Содержание к диссертации
Введение
1.1. Амарант — перспективный источник практически ценных соединений 7
1.1.1. Биологические и физиологические особенности амаранта 7
1.1.2. Химический состав растений рода Amaranthus cruentus и их 10 применение
1.2. Пектины: структура, свойства и применение 17
1.2.1. Состав и строение пектиновых веществ 17
1.2.2. Физико-химические свойства пектиновых веществ 21
1.2.3. Комплексообразующие свойства пектинов 26
1.2.4. Применение пектиновых веществ 29
1.3. Оптимизация и интенсификация процессов выделения пектиновых веществ- 33
1.3.1. Способы получения пектиновых веществ 33
1.3.2.Интенсификация процессов гидролиза и экстракции 43
1.4. Заключение. Задачи исследований 47
Экспериментальная часть. 49
Методика проведения работ и методы исследований
2.1. Организация экспериментальных работ 49
2.2. Объекты исследований и изучаемые схемы технологических процессов 49
2.3. Методы исследований 53
2.4. Экспериментальное оборудование, использованное в ходе 59 проведения исследований
2.5. Математическая обработка данных 6
3 Комплексная переработка травы амаранта 65
3.1. Получение низкомолекулярных практически ценных соединений - 65
3.2. Разработка способа получения белковых гидролизатов и изолятов амаранта 68
4.Исследование особенностей процесса получения пектиновых веществ амаранта 77
4.1. Разработка технологического способа получения пектиновых веществ амаранта в лабораторных условиях
4.2. Физико-химические свойства пектиновых препаратов 89
4.3. Спектроскопическое исследование пектиновых веществ 90
Исследование процесса гидролиза—экстракции пектиновых веществ в массообменном аппарате 94
Влияние механо-акустического воздействия на процесс гидролиза—экстракции пектиновых веществ- 97
1. Влияние механо-акустического воздействия на качественные 97
показатели пектина производства фирмы "Herbstreit & Fox KG"
2. Исследование процесса гидролиза—экстракции пектиновых 100 веществ в роторно-пульсационном аппарате
3. Расширение ассортимента гидролизующих агентов 105 Исследование и разработка способа осаждения сывороточных 115 белков пектиновыми веществами амаранта
Практическая реализация работ 121
Основные результаты и выводы 124
Список литературы 126
Приложение
- Биологические и физиологические особенности амаранта
- Объекты исследований и изучаемые схемы технологических процессов
- Получение низкомолекулярных практически ценных соединений
- Разработка технологического способа получения пектиновых веществ амаранта в лабораторных условиях
Введение к работе
Возобновляемое растительное сырье является источником многих практически ценных соединений. В условиях постоянно нарастающего ухудшения экологической обстановки чрезвычайную актуальность представляет производство специальных средств, обладающих защитным, диетическим и лечебно-профилактическим действием для всего населения. В последние годы уделяется большое внимание вопросу извлечения кормового и пищевого белка из растительного сырья [1]. Для восполнения недостатка белка требуются легкоусвояемые продукты животного происхождения с высоким содержанием белка — мясо, молоко, яйца. Быстрое развитие животноводства и птицеводства, в свою очередь, усугубляет мировой дефицит белка, так как для получения белков яиц, молока и мяса требуется в 5-10 раз большее количество белков растительного происхождения. Поэтому вполне понятно то пристальное внимание, которое уделяется проблеме белка, в том числе проблеме выделения легкоусвояемых высокобелковых продуктов из всевозможных источников как традиционных, так и новых.
В настоящее время особый интерес представляет культура амаранта универсального использования: пищевое, кормовое, лекарственное и декоративное. В частности, пищевая ценность белка амаранта на основании аминограмм и в сравнении с "идеальным белком ФАО" очень высока и по сумме незаменимых аминокислот составляет 75 % [2]. Особенностью амаранта является большой прирост биомассы, что позволяет получать тонны зеленой массы на относительно небольших площадях. Большая урожайность амаранта, наличие нескольких классов практически полезных веществ делают культуру амаранта перспективным воспроизводимым растительным сырьем. Помимо дальнейшего исследования амаранта, встает проблема комплексной переработки растительного сырья, так как единая технологическая цепочка позволяет использовать побочные продукты одного процесса в последующем, не затрачивая для этого энергию, оборудование и материалы. Тем самым увеличивается глубина переработки исходного сырья, снижаются удельные затраты и повышается рентабельность процесса в целом.
