Способ получения хлорофиллсодержащего продукта
METHOD FOR OBTAINING A CHLOROPHYLL-CONTAINING PRODUCT

Изобретение относится к технологии переработки отходов вегетативной зеленой массы тепличной культуры защищенного грунта томат (Solarium lycopersicum L.) для получения хлорофиллсодержащего продукта.
Изобретение относится к разработке ресурсосбергающей циклической (безотходной) технологии, когда отходы (вегетативная масса тепличных растений) переводят в ранг продукта (сырье для хлорофиллсодержащего продукта). В настоящее время в мире и в России объемы производства тепличного овоща томат при капельном орошении с использованием минераловатных кубиков занимают второе место среди тепличных культур и значительны. Современный экологически безопасный способ позволяет выращивать сильнорослые растения, устойчивые к заболеваниям, формирует растения лианы длиной около 10 метров с большим количеством листьев, содержащих высокое количество зеленого пигмента хлорофилла. После плодоношения овоща следует утилизация вегетативной зеленой массы томата и теряется (уничтожается) значительное количество зеленого пигмента хлорофилла. Зеленый пигмент может быть использован, так как является натуральным продуктом, имеет полезные свойства и множественное применение, обладает тонизирующим, бактериостатическим и антиоксидантным действием. Высокая общая биомасса вегетативных отходов листьев лиан тепличного томата делает их перспективными объектами для дальнейшей переработки и получения хлорофиллсодержащего продукта, который можно использовать как парфюмерный компонент, как пищевая и кормовая добавка или натуральный краситель. В настоящее время хлорофилл в основном выделяют из хвои и листьев, специально выращиваемых растений, например, люцерны или крапивы, что требует дополнительных расходов и отведения плодородных здоровых участков земель сельскохозяйственного назначения. Это делает актуальной задачу переработки экологически безопасной листовой зеленой массы вегетативных отходов тепличной культуры томат {Solarium lycopersicum L.), выращиваемой в закрытой системе при капельном орошении с известными компонентами питательного раствора с использованием минераловатных кубиков.
Известны способы получения хлорофилл-каротиновой пасты из размятой хвойной лапки кипящим бензином с экстрагированием смолистых веществ, их отгонки бензином и омылении щелочью, с разведением до 50% влажности полученной пасты. Описана технология производств по пререработке технической зелени древесных пород (Левин Э.Д., Репях С.М. Переработка древесной зелени. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 120 с.). Но хлорофилл-каротиновая паста (ХХКП) имеет бурый цвет. При дальнейшем производстве продуктов с использованием этого хлорофиллсодержащего продукта для товарного вида требуется дополнительная цветовая маскировка. В результате этого усложняются промышленная технология, а без маскировки окраски падает спрос на данный вид продукции.
Известен способ переработки древесной зелени пихты с получением хлорофилл-каротиновой пасты, пихтового масла и водного пихтового экстракта [RU 2530656 C1, A61K 36/15 (2006.01), B01D 11/02 (2006.01), 10.10.2014]. Способ переработки древесной зелени пихты включает последовательную экстракцию водным изопропанолом 80-90% при 40-50°С, экстракцию водой при 70-80°С, гидродистилляцию летучих компонентов при пониженном давлении 0,5-0,1 бар при 60-80°С с получением пихтового масла, объединение гидрофильных компонентов с водным экстрактом древесной зелени и концентрирование в вакууме 0,5-0,1 бар при 60-80°С с получением суммарного водного пихтового экстракта. Недостаток способа: сложное воспроизведение, а также рекомендации авторов ограниченно использовать водный пихтовый экстракт в узкой области только для корма сельскохозяйственных животных.
