 кг/т продукта. 0,2% р-р SO2 или 0,4% р-р метабисульфита калия
Обработка виноградных выжимок Настаивание; τ = 48–72 ч Прессование
Острый пар
Хлебопекарные дрожжи
Слив вытяжки
Экстракт
Десульфитирование экстракта
Сбраживание экстракта
Фильтрование Ионообменные смолы
Сгущение под вакуумом до содержания сухих веществ ≥ 40% Готовый продукт
Рис. 11.4. Технологическая схема получения виноградного красителя
65
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Поскольку в красителе, помимо красящих веществ, содержатся органические кислоты, наблюдается небольшое (на 0,2–0,8%) возрастание редуцирующих веществ в карамельной массе. Количество вносимой с красителем влаги исчисляется сотыми долями процента. Краситель хранят в герметичной стеклянной и полимерной таре при комнатной температуре в течение 18 мес. Требования к натуральным пищевым красителям Натуральные пищевые красители должны удовлетворять следующим требованиям: 1. Безвредность. Красители изготовляют из растительного сырья, разрешенного органами здравоохранения. В составе большинства продуктов присутствуют ценные биологически активные компоненты – витамины, аминокислоты, углеводы, ароматические вещества, минеральные соли и др. 2. Термоустойчивость. При нагревании до температуры 100–105°С основные свойства красителей не должны изменяться. Определяют кипячением их растворов в течение 30 мин. 3. Хорошая красящая способность. Пищевые изделия должны иметь интенсивные цвета соответствующих тонов. 4. Отсутствие посторонних вкуса и запаха. Энокрасители имеют слабо выраженный аромат виноградного вина. 5. Стойкий цвет. Не должен изменяться при хранении в течение гарантийного срока.
12. Факторы, способствующие повышению антиоксидантных свойств биологически активных веществ Важной характеристикой, отвечающей антиоксидантным свойствам биологически активных веществ, является перекисное число (п.ч.). П.ч. измеряют в процентах или миллимолях активного кислорода (О2) на единицу массы или объема (%; ммольО2/ кг жидкой фазы). На технологических маршрутах (например, при изготовлении продуктов детского и диетического питания) оптимальный показатель п.ч. должен находиться в диапазоне 2–10 ммоль О2/кг продукта. Превышение этого показателя указывает на протекание нежелательных окислительных процессов при хранении. В результате продукт накапливает продукты окисления, при поступлении которых в организм человека повышается риск возникновения онкологических заболеваний. Пограничным значением п.ч. является 30 ммоль О2/ кг. При получении БАВ производитель должен обеспечивать качество конечного продукта на выходе ниже указанного порога.
66
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Отдельные технологии оперируют понятием анизидинового числа (а.ч.) – показателя, определяющего наличие карбонильных соединений в смеси биологически активных соединений. Фиксатором накопления карбонильных соединений (соединений с активными карбонильными группами –С=О) может служить условный показатель, равный сумме удвоенного перекисного и анизидинового чисел: 2 п.ч. + а.ч. Данная сумма способствует получению информации о накоплении в продукте первичных или вторичных продуктов окисления. Фиксация этих чисел основана на определении вклада отдельных продуктов окисления в смеси и снижении стабильности при пропускании через эту смесь активного кислорода воздуха. Перед внедрением новых технологий получения БАВ целесообразно зафиксировать время (период τ), отвечающее гарантийному сроку хранения смеси и указывающее на устойчивость к окислению. Перед внедрением новой технологии следят за поведением смеси в соединении при τ ≥ 4 ч. В этом случае процесс окисления идет наиболее активно. График изменения п.ч. смесей БАВ, включающих жировую компоненту в отсутствие (кривая 1) и в присутствии (кривая 2) добавки экстракта, полученного из растительного сырья, представлен на рис. 12.1; для выделения биологически активных компонентов использовали этиловый спирт. Как видно из рис. 12.1, в присутствии спиртовой вытяжки из березовых листьев динамика возрастания п.ч. для БАВ значительно отличается от таковой, полученной для биологически активных смесей без введения антиокислительного агента (спустя 8 ч выдержки композиций это различие оценивается в 30–40%).
