СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТОЦИАНОВ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
METHOD OF OBTAINING ANTOCIANADIN FROM PLANT RAW MATERIALS

Изобретение относится к пищевой, фармацевтической и косметологической отраслям промышленности, в частности к производству сухих очищенных субстанций антоцианов. Полученные предлагаемым способом формы могут быть использованы как добавка - колорант с высокими антиоксидантными свойствами для пищевой, фармацевтической и косметологической промышленности.
Антоцианы, относящиеся к группе флавоноидов, известны и применяются, с одной стороны, как природные пигменты, а с другой - как биологически активные соединения.
В качестве источника антоцианов может быть использовано любое антоциансодержащее сырье: ягоды и фрукты, например паслен садовый, все части растений красной кукурузы, листья и цветки различных растений [П.Н. Саввин, Е.В. Комарова, В.М. Болотов, Е.С. Шичкина. Иследование натуральных каротиноидно-антоциановых красителей // Химия растительного сырья. 2010. №4. С. 135-138].
Антоцианы обладают широким спектром биологического действия. Они сочетают в себе антиоксидантные, бактерицидные, солнцезащитные свойства [Сизова Н.В. Биофлавоноиды - антиоксиданты, имуномодуляторы, капиляропротекторы. Сырье и упаковка. Вып. 22. N.5. С. 17-18.]
Одним из условий эффективного применения антоцианов в качестве биологически активных компонентов в лечебно-косметических составах является их чистота.
Известен способ получения порошка из ежевики [CN 102488158 (А) Blackberry anthocyanin microcapsules and preparation method thereof]. По данному способу для экстракции антоцианов из ягод ежевики использовали лимонную кислоту, для создания рН 3,0-3,4 добавляли буфер. В качестве матрицы добавляли аравийскую камедь и бета-циклодекстрин, или гуммиарабик и мальтодекстрин, или гуммиарабик пористый. Смесь гомогенизировали при давлении 35 МПа, так чтобы получить стабильную эмульсию. Для предотвращения слипания добавляли агент, который представляет собой микрокристаллическую целлюлозу, перемешивали в течение 1-2 ч. Распылительную сушку проводили при скорости подачи потока 5-50 mL/мин, температура подачи 30-50°С, температура воздуха на входе 100-200°С, и температура воздуха на выходе из 50-85°С. Полученные микрокапсулы стабильны и подходят для использования в пищевой промышленности, для получения медицинских препаратов, косметики и др.
Главный недостаток вышеприведенного решения заключается в том, что экстракты, полученные из ежевики и использованные для получения микрокапсул, не подвергались очистке от сопутствующих экстрактивных веществ, что ухудшает многие характеристики полученного продукта: сроки хранения, чистоту продукта и содержание активных компонентов - антоцианов.
Известен способ получения сухих форм антоцианов, которые могут быть использованы в пищевой промышленности, для получения медицинских препаратов, косметики и др. (Патент РФ 2624416 от 03.02.2016), включающим экстракцию антоцианов из растительного сырья, смешивание экстракта антоцианов с матрицей и распылительную сушку, причем экстракцию проводят экстрагентом - 0,1 М водным раствором соляной кислоты, после чего полученный экстракт фильтруют, очищают от балластных веществ и упаривают. Затем к матрице, в качестве которой используют мальтодекстрин или арабиногалактан, добавляют полученный очищенный концентрат антоцианов в соотношении концентрат антоцианов и матрица от 1:9 до 1:99, смесь перемешивают до получения однородной массы и подвергают высушиванию методом распылительной сушки при следующих параметрах: скорость впрыска - 600 мл/час; расход воздуха - 9 м3/мин; температура впрыска - 120°С; температура на выходе - 70-80°С.
Технической проблемой является разработка эффективного процесса экстрагирования антоцианов из растительного сырья с высоким выходом и чистотой целевого продукта.
Техническим результатом от использования разработанного способа является сокращение времени процесса и увеличение степени извлечения антоцианов на единицу массы сырья, обладающих широким спектром биологического действия.
