способ получения пектина из растительного сырья

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕКТИНА ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ, включающий подготовку сырья, его кислотный гидролиз при атмосферном давлении и экстрагирование пектиновых веществ водой с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что гидролиз проводят в две стадии, причем первую осуществляют при остаточном давлении 0,20 0,85 кгс/см², температуре 50 90^oС, рН 1,5 4,0 в течение 0,5 1,0 ч, вторую при температуре 70 95^oС, рH 1,0 3,0 в течение 0,4 2,5 ч, а экстрагирование проводят при 40 80^oС в течение 0,4 1,5 ч при непрерывном перемешивании.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности, может быть использовано в кондитерской, консервной, хлебопекарной промышленности, фармакологии и медицине.

Известен способ получения пектина из растительного сырья, заключающийся в проведении процесса гидролиза протопектина при избыточном давлении [1] При помощи нагнетания воздуха в пространство над поверхностью гидролизата давление варьировали до 4 атм, а концентрацию кислоты снижали.

Однако положительного результата в отношении выхода и качества пектина получено не было вследствие деградации пектиновых веществ.

Известен также способ получения пектина, в частности, из свекловичного жома [2] включающий гидролиз-экстрагирование пектиновых веществ, отделение полученного экстракта, осаждение, очистку и сушку пектина.

Недостатком известного способа является невысокое качество и низкий выход полученного пектина вследствие гидролиза гликозидных и сложноэфирных связей, т.е. нарушения первичной структуры пектиновых веществ.

Кроме того, проведение процесса при высоком гидромодуле процесса 1: (15-16), необходимом для достижения требуемого показателя реакционной среды, приводит к значительным расходам химических реагентов и большой себестоимости целевого продукта.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ получения пектина из растительного сырья [3] при котором осуществляют подготовку растительного сырья к гидролизу, например набухание сырья водой, проводят гидролиз его соляной кислотой с рН 0,5-1,0 в течение 30-50 мин при температуре 70^оС, экстрагирование пектиновых веществ водой температурой 65-70^оС в течение 50 мин, концентрирование, охлаждение, осаждение пектина спиртом. Пектиновый коагулят отделяют от раствора прессованием и направляют на измельчение и сушку пектина.

Недостатком этого способа является проведение гидролиза пектиновых веществ при высокой концентрации кислоты (рН 0,5-1,0), что обусловливает деполимеризацию пектина в результате гидролиза гликозидных связей, т.е. деградацию полисахаридов, что приводит к низкому выходу полученного пектина и ухудшению его качественных показателей.

Целью изобретения является повышение выхода пектина, улучшение его качественных показателей и интенсификация процесса гидролиза-экстрагирования.

Это достигается тем, что в способе получения пектина из растительного сырья, включающем подготовку растительного сырья к гидролизу, гидролиз его в кислой среде, экстрагирование пектиновых веществ водой с последующим выделением целевого продукта, процесс гидролиза протопектина осуществляют в две стадии первую при остаточном давлении 0,20-0,85 кгс/см², температуре 50-90^оС в течение 0,5-1,0 ч и рН 1,5-4,0; вторую при атмосферном давлении, температуре 70-95^оС, рН 1,0-3,0 в течение 0,4-2,5 ч, а экстрагирование проводят водой температурой 40-80^оС при непрерывном перемешивании в течение 0,4-1,5 ч.

Способ осуществляют следующим образом.

Пектиносодержащее сырье (яблочные и цитрусовые выжимки, свекловичный жом и др.) подвергают промывке или набуханию водой до достижения влажности 90-95% Процесс гидролитического расщепления протопектина проводят в две стадии минеральной или пищевой кислотой, электроактивированной водой (ЭАВ) первую при остаточном давлении 0,20-0,85 кгс/см², температуре 50-90^оС в течение 0,5-1,0 ч и рН 1,5-4,0; вторую при атмосферном давлении, температуре 70-95^оС, рН 1,0-3,0 в течение 0,4-2,5 ч. По истечении времени процесса гидролиза осуществляют процесс экстрагирования водой температурой 40-80^оС при непрерывном перемешивании в течение 0,4-1,5 ч. Полученную гидролизную массу разделяют одним из способом механической фильтрации, концентрируют до содержания пектиновых веществ 1,5-3,5% в зависимости от вида сырья. Из концентрата пектиновые вещества выделяют известными способами, в частности осаждением алифатическими спиртами. Полученный пектиновый коагулят отпрессовывают, измельчают и сушат до кондиционной влажности.

