Способ получения меланиновых веществ из лузги подсолнечника
METHOD FOR PRODUCING MELANIN SUBSTANCES FROM SUNFLOWER HUSKS

Способ получения меланиновых веществ из лузги подсолнечника
Изобретение относится к относится к фармацевтической, химической и пищевой промышленности, а именно к способу получения меланина, получаемого из отходов маслоэкстракционного производства - лузги подсолнечника. Меланин обладает высокой антиоксидантной активностью и может быть использован для получения лечебно-профилактических препаратов и пищевых добавок, применяемых для нормализации обмена веществ, а также добавок, применяемых для торможения окислительных процессов в пищевой промышленности.
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 (RU, №2281779, кл. A61K 36/28, опубл. 2006).
Недостатками данного способа являются необходимость дополнительной переработки конечного продукта, получаемого в виде желе и представляющего собой сложную смесь веществ; высокие энергозатраты на сушку сырья; необходимость использования пищевого адсорбента, что существенно повышает себестоимость продукта; невысокий выход продукта.
Известен 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 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 (RU, №2578037, кл. A61K 36/28, B01D 11/02, опубл. 2016).
Недостатками данного способа являются необходимость использования катионита КУ-2 для нейтрализации экстракта и пищевого адсорбента КСМ №6С для его очистки, что существенно повышает себестоимость продукта; высокие энергозатраты на упаривание экстракта, а также необходимость дополнительных стадий стабилизации конечного продукта, получаемого в виде желе и представляющего собой сложную смесь веществ.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения меланина из лузги подсолнечника, включающий измельчение лузги подсолнечника, экстракцию меланиновых веществ раствором NaOH, фильтрование, осаждение меланиновых веществ путем добавления раствора соляной кислоты и сушку образовавшегося осадка (RU, №2613294, кл. A61K 36/28, B01D 11/02, опубл. 2016).
Недостатками данного способа являются высокое содержание в конечном продукте белков и низкомолекулярного лигнина (до 3%), что существенно ухудшает качество, чистоту конечного продукта и его антиоксидантные свойства, а также влаги, которая остается в большом количестве в образующемся хлопьевидном осадке меланинов при сушке на воздухе, что приводит к снижению устойчивости конечного продукта при хранении вследствие карбоксилирования и окисления продукта.
Технической проблемой, решаемой при создании настоящего изобретения, является получение меланина с высокой степенью чистоты (низким содержанием побочных продуктов), хорошей устойчивостью при хранении и высокой антиоксидантной активностью.
Технический результат изобретения - увеличение эффективности процесса, повышение чистоты и устойчивости получаемых меланиновых веществ за счет снижения содержания в продукте побочных продуктов, снижение себестоимости конечного продукта, а также уменьшение энергозатрат.
2
Решение поставленной проблемы и указанного технического результата достигаются тем, что способ получения меланиновых веществ из лузги подсолнечника включает измельчение лузги подсолнечника, экстракцию меланиновых веществ раствором NaOH, фильтрование, осаждение меланиновых веществ путем добавления раствора соляной кислоты и сушку образовавшегося осадка. Согласно изобретению из измельченной лузги подсолнечника фракции 1÷3 мм экстракцию меланиновых веществ проводят 0,095÷0,105 н. раствором NaOH при соотношении массы лузги подсолнечника к массе экстрагента 1:35÷1:45 при дополнительном одновременном воздействии ультразвуком с частотой 37±1 кГц и интенсивностью 414±5 Вт/см, при температуре 60±5°С и постоянном перемешивании в течение 25±5 минут, осаждение меланиновых веществ путем добавления концентрированной соляной кислоты в объемном соотношении к фильтрату 1:65÷1:75, отделение полученного осадка от раствора осуществляют центрифугированием при 6000±10 об/мин в течение 5±0,5 мин, далее осадок промывают дистиллированной водой и замораживают его при температуре -19±1°С, после чего лиофильно сушат.
Использование каждой стадии способа является обязательным, и ни одна стадия процесса не может быть исключена, так как это существенно снизит эффективность переработки и не позволит достичь указанного технического результата.
Использование фракции лузги подсолнечника 1-3 мм необходимо для максимального выхода меланиновых веществ и повышения их чистоты.
Уменьшение размера фракции лузги подсолнечника менее 1 мм приводит к снижению выхода целевого продукта из-за образования коллоидной структуры и затруднения диффузии меланиновых веществ в раствор. Кроме того, при избыточном измельчении сырья значительно увеличивается выход белка и низкомолекулярного лигнина в раствор, что снижает чистоту конечного продукта. Увеличение размера фракции более 3 мм нецелесообразно из-за существенного снижения эффективности экстракции вследствие уменьшения площади поверхности сырья и степени разрушения клеток.
