ФЛЭШ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПЕКТИНА ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ.

Изобретение относится к области химии и может быть применено для производства жели -
рующего агента в пищевой промышленности и при

производстве продуктов профилактического и лечебного назначения.
Способ включает измельчение сырья, быстрое гидролизэкстрагирование твердой фазы и отделение жидкой фазы и выделение пектина из раствора гидролизата. Гидролиз-экстрагирование пектиновых полисахаридов проводят флэшэкстракцией в автоклаве под давлением при температуре 110-120оС в течение 3 - 10 минут. Полу-ченный раствор гидролизата очищают от микрогелей сепарированием. Очистку и концентрирование проводят на диаультрафильтрационной установке при комнатной температуре.

Изобретение относится к области химии и может быть применено для производства желирующего агента в пищевой промышленности и при производстве продуктов профилактического и лечебного назначения.
Известен способ производства пектина [1], предусматривающий смешивание пектинсодержащего сырья с водой, обработку смеси в роторнокавитационном экстракторе, разделение фаз и выделение пектина из жидкой фазы. Способ предусматривает обработку смеси в ступенчатом роторнокавитационном экстракторе при постоянных параметрах гидромодуля и индекса кавитации, в зависимости от которых изменяется выход пектиновых веществ и их концентрация в жидкой фазе. Авторами выявлено, что максимальный выход пектина из сырья, приблизительно соответствующий равновесной концентрации в жидкой и твердой фазах, достигается при гидромодуле от 1:7 до 1:11 для различных видов сырья. Однако это обуславливает низкую концентрацию пектина в жидкой фазе, сложность аппаратуры и высокие энергозатраты на его выделение любыми известными методами.
Наиболее близким к способу, описанному в изобретении, является ускоренный способ получения пектина, заключающийся в том, что смеcь пектинсодержащего растительного материала с кислым раствором в соотношении 1:25 (г/мл) подвергают гидролизу в закрытом сосуде под действием микроволнового излучения (частотой 2450 МГц и энергией 630 Вт) при температуре 80-125оС в течение 2-3 мин и последующим охлаждением, фильтрованием растительного сырья для отделения пектинового экстракта 70% изопропиловым спиртом (в соотношении 1:5) и дальнейшей 3-кратной промывкой 70% тем же спиртом и 3-кратным 100% спиртом, отжимом и высушиванием [2].
Недостатком этого способа является то, что под воздействием микроволнового (СВЧ) излучения могут деградировать компоненты клеточных стенок растений с образованием облученных и токсических веществ, что приводит к ухудшению качества пектиновых полисахаридов, а использование большого количества спирта отрицательно влияет на экологию производства и повышает стоимость продукта.
Целями изобретения являются замена микро-волновой энергии на более экологичную энергию, также позволяющую уменьшить время контакта с кислыми растворами в процессе гидролиза, снижение кислотности среды, увеличение выхода и включение в производство мембранных методов вместо спирта для улучшения качества и себестоимости конечного продукта.
Поставленные цели решаются включением в процесс гидролиз-экстракции растительного сырья флэш-экстракции (быстрой экстракции) под давлением пара, диаультрафильтрации на стадии очистки и концентрирование гидролизата. Гидролизэкстракцию проводят в слабокислом растворе (рН = 2.0 - 3.5), гидромодуле 1:20, температуре 110-120оС в течение довольно короткого времени - 3-10 минут. Полученный раствор гидролизата очищается от микрогелей сепарированием, а от других балластных веществ с помощью диа-ультрафильтрации (ДУФ) с последующим его концентрированием.
На фиг.1 показана технологическая схема, которая в общем виде позволяет проиллюстрировать предлагаемый в изобретении способ и пояснить простоту его осуществления. Как показано на фиг.1, раствор соли или кислоты (1) подается насосом (2) в флэш-экстрактор (3) и (4), где осу-ществляется освобождение пектиновых полисахаридов (далее - ПП), раствор пектинового гидролизата отделяется от остатка растительного сырья на установке грубой фильтрации (5), затем отделяется в сепараторе от микрогеля (6). Полученный экстракт подают в емкости (7), подключенные к мембранным аппаратам (8) в серии для ДУФ очистки в разбавленном растворе при рН от 3,0 до 6,0, из которых выделяют вещества с молекулярным весом 100 -500 тыс. Дальтон. Концентрированный таким образом пектиновый экстракт с концентрацией 1-5% сушат на распылительной сушилке (9).
