СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕКТИНА И ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА
METHOD OF PRODUCING PECTIN AND CELLULOSE FROM BEET PULP

Изобретение относится к химической, пищевой и фармацевтической промышленности и заключается в получении высокомолекулярных соединений (растительной целлюлозы и пектина) из отходов свеклосахарного производства - свекловичного жома.
Переработка свекловичного жома сводится к последовательному извлечению пектиновых веществ и целлюлозы в условиях, которые минимально изменяют строение и свойства выделяемых высокомолекулярных веществ.
Существуют разнообразные способы извлечения пектиновых веществ из свекловичного жома. Это обработка свекловичного жома органическими - лимонная кислота (RU №2528496, МПК C13B 5/06, опубл. 20.09.2014) и неорганическими кислотами - сернистая кислота (RU №2116313, МПК C08B 37/06, опубл. 27.07.1998). Используют также перекись водорода для гидролиза протопектина (RU №2262866, МПК C08B 37/06, опубл. 27.10.2005), метод замораживания оттаивания свекловичного жома, экстракция горячей водой (RU №2088112, МПК C08B 37/06, опубл. 27.08.1997), обработка целлюлилитическими ферментами (RU №2262865, МПК A23L 1/0524, опубл. 27.10.2005). Обработка органическими и неорганическими кислотами растительного сырья для перевода протопектина в растворимое состояние представляет традиционный метод получения пектиновых веществ из растительного сырья.
Известен способ получения пектина, включающий гидролиз измельченного жома свеклы в присутствии соляной кислоты при нагревании, отжим твердой фазы, многоступенчатую экстракцию твердой фазы при использовании для экстракции на каждой предыдущей ступени экстракта с последующей ступени, а для экстракции на последней ступени - воды, осаждение пектина из жидких фаз с последующей его многоступенчатой очисткой, обезвоживанием и сушкой. Метод предусматривает выделение пектина из предварительно высушенного при высокой температуре свекловичного жома. Способ включает следующие технологические операции: сушка свекловичного жома, измельчение свекловичного жома для получения частиц размером 1,2-1,5 мм, содержащихся в количестве 48-50%, 28-30% - размером 0,6-1,1 мм и 22-24% - размером 0,3-0,5 мм, гидролиз измельченной смеси фракции свекловичного жома раствором соляной кислоты, имеющей значение pH 0,5-0,9 при гидромодуле 1:2-6, экстрагирование пектина на первой ступени и его отделение путем прессования свекловичного жома после первой ступени экстрагирования до получения гидромодуля 1:3-5, экстрагирование пектина водой с последующим прессованием проэкстрагированного свекловичного жома, фильтрацию пектинового экстракта, осаждение пектина осажденным этиловым спиртом, очистку и сушку пектина (RU №2022969, МПК C08B 37/06, опубл. 15.11.1994).
Известный способ имеет следующие недостатки:
1. Технология предусматривает высушивание свекловичного жома при высокой температуре, что негативно сказывается на качестве выделяемого пектина. Высокотемпературная обработка свекловичного жома в процессе сушки также вызывает структурные изменения в целлюлозе, которые приводят к снижению у нанокристаллической части целлюлозы модуля Юнга, что в свою очередь приведет к ограничению областей использования выделяемой растительной целлюлозы.
2. Использование достаточно высокой концентрации соляной кислоты приводит к получению пектина с высокой степенью гидролиза, что приводит к значительному снижению структурообразующих свойств растворов пектина и ограничивает его использование в пищевой промышленности.
3. Использование низкого гидромодуля приводит к плохой воспроизводимости характеристик получаемых пектиновых веществ, а также к пониженному уровню выхода, который составляет 16,6%.
4. Способ переработки свекловичного жома не предусматривает получения целлюлозы из свекловичного жома, так как проэкстрагированный жом удаляется из производства.