Одним из перспективных направлений комплексной переработки растительных сырьевых ресурсов является производство пектиновых веществ (ПВ).
Благодаря природному происхождению, не имеющие полноценных заменителей в некоторых областях медицины и пищевых производств пектин и пектинопродукты завоевали прочное место в современной технологии пищевой промышленности. Пектины используют в качестве студне-, структуро- и ком-плексообразователей, эмульгаторов при производстве кондитерских изделий, джемов, конфитюров, желе, фруктовых напитков, соков, майонезов и других масло-жировых и молочных продуктов. Многочисленные исследования [3] подтвердили способность пектинов снижать накопление радионуклидов в организме и декорпорировать тяжелые металлы. Связывающая способность пектина по отношению к поливалентным металлам обусловлена наличием свободных карбоксильных групп (-СООН), образующих с ионами металлов стойкие малодиссоциирующие соединения — хелаты, возникновение которых препятствует поступлению тяжелых металлов во внутреннюю среду организма. Таким образом, пектин представляет собой уникальный биологически активный продукт с детоксицирующими, радиопротекторными и другими лечебно-профилактическими свойствами. Его используют для лечения заболеваний пищеварительного тракта, диабета, атеросклероза, при заживлении ран и ожогов.
Однако современная отечественная промышленность испытывает серьезные затруднения с производством столь ценного продукта. Классические технологии пектина, по которым ранее работали предприятия, морально устарели и являются небезопасными с точки зрения охраны окружающей среды. По подсчетам экономистов, потребность основных отраслей пищевой промышленности Российской Федерации в пектинах составляет 3,5 тыс. т ежегодно. Потребность кондитерской промышленности в пектинах достигает более 5 тыс. т в год. С учетом нормы потребления пектинов в профилактических целях (2 г на человека в сутки) его количество при круглосуточном потреблении пектиновых продуктов для 100 млн. человек составляет более 70 тыс. т.
Дефицит пектина компенсируется закупками за рубежом, но это не решает проблем. Между тем объемы сырьевых ресурсов для производства пектина в России значительны и, несмотря на трудности с технологической базой, выход из сложившейся ситуации возможен. Для этого необходимо всестороннее исследование пектиновых веществ, поиск эффективных источников сырья и разработка технологий, позволяющих получать пектины высокого качества.
На основании изложенных выше фактов очевидна целесообразность проведения исследований по комплексной переработке растительного сырья, разработке эффективных технологий извлечения пектина и белковых изолятов и изучению свойств полученных продуктов.
Биологические и физиологические особенности амаранта
В доколумбовые времена зерновой амарант был одной из основных пищевых культур Нового Света, почти такой же важной как кукуруза, фасоль. Помимо употребления в пишу ацтеки и инки использовали амарант как источник пурпурной краски в языческих обрядах. В настоящее время амарант широко распространен в Северной и Южной Америке, Азии (Индия, Китай), Африке. Его стали изучать, возделывать и использовать в пищу в Европе. В нашей стране на необходимость применения в сельском хозяйстве амаранта как новой силосной культуры в программе использования мировых растительных ресурсов указывал академик Н.И. Вавилов еще в 1931 году. Но в то время он не получил должной поддержки и распространения. Не были известны биохимические основы качества культуры: культурные формы принимались за сорняки, не было технических средств для посева и уборки, отсутствовал опыт внедрения амаранта в зарубежных странах.
Попытки освоить амарант предпринимались как в довоенные, так и в послевоенные годы. В защиту амаранта высказывались авторитетные специалисты сельского хозяйства [5], подкрепляя свои доводы высокими урожаями амаранта. Однако командно-бюрократическая система ведения хозяйства не оправдала ожидания по расширению эксперимента.
