способ получения инулина из инулинсодержащего растительного сырья, в частности из клубней топинамбура, для медицинских и пищевых целей

Формула изобретения

Способ получения инулина из измельченных клубней топинамбура для медицинских и пищевых целей путем неоднократного извлечения экстрактивных веществ из водного экстракта исходного сырья при нагревании его с отделением каждый раз водного извлечения и последующим объединением водных извлечений, которые подвергают очистке осаждением пектиновых веществ солью кальция, после чего экстракционную смесь фильтруют, фильтрат упаривают и осаждают инулин, отделяют осадок инулина, растворяют его в горячей воде, дополнительно проводят очистку с помощью оксида алюминия с последующим осаждением инулина, продукт сушат и измельчают, отличающийся тем, что во время измельчения клубней топинамбура добавляют 96%-ный этанол в соотношении 2:1 для инактивации фермента инулазы, извлечение экстрактивных веществ производят дважды: при нагревании на кипящей водяной бане исходного сырья с дистиллированной водой в соотношении 1:2,5 в течение 20 мин с последующим охлаждением водного извлечения до комнатной температуры, при этом водный экстракт после первого извлечения экстрактивных веществ отделяют от твердого остатка фильтрованием, а твердый остаток дважды промывают горячей дистиллированной водой с температурой 95°С, после чего твердый остаток используют как исходное сырье для извлечения экстрактивных веществ также при нагревании на кипящей водяной бане с дистиллированной водой в соотношении 1:5 в течение 20 мин с последующим охлаждением водного извлечения до комнатной температуры, водный экстракт при этом отделяют от твердого остатка фильтрованием, твердый остаток дважды промывают горячей дистиллированной водой с температурой 95°С, в обоих случаях объединяя промывную воду с водным экстрактом, а осаждение пектиновых веществ из объединенного водного экстракта производят 40%-ным раствором хлорида кальция, осаждение инулина из фильтрата - охлажденным 96%-ным этанолом, осадок инулина перед растворением его в горячей воде дважды промывают небольшими порциями 96%-ного этанола, очистку водного раствора инулина адсорбцией примесей с помощью оксида алюминия проводят в течение 20 мин с последующим отделением сорбента и осаждением инулина из водного раствора пятикратным объемом пропанола-2, последующим отделением его из водного раствора фильтрованием и промыванием небольшими порциями пропанола-2, кроме того, полученный инулин подвергают сушке путем подсушивания в течение 2 ч в сушильном шкафу при температуре 80°С и досушивания в течение 12 ч над H ₂SO_{4 конц.}

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что водное извлечение после первого извлечения экстрактивных веществ и инулин после осаждения его в водном экстракте, а также осадок очищенного инулина после повторного его осаждения отделяют каждый раз фильтрованием на воронке Бюхнера с применением плотного бумажного фильтра.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что водное извлечение после второго извлечения экстрактивных веществ и после осаждения пектиновых веществ отделяют фильтрованием через фильтр Шотта № 4.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к фармацевтической промышленности, касается способа производства инулина из растительного сырья, в частности из клубней топинамбура (Helianthus tuberosus L.), являющегося сельскохозяйственной культурой, для медицинских и пищевых целей.

Инулин - полисахарид, выполняющий роль основного запасного вещества некоторых дикорастущих и культивируемых растений (одуванчик, девясил, цикорий, георгин, топинамбур и др.). Диетологи относят инулин к числу водорастворимых пищевых волокон. В организме человека инулин не расщепляется ферментами в верхних отделах пищеварительного тракта, но, попадая в толстый кишечник, селективно гидролизуется и усваивается бифидобактериями, обеспечивая их активный рост и одновременно подавление развития патогенной микрофлоры, т.е. выполняет функции пребиотика. Прямым следствием пребиотического действия инулина является укрепление иммунитета и снижение риска развития рака кишечника. Пищевые продукты, содержащие инулин, нормализуют обменные процессы в организме человека. Их применяют для профилактики диабета и в диабетической диете. В связи с этим в последнее время на отечественном и мировом рынках продуктов питания возрастает спрос на инулин.

В нашей стране сырьем для получения инулина служит почти исключительно топинамбур (Helianthus tuberosus L.). В продажу поступает, преимущественно, так называемый «сырой» инулин - порошок светло-серого или светло-бурого цвета, загрязненный пектинами и фенольными производными. Очистка его связана со значительным удлинением технологического процесса и снижением выхода продукта, а также часто предполагает использование ацетона, солей свинца и других экологически небезопасных веществ (например, способ получения инулина. Пат. СССР № 2001621, Кл. А61К 35/78, А61К 31/715, 1992).

