ИЗВЛЕЧЕНИЕ ФЛАВОНОИДСОДЕРЖАЩИХ КОМПЛЕКСОВ ИЗ ШРОТА ОБЛЕПИХИ

УДК 66.021.3

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ФЛАВОНОИДСОДЕРЖАЩИХ КОМПЛЕКСОВ ИЗ

ШРОТА ОБЛЕПИХИ

А.А. Кухленко, М.С. Василишин, В.В. Будаева, С.Е. Орлов, О.С. Иванов

Исследована кинетика экстракции флавоноидсодержащих комплексов из шрота облепихи в емкостном аппарате с перемешивающим устройством и в установке с роторно-пульса-ционным аппаратом. Проведены эксперименты по получению экстракта при многократном использовании экстрагента. Установлено, что проведение процесса в установке с роторно-пульсационным аппаратом с многократным использованием экстрагента позволяет увеличить полноту извлечения флавоноидсодержащих комплексов примерно на 20 % по сравнению с традиционно используемым оборудованием емкостного типа.

Ключевые слова: роторно-пульсационный аппарат, экстракция, флавоноидсодержащие комплексы, шрот облепихи.

ВВЕДЕНИЕ

Флавоноиды являются незаменимыми компонентами пищи, многие из которых обладают к тому же антимикробными и антибактериальными свойствами. В этой связи приготовление дешевых и эффективных биоконцентратов на основе флавоноидсодержащих комплексов является актуальной задачей. В настоящее время в качестве одного из источников для получения флавоноидов рассматриваются отходы производства масла, вин и соков из плодов облепихи.

Традиционно для извлечения флавоноидов из шрота облепихи используется оборудование емкостного типа [1-3], которое, к сожалению, обладает существенными недостатками. Такие аппараты малоэффективны, громоздки и сложны в обслуживании. Они используются, в основном, в производстве небольших партий фармацевтических препаратов, настоев, морсов и др.

Повышение эффективности процесса извлечения флавоноидовов возможно как путем внедрения в технологический цикл более эффективного оборудования такого, как, например, роторно-пульсационные аппараты (РПА) [4], так и за счет организации процесса экстрагирования по противоточной схеме [5, 6].

Проведение экстрагирования по проти-воточной схеме предполагает многократное использование экстрагента для извлечения флавоноидсодержащих комплексов, и исследование роста концентрации в экстракте необходимо для определения количества ступеней при организации такой схемы.

В связи с этим целью настоящей работы является экспериментальное исследование

кинетики образования флавоноидсодержащих комплексов в экстракте при его многократном использовании в качестве экстрагента при проведении процесса в установке с РПА.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве растительного сырья использовали реальные заводские отходы переработки облепихи - шрот, полученный после удаления сока и исчерпывающего извлечения масла. Данное сырье представляет собой смесь очень твердой косточки, находящейся под кожицей ягоды. Такие частицы обладают высокой твердостью [7].

В качестве экстрагента во всех опытах нами использовался 60%-ный раствор водного этилового спирта.

Массовую долю экстрактивных веществ, извлеченных 60%-ным спиртом, определяли по методике [8]. Массовую долю флавоноидов - спектрофотометрическим методом в виде комплекса с хлористым алюминием (длина волны максимума поглощения в области 400-420 нм) на приборе «и^2450» фирмы «Shimadzu» с обязательным построением калибровочного графика для рутина [9, 10]. В качестве меры концентрации массовой доли сухих веществ принималась оптическая плотность экстракта на указанных длинах волн.

Первоначально проводили экстракцию в емкостном аппарате с перемешивающим устройством объемом 5 л при температуре 20°С в течение 60 мин при соотношениях экс-трагент: сырье - 100:1; 10:1. В процессе экстракции через определенные промежутки времени отбирали пробы и определяли массовую долю сухих веществ в экстракте гравиметри-

ческим способом [11] и массовую долю флаво-ноидов в нем в пересчете на рутин.