Техническая проблема решается и технический результат достигается тем, что в способе получения антоцианов из растительного сырья, предусматривающем измельчение исходного сырья, экстрагирование, ультразвуковую обработку в процессе экстрагирования, отделение экстракта и его концентрирование, в качестве исходного сырья берут антоциансодержащую массу картофеля фиолетового после извлечения крахмала, осуществляют экстрагирование шрота смесью водных растворов 70% этилового спирта и 0,5-1% соляной кислоты, при соотношении экстрагента к сырью 10-15:1.
В качестве исходного сырья используют шрот - антоциансодержащую массу картофеля фиолетового, после извлечения крахмала.
Крахмал извлекают путем отжима измельченной массы сырого картофеля, например по способу. Т.В. Марчевская. «Хранение и переработка плодов, овощей и картофеля» Волго-Вятское кн. изд., г. Горький, 1971 г.
Проводят экстрагирование шрота путем обработки в виброкавитационном гомогенизаторе в растворе экстрагента при температуре 40-50°С с получением смеси шрота с экстрагентом.
Осуществляют трехкратную обработку смеси шрота с экстрагентом в виброкавитационном гомогенизаторе и емкости с ультразвуковым генератором. При первом проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором подают шрот с экстрагентом в количестве 5-7 мас % от расхода подаваемого экстрагента, при втором проходе добавляют еще 3-5 мас % от расхода подаваемого экстрагента и при третьем проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором подают оставшиеся 2-3 масс %, после упомянутой трехкратной обработки смесь направляют на фильтрование, шрот удаляют, а очищенный от твердой фазы экстракт направляют на выпаривание под вакуумом при температуре 50-60°С.
Экстрагирование путем обработки в виброкавитационном гомогенизаторе проводят при температуре 40-50°С.
Из концентрированного раствора путем сублимационной сушки при остаточном давлении 1-2 мм.рт.ст. и температуре - 45-50°С получают сухой порошок, содержащий кон цен грат антоцианов.
Способ иллюстрируется на схеме, приведенной на рис. 1. где 1 - емкость с исходной смесью углеводородов и воды; 2, 6, 8, 9 - краны; 3 - емкость шрота со шнековым дозатором; 4 - виброкавитационный гомогенизатор; 5 - емкость с ультразвуковым генератором; 7 - насос; 8, 9 - краны.
Экстрагент, представляющий собой раствор 70% этилового спирта и 0,5-1% соляной кислоты из емкости 1 подают, открывая кран 2 во всасывающий трубопровод виброкавитационного гомогенизатора 4, в этот же трубопровод дозируют с помощью шнекового дозатора из емкости 3 массу картофеля фиолетового после извлечения крахмала (шрот). В виброкавитационном гомогенизаторе с вращающимся рабочим ротором и перфорированной поверхностью и неподвижным рабочим элементом статором, частицы шрота интенсивно измельчаются до 10-20 мкм и интенсивно перемешиваются с экстрагентом до образования гомогенной двухфазной системы. При этом резко возрастает поверхность контакта фаз, что существенно повышает извлечение антоцианов из твердой фазы. Полученная смесь поступает в емкость с ультразвуковым генератором 5 и подвергается воздействию ультразвукового поля, что значительно интенсифицирует процесс. Затем открывая кран 6 полученную смесь с помощью насоса 7 выгружают из емкости и подают в емкость 1 на следующий цикл обработки, при этом циркуляция смеси экстрагента с частицами сырья через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором составляет не менее трех раз. При первом проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором подают частицы шрота в количестве 5-7 мас % от расхода подаваемого экстрагента, при втором проходе добавляют еще 3-5 мас % от расхода подаваемого экстрагента и при третьем проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором подают оставшиеся 2-3 масс %.
