способ получения гемицеллюлоз

Формула изобретения

Способ получения гемицеллюлоз, включающий многократную экстракцию пищевых выжимок 5%-ным раствором гидроксида натрия, фильтрацию экстрактов, их объединение и вакуумное концентрирование, осаждение гемицеллюлоз концентрированной уксусной кислотой с последующим выделением, промывкой и сушкой, отличающийся тем, что для удаления примесей пектинов из выжимок их вначале экстрагируют 0,5%-ным водным раствором цитрата аммония при соотношении выжимки : 0,5%-ный водный раствор цитрата аммония 1 : 3 и температуре 70°С в течение 2 ч, экстракт отделяют фильтрованием, а экстракцию гемицеллюлоз из выжимок осуществляют 5%-ным раствором гидроксида натрия при соотношении выжимки : 5%-ный раствор гидроксида натрия 1 : 20 при 25°С и воздействии ударных волн от импульсных электрических разрядов длительностью 0,80 мкс, с фронтом 5 нс, при количестве импульсов за одну экстракцию 2,4 10³, амплитуде 32 кВ и зазоре между электродами 0,25 мм, причем экстракцию проводят трехкратно по 20 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, фармации.

Гемицеллюлозы (ГЦ) - высокомолекулярные углеводные соединения; они широко распространены в растениях, локализуются в клеточных стенках.

Известны различные способы получения ГЦ из растительного сырья. Описан способ получения ГЦ через стадию получения холоцеллюлозы: сырье экстрагируют спирто-бензольной смесью, делигнифицируют хлористой кислотой или ее солями; полученную холоцеллюлозу экстрагируют раствором гидроксида натрия. Экстракт нейтрализуют, диализуют. Полученные ГЦ сушат методом лиофильной сушки (Evtusenko E. N.// Ernahr./ Nutr/ - 1987. - 11. - N.5. - S. 327; Hromadkova L., Ebringerova A.// Die Nahrung. - 1987.- 31. - N.2. - S.149).

Недостатками описанного способа являются трудоемкость и длительность процесса, наличие дополнительной стадии получения холоцеллюлозы, токсичность используемых реактивов.

Известен способ получения ГЦ из березовых опилок, стеблей кукурузы экстрагированием сырья 5% раствором гидроксида натрия при 100^oC в течение 5 часов с последующим установлением pH экстракта 5,0 (и осаждением) с помощью уксусной кислоты, и высушиванием целевого продукта. Выход гемицеллюлоз составил 9,8% (Sen K.K., Day A., Mojumber P.// Res. and Jnd. - 1985. - 30. - N. 4. - S.378.).

Данный способ получения близок к заявляемому и выбран за прототип.

Недостатками способа являются низкий выход целевого продукта, использование лимитированного осадителя (этанола), длительность экстрагирования, невысокая степень чистоты ГЦ.

Цель изобретения - повышение выхода, степени чистоты, снижение микрообсемененности гемицеллюлоз.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения, ГЦ включающем многократную экстракцию пищевых выжимок, фильтрацию экстрактов, их объединение и вакуумное концентрирование, выделение ГЦ из концентрата с последующей промывкой и сушкой ГЦ, очистку осуществляют 0,5% водным раствором цитрата аммония при соотношении выжимки : 0,5% раствор цитрата аммония 1 : 3, температуре 70^oC в течение 2 часов, процеживают, далее осуществляют экстракцию ГЦ 5% раствором гидроксида натрия при соотношении выжимки : 5% раствор гидроксида натрия 1 : 20 и воздействии ударных волн от импульсных электрических разрядов длительностью 0,80 мкс с фронтом 5 нс, при количестве импульсов 2,410³ в серии и их амплитуде 32 кВ, величине зазора между электродами 0,25 мм трехкратно по 20 минут, осаждение ГЦ проводят концентрированной уксусной кислотой.