Следующие эксперименты по извлечению флавоноидсодержащих комплексов проводили в установке с РПА, описание которой подробно приведено в работах [12, 13]. При этом длительность извлечения составляла те же 60 мин, а соотношение экстрагент: сырье - 100:1; 50:1 при температуре 20 °С. Аналогичным образом отбирали пробы, и анализировали массовые доли сухих веществ и флавоноидов.

Дальнейшие эксперименты с многократным использованием экстракта проводили следующим образом. Экстракт, полученный на предыдущей стадии извлечения флавоно-идсодержащих комплексов в установке с РПА, после фильтрации направляли на обработку свежей порции сырья (использовали его в качестве экстрагента), сохраняя при этом соотношение экстрагент: сырье - 100:1. Время обработки суспензии на каждой стадии не превышало 18 мин, при этом через каждые 4,5 мин эксперимента отбирались пробы и определяли массовые доли сухих веществ и фла-воноидов. Таким путем было проведено десятикратное использование экстракта.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Из приведенных на рисунке 1 результатов по извлечению флавоноидсодержащих комплексов из шрота облепихи видно, что проведение экстракции в установке с РПА дает больший выход целевого компонента из частиц растительного сырья в сравнении с опытом в емкостной аппаратуре.

аЬэ

( \ \ ——

---

/ ч

! / , 2

; ; /

; 1

1 - экстракция в установке с РПА; 2 -

экстракция в емкостном аппарате Рисунок 1 - Зависимости оптической плотности экстракта от времени обработки

Из графиков также следует, что экстрагирование в установке с РПА протекает гораздо быстрее, чем в емкостном аппарате. Так, в

установке с РПА процесс извлечения практически заканчивается спустя 5 мин от его начала и дальнейшее проведение опыта не приводит к сколько-нибудь значительному приросту оптической плотности экстракта. При проведении экстракции в емкостной аппаратуре видно, что кинетика этого процесса более затянута во времени и прирост оптической плотности длится на всем протяжении опыта.

Быстрой экстракции флавоноидсодержащих комплексов из шрота во многом способствует измельчение сырья при его попадании в РПА. Нами по методике, изложенной в [14], были смоделированы изменения дисперсного состава и площади поверхности частиц шрота при его прохождении через рабочие органы РПА. Результаты расчетов приведены на рисунках 2 и 3.

О) —I

И Я

си и Оч £ К т

1,5

0,5

0-1

Г

1 2

1 г

I

о

1 2

Размер частиц, мм

Рисунок 2 - Исходный (1) и расчетный (2) фракционные составы (по массе) шрота облепихи после 60 мин обработки сырья в установке с РПА

Рисунок 3 - Изменение площади поверхности частиц шрота облепихи в процессе его измельчения в установке с РПА.

Согласно представленным на рисунке 2 экспериментальным данным видно, что в результате обработки в РПА фракционный состав претерпевает значительные изменения.

Так, если до начала эксперимента доля фракции 1,0 - 2,5 мм составляла 35,8 %, то спустя первые 5 мин обработки доля этой фракции уменьшилась до 1,0 - 1,2 % от общей массы. При этом доля фракции 0,63 - 1,0 мм возросла, примерно, на 34,8 - 35,0 %. Несмотря на небольшое увеличение площади поверхности частиц в процессе обработки в установке с РПА (рисунок 3), что объясняется изначально большим количеством частиц мелкой фракции (менее 0,63 мм - 43,2 %), наблюдается довольно заметный прирост по оптической плотности экстракта, полученного в установке с РПА (рисунок 1). Такой результат хорошо согласуется с ранее полученным нами результатом по экстрагированию арабиногалактана и инулина [15]. Таким образом, можно утверждать, что измельчение сырья при его прохождении через рабочие органы РПА способствует более полному извлечению целевого компонента из частиц растительного сырья.

Уменьшение соотношения экстрагент: сырье существенно упрощает концентрирование жидких экстрактов на следующей стадии технологического цикла. Результаты опытов при уменьшении соотношения экстрагент: сырье с 100:1 до 50:1 представлены на рисунке 4.

Э, аЬэ

\

\

1 и.

