СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛАНИНА ИЗ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА
PROCESS FOR OBTAINING MELANIN FROM SUNFLOWER HUSKS

Предлагаемое техническое решение относится к химии высокомолекулярных природных соединений, а именно к получению биополимера растительного происхождения - меланина, обладающего высокой биологической активностью, и может быть использовано для производства лечебно-профилактических препаратов, биологически активных и пищевых добавок.
Известен способ получения пищевого красителя из лузги гречихи, включающий измельчение растительного сырья, экстракцию 3-5% раствором щелочи при значении гидромодуля 3-5, осаждение соляной кислотой, фильтрацию и сушку (Пат. SU 1742295 A1, С09В 61/00, 1992).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкий выход продукта, значительная продолжительность процесса, высокая зольность.
Известен способ получения меланина - пигмента с высокой антиоксидантной активностью из растительного сырья - лузги гречихи, включающий измельчение лузги гречихи, ее обработку целлюлолитическим ферментом целлюбранин ГЗХ в течение 48 ч, экстракцию раствором щелочи в течение 24 ч, осаждение меланина соляной кислотой, разделение фаз фильтрацией (Пат. РФ 2215761, C09B 61/00, 2003).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся значительная продолжительность процесса, сравнительно невысокий выход меланина и использование дорогостоящего фермента, что повышает себестоимость продукта.
Известен способ получения водорастворимого меланина из виноградных выжимок, включающий измельчение сырья, получение его спиртовой суспензии, обработку суспензии ультразвуком, сливание спирта, экстракцию осадка водным раствором гидроокиси аммония при рН 9-10, отделение экстракта декантированием, очистку экстракта центрифугированием, его выпаривание, промывание сухого продукта этиловым эфиром уксусной кислоты, спиртом и ацетоном.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся многостадийность и значительная продолжительность процесса, низкий выход продукта, необходимость использования нескольких аппаратов.
Известен способ получения меланина из трутовых грибов, включающий измельчение плодовых тел грибов, а также вегетативных форм чаги (наростов) до размеров 0,5-2 мм, сушку при температуре 40-45°С до постоянной массы, обработку измельченного сырья смесью гексан-изопропанол (1:1) при соотношении субстрат-растворитель 1:10 в течение 24 ч для удаления липидов, фильтрование через капроновую мембрану, удаление остатков смеси растворителей на роторном испарителе при температуре 30°C, экстрагирование меланинов из обезжиренного сырья 0,1 N раствором гидроксида натрия при 45-50°C в течение 2 ч, отделение твердого остатка фильтрованием через капроновую мембрану, подкисление полученного фильтрата 1N раствором соляной кислоты до pH 1,5, отделение образовавшегося хлопьевидного осадка меланина центрифугированием в течение 15 мин при 10000 g, его растворение в 0,1 N растворе гидроксида натрия, 3-кратное кислотное переосаждение, растворение в 0,01 N растворе гидроксида натрия, диализ против воды до нейтральной рН, сушку полученного препарата на лиофильной установке (Сушинская Н.В., Кукулянская Т.А., Курченко В.П., Шостак Л.М. Физико-химические свойства и получение меланинов из базидиомицетов // Труды БГТУ. Cep. IV. - 2004. - Вып. XII. - С. 193-197).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся многостадийность, значительная продолжительность процесса, ограниченность сырьевой базы, медленная воспроизводимость в естественных условиях трутовых грибов.
Известен способ получения осажденного полифенольного комплекса чаги, включающий получение диффузионного сока чаги с использованием в качестве экстрагента водного раствора гидроксида натрия или калия с концентрацией 1-10%, осаждения его добавлением 20%-ного раствора соляной кислоты до значения pH 2,0-2,2 (Патент РФ 2465911, A61K 36/06, B01D 11/02, 2012).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокая зольность осажденного полифенольного комплекса, ограниченность сырьевой базы, медленная воспроизводимость чаги в естественных условиях.
Известен способ получения природного меланоидного антиоксиданта, включающий предварительное промывание неизмельченной лузги подсолнечника, ее сушку при температуре 90-110°C до сыпучего состояния, экстракцию водой при кипячении в течение 30-55 минут при соотношении лузги к воде 1:10, фильтрацию, обработку пищевым адсорбентом КСМ №6С, отделение адсорбента, упаривание воды из антиоксиданта и доведение экстракта до желеобразного состояния (Патент РФ 2281779, А61К 36/28, 2006).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся невысокий выход антиоксиданта; повышенные энергозатраты на нагревание смеси при экстракции и упаривании экстракта; необходимость использования для очистки пищевой адсорбент КСМ №6С, что повышает себестоимость продукта; получение конечного продукта в виде желе, что отрицательно сказывается на продолжительности хранения, удобстве транспортировки и использования. Кроме того, полученный продукт представляет собой смесь веществ, содержащую помимо активных, сопутствующие соединения, что ухудшает его качество и снижает антиоксидантную активность.