25
п.ч, ммоль ½ О2/кг
1
1
20 15
2
10
2
5 0
2
4
6
8
10
τ, ч Рис. 12.1. Изменение во времени (τ, ч) п.ч. для БАВ: 1 – в отсутствие добавки из растительного сырья; 2 – в присутствии экстракта из листьев березы
67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Кроме того, высокими антиокислительными свойствами обладают экстракты из плодов шиповника, плодов калины, гриба чаги. Кривые 1 и 2 показывают, что гарантийный срок хранения смеси БАВ при продувке их кислородом воздуха через барботер составляет не менее 8 ч; согласно кривой 2, п.ч. не превышает 15 ммоль О2 /кг. Кроме того, известно, что окислительные процессы идут в первые часы хранения (см. кривую 1). Таким образом, можно полагать,что в присутствии спиртового экстракта из березовых листьев или плодов калины уровень п.ч. не превысит отметки 30 ммоль О2/кг при длительном хранении (до нескольких месяцев). Следует отметить, что рекомендуемое время хранения биологически активных соединений до употребления, как правило, не превышает 2 мес. (для укупоренного продукта – 30 сут при температуре 20°C). В последние годы проводятся исследования по влиянию различных органических кислот (винной, аскорбиновой, гликолевой) на антиокислительные свойства биологически активных веществ. В этой связи изучается также действие свободных аминокислот – лизина, треонина, лейцина. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что все названные соединения являются ингибиторами процесса образования свободных радикалов, а также обеспечивают снижение содержания в них различных токсикантов. Стойкость окисления смесей из компонентов, обладающих выраженной биологической активностью, может быть определена: n
τх = (τ0 · 2,2 )/24, где τх – стойкость окисления при заданной температуре смеси, сут; τ0 – время окисления (в сутках), при котором достигается значение перекисного числа, равное 10 ммоль 1/2 О2/кг; n – коэффициент учета различичия температуры опыта (tОП,,°C) и температуры хранения (tхр,, °C); при этом n = (tОП – tхр)/10. Обычно время окисления 6 ч отвечает прогнозируемому сроку хранения при нормальных условиях (20°C) 2 мес. и выше. Например, в присутствии водного экстракта калины он равен 63–71 сут. Получение водно-спиртового экстракта из плодов и листьев любого вида растительного сырья включает процессы химической обработки этого сырья при фиксированной температуре до 100°C, фильтрацию и, в отдельных случаях, введение ферментированных препаратов. Ферментированные препараты в данном случае выполняют функции моделирующих агентов при разработке новых методик фиксации ускоренного окисления смесей компонентов с выраженной биологической активностью. В последнее время разработка технологий получения БАВ, устойчивых к окислению, сводится к подбору ферментов, близких по своим свойствам к фи68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
зико-химическим свойствам белковых веществ, которые естественным путем выполняют свои функции в организме человека. Так, активно ведутся исследования в области оценки сроков хранения и антиокислительных свойств соединений, которые включают жиры и токоферолы (α-, β-, γ-, σ-формы), опираясь на значение а.ч. = 2,5–3,0 ед. Если а.ч. превышает 3,0 ед., это указывает на то, что продукт может быстро окислиться. Известно, что а.ч. и п.ч. могут быть существенно снижены в ходе процессов нейтрализации жиров или их отбелки. С внесением в жировые смеси компонентов минерального характера обеспечивается нейтральный рН среды. В частности, отличные показатели по снижению степени окисленности получены на отбеливателе фирмы «Tonsil» (Германия). Отечественные же материалы, в целом, пока уступают импортным аналогам по этому показателю. Поэтому важной технологической задачей является подбор методов активации поверхности отечественных минеральных порошков (см. также п. 4, 5) с использованием для этой цели минеральных либо концентрированных органических, а также полифункционального комплекса кислот (винная, яблочная и т.д.), выделенных из растительного сырья.
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Любой информационный материал, касающийся получения биологически активных веществ, не может быть представлен в полноте и многообразии, охватывающем весь перечень известных к настоящему времени групп подобных соединений. Опрометчиво было бы полагать, что данное учебное пособие послужит глобальной цели представить широкий спектр технологий производства синтетических веществ, введение которых в пищевое сырье и готовые продукты является превентивной мерой сохранения здоровья нации и способствует, в частности, решению таких насущных проблем, как повышение средней продолжительности жизни в Российской Федерации. В представленных материалах акцент, в первую очередь, смещен в плоскость изучения и анализа вопросов, позволяющих обеспечить надлежащий уровень самоподготовки студентов при ознакомлении с одноименным лекционным курсом, пробудить интерес к данной дисциплине в рамках подготовки специалистов пищевого профиля и биотехнологов третьего тысячелетия. Хотелось бы думать, что эта задача не останется без ответа.
70
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Нечаев, А.П. Пищевые и биологически активные добавки, ароматизаторы и технологические вспомогательные средства: учеб. пособие/ А.П. Нечаев, А.А. Кочеткова. СПб.: ГИОРД, 2007. – 248 с. 2. Спиричев, В.Б. Обогащение пищевых продуктов витаминами и минеральными веществами/ В.Б. Спиричев, Л.Н. Шатнюк, В.М. Позняковский; под ред. В.Б. Спиричева. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2005. – 548 с. 3. Елисеева, Н.Е. Низкожирные майонезы и соусы с пищевыми волокнами и комплексом биологически активных соединений/ Н.Е. Елисеева// Масложир. пром-ть. – 2008. – № 4. – С. 40 – 44. 4. Разговоров, П.Б. Научные основы создания композиционных материалов на основе технических и природных силикатов: автореф. дис. …доктора техн. наук/ Разговоров П.Б. – Иваново: Иван. гос. хим-технол. ун-т, 2008. – 32 с. 5. Пищевая химия/ А.П. Нечаев [и др.]; под ред. А.П. Нечаева. – СПб.: ГИОРД, 2001. – 592 с. 6. Иванова, Л.А. Пищевая биотехнология. В 2 кн. Кн. 2. Переработка растительного сырья/ Л.А. Иванова, Л.И. Войно, И.С. Иванова; под ред. И.М. Грачевой – М.: КолосС, 2008. – 472 с. 7. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн./ С.Т. Антипов [и др.]; под. ред. В.А. Панфилова. – М.: Высш. шк., 2001. – 1527 с.
71
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
РАЗГОВОРОВ Павел Борисович
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Учебное пособие
Редактор О.А. Соловьева Подписано в печать 07.11.2010. Формат 60×84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 4,19. Уч.-изд. л. 4,64. Тираж 100 экз. Заказ ГОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ГОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7 72