Известен способ получения микроцеллюлозы из свекловичного жома, который включает следующие этапы: фракционирование - на этом этапе происходит измельчение и просеивание высушенного жома; запаривание с целью гидратации частиц свекловичного жома; кислотный гидролиз азотной кислотой с концентрацией 0,5-1% и гидромодулем 1:10-1:40 в течение 0,5-2 ч при 90°C; первый щелочной гидролиз с использованием 2-5% гидроксида натрия с гидромодулем 1:10-1:40 в течение 0,5-2 ч при 90°C; второй щелочной гидролиз, проводимый аналогично первому щелочному гидролизу, отбелка (RU №2501810, МПК C08B 15/00, опубл. 20.12.2013).
Известный способ имеет ряд недостатков:
1. Способ не предусматривает выделения пектиновых веществ, т.к. условия очистки целлюлозы от пектина и гемицеллюлозы азотной кислотой в указанных концентрациях и условиях реакции не позволяют получать пектиновые вещества удовлетворительного качества вследствие высокой степени их кислотного гидролиза.
2. Высокотемпературная сушка свекловичного жома вызывает структурные изменения в целлюлозе, которые приводят к снижению у нанокристаллической части целлюлозы модуля Юнга, что в свою очередь ведет к ограничению областей использования выделяемой растительной целлюлозы.
3. Двухэтапная очистка целлюлозных волокон раствором гидроксида натрия с концентрацией до 5% при температуре до 95°C требует большого расхода реагента.
4. Использование сухого свекловичного жома требует включение в технологию выделения целлюлозы или пектина дополнительных этапов связанных с его высушиванием и последующим набуханием высушенного жома в воде.
Технический результат заключается в последовательном получении пектина и целлюлозы из сырого свекольного жома при полной его переработке.
Сущность изобретения заключается в том, что проводят гидролиз измельченного свекловичного жома в присутствии соляной кислоты при нагревании, отжим твердой фазы, многоступенчатую экстракцию твердой фазы, осаждение пектина из жидких фаз с последующей его очисткой, обезвоживанием и сушкой пектина и целлюлозы. Из сырого свекловичного жома на первом этапе выделяют пектиновые вещества путем проведения первой кислотной экстракции 0,3%-ным раствором соляной кислоты при значение pH ~1,6-1,8 в течение 1 ч при 90°C с использованием гидромодуля 1:200, на втором этапе проводят вторую кислотную экстракцию 1,2%-ным раствором соляной кислоты при 90°C с использованием гидромодуля 1:200 в течение 4 ч. Полученный промытый грубый препарат целлюлозы свекловичного жома после второй кислотной экстракции подвергают одноэтапной щелочной экстракции 0,5%-ным раствором гидроксида натрия при 90°C в течение 1 ч с использованием гидромодуля 1:100 для дальнейшей очистки целлюлозы от остатков пектиновых веществ, гемицеллюлозы, остаточного лигнина и липидов.
Способ осуществляется следующим образом. Подготовка сырого свекловичного жома к экстракции заключается в его измельчении до однородного состояния на ножевой мельнице. Первая кислотная экстракция проводится 0,3%-ным раствором соляной кислоты при значении pH ~1,6-1,8 в течение 1 ч при 90°C с использованием гидромодуля 1:200. Условия первой кислотной экстракции позволяют выделять высокомолекулярные пектиновые вещества с минимальным уровнем кислотного гидролиза. Раствор с перешедшими в него пектиновыми веществами отделяется от остатка свекловичного жома фильтрованием или центрифугированием. Полученный остаток свекловичного жома промывается водой при температуре 25°C в течение 10 мин с использованием гидромодуля 1:50. Осадок с остатками свекловичного жома отделяется от раствора фильтрованием или центрифугированием. Растворы пектиновых веществ полученных на этапе первой кислотной экстракции и промывки осадка свекловичного жома после первой кислотной экстракции объединяются и нейтрализуются до значения pH 5,5 раствором гидроксида натрия. Пектиновые вещества из объединенного раствора выделяют путем их осаждения двумя объемами 96%-ного этилового спирта с последующей двукратной промывкой осадка пектиновых веществ 70%-ным этиловым спиртом. Выход пектиновых веществ при