В последние годы благодаря усилиям заведующего лабораторией фотосинтеза Биологического научно-исследовательского института Санкт-Петербургского государственного университета профессора И.М. Магомедова амарант стали интенсивно внедрять в сельское хозяйство России и в странах бывшего СССР. Создана Европейская ассоциация "Амарант", президентом которой избран И.М. Магомедов. Нельзя не отметить, что особенно большую помощь в исследовании свойств амаранта оказывают американские ученые [5] из центров в Пенсильвании, Иллинойсе, Колорадо, Висконсине и Калифорнии.
В мире известно 65 родов и около 900 видов амаранта (семейство Amaranthaced), большинство из них считаются сорными растениями, 12 видов окультурены и используются как овощные, зерновые, кормовые и декоративные растения.
Амарант — это однолетнее, пурпурно- или желто-зеленое травянистое растение, достигающее 2-3 м высоты и 8-10 см толщины, весом обычно 3-5 кг. Амарант имеет крупные продолговато-эллиптические листья с длинными черешками, клиновидные у основания и острые к верхушке. Пышно соцветие амаранта — полуметровая метелка разной формы и плотности. Вес одной метелки доходит до 0,5-1 кг. Семена амаранта мелкие, всего 0,6-0,9 г весят 1000 зернышек. Семена бывают белого, черного и бледно-розового цвета.
Амарант - высокоурожайное кормовое растение, урожай его зеленой массы по основным почвенно-климатическим зонам страны превышает на 20-30 % урожай зеленой массы традиционной силосной культуры — кукурузы, составляя в среднем 500-800 ц/га. На участках с высоким уровнем плодородия и в условиях орошения этот показатель увеличивается в 1,5-2 раза и достигает 1200 ц/га.
Самым ценным качеством листьев и семян амаранта является высокое содержание в них высококачественного белка — 15-18 % [6]. Из-за высокого содержания аминокислоты лизина, которого в белке амаранта в два раза больше, чем у пшеницы, и в 3 раза больше, чем у кукурузы и сорго, и даже сопоставимо по количеству с соей, качество белка амаранта считается очень высоким. Если оценить идеальный белок (близкий к яичному в 100 баллов), то молочный белок казеин будет иметь 72 балла, соевый — 68, белок пшеницы — 58, кукурузы — 44, а амаранта — 75 баллов [4].
Амарант — свето- и теплолюбивое растение. Оптимальная температура воздуха для его роста и развития 20-35 С. Он устойчив к летней засухе, но лучше растет при хорошей влагообеспеченности. Засухоустойчивость объясняется экономным расходованием воды, потребность в которой в 2,0-2,5 раза меньше, чем у бобовых и злаковых культур. И.А. Чернов с сотрудниками [5] отмечают, что в отличие от многих однолетних растений, амарант, после полной остановки роста в период засухи легко восстанавливает его при наступлении благоприятных условий.
Объекты исследований и изучаемые схемы технологических процессов
Экспериментальная часть работы была проведена в Институте органической и физической химии имени А.Е. Арбузова КНЦ РАН в лаборатории химии возобновляемого природного сырья. Организация проведения экспериментальных работ показана на схеме (рис. 2.1).
Технологический процесс экстракции пектиновых веществ и белковых изолятов из амаранта был проведен в различных условиях:
в стеклянном реакторе производства Чехии "SIMAX" (емкость 25 л), снабженном мешалкой;
в массообменном двухколонном аппарате, разработанном научно-производственным предприятием "ЭПАТ";
в роторно-пульсационном аппарате (РПА), так называемом "S-Эмульгаторе", разработанном фирмой "Форсат-F" Республики Татарстан.