Проведение процесса гидролитического расщепления протопектина в две стадии при разрежении (остаточном давлении) и атмосферном давлении обусловливает интенсификацию процесса гидролиза, увеличение выхода целевого вещества и улучшение его качественных показателей.

При воздействии остаточного давления на пектиносодержащее сырье происходит т.н. "вакуумное расширение" растительной клетки. Последнее заключается в том, что частицы сырья увеличиваются в объеме вследствие расширения воздуха, содержащегося в межклеточных пространствах растительной ткани. Пектиносодержащее сырье отличается разным содержанием воздуха в межклетниках, разной эластичностью клеточных стенок, различным химическим составом и пр. Поэтому для оптимального проведения процесса гидролитического расщепления протопектина величина остаточного давления дифференцируется в зависимости от коэффициента вакуумного расширения, представляющего собой приращение объема сырья при вакуумизации, выраженное в процентах к первоначальному объему сырья (К_в.р.). Для сырья с низким К_в.р. необходимо применять остаточное давление 0,2-0,6 кгс/см², для сырья со средним и высоким К_в.р. рекомендуется остаточное давление в интервале 0,6-0,85 кгс/см².

Таким образом, физико-химические свойства перерабатываемого пектиносодержащего сырья ограничивают эффективность механического эксгаустирования пределами 0,20-0,85 кгс/см².

Проведение процесса гидролиза при остаточном давлении более 0,85 кгс/см² не обеспечивает достаточного увеличения скорости проникновения гидролизующего агента (кислотно-водного раствора; электроактивированной воды) в пористую частицу пектиносодержащего сырья, что обусловливает необходимость увеличения продолжительности процесса. Снижение величины остаточного давления (менее 0,20 кгс/см²) приводит к разрушению структуры капиллярно-пористого тела, что приводит к увеличению содержания балластных по отношению к пектину веществ в экстракте и ухудшению чистоты целевого продукта, усложняет также разделение гидролизной массы. Кроме того, увеличиваются энергозатраты на создание такого глубокого вакуума.

Проведение второй стадии при атмосферном давлении обусловлено тем, что воздух при вакуумном расширении не успевает выйти из межклеточных ходов и выходит из него при отключении вакуума. Увеличивается давление внутри клетки, которая вакуум как бы "поглощает", возникает явление, названное "вакуумным поглощением".

Следует отметить, то двухстадийный процесс гидролитического расщепления протопектина позволяет значительно сократить объем жидкой фазы при проведении гидролиза, а следовательно, и расход химических реагентов, т.к. создаются условия для хорошего массообмена.

С учетом изотропности растительного сырья и свойства гидролизующего агента как смачивающей жидкости по отношению к сушеному сырью полнота и скорость заполнения капилляров будут зависеть от температуры и рН среды, продолжительности контакта сырья с жидкостью, разности осмотического давления клеточного сока и тургорного (гидростатического) давления в клетке, размера пор.

Проведение первой стадии гидролиза при температуре менее 50^оС не обеспечивает достаточной скорости заполнения пор гидролизующим агентом вследствие незначительного снижения вязкости проникающей жидкости. Экспериментально установлено, что продолжительность поглощения проникающей жидкости (например ЭАВ), в частности, для свекловичного жома при снижении относительной вязкости от 0,8 (t 50^оС) до 0,16 (t 90^оС) уменьшается соответственно с 30 до 8 мин. Проведение гидролиза под разрежением при температуре более 90^оС приведет к деполимеризации пектиновых веществ.

