СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛАНИНА ИЗ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА
METHOD FOR PRODUCING MELANIN FROM SUNFLOWER HUSKS

Предлагаемое техническое решение относится к химии высокомолекулярных природных соединений, а именно к получению биополимера растительного происхождения - меланина, обладающего высокой антиоксидантной активностью, и может быть использовано для производства лечебно-профилактических препаратов, биологически активных и пищевых добавок, а также в качестве антиоксидантов и противостарителей в пищевой и химической отраслям  промышленности.
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, использование растворов щелочи высокой концентрации, что увеличивает зольность конечного продукта и снижает его качество.
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, С09В 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°С, экстрагирование меланинов из обезжиренного сырья 0,1 N раствором гидроксида натрия при 45-50°С в течение 2 ч, отделение твердого остатка фильтрованием через капроновую мембрану, подкисление полученного фильтрата 1N раствором соляной кислоты до рН 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. Сер. 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 рН 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°С 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, A61K 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.
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°С 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 РФ2578037, A61K 36/28, B01D 11/02, 2016).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся необходимость использования катионита КУ-2 для нейтрализации экстракта и пищевого адсорбента КСМ №6С для его очистки, что повышает себестоимость продукта; повышенные энергозатраты на 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, что ухудшает его качество и снижает антиоксидантную активность.
Задачей предлагаемого технического решения является получение меланина из лузги подсолнечника с высоким выходом за счет увеличения его доступности из измельченного сырья.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности использования сырья за счет увеличения доступности извлекаемых компонентов и улучшения условий массобмена, уменьшение энергозатрат за счет исключения стадии упаривания, улучшение потребительских качеств продукта, проявляющихся в увеличении продолжительности хранения за счет получения конечного продукта в виде порошка, повышение антиоксидантной активности меланинов за счет снижения содержания в продукте сопутствующих веществ.
Поставленный технический результат достигается тем, что способ получения меланина из лузги подсолнечника включает промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку при температуре 90-110°С до сыпучего состояния, экстракцию 0,1-0,5 М раствором гидроксида натрия при комнатной температуре 18-22°С в вибрационной экстракционной установке, фильтрацию, причем высушенную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, экстракцию проводят ступенчато спродолжительностью каждой ступени 20 минут при массовом соотношении лузга сухая-экстрагент 1:(4÷5) на первой и 1:(2÷3) на второй ступенях: сначала к сырью добавляют первую порцию экстрагента, проводят экстракцию, экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают второй порцией экстрагента, проводят экстракцию на второй ступени и отделяют экстракт 2-й ступени, экстракты объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях.
Меланины являются природными высокомолекулярными соединениями, малоспособными к процессу диффузии через клеточные стенки. Поэтому для полноты их извлечения при экстрагировании нужно стремиться к максимально возможному в допустимых условиях измельчению материала (поперечный размер частиц не более 1 мм), чтобы нарушить целостность возможно большего числа клеток и сделать процесс извлечения более полным. Измельчение сырья улучшает его смачиваемость, что облегчает проникновение экстрагента в сырье и извлечение экстрактивных веществ из сырья.
Проведение экстракции в 2 стадии позволяет в течение всего процесса поддерживать высокую разность концентраций и скорость диффузии, что определяет возможность интенсификации процесса и увеличения выхода извлекаемого компонента.
Проведение процесса экстракции более 20 минут на каждой ступени при заданном соотношении сырье-экстрагент не приводит к значительному увеличению выхода меланина в экстракт, а при проведении процесса экстракции менее 20 минут его выход значительно снижается.
Превышение верхнего предела заявляемого соотношения лузга-экстрагент 1:4 на первой и 1:2 на второй ступенях ведет к уменьшению степени извлечения веществ за счет ухудшения условий массообмена. Уменьшение нижнего предела заявляемого соотношения лузга-экстрагент 1:5 на первой и 1:3 на второй ступенях приводит к появлению «застойной зоны» избытку экстрагента, имеющего малую площадь поверхности соприкосновения с сырьем, снижению эффекта воздействия вибраций и, как следствие, скорости процесса.
Особенностью меланинов различного происхождения является их способность осаждаться из экстрактов при подкислении растворов, например 25% раствором соляной кислоты, с доведением рН до 1,5 (Государственная Фармакопея СССР: Вып. 2. Общие методы анализа. 63. Inonotus obliquus. Чага. - М.: Медицина; 1990. - 385 с., С. 342-343). Осаждение меланина лузги подсолнечника из экстракта добавлением 25% раствора соляной кислоты с доведением рН до 1,5 позволяет отделить его от низкомолекулярных и растворимых в кислоте высокомолекулярных соединений и получить продукт без сопутствующих веществ, остающихся в фильтрате, что улучшает качество получаемого продукта. Кроме того, из процесса исключается стадия упаривания экстракта, что снижает энергозатраты.
Сушка осажденного меланина на воздухе при нормальных условиях позволяет минимизировать энергетические затраты при получении продукта.
Предлагаемый способ включает следующие операции. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния, измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм. Затем измельченное сырье заливают первой порцией экстрагента в массовом соотношении 1:(4÷5) и экстрагируют в течение 20 минут в вибрационной экстракционной установке, после чего экстракт отделяют, а оставшееся сырье заливают второй порцией экстрагента в массовом соотношении 1:(2÷3) и проводят экстракцию на 2-й ступени. Экстракт 2-й ступени также отделяют и объединяют с экстрактом 1-й ступени. В полученный экстракт добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5. Образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях.
Полученный меланин представляет собой порошок темно-коричневого цвета, со слабым древесным запахом. 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).
Антиоксидантную активность (АОА) определяли по скорости накопления ТБК-продуктов в процессах перекисного окисления липидов (ПОЛ) (Катковская М.В., Кухарчик М.А. Определение общей антиоксидантной активности в пробах слюны и мочи студентов с помощью модельной системы / Актуальные проблемы современной медицины 2008: материалы 62-й Международной науч. конф. студентов и молодых ученых. В 2 ч. Ч. 1 / под ред. С.Л. Кабака, А.С. Леонтюка - Минск: БГМУ, 2008. - С. 173.).
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°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 30 минут при температуре 18-22°С. 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°С. 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 9,67% к весу лузги, содержание меланина 4,12% к весу лузги.
Пример 3. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 400 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 200 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланина 7,12% к весу лузги.
Пример 4. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 300 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов 7,56% к весу лузги.
Пример 5. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 400 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 300 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов 7,32% к весу лузги.
Пример 6. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 200 г 0, J М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов 7,33% к весу лузги.
Пример 7. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,25 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 300 г 0,25 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов 8,12% к весу лузги.
Пример 8. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,25 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 200 г 0,25 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов 7,98% к весу лузги.
Пример 9. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 300 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов 8,87% к весу лузги.
Пример 10. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 200 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов 8,34% к весу лузги.
Предлагаемый способ позволяет увеличить выход меланина в 1,7-3 раза, снизить энергозатраты в 9,7-11 раз по сравнению с прототипом. При этом получение конечного продукта в виде порошка обусловливает улучшение его потребительских качеств: увеличение продолжительности хранения. Кроме того, полученные по предлагаемому способу меланины при их концентрации в системе ниже в 1,5-2,0 раза по сравнению с прототипом проявляют антиоксидантную активность на 7-10% выше.