Апробация способа проведена при использовании в качестве исходного сырья выжимок корнеплодов моркови посевной /Daucus sativatus Roehl., D.carota L./, сахарной свеклы, яблок, являющихся многотоннажными отходами консервного производства и, зачастую, не утилизирующихся. Способ обработки осуществился путем очистки сырья от уронидов 0,5% водным раствором цитрата аммония /температура 70^oC при соотношении выжимки : 0,5% раствор цитрата аммония 1 : 3, продолжительность 2 ч /, отделении экстракта фильтрованием, далее путем загрузки образовавшегося шрота в экстракционную камеру, экстракции его 5% раствором гидроксида натрия /температура 25^oC при соотношении выжимки : 5% гидроксида натрия 1 : 20 /при обработке импульсами напряжения прямоугольной формы с наносекундным фронтом длительностью 0,80 мкс, фронтом 5 нс, разрядной емкостью 0,2 мкФ, частотой следования 5с^-1, количеством импульсов в серии 2,410³, амплитудой импульсов 32 кВ (материал электродов - медь, величина зазора между электродами 0,25 мм). Через 20 мин обработку импульсами прекращали, щелочной экстракт сливали и шрот заливали новой порцией 5% раствора гидроксида натрия. Полнота извлечения ГЦ из сырья достигается трехкратной экстракцией по 20 мин каждая. Контроль осуществлялся реакцией с карбазолом в среде концентрированной серной кислоты.

Экстракты фильтровали, объединяли, концентрировали под вакуумом, подкисляли концентрированной уксусной кислотой до pH 5. Выпавшие при этом в осадок ГЦ отделяли центрифугированием при 3000 об/мин, промывали двукратно диэтиловым эфиром и сушили в токе воздуха в вытяжном шкафу. Выход ГЦ составил 34,2% в пересчете на абсолютно сухую массу сырья.

При обработке сырья с применением импульсных электрических разрядов происходит измельчение сырья до частиц размером 1 мм, что благоприятствует экстракции ГЦ. Мощный импульсный электрический разряд в жидкости инициирует вокруг канала разряда ряд явлений, обусловливающих электрогидравлический эффект. Среди них наиболее полно используется энергия расходящейся жидкости и ударной волны в таких технологических процессах, как гомогенизация, экстракция. При этом происходит очень тонкая гомогенизация растительных клеток, что благоприятствует экстракции ГЦ: извлечению ГЦ, которые находятся в растительных клеточных стенках. Этим можно объяснить повышение выхода ГЦ. Таким образом, если в способе-прототипе для извлечения ГЦ используется щелочной экстрагент, гидролизующий ГЦ, и облегчающий их извлечение, то в предлагаемом способе выделение ГЦ осуществляется и за счет жесткого режима экстракции, и за счет применения гидролизующего щелочного экстрагента. Т.е. заявляемый способ наиболее приемлем для экстракции "каркасных" ("структурных") веществ, которыми являются ГЦ.

В заявляемом способе основным преобразователем электрической энергии в механическую является электрический разряд в жидкости, расположенной между электродами. Электроды располагаются непосредственно в рабочей камере. При обработке выжимок импульсами высокого напряжения происходит эрозионный износ электродных систем, в результате чего полученные экстракты могут быть загрязнены примесями металлов. Введение металла в экстракт является регулируемым. По-видимому, ГЦ, как и другие полисахариды, взаимодействуя с металлами, образуют продукты с выраженным антимикробным действием. Перед проведением исследований электроды взвешивались на аналитических весах с точностью до четвертого знака. После проведения опытов проводилось контрольное взвешивание и определялась масса эрозировавшего металла. Зная число импульсов, затраченных на обработку сырья, рассчитывалась удельная величина эрозии металла (мг/имп).

В заявляемом способе возникающее при электрическом разряде мощное электромагнитное излучение способствует обеззараживанию, стерилизации и обеспложиванию экстракционной смеси. Этот факт подтверждается минимальной микрообсемененностью продукта, полученного предлагаемым способом. Предлагаемый способ позволяет получить чистую фракцию ГЦ благодаря тому, что до выделения ГЦ из выжимок с помощью цитрата аммония удаляются все уронидные полисахариды типа пектинов. Пектины можно извлечь 0,5% раствором цитрата аммония (Кайшева Н. Ш. Способ получения медицинского очищенного пектина. Патент РФ N 2116075 от 27. 07. 98). Из оставшихся в сырье фракций: ГЦ, клетчатка, лигнин - щелочью избирательно извлекаются только ГЦ. Т.е. ни клетчатка, ни лигнин не мешают выделению ГЦ: выделение клетчатки из шрота требует 8-часового гидролиза шрота концентрированной серной кислотой при 100^oC, а лигнин в любых условиях остается в конечном шроте и поэтому определяется гравиметрически.