Известен способ получения биологически активного средства из хвои [RU 2040266 C1, A61K 35/78 (1995.01), 25.07.1995). Сущность изобретения заключается в экстракции сырья, отстаивании экстракта, отделении водной фазы, удалении из экстракта воскообразных веществ и отгонки растворителя и обработке смолистых веществ после их омыления в упаренном концентрате этанольным раствором соли двухвалентного металла до получения металлосодержащего комплекса. Известен способ утилизации отходов производства лекарственных препаратов из травянистого сырья эфиромасличного сырья (мяты, шалфея, герани и др.) и получение медных производных хлорофилла этанольным раствором хлорной меди при рН 4,0-5,5 [RU 2034556 C1, A61K 35/78 (1995.01), A61K 38/16 (1995.01), A61K 33/34 (1995.01)]. Аналогичный способ получения лекарственного препарата из листьев эвкалипта [RU 2320360 CI, A61K 36/61 (2006.01), A61K 33/34 (2006.01), A61K 31/00 (2006.01), 27.03. 2008] и [RU 2611409 CI, A61K 36/00 (2006.01), A61K 33/34 (2006.01), 21.02.2017]. Препарат получают путем экстракции листьев эвкалипта прутовидного 95-96%-ным этанолом в течение 1-2 суток без перемешивания при температуре (18-24)°С и последующей обработкой полученного экстракта солью меди двухлористой 2-водной в течение 6-24 ч при температуре 18-24°С или 5-10%-ный спиртовой раствор меди двухлористой 2-водной при мольном соотношении хлорофилла, содержащегося в полученном экстракте, к меди двухлористой 2-водной 1:(3-4). Способы отличаются многостадийностью и разным выходом конечного продукта.
Известен способ переработки бурых водорослей [RU 2399298 С1, A23L 1/00(2006.01), 20.09.2010]. Сырье трижды экстрагируют 96% этиловым спиртом, с добавлением гексанового растворителя. В дальнейшем остаток водоросли настаивают в смеси растворителей ацетон - спирт в соотношении 1:1 в течение суток, растворяют в хлороформе, отмывают, высушивают и используют для получения солей альгиновых кислот. Изобретение позволяет получать из одного сырья разные биологически активные вещества: фукоксантин, хлорофиллы, глицерогликолипиды, соли альгиновых кислот. Недостатком данного способа является низкая концентрация хлорофилла в конечном продукте.
Известен способ получения хлорофилла из высших водных растений [RU 2496813 С2, С09В 61/00 (2006.01), 27.10.2013], включающий мойку растительного сырья, измельчение, сушку сырья при температуре 45°С до влажности 5%, экстракцию, производимую в две стадии по 8 ч каждая смесью гексана с этиловым спиртом в соотношении 9:1 при температуре 25-40°С, фильтрацию, отгонку растворителя, смешивание хлорофилла с растительным маслом или с 25%-ным раствором NaOH в этаноле с последующим добавлением воды, и отделение хлорофилла в виде раствора. Недостатком следует считать энергетически затратные стадии способа: дополнительная мойка сырья, а затем сушка до влажности 5%.
Известен способ разделения каротинов, ксантофилов и хлорофиллов листьев крапивы двудомной [RU 2659165 C1, A61K 36/185 (2006.01), B01D 11/02 (2006.01), С07С 403/00 (2006.01), С07С 403/24 (2006.01), 28.06.2018]. Разделение пигментов проводят петролейным эфиром с добавлением спирта этилового 95%, встряхивания в течение 30 минут, разделения спиртовой фазы, отделения пигмента омылением путем добавления раствора натрия гидрохлорида 20% и спирта этилового 95%, встряхивания в течение 30 минут. Особенность способа заключается в том, что изобретение касается, прежде всего, способа для получения индивидуальных каротиноидов. Недостатком данного способа является наличие противопоказаний к использованию петролейного эфира, а именно не использовать для продуктов, которые вступают в контакт с продуктами питания.
Общими недостатками вышеперечисленных способов является многостадийность, сложность, разный невысокий выход целевого продукта от исходного сырья. Кроме того, налицо ограниченность сырьевой базы или невысокое содержание зеленого пигмента в исходном сырье.
Способов получения хлорофиллсодержащего продукта путем переработки вегетативных отходов листовой зеленой массы тепличного томата {Solarium lycopersicum L.) в доступной патентной и другой научно-технической литературе не обнаружено.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) по количеству совпадающих признаков является Способ получения концентрата хлорофиллов из измельченной ламинарии [RU 2500413 С2, A61K 36/03 (2006.01), B01D 11/02 (2006.01), А61Р 17/02 (2006.01), 10.12.2013] путем экстракции этиловым спиртом в защищенном от света месте трехкратно, далее отделяют экстракт от шрота, извлечения объединяют, отгоняют экстрагент, к полученному остатку добавляют воду, фильтруют через бумажный фильтр, остаток на фильтре промывают двумя порциями воды, растворяют в 96% этиловом спирте, сумму хлорофиллов растворяют в стерильном оливковом масле до получения 25% концентрации суммы хлорофиллов, остаток 96% спирта этилового отгоняют под вакуумом, способ проводят при определенных условиях. Недостатками данного способа является прежде всего энергозатратная подготовка воздушно-сухой массы сырья водоросли ламинариии для дальнейшего выделения хлорофиллсодержащего продукта.