Настоящее изобретение, кроме гибкости технологической линии, позволяющей перерабаты-вать любые виды пектинсодержащего растительного сырья, обладает еще и рядом преимуществ перед существующим уровнем техники по просто-те и экологичности производства.
Сущность изобретения состоит в том, что пектинсодержащее сырье, в качестве которого используют любые виды фруктовых выжимок и измельченные стебли и корзинки подсолнечника, подвергается гидролиз-экстракции разбавленным раствором кислоты при гидромодуле 1:20 при давлении 1.5-2.0 атмосферы и температуре 110-120оС в течение довольно короткого времени - 3-10 минут, затем полученный раствор гидролизата очищают от микрогелей и других балластных веществ, концентрируют на ДУФ установке при комнатной температуре. Таким образом, создается гибкий и безопасный технологический режим гидролиза по сравнению с прототипом, что позволяет наиболее полно извлечь пектин (гомо- и рамнога-лактуронановые участки ПП), очистить его от балластных примесей и получить концентрат, обладающий повышенными показателями. Основными показателями, определяющими качество пектина, являются содержание звеньев галактуроновой кислоты (ГК, %), степень их этерефикации метанолом (СЭ,%), средневесовая молекулярная масса (Mw) и их полидисперсность (n=Mw/Mn)
Изобретение осуществляется следующим об-разом: пектинсодержащее растительное сырье смешивают с кислым раствором (рН = 1.8 – 3.5) загружают в автоклав и устанавливают режим пара в парогенераторе до 3 атм. Соотношение твердой и жидкой фаз в автоклаве задают в пределах от 1:15 до 1:25 в зависимости от вида и степени набухания сырья. Затем открывают пар в автоклав и подвергают растительный материал гидролиз–экстракции при температуре 110-120°С. Проводят нейтрализацию жидкой фазы до рН = 3.5. Затем раствор центрифугируют или подвергают тонкой фильтрации, а ПП очищают от сопутствующих веществ с помощью ДУФ и концентрируют на тех же ультрафильтрационных мембранах, и сущат распылением при 45-60°С.
Настоящее изобретение обладает целым рядом преимуществ перед существующим уровнем техники. Сочетание процесса гидролиза под давлением пара за короткий промежуток времени и последующая очистка раствора гидролизата от микрогели центрифугированием, а от балластных веществ ДУФ на мембранных аппаратах, позволяет более эффективно отделить сопутствующие вещества и получить более чистый продукт. Одно-временное концентрирование пектина, без применения ваккуумвыпарных аппаратов, на тех же мембранных аппаратах позволяет сократить энергоемкую стадию выпаривания под вакуумом. Ни в одной из известных публикаций, посвященных данной области техники, не описано ни одно из предлагаемых в изобретении инновационных решений. В пектиновой промышленности все еще существует потребность в разработке упрощенно-го, экономичного, безопасного и более эффективного способа получения пектина.
Для проведения гидролиз - экстрагирования ПП из растительного сырья по данному способу предпочтительной является область значений рН-среды раствора от 1.8 до 3.5. Увеличение значений рН-среды более 2.0 приводит к снижению выхода и качества получаемого пектина. Использование растворов кислоты с рН ниже 1.8 нецелесообразно, так как это требует больших количеств кислоты и снижает качество целевого продукта. Наиболее предпочтительным является использование раствора кислоты с рН = 2.0. Оптимальная температура гидролиза подбирается в пределах температур 110-120 оС, а продолжительность гидролиза оптимизируют при 3 - 10 минутах в зависимости от вида растительного сырья и степени зрелости фруктов.
Таким образом, причинно-следственная связь между введенными новыми признаками и достиг-нутым положительным эффектом состоит в том, что при гидролиза-экстракции растительного материала в условиях в автоклавирования параметры
процесса подбираются в зависимости от вида сырья, степени зрелости и его состояния с последующим проведением процесса очистки и концентрирования пектинового гидролизата на мембранных установках, где достигается максимально высокое содержание ГК, Mw и галактуро-новой кислоты, коэффициента полидисперсности пектновых образцов и оптимальная СЭ.
Нижеследующие примеры иллюстрируют способ выделения пектиновых полисахаридов из двух сортов яблок и корзинки подсолнечника (КП) по данному способу.
Пример 1.
Предварительно вымытые водой свежие или сухие выжимки подвергают гидролиз–экстракции в режиме автоклавирования. Набухшие выжимки помещают в автоклав, заливают раствор соляной кислоты с рН = 2.0, в соотношении сырье : кислота 1 : 20 и проводят гидролиз - экстракцию при тем-пературе 1000С, давлении 1.5 атм. в течение 3 минут. Затем, отделяют экстракт, центрифугируют, очищают с помощью ДУФ, концентрируют, сушат распылением или осаждают одной частью 96% спирта.
Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 12,5%, микрогеля -8.9%. Содержание галактуроно-вой кислоты – 61.8%, значение степени этерифи-кации – 80,2%, молекулярная масса пектина -650 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности - 24.0.
Пример 2.
Все операции проводят так же, как в примере 1, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 5 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 13,2%, микрогеля -4.5%. Содержание галактуроновой кислоты – 68.2%, значение степени этерификации – 81,4%, молекулярная масса пектина -380 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -9.0.
Пример 3.
Все операции проводят так же, как в примере 1, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 7 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 12,5%, микрогеля -8.9%. Содержание галактуроновой кислоты – 61.8%, значение степени этерификации – 80,2%, молекулярная масса пектина -650 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -24.0.
Пример 4.
Все операции проводят так же, как в примере 1, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 10 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 15,6%, микрогеля -1.6%. Содержание галактуроновой кислоты – 59.7%, значение степени этери-фикации – 79,3%, молекулярная масса пектина -230 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -4.5.
втоклавирования. Набухшие выжимки помещают в автоклав, заливают раствор соляной кислоты с рН = 2.0, в соотношении сырье: кислота 1 : 20 и проводят гидролиз - экстракцию при тем-пературе 1200С, давлении 1.5 атм. в течение 3 минут. Затем, отделяют экстракт, центрифугируют, очищают с помощью ДУФ, концентрируют, сушат распылением или осаждают одной частью 96% спирта.
Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 13,3%, микрогеля -5.3%. Содержание галактуроновой кислоты – 63.4%, значение степени этерификации – 76,2%, молекулярная масса пектина -550 000 Дальтон и его коэффициент полидисперсности -28.0.
Пример 6.
Все операции проводят так же, как в примере 5, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 5 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 14,2%, микрогеля -3.4%. Содержание галактуроно-вой кислоты – 66.3%, значение степени этерифи-кации – 71,0%, молекулярная масса пектина -310 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -12.0.
Пример 7.
Все операции проводят так же, как в примере 5, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 7 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 15,6%, микрогеля -1.5%. Содержание галактуроно-вой кислоты – 68.8%, значение степени этерифи-кации – 68,0%, молекулярная масса пектина -170 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -8.0.
Пример 8.
Все операции проводят так же, как в примере 5, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 10 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 18,4%, микрогеля -1.3%. Содержание галактуроновой кислоты – 62.6%, значение степени этерификации – 65,7%, молекулярная масса пектина -135 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -3.6.
Пример 9.
Предварительно вымытые водой свежие или сухие выжимки подвергают гидролиз–экстракции в режиме автоклавирования. Набухшие выжимки помещают в автоклав, заливают раствор соляной кислоты с рН = 2.0, в соотношении сырье: кислота 1 : 20 и проводят гидролиз - экстракцию при температуре 1300С, давлении 1.7 атм. в течение 3 минут. Затем, отделяют экстракт, центрифугируют, очищают с помощью ДУФ, концентрируют, сушат распылением или осаждают одним частью 96% спиртом.
Выход чистого пектина после удаление бал-ластных веществ ДУФ при этом составляет– 13,8%, микрогеля -1.9%. Содержание галактуроновой кислоты – 70.2%, значение степени этерификации – 70,4%, молекулярная масса пектина -350000 Дальтон и его коэффициент полидисперс-ности -15.0.
Пример 10.
Все операции проводят так же, как в примере 9, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 5 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 15,0%, микрогеля -1.2%. Содержание галактуроно-вой кислоты – 72.0%, значение степени этерифи-кации – 69,2%, молекулярная масса пектина -120 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -7.3.
Пример 11.
Все операции проводят так же, как в примере 9, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 7 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 13,3%, микрогеля -1.1%. Содержание галактуроновой кислоты – 78.9%, значение степени этерифи-кации – 61,4%, молекулярная масса пектина -90000 Дальтон и коэффициент полидисперсности - 4.5.
Пример 12.
Все операции проводят так же, как в примере 9, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 10 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет – 11,6%, микрогеля - 1.0%. Содержание галактуроновой кислоты – 72.3%, значение степени этери-фикации – 50,6%, молекулярная масса пектина -69 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -3.7.
Пример 13.