Известны способы получения инулина из различного растительного сырья: из клубней георгина (Методы химии углеводов /Пер. с англ. Под ред. H.К.Кочеткова. Изд. Мир, 1967. - С.370-371; Лазуревский Г.В. и др. Практические работы по химии природных соединений. Изд. Высшая школа. М. - 1966. - С.68-69); из корней и корневищ растений рода девясил (Способ получения инулина. А.с. СССР № 1214104, Кл. А61К 35/78, 1984); из инулинсодержащего сырья (Способ получения инулина. А.с. СССР № 487118, Кл. С 13/00, 3/00, 1973; Способ получения инулина из инулинсодержащего сырья. Пат. РФ № 2066965, Кл. A23L 1/236, 1995).

Известен ряд способов получения инулина из клубней топинамбура (Способ выработки инулинсодержащего раствора из топинамбура. Пат. РФ № 2398779, Кл. A23L 1/214, 2009; Способ получения инулина из клубней топинамбура. Пат. РФ № 2148588, Кл. С08В 37/00, 1998; Способ получения инулина. Пат СССР № 2001621, Кл. А61К 35/78, А61К 31/715, 1992). Однако ни в одном из них не приводится выход инулина от содержания его в сырье и степень чистоты полученного продукта от сопутствующих веществ. Такой инулин можно считать техническим или сырым продуктом, не пригодным для использования в медицинских и пищевых целях.

Известен способ получения инулина из клубней топинамбура для медицинских и пищевых целей (варианты) (Пат. РФ № 2131252, Кл. А61К 31/715, А61К 35/78, 1996, прототип). Наиболее близким к заявленному является способ получения инулина из сухих измельченных клубней топинамбура, включающий получение водных извлечений из сухих измельченных клубней топинамбура смешиванием их с горячей водой в соотношении 1:6, выдерживанием 12 часов для набухания при 70°С и извлечение экстрактивных веществ при 80°С, водное извлечение отделяют и еще трижды по 40 мин проводят извлечение водой в соотношении 1:4 с последующим объединением извлечений, затем их обрабатывают карбонатом кальция при 80°С в течение 60 мин, фильтруют, фильтрат упаривают, проводят кристаллизацию сырого инулина при 4°С в холодильнике в течение 5 суток после добавления спирта 1:1, отделяют осадок инулина, растворяют его в горячей воде при 75°С, дополнительно проводят очистку с помощью анионита, оксида алюминия, карбоната кальция с дальнейшей очисткой с помощью катионита и анионита с последующей кристаллизацией и переосаждением из водно-спиртовой смеси 1:3 при 40°С по 24 ч в холодильнике, продукт сушат и измельчают.

Известный способ позволяет получить химически чистый инулин. Однако из 1000 г сырых клубней топинамбура получают только 18 г порошка инулина, а для получения 1 кг продукта необходимо использовать 55,6 кг сырых клубней топинамбура. Процесс выделения и очистки включает более 30 операций и длится не менее 7 суток без учета времени на приготовление необходимых растворов и подготовку оборудования. При этом одна из последних операций - высушивание продукта на воздухе - не представляется осуществимой, поскольку инулин гигроскопичен.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке способа выделения очищенного инулина из растительного сырья, в частности из клубней топинамбура, который можно было бы использовать в медицине и для пищевых целей, отличающегося значительным сокращением времени осуществления процесса, многократно большим выходом продукта, меньшей технической сложностью и сокращением количества используемых реактивов.

Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в снижении себестоимости инулина, полученного заявленным способом из инулинсодержащего сырья, в частности топинамбура, и возможности удовлетворения спроса на инулин на отечественном и мировом рынках продуктов питания и в медицине.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе получения инулина из инулинсодержащего растительного сырья, в частности из клубней топинамбура, для медицинских и пищевых целей путем неоднократного извлечения экстрактивных веществ из водного экстракта исходного сырья при нагревании его с отделением каждый раз водного извлечения и последующим объединением водных извлечений, которые подвергают очистке осаждением пектиновых веществ солью кальция, после чего экстракционную смесь фильтруют, фильтрат упаривают и осаждают инулин, отделяют осадок инулина, растворяют его в горячей воде, дополнительно проводят очистку с помощью оксида алюминия с последующим осаждением инулина, продукт сушат и измельчают, извлечение экстрактивных веществ производят из предварительно измельченных сырых клубней топинамбура, при этом во время измельчения клубней топинамбура добавляют 96%-ный этанол для инактивации фермента инулазы, извлечение экстрактивных веществ производят дважды: при нагревании на кипящей водяной бане исходного сырья с дистиллированной водой в соотношении 1:2,5 в течение 20 минут с последующим охлаждением водного извлечения до комнатной температуры, при этом водный экстракт после первого извлечения экстрактивных веществ отделяют от твердого остатка фильтрованием, а твердый остаток дважды промывают горячей дистиллированной водой с температурой 95°, после чего твердый остаток используют как исходное сырье для извлечения экстрактивных веществ также при нагревании на кипящей водяной бане с дистиллированной водой в соотношении 1:5 в течение 20 минут с последующим охлаждением водного извлечения до комнатной температуры, водный экстракт при этом отделяют от твердого остатка фильтрованием, твердый остаток дважды промывают горячей дистиллированной водой с температурой 95°, в обоих случаях объединяя промывную воду с водным экстрактом, а осаждение пектиновых веществ из объединенного водного экстракта производят 40%-ным раствором хлорида кальция, осаждение инулина из фильтрата - охлажденным 96%-ным этанолом, осадок инулина перед растворением его в горячей воде дважды промывают небольшими порциями 96%-ного этанола, очистку водного раствора инулина адсорбцией примесей с помощью оксида алюминия проводят в течение 20 мин с последующим отделением сорбента и осаждением инулина из водного раствора пятикратным объемом пропанола -2, последующим отделением его из водного раствора фильтрованием и промыванием небольшими порциями пропанола -2, кроме того, полученный инулин подвергают сушке путем подсушивания в течение 2-х часов в сушильном шкафу при 80°С и досушивания в течение 12 часов над H₂ SO_4конц.. Кроме того, водное извлечение после первого извлечения экстрактивных веществ и инулин после осаждения его в водном экстракте, а также осадок очищенного инулина после повторного его осаждения отделяют каждый раз фильтрованием на воронке Бюхнера с применением плотного бумажного фильтра, а водное извлечение после второго извлечения экстрактивных веществ и после осаждения пектиновых веществ отделяют фильтрованием через фильтр Шотта № 4.

Заявленный способ выделения очищенного инулина из инулинсодержащего сырья, в частности из клубней топинамбура, направлен на максимально возможное выделение инулина и высокую степень очистки целевого продукта. Отличается от известных способов значительным сокращением времени осуществления процесса, многократно большим выходом продукта, небольшим числом технологических операций, меньшей технической сложностью, доступностью, дешевизной и сокращением количества используемых реактивов и оборудования.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где изображена схема, поясняющая способ получения инулина из растительного сырья, в частности из клубней топинамбура, для медицинских и пищевых целей.

Заявленный способ включает следующие операции:

1. Измельчение сырых клубней топинамбура с одновременным добавлением 96%-ного этанола в соотношении 2:1 для инактивации фермента инулазы. Полученное сырье используют как исходное для получения извлечений;

2. Извлечение экстрактивных веществ нагреванием на кипящей водяной бане исходного сырья с дистиллированной водой в соотношении 1:2,5 в течение 20 мин с последующим охлаждением водного извлечения до комнатной температуры;

3. Фильтрование полученного водного извлечения (водного экстракта) на воронке Бюхнера с применением плотного бумажного фильтра с последующим промыванием дважды небольшими порциями горячей дистиллированной воды с температурой 95°С твердого остатка на фильтре; получают твердый остаток и фильтрат с промывной водой;

4. Повторное извлечение экстрактивных веществ нагреванием на кипящей водяной бане твердого остатка с дистиллированной водой в соотношении 1:5 в течение 20 мин с последующим охлаждением водного извлечения до комнатной температуры;

5. Фильтрование полученного водного извлечения (водного экстракта) через фильтр Шотта № 4 с последующим промыванием дважды небольшими порциями горячей дистиллированной воды с температурой 95°С твердого остатка на фильтре; получают твердый остаток и фильтрат с промывной водой;

6. Объединение обеих порций фильтрата с промывной водой и последующее охлаждение его до комнатной температуры;

7. Осаждение хлоридом кальция пектиновых веществ из фильтрата с промывной водой (водного экстракта) путем добавления в него 40%-ного раствора хлорида кальция; получают буровато-серый осадок в водном экстракте - экстракционную смесь;

8. Фильтрование экстракционной смеси на фильтре Шотта № 4; получают фильтрат и буровато-серый осадок;

9. Упаривание фильтрата на водяной бане до объема первичного экстракта с последующим охлаждением до +5°С;

10. Осаждение инулина из охлажденного экстракта охлажденным 96%-ным этанолом путем вливания экстракта в охлажденный 96%-ный этанол; получают взвесь инулина в водной среде - экстракционную смесь;