Известен способ получения способ получения меланина из лузги подсолнечника, включающий промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку при температуре 90-110°C до сыпучего состояния, измельчение подготовленной лузги до частиц с поперечным размером не более 1 мм, ступенчатую экстракцию 0,1-0,5 М раствором гидроксида натрия при комнатной температуре 18-22°C в вибрационной экстракционной установке с продолжительностью каждой ступени 20 минут при массовом соотношении лузга сухая-экстрагент 1:(4÷5) на первой и 1:(2÷3) на второй ступенях, состоящую из следующих операций: добавления к сырью первой порции экстрагента, проведения экстракции на 1 первой ступени, отделения экстракта 1-й ступени фильтрованием, а заливание оставшегося сырья второй порцией экстрагента, проведения экстракции на второй ступени, отделения экстракта 2-й ступени фильтрованием, объединения экстрактов, а также добавление при перемешивании 25% раствора соляной кислоты, доведение pH до 1,5, отделение образовавшегося хлопьевидного осадка меланина фильтрованием, сушку на воздухе при нормальных условиях (Патент РФ A61K 36/28, B01D 11/02, 2017).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокое остаточное содержание меланина в сырье, многостадийность, необходимость измельчения, а следовательно, повышенная энергоемкость. Кроме того, измельчение материала приводит к ухудшению фильтрации экстракта при отделении его от сырья, что выражается в увеличении продолжительности процесса.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к предлагаемому техническому решению и выбранным за прототип является способ получения антиоксиданта из лузги подсолнечники, включающий промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку при температуре 90-110°C до сыпучего состояния, экстракцию 0,1-0,5 М раствором гидроксида натрия при комнатной температуре 18-22°С в вибрационной экстракционной установке в течение 30-60 мин при массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:(6÷7), фильтрацию, обработку отфильтрованного фильтрата катионитом КУ-2 с доведением рН до 7 и его отделение, обработку пищевым адсорбентом КСМ №6С, отделение адсорбента и упаривание до желеобразного состояния (Патент РФ 2578037, A61K 36/28, B01D 11/02, 2016).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокое остаточное содержание меланина в сырье, необходимость использования пищевого адсорбента КСМ №6С для его очистки, что повышает себестоимость продукта; повышенные энергозатраты на сушку лузги и упаривание экстракта; получение конечного продукта в виде желе, что отрицательно сказывается на продолжительности хранения, удобстве транспортировки и использования. Кроме того, полученный продукт представляет собой смесь веществ, содержащую помимо активных, сопутствующие соединения различного состава, что снижает его качество.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение выхода меланина из лузги подсолнечника за счет повышения его растворимости и улучшения условий его извлечения из сырья.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности использования сырья за счет повышения растворимости меланина, повышение чистоты меланина за счет гидролиза химически связанных с ним полисахаридов в щелочной среде при повышенной температуре при экстрагировании меланина.
Поставленный технический результат достигается тем, что способ получения меланина из лузги подсолнечника включает промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, экстракцию раствором гидроксида натрия в вибрационной экстракционной установке при массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:(6÷7), в течение 30-45 минут, фильтрацию, обработку экстракта катионитом КУ-2 и выделение целевого продукта, причем экстракцию поводят 0,5-1,0 М раствором гидроксида натрия при 100°С, обработку экстракта проводят с доведением pH до 1,5, а выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой.
Использование в качестве экстрагента 0,5-1,0 М раствор гидроксида натрия позволяет повысить растворимость меланинов. С увеличением рН среды увеличивается диссоциация ионогенных групп меланинов. При этом гидрофильные ионогенные группы частиц меланина ориентируются наружу, а гидрофобные участки внутрь частиц. Наличие электрического заряда приводит к значительной гидратации и разобщению частиц меланинов и повышению их растворимости. С увеличением концентрации гидроксида натрия увеличивается выход меланинов.
Увеличение концентрации гидроксида натрия выше 1,0 М нецелесообразно, так как это приводит к совместному экстрагированию трудно отделяемых от меланина гемицеллюлоз. Уменьшение концентрации гидроксида натрия ниже 0,5 М приводит к снижению растворимости меланина и его выхода.
Проведение процесса при 100°C в щелочной среде обусловливает лучшую растворимость меланина с одной стороны, что обусловливает повышение выхода меланинов, а также приводит к гидролизу химически связанных с ним полисахаридов, что повышает конечную чистоту продукта.
Проведение процесса экстракции более 45 минут при заданном соотношении сырье-экстрагент не приводит к значительному увеличению выхода меланина в экстракт, а при проведении процесса экстракции менее 30 минут его выход значительно снижается.
Особенностью меланинов различного происхождения является их способность осаждаться из экстрактов при подкислении растворов. Подкисление экстракта до рН 1,5 обеспечивает полное осаждение меланина. При обработке экстракта катионнообменной смолой происходит замещение ионов водорода катионита на ионы металлов, в частности ионов натрия, в результате чего снижаются значение pH экстракта. Выбор марки катионита КУ-2-8 ЧС объясняется его техническими характеристиками (ГОСТ 20298-74). Данный катионит применяют для умягчения, обессоливания, обезжелезивания, деминерализации воды при водоподготовке в пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности. Экономическая целесообразность использования катионнообменной смолы в качестве осаждающего агента определяется возможностью ее регенерации и многоразового применения.