Задачей изобретения является создание способа получения хлорофиллсодержащего продукта с высоким содержанием зеленого пигмента путем переработки вегетативных отходов листовой зеленой массы тепличного томата {Solarium lycopersicum L.). Область применения -спиртовой раствор хлорофиллсодержащего продукта в качестве экологически безопасного пищевого красителя, как парфюмерные компоненты для косметологической промышленности, пищевые и кормовые добавки; ацетоновый раствор хлорофиллсодержащего продукты в качестве натурального красителя.
Поставленная задача решается тем, что разработаны приемы подготовки отходов зеленой вегетативных отходов листовой зеленой массы тепличного томата {Solarium lycopersicum L.), выращиваемой в больших объемах экологически безопасным способом в закрытой агроэкосистеме при капельном орошении с использованием минераловатных кубиков; для дальнейшей экстракции зеленого пигмента 95% этанолом или 80% водным ацетоном и использованием разных приемов для повышения содержания зеленого пигмента в конечном хлорофиллсодержащем продукте.
Предлагаемый способ имеет следующие преимущества: использование нового вида сырья для выделения хлорофиллсодержащего продукта, которое не требует специального выращивания или сбора природных биологических ресурсов, что в дальнейшем упрощает оценку экологической безопасности сырья. Переработка сырья - отходов производства выращивания тепличного овоща томата, по сути, является примером циклической экономики. Современная агротехнология выращивания культуры томат на ватоминеральных кубиках с гидропоникой с известным по составу питательным раствором обеспечивает получение экологически безопасной зеленой вегетативной листовой массы растения: качественного сырья для выделения хлорофиллосодержащего продукта круглогодично и в больших объемах (в одном обороте современного тепличного комплекса около 100 тысяч растений лиан культуры томат, у которой каждые два-три дня срезают два-три листа для формирования вегетативной и генеративной фазы роста растения). Это чистое, поэтому без дополнительной подготовки, как освобождение от остатков почвенного грунта, мытья и сушки, сырье, готовое для переработки. Сырье характеризуется экологически безопасными показателями без превышения ПДУ по СанПиН 2.3.2.1078 - 2001. Уровень содержания нитратов в вегетативной зеленой массе листьев растения тепличного томата составляет менее экологически опасной нормы 300 мг/кг и колеблется в пределах 155-178 мг/кг. Предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в пищевой продукции составляет: для свинца - не более 0,300 мг/кг; для кадмия - не более 0,030 мг/кг, для мышьяка - не более 0,200 мг/кг и для ртути - не более 0,005 мг/кг. Зеленая масса тепличных растений содержит следовое количество токсичных металлов, что значительно ниже ПДУ для кадмия, свинца, мышьяка и ртути. В отношении остаточного количества пестицидов ДДТ и его изомеров, ГХЦГ и его метаболитов в сырье листьев тепличного томата токсичных пестицидов нет. В то же время натуральная вегетативная зеленая масса листьев тепличной культуры томат разных гибридов и фаз развития растений характеризуется высоким содержанием общего хлорофилла 3920 - 4980 мг/кг натурального вещества ткани. Содержание общего хлорофилла во всех листьях одного растения в среднем составляет от 1700 до 2640 мг/листья лианы растения. С учетом того, что в современном тепличном комплексе с гидропоникой под культурой заняты большие площади тепличного томата, может быть несколько оборотов культуры, то есть выращивание круглогодичное, общее количество экстрагированного пигмента из зеленой вегетативной массы может быть значительным.