Предварительно вымытые водой свежие или сухие выжимки подвергают гидролиз–экстракции в режиме автоклавирования. Набухшие выжимки помещают в автоклав, заливают раствор соляной кислоты с рН = 2.0, в соотношении сырье: кислота 1 : 20 и проводят гидролиз - экстракцию при температуре 1200С, давлении 1.5 атм. в течение 3 минут. Затем, отделяют экстракт, центрифугируют, очищают с помощью ДУФ, концентрируют, сушат распылением или осаждают одной частью 96% спирта.
Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 15,5%, микрогеля -3.4%. Содержание галактуроновой кислоты – 68.2%, значение степени этерификации – 54,3%, молекулярная масса пектина -560 000 Дальтон и его коэффициент полидисперс-ности -11.5.
Все операции проводят так же, как в примере 13, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 5 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 18,7%, микрогеля -2.6%. Содержание галактуроновой кислоты – 70.4%, значение степени этерификации – 52,2%, молекулярная масса пектина -370 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -8.0.
Пример 15.
Все операции проводят так же, как в примере 13, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 7 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 21,2%, микрогеля -1.0%. Содержание галактуроновой кислоты – 72.0%, значение степени этерификации – 50,5%, молекулярная масса пектина -265 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -7.3.
Пример 16.
Все операции проводят так же, как в примере 13, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 10 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 18,9%, микрогеля -0.8%. Содержание галактуроновой кислоты – 74.3%, значение степени этерификации – 50,0%, молекулярная масса пектина -190 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -6.7.
Пример 17.
Предварительно вымытые водой и солью сухие измельченные корзинки подсолнечника подвергают гидролиз–экстракции в режиме автоклавирования. Набухшие выжимки помещают в автоклав, заливают раствор соляной кислоты с рН = 2.0, в соотношении сырье : кислота 1 : 20 и проводят гидролиз - экстракцию при температуре 1200С, давлении 1.5 атм. в течение 3 минут. Затем, отделяют экстракт, центрифугируют, очищают с по-мощью ДУФ, концентрируют, сушат распылением или осаждают одной частью 96% спирта.
Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет– 12,1%, микрогеля -13.0%. Содержание галактуроновой кислоты – 70.2%, значение степени этерификации – 48,8%, молекулярная масса пектина -5195 000 Дальтон и его коэффициент полидисперсности -70.0.
Пример 18.
Все операции проводят так же, как в примере 17, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 5 минут. Выход чистого пектина после удаление балластных веществ ДУФ при этом составляет– 14,4%, микрогеля -8.2%. Содержание галактуроновой кислоты – 74.7%, значение степени этерификации – 47,6%, молекулярная масса пектина -1245 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -10.5.
Пример 19.
Все операции проводят так же, как в примере 17, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 7 минут. Выход чистого пектина после удаление балластных веществ ДУФ при этом составляет– 18.6%, микрогеля -5.8%. Содержание галактуроновой кислоты – 76.1%, значение степени этерификации – 47.1%, молекулярная масса пектина -720 000 Дальтон и коэффициент полидисперсности -4.0.
Пример 20.
Все операции проводят так же, как в примере 17, но гидролиз–экстракцию проводят в течение 10 минут. Выход чистого пектина после удаления балластных веществ ДУФ при этом составляет – 16,2%, микрогеля - 3.4. Содержание галактуроновой кислоты – 66.3%, значение степени этерификации – 71,0%, молекулярная масса пектина - 175000 Дальтон и коэффициент полидисперсности - 2.5.
В Таблице 1 приведены данные основных параметров пектинов, полученных по заявленному способу, в сравнении со свойствами аналога и прототипа. Из нее видно, насколько эффективнее применение заявленного способа – выход продукта увеличивается в десятки раз.
Кроме того, пектины, полученные в соответствии с параметрами предлагаемого способа: гидролиз-экстрагирование твердой фазы в режиме автоклавирования кислым раствором (рН = 1.8 – 3.5) при гидромодуле 1:20 и нагревании до 100-120°С в течение 3-10мин, обладают высокими значениями молекулярной массы, содержания галактуроновой кислоты и оптимальной степенью этерификации. Причем полученные пектины имеют узкие распределения по молекулярной массе (низкие коэффициенты полидисперсные) и менее агрегированы (содержат меньше микрогеля). Как следует из приведенных данных, задача изобрете-ния решена, и полученные пектины обладают высокими значениями выходов и оптимальными параметрами конечных продуктов. Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать пектин с оптимальными параметрами по молекулярной массе, по содержанию галактуроновой кислоты и степени этерификации, что делает возможным его применение в различных областях пищевой и фармацевтической промышленности.

1. Патент РФ № 2265612
2.Патент США № 6143337
(57) Изобретение относится к области