2.2. Объекты исследований и изучаемые схемы технологических процессов
Объектами исследований являлись высушенная травяная мука растений рода Amaranthus cruentus, выращенная в совхозе "Сокуры" Республики Татарстан, и продукты ее комплексной переработки:
? пектин, полученный в ходе экспериментальных работ в лабораторных условиях (патент РФ N 2101294, Б.И. N 1, 1998 г.);
? пектин, полученный в ходе экспериментальных работ в массообменном аппарате (патент РФ № 2119497, Б.И. N 27, 1998 г.);
? белок, полученный в ходе экспериментальных работ в массообменном аппарате (патент РФ N 2134991, Б.И. N 24, 1999 г.);
? пектин, полученный в роторно-пульсационном аппарате (патент РФ N2123266, E.H.N 35, 1998 г.);
а также:
? пектин производства фирмы "Herbstreit & Fox KG";
? молочная сыворотка.
В ходе проведения исследований нами были отработаны различные способы получения пектиновых веществ и белковых изолятов. Получение пектиновых веществ в лабораторных условиях из фитомассы амаранта проводилось по следующей схеме: порции по 100 г и 2 кг высушенного сырья экстрагировались следующими реагентами: водой, 0,25-0,5 %-ным раствором щавелевой кислоты, ферментативным раствором (5 г целловиридина и 1 г пектофоетидина на 0,5 л воды). Режим процесса экстракции: продолжительность — 1-2 ч, температура 40-60 С, гидромодуль 1 : (10-15), значения рН реакционной среды в зависимости от использованного реагента колебались в пределах 4,0-4,5.
Аналогичные условия соблюдались и при разработке технологии выделения пектина из амаранта в экстракторе непрерывного действия с противо-точным движением фаз гетерогенной системы. Частота возвратно-поступательных движений экстрагента составляла 1-20 циклов в минуту, удельная скорость протока 0,25-0,7 ч"1, время пребывания сырья в экстракторе 1-4 ч.
В целях глубокой комплексной переработки в едином технологическом цикле были отработаны способы получения белковых изолятов. Для разработки способа получения белковых изолятов в лабораторных условиях нами подобраны определенные значения параметров процесса экстракции: рН среды — 8,5-12,4; гидромодуль 1 : 10; продолжительность гидролиза 20-180 минут и температура 45-50 С.
Для повышения эффективности процесса экстракцию амарантового белка производили в массообменном аппарате НЛП "ЭПАТ". Частота возвратно-поступательных движений экстрагента составляла 1-20 циклов в минуту, время пребывания сырья в экстракторе 20-40 минут.
Следующие экстракции проводились в "S-Эмульгаторе", при этом изучали влияние механо-акустической обработки растительного сырья на выход пектина и качественные характеристики. В качестве гидролизующих агентов использовали 0,25-0,5 %-ный раствор щавелевой кислоты, молочную сыворотку и дикарбоновые кислоты пищевого назначения: янтарную и фумаровую. Характеристики использованной молочной сыворотки, а также янтарной и фума-ровой кислот приводятся ниже:
сыворотка молочная творожная, полученная при выработке творога раздельным кислотным способом на поточно-механизированной линии с обезвоживанием сгустка в потоке марки Я9-ОПТ-2.5.
Биологическая ценность сыворотки обусловлена содержащимися в ней углеводами, липидами, минеральными солями, витаминами, органическими кислотами, ферментами и микроэлементами [154 - 157]. Белковые азотистые соединения молочной сыворотки имеют особенности, главнейшие из которых — оптимальный набор и сбалансированность серосодержащих аминокислот, особенно цистеина и метионина, а также лизина, триптофана, что обеспечивает лучшие регенеративные возможности для восстановления белков печени, гемоглобина и плазмы крови [154]. Углеводы молочной сыворотки аналогичны углеводному составу молока — это моно-, олиго- и ами-носахара. Основной углевод — лактоза, являющаяся специфичным продуктом лактирующего организма. В молочной сыворотке содержится небольшое количество жира 0,05-0,45 %, однако "качество" этого жира высокое, в том числе и в отношении антиатеросклеротической направленности. Этот жир более диспергирован, содержание жировых шариков диаметром менее 2 мкм составляет 72,6 %, тогда как в молоке их 51,9 %. Минеральные вещества в сыворотке находятся в форме истинного и молекулярного растворов в коллоидном и нерастворимом состоянии и в виде солей органических и неорганических кислот. Кроме минеральных веществ в сыворотку почти полностью переходят водорастворимые витамины. В сыворотке обнаружены ферменты типа гидролаз, фосфорилаз, ферменты расщепления, окислительно-восстановительные, переноса и изомеризации. Практически всегда в сыворотке имеются протеолитические ферменты (протеиназы), которые способствуют расщеплению белковых веществ.