О 10 20 30 40 50 60

т, МИН

1 - соотношение экстрагент: сырье 100:1;

2 - соотношение экстрагент: сырье 50:1 Рисунок 4 - Зависимость оптической

плотности экстракта от времени обработки в РПА

Из рисунка 4 видно, что уменьшение количества экстрагента приводит к получению более концентрированного экстракта: прирост по оптической плотности увеличился почти в 2 раза, при том что время проведения процесса осталось практически неизменным и составило не более 5 мин. Данный результат полностью соответствует общим представлениям о процессе экстракции [5, 6, 16-18]: снижение

соотношения экстрагент:сырье приводит к увеличению равновесной концентрации фла-воноидов и, как следствие, к снижению выхода целевых компонентов в экстракт.

При многократном использовании экстракта с целью максимального увеличения содержания в нем извлекаемого комплекса веществ была выполнена серия экспериментов, результаты проведения которой представлены на рисунке 5.

г

г —1

/ \

/

/

/

/ VI

I

1 - многократная экстракция в установке с РПА (соотношение на каждой стадии экстрагент: сырье 100:1); 2 - экстракция в емкостном аппарате (соотношение

экстрагент: сырье 10:1) Рисунок 5 - Зависимости оптической плотности экстракта от времени обработки

Представленные на рисунке 5 результаты подтверждают, что в установке с РПА осуществляется более полное извлечение целевого компонента из частиц шрота в сравнении с результатами, полученными в емкостном аппарате. При этом длительность процесса экстрагирования в установке с РПА составила 180 мин, а в емкостном аппарате -всего 60 мин. Большая длительность процесса в установке с РПА является следствием преднамеренного увеличения времени при проведении одиночной стадии в эксперименте. Вместо достаточных 5 мин на каждую стадию для проведения процесса - это время составляло 18 мин. Такое преднамеренное увеличение длительности каждой стадии было сделано для того, чтобы показать, что с увеличением номера стадии время ее длительность увеличивается незначительно и на последней стадии не превышает 5-6 мин от ее начала. Таким образом, реальное время на экстракцию в установке с РПА можно сократить в 3 раза без снижения выхода целевых компонентов.

ВЫВОДЫ

Применение установок с РПА для экстракции флавоноидсодержащих комплексов из шрота облепихи позволяет значительно интенсифицировать процесс извлечения по сравнению с традиционно используемыми аппаратами емкостного типа. Интенсификация процесса, в первую очередь, объясняется измельчением шрота и облегчением доступа экстрагента к внутренним порам его частиц. Так, в проведенных нами экспериментах в результате обработки в РПА практически исчезла фракция 1,0 - 2,5 мм, а прирост по массе фракции 0,63 -1,0 мм составил порядка 35 %.

При проведении экстракции с многократным использованием экстракта предыдущей стадии в качестве экстрагента на следующей стадии процесса приводит к существенному увеличению концентрация сухих веществ и массовой доли флавоноидсодержащих комплексов в экстракте, а многократное использование экстракта позволяет упростить последующую процедуру упаривания и выделения флавоноидсодержаших комплексов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А. с. 1752396 СССР. Способ получения биологически активных веществ из облепихи / В.В.Будаева, А.А. Лобанова, В.П. Бобрышев 07.08.92, Бюл. № 29.

2. Патент 2002422 РФ. Способ сушки жома облепихи / Василишин М.С., Виноградов А.К. и др. За-явл. 15.11.93, Бюл. № 41-42.

3. Будаева, В.В. Экологически безопасный способ получения, состав и свойства биологически активных экстрактов из отходов плодово-ягодной переработки: автореферат дисс... к.х.н. - Бийск: Изд-во ООО «Принт-Макет», 2005. - 20 с.

4. Балабудкин, М.А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Медицина, 1983. - 160с.

5. Аксельруд, Г.А. Экстрагирование (система твердое тело - жидкость) / Г.А. Аксельруд, В.М. Лы-сянский. - Л.: Химия. - 1974. - 256 с.

6. Пономарев, В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья / В.Д. Пономарев. - М.: Медицина, 1976. - 202 с.