Таким образом, циркуляция полученной смеси через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором составляет не менее трех раз. Высокая скорость вращения ротора виброкавитационного гомогенизатора создает центробежную силу, которая отбрасывает смесь жидкой и твердой фаз на стенки статора с большим ускорением, не менее 1000 g. При этом происходит первичное дробление растительного сырья на мелкие фракции, менее 0,3 мм в зазоре между ротором и статором, который составляет не более 0,5 мм, обеспечивая формирование пленки жидкости, содержащей частицы твердой фазы, толщина этой пленки не превышает 0,3 мм. В этой пленке и происходит интенсивное дробление смеси жидкой и твердой фазы, которая циркулирует по контуру между виброкавитационным гомогенизатором с емкостью с ультразвуковым генератором и емкостью исходной смеси до образования тонкодисперсной смеси, с размером частиц экстрагента и растительного сырья в пределах 15-25 мкм. Наличие частиц твердой фазы таких размеров обеспечивает высокую поверхность контакта фаз и, следовательно, высокую интенсивность массообмена при последующей ультразвуковой обработке.
Предложенный способ экстрагирования смеси из растительного сырья с помощью виброкавитационного гомогенизатора с перечисленными выше параметрами работы, обеспечивает устойчивое разрушение клеточных оболочек сырья и способствует повышению выхода антоцианов из цитоплазмы клеток в экстракционную смесь. В поле ультразвуковых колебаний в экстрагенте возрастает растворимость антоциановых соединений в экстрагенте.
Температурный режим экстрагирования путем обработки в виброкавитационном гомогенизаторе при температуре 40-50°С является оптимальным для сохранения молекул антоцианов в нативном состоянии. Длительность каждого цикла переработки сырья составляет 5-7 мин. Затем после последнего цикла из емкости с ультразвуковым генератором 5, открывая кран 8 смесь направляют на фильтрование (центрифугирование), шрот удаляют, а очищенный от твердой фазы экстракт направляют на выпаривание под вакуумом при температуре 50-60°С. Полученный таким способом сгущенный экстракт, представляет собой прозрачную густую жидкость фиолетового цвета, полностью растворимую в воде и водных растворах этилового спирта. Далее сгущенный экстракт подвергают сублимационной сушке при остаточном давлении около 1-2 мм.рт.ст. и температуре около - 50 град. Цельсия. Полученный в результате сушки продукт, подвергали дроблению с получением частиц размером 0,05-0,15 мм фиолетового цвета, хорошо растворимых в воде. Продукт обладает хорошей сыпучестью, так как он обладает высокой гигроскопичностью, то его хранят в плотноупакованной таре, чтобы влага из воздуха не проникала в продукт.
Его можно применять в качестве фитопрепарата, при нарушении "сумеречного зрения", повышенных зрительных нагрузках, дегенеративных заболеваниях сетчатки (в т.ч. диабетическая ретинопатия), в комплексной терапии начальных стадий гипертонической болезни и атеросклероза. Кроме того, в качестве БАД при тех же проблемах со зрением, при отеках (задержке воды), при повышенном употреблении белков и углеводов, при склонности к избыточному весу, а также как пищевой краситель (антоцианы идут под кодом разрешенных пищевых добавок - Е163).
Разработанный способ получения антоцианов из растительного сырья поясняется примерами.
ПРИМЕР 1.
В качестве исходного сырья использовали антоциансодержащую массу картофеля фиолетового, оставшуюся после извлечения крахмала,
Из 100 г массы сырого картофеля после извлечения крахмала получают шрота 70% по массе.
Шрот антоциансодержащей массы картофеля фиолетового с размером частиц 1-2 мм, смешивают с экстрагентом - 70% этиловым спиртом в смеси с 1% соляной кислоты.
Количество экстрагента в соотношении к исходному сырью 10:1.
2
Полученную смесь подают с расходом 6000 кг в час в виброкавитационный гомогенизатор при скорости вращения ротора, создающего центробежное ускорение 1600 g. и зазоре между ротором и статором, который составляет 0,25 мм., обработку проводят при температуре 40-50°С. Частицы шрота интенсивно измельчаются до 10-20 мкм и интенсивно перемешиваются с экстрагентом до образования гомогенной двухфазной системы. Полученная смесь поступает в емкость с ультразвуковым генератором и подвергается воздействию ультразвукового поля с интенсивностью 2 Вт/см и частотой 22 кГц.
Осуществляют трехкратную обработку смеси шрота с экстрагентом в виброкавитационном гомогенизаторе и емкости с ультразвуковым генератором.