Оптимальным соотношением выжимки : 5% раствор гидроксида натрия является 1 : 20, т. к. при этом выход ГЦ максимальный (табл. 1).

При повышении соотношения выжимки : 5% раствор гидроксида натрия (более 1 : 20) растут проводимость жидкости и потери энергии за счет импульсных токов растекания. При этом параметры ударной волны, способствующей успешному проведению экстракции, значительно ухудшаются.

Увеличение фронта импульса более 5 нс ведет к посадке напряжения по нагрузке за счет роста токов растекания, что в итоге отрицательно сказывается на выходе целевого продукта (таблица 2).

Оптимальная длительность импульсов при экстракции ГЦ составляет 0,8 мкс при фронте импульсов 5 нс, т.е. при этом выход ГЦ наибольший (таблица 3).

При длительности импульсов более 0,80 мкс значительная часть энергии расходуется на переизмельчение и выброс исходных выжимок из зоны разрушения.

По величине максимального выхода ГЦ были так же подобраны и другие оптимальные параметры: количество импульсов в серии - 2,410³, это соответствует продолжительности однократной экстракции 20 минут (таблица 4); амплитуда импульсов 32 кВ (таблица 5).

При сокращении продолжительности экстракции менее 10 мин не наблюдается пробоя жидкости.

При увеличении амплитуды импульсов (величины напряжения) происходит нагрев экстракта и растекание импульсных токов, что ведет к исчезновению ударной волны.

Было установлено, что наиболее предпочтителен медный электрод т.к. количество эрозировавшего металла из электрода в экстракт было наибольшим (таблица 6).

На величину выхода ГЦ влияет и размер зазора между электродами (таблица 7).

При зазоре менее 0,15 мм не наблюдается пробоя жидкости. Наибольшее извлечение ГЦ достигается при зазоре 0,25 мм между электродами.

По выходу ГЦ нами подобрана оптимальная продолжительность экстракции выжимок - в течение 60 минут достигается максимальный выход ГЦ (таблица 8).

Сравнительное изучение микробной обсемененности ГЦ, полученных по заявляемому способу и известному, показало, что в обоих случаях микрофлора была одинаковой: содержались следующие виды бактерий: Pseudobacterium erythroglocum, Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus; из грибов содержался пеницилл. Если по видовому составу бактерий и грибов не было различий, то в количественном отношении были существенные различия: ГЦ, полученные заявляемым способом, обсеменены бактериями в 24 раза и грибами в 33 раза меньше, чем ГЦ, полученные по известному способу. Это свидетельствует о стерилизации экстракционной смеси мощным электромагнитным излучением в заявляемом способе.

Способ поясняется следующими примерами.

ПРИМЕР 1.

10 г сухих морковных выжимок помещают в плоскодонную коническую колбу на 100 мл, приливают 30 мл 0,5% водного раствора цитрата аммония, перемешивают содержимое колбы и проводят экстракцию выжимок на водяной бане при температуре экстракционной смеси 70^oC в течение 2 часов, после чего экстракт отделяют от выжимок процеживанием через двойной слой марли. После отделения экстракта оставшиеся выжимки промывают трижды водой по 20 мл.

Далее выжимки помещают в экстракционную камеру (материал электродов - медь), приливают 200 мл 5% водного раствора гидроксида натрия (температура 25^oC). Выжимки подвергают обработке импульсными разрядами, длительность которых составляет 0,80 мкс с фронтом 5 нс, емкостью в разряде 0,2 мкФ; пробивное напряжение 32 кВ, количество импульсов 2,410³ в серии. После трехкратной экстракции по 20 мин щелочные экстракты фильтруют, объединяют, концентрируют под вакуумом примерно до 1/10 первоначального объема, подкисляют концентрированной уксусной кислотой до pH 5 (при помощи pH-метра). При этом ГЦ выпадают в осадок. Надосадочную жидкость сифонируют, осадок центрифугируют при 3000 об./мин, промывают дважды диэтиловым эфиром по 50 мл и высушивают в токе воздуха (в вытяжном шкафу) до полного удаления эфира.