При значении рН менее 1,5 и наличии остаточного давления происходит гидролиз гликозидных связей, преимущественно расщепляется -рамнозилгликозидная связь. При повышении рН более 4,0 происходит омыление сложноэфирных групп, сопровождающееся расщеплением полимерной цепи посредством -элиминации. Проведение процесса вакуумизации более 1,0 ч приводит к расщеплению пектиновых веществ до мономеров, большим энергозатратам, менее 0,5 ч к низкому выходу целевого продукта.

Увеличение температуры до 70-95^оС на второй стадии гидролиза является одним из способов активирования пектиновых молекул. При температуре менее 70^оС скорость химического превращения протопектина низка, т.к. число активных молекул меньше. Повышение температуры более 95^оС увеличивает движущую силу процесса (энергия активации снижается). Однако в значительной степени возрастает опасность термической деградации пектина и ухудшения его качества.

Снижение рН среды до 1,0-3,0 обусловлено необходимостью извлечения карбоксилсвязанных пектиновых веществ и протопектина. Проведение гидролиза при рН более 3,0 не обеспечивает высокого выхода целевого продукта; извлекаются только лишь пектиновые вещества, связанные механически и посредством водородных связей, которые составляют 5-10% от суммы пектиновых веществ. Проведение процесса гидролитического расщепления при рН менее 1,0 приводит к деструкции пектина вследствие деполимеризации рамнозильных и галактуронпиранозильных звеньев.

Увеличение продолжительности второй стадии гидролиза более 2,5 ч вызывает ухудшение качественных показателей пектина, структуры сырья, что в последующем снижает эффективность экстрагирования пектиновых веществ.

Уменьшение времени гидролиза менее 0,4 ч не позволяет достигнуть требуемой степени гидролиза (90-95%).

Основным интенсифицирующим фактором процесса массообмена в системе пектиносодержащее сырье экстрагент является температура. С повышением температуры выше 80^оС увеличивается движущая сила процесса, но уменьшается мол.м. пектиновых веществ вследствие термической деградации, а следовательно, и студнеобразующая способность. Уменьшение температуры ниже 40^оС не обеспечивает существенного снижения структурной вязкости пектина, что приводит к ухудшению массообмена и снижению степени экстрагирования.

Другим интенсифицирующим фактором является непрерывное перемешивание смеси сырья и экстрагента (воды) в процессе экстрагирования пектиновых веществ. Оно обеспечивает наилучшие гидродинамические условия: частицы сырья не слеживаются, обеспечивается их постоянное и интенсивное омывание экстрагентом, за счет чего улучшаются условия массообмена, увеличивается движущая сила процесса экстрагирования и достигается больший выход пектина.

Проведение процесса экстрагирования более 1,5 ч вызывает увеличение приведенной вязкости, что уменьшает движущую силу процесса, поскольку при продолжительности процесса более 1,5 ч вследствие непрерывного перемешивания сырья начинается механическое разрушение растительной ткани, что приводит к загрязнению пектинового экстракта коллоидными частицами сырья, а также затрудняет процесс разделения смеси после экстрагирования. При продолжительности экстрагирования менее 0,4 ч выход пектина снижается из-за низкой степени экстрагирования (этого времени недостаточно для перехода пектиновых веществ в экстрагент).

П р и м е р 1. Сушеные яблочные выжимки подвергают процессу промывки-набухания до достижения влажности 90% Гидролиз осуществляют в 2 стадии первую при остаточном давлении 0,85 кгс/см², температуре 90^оС, рН 4,0 в течение 1,0 ч, соотношение гидролизующего агента (раствор соляной кислоты) и набухающего сырья 1:1, вторую при атмосферном давлении, температуре 70^оС, рН 1,0 в течение 0,4 ч. Процесс ведут в одном и том же аппарате. По истечении указанного времени в гидролизатор вводят воду в заданном количестве (Г 1:1 по массе набухшего сырья) температурой 40^оС и проводят при непрерывном перемешивании процесс экстрагирования в течение 1,5 ч. Содержание пектиновых веществ в экстракте при таких параметрах составляет 1,1% Полученный экстракт концентрируют до содержания пектиновых веществ 3,0% охлаждают до 20^оС и осаждают пектин спиртом. Пектиновый коагулят отпрессовывают, измельчают и сушат до влажности 11%

Выход пектина составляет при таких параметрах 12% студнеобразующая способность его 600-700 мм рт.ст.