При первом проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором подают шрот в количестве 5% от расхода подаваемого экстрагента, при втором проходе добавляют еще 3% от расхода подаваемого экстрагента и при третьем проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым гене ротором подают оставшиеся 2%, при этом общее время экстрагирования за все три прохода составляет 15-20 минут.
Далее смесь направляют на фильтрование (центрифугирование), шрот удаляют, а очищенный от твердой фазы экстракт направляют на выпаривание под вакуумом при температуре 50-60°С. Полученный таким способом сгущенный экстракт, представляет собой густую жидкость, фиолетового цвета, полностью растворимую в воде и водных растворах этилового спирта. Далее сгущенный экстракт подвергают сублимационной сушке при остаточном давлении около 1-2 мм.рт.ст. и температуре около - 50°С. Полученный в результате сушки измельчают до порошкообразного состояния и хранят в плотноупакованной таре, чтобы влага из воздуха не проникала в продукт. Полученный продукт после измельчения имеет размер 0,05-0,15 мм и обладает хорошей сыпучестью и быстрой растворимостью.
Из 100 граммов шрота получается 3,15 грамма сухого экстракта (порошок с остаточной влажностью не более 5%, содержащий антоцианы с выходом около 1-2% + смесь прочих экстрактивных веществ - сахаров, белков, аминокислот, стеринов, витаминов, флавоноидов, кислот, липидов, микро- и макроэлементов).
Содержание антоцианов в готовом сухом порошке составило 1,5 г на 100 г сухого порошка.
Степень извлечения экстрактивных веществ на единицу массы сырья составила 99,4%.
Содержание антоцианов в готовом сухом порошке и сохранность антоцианов в готовой форме во времени определяли спектрофотометрическим методом.
Спектральные характеристики свидетельствовали о высокой чистоте полученного продукта.
ПРИМЕР 2.
2
Полученную смесь полают с расходом 6000 кг в час в виброкавитационный гомогенизатор при скорости вращения ротора, создающего центробежное ускорение 1600 g. и зазоре между ротором и статором, который составляет 0,25 мм., обработку проводят при температуре 40-50°С. Частицы массы сырья интенсивно измельчаются до 10-20 мкм и интенсивно перемешиваются с экстрагентом до образования гомогенной двухфазной системы. Полученная смесь поступает в емкость с ультразвуковым генератором и подвергается воздействию ультразвукового поля с интенсивностью 2 Вт/см и частотой 22 кГц
Осуществляют трехкратную обработку смеси шрота с экстрагентом в виброкавитационном гомогенизаторе и емкости с ультразвуковым генератором.
Количество экстрагента в соотношении к исходному сырью 15:1.
При первом проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым генератором подают шрот в количестве 7% от расхода подаваемого экстрагента, при втором проходе добавляют еще 5% от расхода подаваемого экстрагента и при третьем проходе через виброкавитационный гомогенизатор и емкость с ультразвуковым гене ротором подают оставшиеся 3%, при этом общее время экстрагирования за все три прохода составляет 15-20 минут.
Далее смесь направляют на фильтрование (центрифугирование) шрот удаляют, а очищенный от твердой фазы экстракт направляют на выпаривание под вакуумом при температуре 50-60°С. Полученный таким способом сгущенный экстракт, представляет собой густую жидкость, фиолетового цвета, полностью растворимую в воде и водных растворах этилового спирта. Далее сгущенный экстракт подвергают сублимационной сушке при остаточном давлении около 1-2 мм.рт.ст. и температуре около - 50°С. Полученный в результате сушки измельчают до порошкообразного состояния и хранят в плотноупакованной таре, чтобы влага из воздуха не проникала в продукт. Полученный продукт после измельчения имеет размер 0,05-0,15 мм и обладает хорошей сыпучестью и быстрой растворимостью.
Содержание антоцианов в готовом сухом порошке составило 1,8 г на 100 г сухого порошка.
Степень извлечения экстрактивных веществ на единицу массы сырья составила 99,5%.
Содержание антоцианов в готовом сухом порошке и сохранность антоцианов в готовой форме во времени определяли спектрофотометрическим методом.
Спектральные характеристики свидетельствовали о высокой чистоте полученного продукта.