Предлагаемый способ включает следующие операции. Лузгу подсолнечника промывают водой и заливают 0,5-1,0 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:(6÷7), и экстрагируют в течение 30-45 минут в вибрационной экстракционной установке при температуре 100°C, фильтруют, экстракт обрабатывают катионитом КУ-2 с доведением pH до 1,5, выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой.
Принадлежность к меланинам полученного продукта подтверждена характерными реакциями с перекисью водорода (обесцвечивание раствора), перманганатом калия (изменение окраски до зеленой, с последующим выпадением осадка и обесцвечиванием раствора), хлоридом железа (III) (выпадение хлопьевидного осадка с последующим его растворением при избытке реактива); УФ- и ЭПР-спектрами (Лях С.П. Микробный меланогенез и его функции. М., 1981. 273 с.; Сушинская Н.В. и др. Получение и физико-химические свойства меланинов из базидиомицетов // Труды Белорусского государственного технологического университета. Серия IV: Химия и технология органических веществ. - Вып. XII. - Минск, 2004. - с. 193-196).
Изобретение поясняется конкретными примерами, результаты которых обобщены в таблице. Эксперименты проводились в вибрационной экстракционной установке с амплитудой колебаний 0,5-1 мм и частотой колебаний 20 Гц.
Пример 1 (по прототипу). Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°C до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника массой 100 г смешивают с 700 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 30 минут при температуре 18-22°C. Экстракт отделяют фильтрованием, добавляют в фильтрат катионит КУ-2, перемешивают и доводят рН экстракта до 7, отделяют катионит, в жидкий антиоксидант добавляют при перемешивании адсорбент КСМ №6С, который после взаимодействия с экстрактом отделяют. Экстракт упаривают при кипячении до желеобразного состояния. Выход антиоксиданта 7,04% к весу лузги, содержание меланина 2,88% к весу лузги.
Пример 2 (по прототипу). Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника массой 100 г смешивают с 700 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 60 минут при температуре 18-22°C. Экстракт отделяют фильтрованием, добавляют в фильтрат катионит КУ-2, перемешивают и доводят pH экстракта до 7, отделяют катионит, в жидкий антиоксидант добавляют при перемешивании адсорбент КСМ №6С, который после взаимодействия с экстрактом отделяют. Экстракт упаривают при кипячении до желеобразного состояния. Выход антиоксиданта 9,67% к весу лузги, содержание меланина 4,12% к весу лузги.
Пример 3. Лузгу подсолнечника промывают водой, заливают 0,5 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:6, и экстрагируют в течение 30 минут в вибрационной экстракционной установке при температуре 100°С, экстракт отделяют фильтрованием, проводят обработку экстракта катионитом КУ-2 с доведением рН до 1,5, выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой. Выход меланина 7,39% к весу лузги.
Пример 4. Лузгу подсолнечника промывают водой, заливают 0,5 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:7, и экстрагируют в течение 30 минут в вибрационной экстракционной установке при 100°С, экстракт отделяют фильтрованием, проводят обработку экстракта катионитом КУ-2 с доведением рН до 1,5, выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой. Выход меланина 8,22% к весу лузги.
Пример 5. Лузгу подсолнечника промывают водой, заливают 0,75 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:7, и экстрагируют в течение 30 минут в вибрационной экстракционной установке при 100°С, экстракт отделяют фильтрованием, проводят обработку экстракта катионитом КУ-2 с доведением pH до 1,5, выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой. Выход меланина 10,17% к весу лузги.
Пример 6. Лузгу подсолнечника промывают водой, заливают 0,75 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:7, и экстрагируют в течение 45 минут в вибрационной экстракционной установке при 100°С, экстракт отделяют фильтрованием, проводят обработку экстракта катионитом КУ-2 с доведением pH до 1,5, выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой. Выход меланина 11,31% к весу лузги.
Пример 7. Лузгу подсолнечника промывают водой, заливают 1,0 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:6, и экстрагируют в течение 30 минут в вибрационной экстракционной установке при 100°C, экстракт отделяют фильтрованием, проводят обработку экстракта катионитом КУ-2 с доведением рН до 1,5, выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой. Выход меланина 10,99% к весу лузги.
Пример 8. Лузгу подсолнечника промывают водой, заливают 1,0 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:7, и экстрагируют в течение 45 минут в вибрационной экстракционной установке при 100°C, экстракт отделяют фильтрованием, проводят обработку экстракта катионитом КУ-2 с доведением pH до 1,5, выделение целевого продукта осуществляют фильтрацией с последующей сушкой. Выход меланина 12,42% к весу лузги.
*
- без поражения плесневыми грибами. Предлагаемый способ позволяет увеличить выход меланина в 2,5-3 раза по сравнению с прототипом. При этом получение конечного продукта в виде порошка обусловливает увеличение продолжительности хранения без изменения свойств.