П р и м е р 2. Сушеные яблочные выжимки после проведения процесса промывки направляют на процесс гидролиза. Первую стадию осуществляют при остаточном давлении 0,20 кгс/см², температуре 50^оС, рН 4,0 в течение 0,5 ч, вторую при атмосферном давлении, Г 1:0,5, температуре 95^оС, рН 3,0 в течение 2,5 ч. Экстрагирование проводят водой температурой 80^оС при непрерывном перемешивании в течение 0,4 ч.

Остальные технологические стадии осуществляют аналогично примеру 1. При таких параметрах выход пектина составляет 10% студнеобразующая способность 550-580 мм рт.ст.

П р и м е р 3. Свежий свекловичный жом промывают водой температурой 40^оС в течение 0,5 ч для удаления водорастворимых балластных веществ. Промытый жом прессуют до влажности 86% Гидролиз проводят электроактивированной водой в две стадии первую при остаточном давлении 0,85 кгс/см², температуре 70^оС, рН 2,5, соотношении сырья и ЭАВ 1:2 в течение 1,0 ч; вторую при атмосферном давлении, температуре 80^оС, рН 1,0 в течение 1,0 ч. По окончании второй стадии гидролиза в гидролизатор добавляют воду в количестве 1,1 ч. воды на 1 ч. промытого и отпрессованного свекловичного жома, температура воды 60^оС. Пектиновые вещества экстрагируют в течение 0,6 ч при непрерывном перемешивании. Пектиновый экстракт отделяют от прогидролизованного сырья фильтрованием, содержание пектиновых веществ в экстракте составляет 0,9% Пектиновый экстракт концентрируют до содержания пектиновых веществ 2,5% охлаждают до температуры 20^оС, осаждают пектин спиртом, измельчают и сушат. Выход пектина составляет 12,1% студнеобразующая способность 480 мм рт.ст.

П р и м е р 4. Сушеный свекловичный жом промывают водой и проводят его набухание в течение 0,5 ч и температуре 50^оС. По окончании процесса воду сливают, а жом с влажностью 82% гидролизуют при параметрах, указанных в примере 3. Остальные операции по получению пектина проводят аналогично примеру 3. При таких параметрах выход пектина составляет 13,2% студнеобразующая способность 500 мм рт.ст.

П р и м е р 5. Измельченные шляпки подсолнечника промывают водой температурой 40^оС в течение 0,5 ч для удаления балластных веществ и минеральных примесей, отделяют промывную воду. Гидролиз проводят ЭАВ в две стадии первую при остаточном давлении 0,20 кгс/см², рН 1,5, соотношении сырья и ЭАВ 1:3 в течение 1,0 ч; вторую при атмосферном давлении, температуре 95^оС, рН 1,0 в течение 2,5 ч. Для проведения экстрагирования в гидролизатор добавляют воду в количестве 1,5 ч. воды на 1 ч. промытого сырья, температура воды 70^оС. Продолжительность экстрагирования 1,5 ч при перемешивании в течение 15 мин через каждые 5 мин процесса. Содержание пектина в полученном экстракте составляет 1,2% Далее процессы получения пектина осуществляют по примеру 1.

Выход пектина составляет 14% студнеобразующая способность 400-450 мм рт. ст.

П р и м е р 6. Получение пектина ведут из кормовой свеклы при параметрах примера 4. Выход пектина составляет 12% студнеобразующая способность 400-420 мм рт.ст.