Выход целевого продукта - ГЦ - составил 3,42 г или 34,2% по отношению к абсолютно сухой массе выжимок.

ПРИМЕР 2

10 г сухих морковных выжимок помещают в плоскодонную коническую колбу на 100 мл, приливают 30 мл 0,5% водного раствора цитрата аммония, перемешивают содержимое колбы и проводят экстракцию выжимок на водяной бане при температуре экстракционной смеси 70^o в течение 2 часов, после чего экстракт отделяют от выжимок процеживанием через двойной слой марли. После отделения экстракта оставшиеся выжимки промывают трижды водой по 20 мл.

Далее выжимки помещают в экстракционную камеру (материал электродов - медь), приливают 150 мл 5% водного раствора гидроксида натрия (температура 25^oC). Выжимки подвергают обработке импульсными разрядами, длительность которых составляет 0,77 мкс с фронтом 2 нс, емкостью в разряде 0,2 мкФ; пробивное напряжение 30 кВ, количество импульсов 1,810³ в серии. После трехкратной экстракции по 15 мин щелочные экстракты фильтруют, объединяют, концентрируют под вакуумом до приблизительно 1/10 первоначального объема, подкисляют концентрированной уксусной кислотой до pH 5. Выпавшие в осадок ГЦ отделяют и очищают, как описано в примере 1.

Выход ГЦ составил 3,31 г или 33,1% по отношению к абсолютно сухой массе выжимок.

ПРИМЕР 3

10 г сухих морковных выжимок помещают в плоскодонную коническую колбу на 100 мл, приливают 30 мл 0,5% водного раствора цитрата аммония, перемешивают содержимое колбы и проводят экстракцию выжимок на водяной бане при температуре экстракционной смеси 70^oC в течение 2 часов, после чего экстракт отделяют от выжимок процеживанием через двойной слой марли. После отделения экстракта оставшиеся выжимки промывают трижды водой по 20 мл.

Далее выжимки помещают в экстракционную камеру (материал электродов - медь), приливают 250 мл 5% водного раствора гидроксида натрия. Выжимки подвергают обработке импульсными разрядами, длительность которых составляет 0,82 мкс с фронтом 10 нс, емкостью в разряде 0,2 мкФ; пробивное напряжение 35 кВ, количество импульсов 310³ в серии. После трехкратной экстракции по 25 мин щелочные экстракты фильтруют, объединяют, концентрируют под вакуумом до приблизительно 1/10 первоначального объема, подкисляют концентрированной уксусной кислотой до pH 5. Выпавшие в осадок ГЦ отделяют и очищают, как описано в примере 1.

Выход ГЦ составил 3,39 г или 33,9% по отношению к абсолютно сухой массе выжимок.

ПРИМЕР 4

Осуществляют аналогично примеру 1, но при соотношении выжимки : 5% раствор гидроксида натрия 1 : 25. Выход ГЦ составил 33,0% по отношению к абсолютно сухой массе выжимок.

ПРИМЕР 5

Осуществляют аналогично примеру 1, при различных количествах импульсов в серии и продолжительности однократной экстракции. Результаты представлены в таблице 4.

ПРИМЕР 6

Осуществляют аналогично примеру 1, при различной длительности фронта импульсов. Результаты представлены в таблице 2.

ПРИМЕР 7

Осуществляют аналогично примеру 1, при различной длительности импульсов. Получены результаты, приведенные в таблице 3.

ПРИМЕР 8

Осуществляют аналогично примеру 1, при различной амплитуде импульсов. Результаты приведены в таблице 5.

ПРИМЕР 9

Осуществляют аналогично примеру 1, при различных электродах. Результаты представлены в таблице 6.

ПРИМЕР 10

Осуществляют аналогично примеру 1, при разной величине зазора между электродами. Результаты представлены в таблице 7.

ПРИМЕР 11 Осуществляют аналогично примеру 1 при различной продолжительности экстракции. Результаты приведены в таблице 8.