этом способе экстракции составляет 19% от массы сухих веществ свекловичного жома. Использование указанного режима кислотной экстракции приводит к получению пектиновых веществ с высокой молекулярной массой (280 кДа) благодаря низкой степени химического гидролиза. Полученные на этом этапе высокомолекулярные пектиновые вещества могут быть использованы в пищевой промышленности в качестве загустителя и структурообразователя. Остаток свекловичного жома, полученный после первой кислотной экстракции, направляется на вторую кислотную экстракцию. Вторая кислотная экстракция проводится 1,2%-ным раствором соляной кислоты при 90°C с использованием гидромодуля 1:200 в течение 4 ч с целью дальнейшей очистки целлюлозы свекловичного жома от пектиновых веществ и гемицеллюлозы. Осадок с остатками свекловичного жома отделяется от раствора фильтрованием или центрифугированием. Полученный осадок после второй кислотной экстракции промывают водой при температуре 25°C в течение 10 мин с использованием гидромодуля 1:50. Растворы пектиновых веществ полученных на этапе второй кислотной экстракции и промывки осадка свекловичного жома после второй кислотной экстракции объединяются и нейтрализуются до значения pH 5,5 раствором гидроксида натрия. Пектиновые вещества из полученного раствора выделяются путем осаждения двумя объемами 96%-ного этилового спирта с последующей двукратной промывкой осадка пектиновых веществ 70%-ным этиловым спиртом. Выход пектиновых веществ составил 7,5% от массы сухих веществ свекловичного жома. Молекулярная масса пектиновых веществ, полученных при второй кислотной экстракции, значительно снизилась, вследствие кислотного гидролиза, и составила 25 кДа. Полученные на этом этапе низкомолекулярные пектиновые вещества могут быть использованы в фармацевтической промышленности в качестве физиологически активных веществ. Полученный промытый грубый препарат целлюлозы свекловичного жома после второй кислотной экстракции подвергают щелочной экстракции для дальнейшей очистки целлюлозы от остатков пектиновых веществ, гемицеллюлозы, остаточного лигнина и липидов. Щелочную экстракцию проводят 0,5%-ным раствором гидроксида натрия при 90°C в течение 1 ч с использованием гидромодуля 1:100 (из расчета на сухое вещество свекловичного жома). Целлюлозу свекловичного жома отделяют центрифугированием или фильтрованием. Осадок целлюлозы промывается водой и направляется на сушку. Выход растительной целлюлозы из свекловичного жома составил порядка 15% от массы сухих веществ свекловичного жома. В выделенной из свекловичного жома целлюлозе пектиновые вещества и гемицеллюлоза не были обнаружены. Полученная очищенная целлюлоза может быть использована для изготовления упаковочного материала, получения микрокристаллической целлюлозы, нанофибриллярной и нанокристаллической целлюлозы.
В случае использования при первой кислотной экстракции более высоких концентраций соляной кислоты (0,6%; 0,9% или 1,2%) приводило к получению пектиновых веществ с выходом 21%; 19% и 23% от массы сухих веществ свекловичного жома. Использование более высоких концентраций соляной кислоты приводит к снижению молекулярной массы пектиновых веществ до 100, 100 и 50 кДа, соответственно.
Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять полную переработку свекловичного жома с получением пектиновых веществ и целлюлозы, имеющих минимальные изменения свойств, которые могут произойти в ходе процесса выделения. Выделенные пектиновые вещества и целлюлоза могут быть использованы в производстве новых материалов с улучшенными прочностными, оптическими и барьерными свойствами по отношению к влаге, кислороду и температуре. Полная переработка свекловичного жома позволяет перевести его из категории отхода или побочного продукта свеклосахарного производства в ценный источник сырья целлюлозы и пектиновых веществ. Перевод свекловичного жома из побочного продукта в категорию сырья позволит значительно повысить эффективность свеклосахарного производства за счет получения целого ряда дополнительных продуктов при переработке сахарной свеклы.