3
3
3
Для максимального получения хлорофиллсодержащего продукта нами предлагается предварительная заморозка сырья (в морозильной камере при температуре -18 (20)°С в течение 1-4 месяцев), которая дополнительно позволяет сохранять собранные листья культуры томат в период формирования растения лианы, с одноразовым размораживанием и помещением в экстракты 95% этиловый спирт или 80% водный ацетон в соотношении натуральная зеленая масса: экстрагент, как 1:5, затем дальнейшая гомогенизация погруженным блендером со скоростью 2000 оборотов в минуту с продолжительностью экстракции 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, с последующим настаиванием в течение около 24 часов при комнатной температуре 18-20°С. Замораживание сырья дает возможность в течение всего вегетационного периода роста и плодоношения тепличной лианы томата собирать их зеленые листья, длительность заморозки соответствует продолжительности оборота культуры в защищенном грунте на гидропонике, а также способствует увеличению в среднем на 10,4-19,2% большему выходу хлорофилла в конечный хлорофиллсодержащий продукт. Полученные хлорофиллсодержащие продукты из вегетативной зеленой массы томата на основе 95% спиртового раствора (пищевой краситель, пищевая и кормовая добавка, для косметологических целей) имеют концентрацию хлорофилла 121,53±8,35 мг/мл; на основе 80% водного ацетона (в качестве красящего пигмента) имеют концентрацию хлорофилла 142,22±4,22 мг/мл. Определение массовой доли производных хлорофилла осуществляли измерением оптической плотности полученных растворов на фотоэлектроколориметре КФК-2 в кювете с длиной оптического пути 1 см с красным светофильтром. В качестве стандартного раствора при построении калибровочной кривой использовали раствор Гетри. Раствор Гетри готовили из сернокислой меди (2,85 г) и двухромовокислого калия (10,0 г) в дистиллированной воде (1000 см) с добавлением водного раствора с массовой долей аммиака 7% (100 см). В стандартном растворе Гетри концентрация общего хлорофилла составляет 85 мкг/см (мг/мл) Все приемы сорбционного извлечения хлорофилла осуществляли разными способами подготовки сырья для выделения хлорофилла.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев тепличного томата для получения хлорофиллсодержащего продукта измельчением, экстрагированием без настаивания экстракта. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 95% этанола; проводили экстрагирование в течение 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, постоянно перемешивая вручную, фильтровали полученный экстракт (первое, второе, третье и более (до пяти) извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Извлечения экстракта определяли по окраске остатка вегетативной массы томата. Остаток не должен иметь зеленой (зеленоватой) окраски. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 81,46±4,44 мг/мл.
Пример 2. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев томата для получения хлорофиллсодержащего продукта измельчением, экстрагированием, настаиванием экстракта в течение 24 часов. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 95% этанола; проводили экстрагирование в течение 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, постоянно перемешивая вручную, настаивали в течение 24 часов при комнатной температуре 18-20°С, затем проводили фильтрацию экстракта (первое, второе, третье и более (до пяти) извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 103,89±6,19 мг/мл.
Пример 3. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев томата для получения хлорофиллсодержащего продукта гомогенизацией, экстрагированием, без настаивания экстракта. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 95% этанола; гомогенизировали погруженным блендером со скоростью 2000 оборотов в минуту с продолжительностью экстракции 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, проводили фильтрацию экстракта (первое, второе и третье извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 87,40±3,70 мг/мл, что было выше примера №1 на 7,3%.
Пример 4. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев томата для получения хлорофиллсодержащего продукта гомогенизацией, экстрагированием и настаиванием экстракта. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 95% этанола; гомогенизировали погруженным блендером со скоростью 2000 оборотов в минуту с продолжительностью экстракции 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, настаивали в течение 24 часов при комнатной температуре 18-20°С, затем проводили фильтрацию экстракта (первое, второе и третье извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 121,53±8,35 мг/мл, что было выше примера №2 на 17,0%.
Пример 5. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев томата для получения хлорофиллсодержащего продукта измельчением, экстрагированием без настаивания экстракта. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 80% водный ацетон; проводили экстрагирование в течение 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, постоянно перемешивая вручную, фильтровали полученный экстракт (первое, второе, третье и более (до пяти) извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Извлечения экстракта определяли по окраске остатка вегетативной массы томата. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 53,13±5,25 мг/мл.
Пример 6. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев томата для получения хлорофиллсодержащего продукта измельчением, экстрагированием, настаиванием экстракта в течение 24 часов. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 80% водный ацетон; проводили экстрагирование в течение 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, постоянно перемешивая вручную, настаивали в течение 24 часов при комнатной температуре 18-20°С, затем проводили фильтрацию экстракта (первое, второе, третье и более (до пяти) извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 81,46±3,86 мг/мл.