Обработка лузги подсолнечника 0,095÷0,105 н. раствором NaOH необходима для экстракции меланиновых веществ из растительного сырья, при этом происходит образование растворимой соли меланиновых веществ. При использовании раствора NaOH с концентрацией меньше 0,095 н. наблюдали существенное снижение выхода и чистоты меланиновых веществ, а при использовании раствора NaOH с концентрацией более 0,105 н. не наблюдали увеличения выхода и чистоты меланиновых веществ.
Соотношение массы лузги подсолнечника к массе экстрагента 1:35÷1:45 определено экспериментально. При увеличении массы лузги подсолнечника происходит снижение эффективности процесса экстракции и затрудняется последующее фильтрование. При уменьшении массы лузги подсолнечника увеличивается расход раствора NaOH, а выход меланиновых веществ и их чистота не изменяется, что является нецелесообразным.
Дополнительное одновременное воздействие ультразвуком частотой 37±1 кГц позволяет достичь большего выхода меланиновых веществ из лузги подсолнечника за счет более полной диффузии растворенных веществ клеток в раствор вследствие микрорасслоения ткани, разрушения клеточной стенки и увеличения поглощения растворителя.
2
2
2
Интенсивность ультразвуковой обработки 414±5 Вт/см определена экспериментально. Снижение интенсивности ультразвука менее 409 Вт/см и ее увеличение более 419 Вт/см существенно снижает выход меланиновых веществ и чистоту продукта.
Продолжительность воздействия ультразвука экстракции меланиновых веществ 25±5 минут выбрана экспериментально. Уменьшение времени процесса менее 20 минут приводит к снижению выхода меланиновых веществ и их чистоты, а увеличение более 30 минут нецелесообразно, так как не приводит к существенному увеличению выхода меланиновых веществ и их чистоты, при этом требует дополнительных энергозатрат.
Температура процесса экстракции меланиновых веществ 60±5°С выбрана экспериментально. При снижении температуры ниже 55°С выход меланиновых веществ существенно снижается из-за снижения скорости диффузии. При увеличении температуры больше 65°С происходит омыление жиров, денатурации белков, что приводит к загрязнению конечного продукта, при этом выход меланиновых веществ практически не изменяется, поэтому повышение нецелесообразно в связи с необходимостью дополнительных энергозатрат.
Добавление концентрированной соляной кислоты к фильтрату необходимо для выпадения в осадок меланинов вследствие изменения растворимости. Объемное соотношение концентрированной соляной кислоты к фильтрату 1:65÷1:75 выбрано экспериментально. Увеличение содержания соляной кислоты выше 1:65 приводит к разрушению меланина, а уменьшение ниже 1:75 - к его неполному осаждению.
Центрифугирование смеси при 6000±10 об/мин в течение 5±0,5 минут необходимо для отделения осадка за счет различия плотности осадка и фильтрата.
Промывание осадка дистиллированной водой после ценрифугирования необходимо для снижения содержания соляной кислоты в конечном продукте.
Замораживание и лиофильная сушка полученного осадка необходимы для удаления остатков воды и соляной кислоты из осадка и повышения его устойчивости при хранении. В результате лиофильной сушки образуется конечный продукт с влажностью не более 1% с микрокристаллической структурой, которая позволяет сохранять структурную целостность и биологическую активность меланиновых веществ.
Способ комплексной переработки лузги подсолнечника осуществляется следующим образом.
Пример 1
Лузгу подсолнечника измельчали на мельнице, после чего просеивали через 2 сита с размером ячеек 1 мм и 3 мм, для дальнейшей переработки отбирали фракцию сырья размером 1÷3 мм.
2
Измельченное сырье помещали в ультразвуковую установку объемом 250 мл и проводили экстракцию меланиновых веществ 0,1 н. раствором NaOH при соотношении массы лузги к массе экстрагента 1:40 в течение 25 минут при температуре 60°С под действием ультразвука частотой 37 кГц с интенсивностью 414 Вт/см. При обработке щелочью происходило разрыхление ткани лузги и высвобождение низкомолекулярного лигнина (содержание низкомолекулярных фракций лигнина, фенилпропаноидных единиц в растительном материале может составлять от 5% и более). При низких температурах и при такой концентрации NaOH до 40% лигнина выходило из сырья в раствор.