11. Фильтрование экстракционной смеси на воронке Бюхнера; получают твердый осадок белого цвета - инулин;

12. Промывание (дважды) инулина небольшими порциями 96%-ного этанола;

13. Перевод инулина в водный раствор путем растворения его в горячей дистиллированной воде с температурой 95°С и последующее охлаждение водного раствора инулина до комнатной температуры;

14. Адсорбция примесей путем добавления оксида алюминия в водный раствор инулина с последующим встряхиванием и отстаиванием его в течение 20 мин;

15. Фильтрование водного раствора инулина с твердым сорбентом на воронке Бюхнера с отделением сорбента;

16. Осаждение инулина из водного раствора пятикратным объемом пропанола-2; получают взвесь инулина в водно-пропанольной среде;

17. Фильтрование на воронке Бюхнера с отделением белого осадка - инулина, который дважды промывают небольшими порциями пропанола-2; получают влажный очищенный инулин;

18. Подсушивание очищенного инулина в сушильном шкафу при 80°С в течение 2 часов;

19. Досушивание в эксикаторе над H ₂SO_{4 конц.} в течение 12 часов;

19. Измельчение продукта путем растирания в ступке, получают порошок белого цвета - инулин.

Пример конкретного осуществления заявленного способа

Навеску сырых клубней топинамбура или иного инулинсодержащего растительного сырья (корень одуванчика, корень цикория и др.) массой 20,00 г измельчают с добавлением 10 мл 96%-ного этанола в гомогенизаторе или фарфоровой ступке с кварцевым песком и количественно переносят в термостойкую сферическую колбу объемом 150 мл, приливают 50 мл дистиллированной воды и 20 минут нагревают на кипящей водяной бане. Затем колбу охлаждают до комнатной температуры и содержимое фильтруют на воронке Бюхнера с применением плотного бумажного фильтра. Твердый остаток на фильтре дважды промывают небольшими (5-6 мл) порциями горячей дистиллированной воды с температурой ~95°С и вместе с фильтром переносят в чистую термостойкую колбу на 150 мл и, добавив 50 мл дистиллированной воды, нагревают 20 мин на водяной бане, после чего охлаждают до комнатной температуры и фильтруют через фильтр Шотта № 4. Твердый остаток дважды промывают 5-6 мл горячей дистиллированной воды, объединяют обе порции фильтрата с промывной жидкостью и, охладив до комнатной температуры, при интенсивном перемешивании добавляют 5-6 капель 40% -ного раствора CaCl₂. Образовавшийся буровато-серый осадок отделяют на фильтре Шотта № 4, а фильтрат упаривают на водяной бане до объема 40-50 мл и, охладив до +5°С, тонкой струйкой при интенсивном перемешивании выливают в стакан с охлажденным 96%-ным этанолом (V=120 мл).

Выпавший белый осадок отфильтровывают на воронке Бюхнера, дважды промывают небольшими порциями 96%-ного этанола и растворяют в конической колбе 50 мл горячей дистиллированной воды, охлаждают до комнатной температуры, добавляют 2 г Al ₂O₃, закрывают пробкой и, встряхнув несколько раз, оставляют на 20 мин для адсорбции примесей. Бесцветный раствор отделяют от сорбента фильтрованием на воронке Бюхнера и при интенсивном перемешивании выливают в пятикратный объем пропанола-2. Выпавший белый осадок инулина отделяют на воронке Бюхнера, дважды промывают небольшими порциями пропанола-2.

Инулин подсушивают в течение 2 часов в сушильном шкафу при 80°С и для досушивания оставляют на 12 часов в эксикаторе над H₂SO_{4 конц}. Продукт растирают в ступке, получают порошок белого цвета - инулин.

Предлагаемым способом авторы выделяли инулин из сырых клубней топинамбура и свежего корня одуванчика лекарственного.

1. Из навески клубней топинамбура массой 20,00 г при содержании инулина 14,8% получили 1,72 г инулина. Выход составил 58,1%.

2. Из навески корня одуванчика массой 26,02 г при содержании инулина 25,5% получили 3,81 г инулина. Выход составил 49,8%.

Контроль чистоты инулина проводили методом хроматографии на бумаге.

Заявленный способ получения инулина из инулинсодержащего растительного сырья, в частности из клубней топинамбура, позволяет получить высокоочищенный инулин, соответствующий требованиям по содержанию примесей, предъявляемым к медицинским препаратам и для пищевых целей. Кроме того, разработанный способ является технологичным, что позволяет провести масштабирование процесса и осуществлять процесс в производственных условиях. Довольно высокий выход целевого продукта - 58% позволяет считать технологию высокоэкономичной.