Пример 7. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев томата для получения хлорофиллсодержащего продукта гомогенизацией, экстрагированием, без настаивания экстракта. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 80% водный ацетон; гомогенизировали погруженным блендером со скоростью 2000 оборотов в минуту с продолжительностью экстракции 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, проводили фильтрацию экстракта (первое, второе и третье извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 105,10±5,0 мг/мл, что было выше примера №5 на 97,8%.
Пример 8. Способ переработки отходов вегетативной зеленой массы листьев томата для получения хлорофиллсодержащего продукта гомогенизацией, экстрагированием и настаиванием экстракта. К 50 г измельченного сырья добавляли 150-200 мл 80% водный ацетон; гомогенизировали погруженным блендером со скоростью 2000 оборотов в минуту с продолжительностью экстракции 10-15 минут с подогревом на водяной бане при температуре не выше 45-50°С, настаивали в течение 24 часов при комнатной температуре 18-20°С, затем проводили фильтрацию экстракта (первое, второе и третье извлечения) через фильтр до необходимого объема 250 мл. Содержание хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте из отходов вегетативной зеленой массы томата составило 142,22±4,22 мг/мл, что было выше примера №6 на 74,6%.
Таким образом, гомогенизация вегетативной зеленой массы погруженным блендером со скоростью более 2000 оборотов в минуту в течение 10-15 минут и последующее настаивание гомогената в течение 24 часов при комнатной температуре 18-20°С, дополнительно разрушает клеточные ткани растения, позволяет увеличить выход конечного продукта при экстракции 95% этанолом и 80% ацетоном на 7,3-17,0% и 74,6-97,8% соответственно (рис. 1 и 2, где Рис. 1. Содержание хлорофилла (мг/мл) в хлорофиллсодержащем продукте при экстракции 95% этанолом вегетативной массы листьев томата:! - измельчение; 2 - измельчение и настаивание в экстракте; 3 - гомогенизация; 4 - гомогенизация и настаивание в экстракте, Рис. 2. Содержание хлорофилла (мг/мл) в хлорофиллсодержащем продукте при экстракции 80% ацетоном вегетативной массы листьев томата: 1 - измельчение; 2 - измельчение и настаивание в экстракте; 3 - гомогенизация; 4 - гомогенизация и настаивание в экстракте). Наивысшее среднее содержание общего хлорофилла в хлорофиллсодержащем продукте после экстракции зеленой массы отходов томата 95% этанолом и 80% ацетоном составило 121,53±8,35 мг/мл и 142,22±4,22 мг/мл соответственно. Продукт имеет цвет от ярко-зеленого до темно-зеленого. Выход зеленого пигмента в хлорофиллсодержащем продукте из отходов зеленой вегетативной массы растения листьев томата составил в пересчете на натуральное вещество 2,44% (спиртовая экстракция) и 2,84% (ацетоновая экстракция), а в пересчете на сухое вещество - 3,05% (спиртовая экстракция) и 3,55% (ацетоновая экстракция).
Таким образом, заявляемый способ получения хлорофиллсодержащего продукта позволяет получить хлорофилл содержащий продукт с высокой концентрацией хлорофилла.
Источники информации
1. Левин Э.Д., Репях С.М. Переработка древесной зелени. - М.: Лесн. пром-сть, 1984. - 120 с.
2. RU 2530656 C1, A61K 36/15 (2006.01), B01D 11/02 (2006.01), 10.10.2014.
3. RU 2040266 C1, A61K 35/78 (1995.01), 25.07.1995.
4. RU 2034556 C1, A61K 35/78 (1995.01), A61K 38/16 (1995.01), A61K 33/34(1995.01).
5. RU 2320360 C1, A61K 36/61 (2006.01), A61K 33/34 (2006.01), A61K 31/00 (2006.01), 27.03.2008.
6. RU 2611409 C1, A61K 36/00 (2006.01), A61K 33/34 (2006.01), 21.02.2017.
7. RU 2399298 C1, A23L 1/00(2006.01), 20.09.2010.
8. RU 2496813 С2, С09 В 61/00 (2006.01), 27.10.2013.
9. RU 2659165 C1, A61K 36/185 (2006.01), B01D 11/02 (2006.01), С07С 403/00 (2006.01), С07С 403/24 (2006.01), 28.06.2018.
10. RU 2500413 С2, A61K 36/03 (2006.01), B01D 11/02 (2006.01), А61Р 17/02 (2006.01), 10.12.2013.