Затем экстракт отделяли от жмыха путем фильтрования на сетчатом фильтре. После чего фильтрат осаждали путем добавления концентрированной соляной кислоты в объемном соотношении к фильтрату 1:70. Меланины выпадали в осадок в виде хлопьев бурого цвета.
Отделение осадка от раствора осуществляли путем центрифугирования при 6000 об/мин в течение 5 минут. Затем осадок промывали дистиллированной водой. Полученный осадок замораживали при температуре не выше -19°С и высушивали лиофильно.
Полученный меланин представляет собой порошок темно-коричневого цвета, в котором практически отсутствуют белок, лигнин и влага. Принадлежность полученного продукта к меланинам подтверждена характерными реакциями с перекисью водорода (обесцвечивание раствора), и хлоридом железа(III) (выпадение хлопьевидного осадка с последующим его растворением при избытке реактива). Определение массы выделенных меланиновых веществ проводили с помощью аналитических весов. Долю антиоксидантных веществ в конечном продукте определяли с помощью перманганата калия. Степень чистоты продукта рассчитывалась из массы меланинов, поделенной на общую массу продукта. Энергозатраты рассчитывались из времени проведения экстракции и мощности ультразвуковой установки.
Пример 2
Аналогичен примеру 1, однако для переработки использовали фракцию измельченной лузги подсолнечника размером менее 1 мм.
Пример 3
Аналогичен примеру 1, однако для переработки использовали фракцию измельченной лузги подсолнечника размером более 3 мм.
Пример 4
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась без использования ультразвукового воздействия.
Пример 5
2
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась под действием ультразвука с интенсивностью 92 Вт/см.
Пример 6
2
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась под действием ультразвука с интенсивностью 180 Вт/см.
Пример 7
2
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась под действием ультразвука с интенсивностью 230 Вт/см.
Пример 8
2
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась под действием ультразвука с интенсивностью 276 Вт/см.
Пример 9
2
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась под действием ультразвука с интенсивностью 322 Вт/см.
Пример 10
2
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась под действием ультразвука с интенсивностью 368 Вт/см.
Пример 11
2
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась под действием ультразвука с интенсивностью 460 Вт/см.
Пример 12
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при соотношении массы лузги к массе экстрагента 1:10.
Пример 13
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при соотношении массы лузги к массе экстрагента 1:20.
Пример 14
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при соотношении массы лузги к массе экстрагента 1:30.
Пример 15
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при соотношении массы лузги к массе экстрагента 1:50.
Пример 16
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась в течение 5 минут.
Пример 17
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась в течение 15 минут.
Пример 18
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась в течение 20 минут.
Пример 19
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась в течение 30 минут.
Пример 20
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при температуре 20°С.
Пример 21
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при температуре 30°С.
Пример 22
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при температуре 40°С.
Пример 23
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при температуре 50°С.
Пример 24
Аналогичен примеру 1, однако экстракция проводилась при температуре 70°С.
Пример 25
Аналогичен примеру 1, однако использовалась концентрированная соляная кислота в объемном соотношении к фильтрату 1:280.
Пример 26
Аналогичен примеру 1, однако использовалась концентрированная соляная кислота в объемном соотношении к фильтрату 1:140.
Пример 27
Аналогичен примеру 1, однако использовалась концентрированная соляная кислота в объемном соотношении к фильтрату 3:280.
Пример 28
Аналогичен примеру 1, однако использовалась концентрированная соляная кислота в объемном соотношении к фильтрату 1:56.
Пример 29
Аналогичен примеру 1, однако использовалась концентрированная соляная кислота в объемном соотношении к фильтрату 3:140.
Для пояснения результатов проведенных экспериментов используется табл. 1, в которой сведены данные по всем примерам - выход меланина, %; степень чистоты, %; энергозатраты при экстракции 1 кг, кВт⋅ч; доля антиоксидантных веществ, %; время хранения без потери антиоксидантной активности, мес.
Предлагаемый способ позволяет увеличить чистоту конечного продукта на 35-40%, антиоксидантную активность на 5-10%, снизить энергозатраты на 5-10% и увеличить стабильность при хранении на 10-15% по сравнению с прототипом. Кроме того, использование предлагаемого способа позволяет достичь максимальной эффективности переработки отходов маслоэкстрационных заводов - лузги подсолнечника с получением меланиновых веществ, которые обладают высокой антиоксидантной активностью и могут быть использованы для производства лечебно-профилактических препаратов, биологически активных и пищевых добавок, а также антиоксидантов в пищевой и химической промышленности.