Ферменты типа гидролаз (липаза, фосфорилаза) могут вызвать прогорка-ние сыворотки; лактаза, образуемая молочнокислыми бактериями, участвует в расщеплении лактозы. Микроэлементный состав сыворотки заслуживает особого внимания, так как в нем присутствуют "защитные" комплексы с антисклеротическим действием [157]. В целом молочная сыворотка является ценным в биологическом отношении продуктом питания.
Получение низкомолекулярных практически ценных соединений
Авторами [22, 23] работ установлено, что амарант является источником получения различных классов химических соединений — растительного воска, каротиноидов, эфирного масла, фенольных соединений, а также флавоноида с Р- витаминной активностью — рутина.
В ИОФХ КНЦ РАН разработан экстрактивный способ получения рутина и других полифенольных соединений из травы амаранта, учитывающий два подхода:
последовательная экстракция травы амаранта растворителями с различной полярностью (гексан, хлороформ, этилацетат, метанол или этанол);
суммарная экстракция полярным растворителем с последующей очисткой экстракта.
Наиболее эффективным, по мнению авторов, является способ получения рутина при втором подходе.
В этом направлении исследования нами были продолжены. При получении низкомолекулярных экстрактивных веществ, с учетом рекомендаций авторов [22] нами апробированы водная, спиртовая и водно-спиртовая экстракции с последующей последовательной экстракцией органическими растворителями различной полярности. Установлено, что чистые метанол и этанол менее эффективны для первичной экстракции, чем водно-спиртовые растворы.
При использовании в качестве первичного экстрагента воды, обнаружено, что максимальное извлечение рутина достигается при экстракции рутина кипящей водой. Однако полноты экстракции удается достичь только при длительной экстракции и сменой растворителя с добавлением чистых порций. Кроме того, процесс осложняется из-за высокой температуры кипения воды, что создает технологические трудности при отгонке и может способствовать разложению рутина вследствие гидролиза.
Апробированный нами способ основан на суммарном извлечении низкомолекулярных экстрактивных веществ 70 %-ным спиртом с последующим их фракционированием экстракцией органическими растворителями. При часовой экстракции сырья 70 %-ным раствором этанола в соотношении 1:10 кипячением на водяной бане с обратным холодильником извлекается из сырья более 90 % содержащегося в нем рутина. Последующая обработка первичного экстракта хлороформом (после отгонки спирта до водного остатка) позволила очистить его от малополярных примесей, в том числе от хлорофилла. Дальнейшая обработка этилацетатом в делительной воронке извлекает кверцетин и трифолин и, частично, рутин (15-20 %). Окончательное извлечение рутина из водного остатка производили обработкой последнего смесями этилацетата с низшими спиртами — этанолом, метанолом, изопропанолом. Для кристаллизации рутина из последней фракции растворители отгоняли досуха и кристаллизовали рутин из воды.
Такой подход позволяет сохранить первичную структуру соединений и осуществлять выделение не только рутина, но и всего комплекса низкомолекулярных веществ амаранта в едином технологическом цикле. Способ выделения рутина методом водно-спиртовой экстракции представлен на рис. 3.1.
Нами были изучены продукты водно-этанольного извлечения с целью получения физиологически активных веществ. В выделенных нами водно-спиртовых фракциях преобладающими являются флавоноиды (рутин, кверцетин, кемпферол). Обнаружено, что флавоноидные фракции в концентрации 0,1 и 1,0 мл/л резко снижали объемную скорость коронарной перфузии при относительном сохранении сократительной активности сердца [172] (испытания проводились на изолированном сердце крыс, НПО "Биотехнология", г. Москва). В настоящее время проводятся дальнейшие исследования кардиопротек-торного действия флавоноидной фракции и изучение их химического состава.