ПРИМЕР 12

10 г сухих выжимок из сахарной свеклы помещают в плоскодонную коническую колбу на 100 мл, приливают 30 мл 0,5% водного раствора цитрата аммония, перемешивают содержимое колбы и проводят экстракцию сырья на водяной бане при температуре экстракционной смеси 70^oC в течение 2 часов, после чего экстракт отделяют от выжимок процеживанием через двойной слой марли. После отделения экстракта оставшиеся выжимки промывают трижды водой по 20 мин. Далее выжимки помещают в экстракционную камеру (медные электроды), приливают 200 мл 5% водного раствора гидроксида натрия при температуре 25^oC. Сырье подвергают обработке импульсными разрядами, длительность которых составляет 0,80 мкс с фронтом 5 нс, емкостью в разряде 0,2 мкФ; пробивное напряжение 32 кВ, количество импульсов 2,410³ в серии. После трехкратной экстракции по 20 мин щелочные экстракты фильтруют, объединяют, концентрируют под вакуумом до 1/10 первоначального объема, подкисляют концентрированной уксусной кислотой до pH 5. При этом ГЦ выпадают в осадок. Надосадочную жидкость сифонируют, осадок центрифугируют при 3000 об/мин, промывают дважды диэтиловым эфиром по 50 мл и высушивают в токе воздуха до удаления эфира.

Выход целевого продукта - ГЦ - составил 3,15г или 31,5% по отношению к абсолютно сухой массе выжимок.

ПРИМЕР 13

10 г сухих выжимок из яблок помещают в плоскодонную коническую колбу на 100 мл, приливают 30 мл 0,5% водного раствора цитрата аммония, перемешивают содержимое колбы и проводят экстракцию сырья на водяной бане при температуре экстракционной смеси 70^oC в течение 2 часов, после чего экстракт отделяют от выжимок процеживанием через двойной слой марли. После отделения экстракта оставшиеся выжимки промывают трижды водой по 20 мл.

Далее выжимки помещают в экстракционную камеру (медные электроды), приливают 200 мл 5% водного раствора гидроксида натрия при температуре 25^oC. Сырье подвергают обработке импульсными разрядами, длительность которых составляет 0,80 мкс с фронтом 5 нс, емкостью в разряде 0,2 мкФ; пробивное напряжение 32 кВ, количество импульсов 2,410³ в серии. После трехкратной экстракции по 20 мин щелочные экстракты фильтруют, объединяют, концентрируют под вакуумом до 1/10 первоначального объема, подкисляют концентрированной уксусной кислотой до pH 5. При этом ГЦ выпадают в осадок. Надосадочную жидкость сифонируют, осадок центрифугируют при 3000 об/мин, промывают дважды диэтиловым эфиром по 50 мл и высушивают в токе воздуха до удаления эфира.

Выход целевого продукта - ГЦ - составил 2,88 г или 28,8% по отношению к абсолютно сухой массе выжимок.

Идентификацию целевого продукта - гемицеллюлоз - проводили после кислотного гидролиза методом бумажной хроматографии и количественно по сумме восстанавливающих сахаров карбазольным методом (таблица 9). Методика гидролиза заключается в следующем. 0,5 г гемицеллюлоз переносили в колбу на 100 мл со шлифом, заливали 50 мл 2% раствора серной кислоты и гидролизовали в течение 5 часов при кипячении раствора в колбе с обратным холодильником. Гидролизат после упаривания его аликвотной части в 3-4 раза (9- 12 мл раствора упаривали до 3 мл) хроматографировали, используя метод нисходящей хроматографии на бумаге марки "Б" (для быстрого впитывания).

В результате хроматографического анализа гидролизата ГЦ установлено наличие сахаров: галактозы, глюкозы, арабинозы, ксилозы, галактуроновой кислоты, что позволяет идентифицировать ГЦ. Содержание восстанавливающих сахаров в гидролизате ГЦ в пересчете на глюкозу составило 87,2% (предлагаемый способ), 31,1 % (известный способ).

Таким образом, предлагаемый способ получения ГЦ позволяет

- увеличить выход ГЦ в 3,5 раза (в заявляемом способе 34,2%, в известном способе 9,8%),

- повысить чистоту ГЦ в 2,8 раза (содержание восстанавливающих сахаров в ГЦ, полученных заявляемым способом, составляет 87,2%, в известном способе 31,1%,

- снизить микрообсемененность продуктов бактериями в 24 раза, грибами - в 33 раза.