7. Будаева, В.В. Переработка ягод брусники и водяники / В.В. Будаева, А.А. Лобанова, Е.Ю. Егорова // Пиво и напитки. - М., 2005. - № 3. - С. 34-38.

8. ГОСТ 24027.2-80 Сырье лекарственное растительное. Методы определения влажности, содержания золы, экстрактивных и дубильных веществ, эфирного масла. Издание официальное. -М.: Изд-во стандартов, 1980. - 12 с.

9. Лобанова А.А., Исследование биологически активных флавоноидов в экстрактах из растительного сырья / А.А. Лобанова, В.В. Будаева, Г.В. Са-кович // Химия растительного сырья. - 2004. - №

1. - С. 47-52.

10. Корулькин, Д.Ю. Природные флавонои-ды / Д.Ю. Корулькин, Ж.А. Абилов, Р.А. Музычкина, Г.А. Толстиков; Рос. акад. наук, Сиб. отд., Новосиб. ин-т органической химии. - Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2007. - 232 с.

11. ГОСТ Р 51437-99 Соки фруктов и овощей. Гравиметрический метод определения массовой доли общих сухих веществ по убыли массы при высушивании. Издание официальное. М.: Изд-во стандартов, 1999. - 16 с.

12. Кухленко, А.А. Исследование закономерностей эмульгирования в роторно-пульсационном аппарате / А.А. Кухленко, М.С. Василишин А.Г. Карпов Н.В. Бычин // Хим. пром. сегодня. - 2008. - №1.

- С.36-40.

13. Орлов, С.Е. Исследование эффективности роторно-пульсационного аппарата в процессе экстракции лигнина из недревесного растительного сырья / С.Е. Орлов, В.В. Будаева, А.А. Кухленко, А.Г Карпов, М.С. Василишин, В.Н. Золотухин // Пол-зуновский вестник. - 2010. - № 4-1. - С. 183-188.

14. Кухленко, А.А. Расчет фракционного состава и площади поверхности твердых частиц в процессе их диспергирования в роторно-пульсаци-онном аппарате / А.А. Кухленко, М.С. Василишин, С.Е. Орлов, Д.Б. Иванова // Ползуновский вестник.

- 2010. - № 3. - С. 180-183.

15. Кухленко, А.А. Исследование процесса экстракции в установке с роторно-пульсационным аппаратом / А.А. Кухленко, С.Е. Орлов, М.С. Василишин, Е.И. Макарова, В.В. Будаева // Ползуновский вестник. - 2013. - №3 - С.

16. Василишин, М.С. Экстракция арабинога-лактана из опилок лиственницы сибирской в аппарате роторно-пульсационного типа / М.С. Василишин, В.В. Будаева, А.А. Кухленко, А.Г Карпов, О.С. Иванов, С.Е. Орлов, В.А. Бабкин, Е.Н. Медведева // Ползуновский вестник. - 2010. - № 4-1. -С. 168-173.

17. Орлов, С.Е. Экспериментальное исследование процесса экстракции инулина из клубней топинамбура с применением аппарата роторно-пульсационного типа / С.Е. Орлов // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием (27-29 апреля 2011 г., г. Бийск).

- с. 44-48.

18. Будаева, В.В. Биологически активные комплексы из отходов растениеводства и диких растений / Будаева В.В., Якимов Д.Й. // Ползуновский вестник. -2007. - № 3. - С. 15-25.

Кухленко Алексей Анатольевич, старший научный сотрудник лаборатории процессов и аппаратов химических технологий, кандидат технических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО

РАН), ak-79@rambler.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-18-69.

Василишин Михаил Степанович, заведующий лабораторией процессов и аппаратов химических технологий, кандидат технических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), admin@ipcet.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-18-37.

Будаева Вера Владимировна, заведующая лабораторией биоконверсии, кандидат химических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук

30-17-25.

Орлов Сергей Евгеньевич, младший научный сотрудник лаборатории процессов и аппаратов химических технологий Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ceppp@mail.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-18-69.

Иванов Олег Сергеевич, научный сотрудник лаборатории процессов и аппаратов химических технологий, кандидат технических наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), osi85@mail.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-59-40.