После извлечения рутина и других низкомолекулярных соединений, жом амаранта содержит ряд других не менее ценных продуктов: пектиновых и белковых веществ, компоненты для фармации и промышленности моющих средств и др. В связи с этим следующим этапом комплексной переработки травы амаранта является получение пектиновых веществ методом экстрактивного извлечения, в том числе и с использованием механо-акустического воздействия (главы 4, 5, 6). После чего непрогидролизованный жом используется в качестве источника для получения белковых изолятов, так как растения рода Amaranthus cruentus представляют важнейший ресурс растительных белков.
Разработка технологического способа получения пектиновых 77 веществ амаранта в лабораторных условиях
В связи с изложенным материалом в предыдущей главе следующей задачей наших исследований является разработка способа получения пектина из нетрадиционного сырья — амаранта.
Учитывая то, что выделение пектиновых веществ и низкомолекулярных практически ценных соединений может быть объединено в едином технологическом цикле, нами были апробированы и проанализированы следующие схемы экстракции пектиновых веществ из растительного материала:
- экстракция пектиновых веществ из сухого измельченного сырья — травы амаранта (фракция 0,6-2 мм);
- двухстадийная экстракция, включающая предварительную водно-этаноль-ную обработку исходного сырья.
Гидролиз—экстракция пектиновых веществ из растительного сырья — первый и наиболее важный этап получения пектина. Задача гидролиза растительного сырья при получении пектина — разрыв макромолекулы протопектина. При этом важно не допустить деструкции молекул пектина, так как от молекулярной массы пектиновых веществ зависят их функциональные свойства. Как было отмечено в литературном обзоре, факторами определяющими экстракционный процесс являются природа сырья, применяемый экстрагент и параметры технологического процесса гидролиза—экстракции (гидромодуль, рН реакционной среды, температура и продолжительность обработки).
Одно из направлений исследований по созданию технологии пектина из амаранта — подбор наилучшего гидролизующего агента для данного сырья. Известно, что традиционная технология производства пектина независимо от вида используемого растительного сырья основывается на кислотном гидролизе протопектина при высоких температурах. В последние годы с развитием биотехнологии, в литературе описаны способы получения пектинов с использованием методов ферментативного катализа. Учитывая литературные данные [101-104], нами применялись минеральные и органические кислоты, а также ферментные препараты целлюлолитического (целловиридин) и мацерирующе-го (пектофоетидин) действия. Для этого были проведены три серии экстракций:
с использованием в качестве гидролизующего агента соляной кислоты;
с использованием щавелевой кислоты;
ферментативный гидролиз.
Оптимальные условия процесса гидролиза—экстракции определялись варьированием вышеперечисленных технологических параметров. Для интенсификации экстрагирования пектина и максимального его извлечения исходное сырье подвергали предварительной обработке — мацерации. Экспериментально установлено, что набухание сырья способствует более полному гидролизу, в результате степень экстрагирования пектина увеличивается на 2-3 %, что не противоречит литературным данным [107 - 109].
Условия режима экстрагирования в проведенных экспериментах и некоторые характеристики полученных пектинов приведены в таблице 4.1.
Анализ хода экстракции и полноты извлечения пектиновых веществ проводили карбазольным и кальций-пектатным методами. Показано, что выход пектиновых веществ (% от сырой массы) в зависимости от способа получения колеблется незначительно и составляет 3,5-3,7 %.
Нами был подобран гидромодуль экстракции для всех гидролизующих систем, в том числе для водного раствора ферментов целлюлазного комплекса. Оптимальная величина гидромодуля в наших экспериментах колеблется в пределах 1 : 10 -ь 1 : 15. Это несколько выше значений гидромодуля, рекомендуемых в технологической литературе [120], но этого требовала высокая степень высушенности используемого нами сырья.
