СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПЕКТИНА
METHOD FOR PREPARING LOW-MOLECULAR PECTIN

Изобретение относится к способам получения низкомолекулярного пектина и может быть использовано в различных отраслях промышленности и медицины, в частности в фармацевтической промышленности для создания новых лечебных и профилактических средств и низкомолекулярных сорбентов.
Получение низкомолекулярных пектинов (олигогалактуронидов) обычно осуществляют путем деполимеризации природных высокомолекулярных пектинов. Для этого может применяться ряд методов.
Известен способ гидролиза пектина при высокой температуре (WO 2009/004153, C08B 37/06, опубл. 08.01.2009). Согласно этому способу 1% раствор пектина с pH 4-5 нагревают под давлением при 110°С в течение 30-60 минут, затем раствор охлаждают, осаждают олигогалактурониды изопропанолом и сушат. Полученный продукт на 95% состоит из олигогалактуронидов со степенью полимеризации 4-11 (0,7-2 кДа). Выход конечного продукта авторами не приводится.
Недостатком данного способа является то, что при температуре более 100°С резко ускоряются процессы термического разложения олигогалактуронидов - разрывы пиранозного цикла, окисление, декарбоксилирование, образование фурфурола и его производных. Это сопровождается снижением выхода олигогалактуронидов и загрязнением гидролизата продуктами их разложения (Kertesz Z.I. The pectic substances. Interscience Publishers, Inc., N.Y., L., 1951, 576 p.). С химической точки зрения олигогалактурониды, имеющие в составе молекул продукты термической деградации галактуроновой кислоты, не могут в полной мере считаться олигогалактуронидами.
Известен способ деполимеризации полиуронидов - альгинатов и пектинов с помощью окислителя - перекиси водорода (Пат. США US 2002/0016453(A1), C08B 37/06, опубл. 07.02.2002). Согласно этому способу пектовая кислота в виде пектата лития окисляется перекисью водорода концентрацией около 2% в присутствии сульфата железа в течение 4-х часов. Затем олигогалактурониды осаждают уксусной кислотой, промывают пропанолом и сушат. Средняя степень полимеризации олигогалактуронидов - 16 (2,8 кДа). Выход продукта составляет 38%.
К недостаткам данного способа следует отнести, во-первых, низкий выход продукта. Во-вторых, перекись водорода одновременно с деполимеризацией пектина вызывает значительную деструкцию остатков галактуроновой кислоты - декарбоксилирование, разрывы пиранозного цикла, окисление спиртовых групп и, как отмечалось в предыдущем примере, полученные продукты не могут в полной мере считаться олигогалактуронидами (Kertesz Z.I. The pectic substances. Interscience Publishers, Inc., N.Y., L., 1951, 576 p.).
Общим недостатком приведенных выше способов является использование для гидролиза пектина растворов с низкой исходной концентрацией сырья - 1-2%. Другим их общим недостатком является то, что процесс получения олигогалактуронидов является периодическим и, следовательно, образовавшиеся в начале процесса олигогалактурониды остаются в реакционной среде до конца периода и могут частично разрушаться.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения низкомолекулярного пектина (олигогалактуронидов) из пектинов льна путем кислотного гидролиза (Bedouet L., Courtois B., Courtois J. Methods for obtaining neutral and acid oligosaccharides from flax pectins // Biotechnol. Lett. 2005. Vol.27. P. 34, 36, табл.1 и 37). Способ включает следующие операции: получение водного раствора пектина, гидролиз, охлаждение, отделение жидкой фазы, последующее выделение целевого продукта осаждением органическим растворителем, смешивающимся с водой, центрифугирование осадка и его сушку.
Указанный способ, в частности, осуществляют следующим образом. Из образца пектина массой 50 мг, содержащего 22,9 мг (45,8%) уроновой (галактуроновой) кислоты, готовят водный раствор пектина концентрацией 5 мг/мл (0,5%). Затем добавляют 12 М раствор соляной кислоты до концентрации 100 мМ (0,1 г-экв./л) и проводят гидролиз при 80°С в течение 24 часов Полученный гидролизат охлаждают до комнатной температуры. Жидкую фазу, содержащую низкомолекулярные продукты гидролиза, отделяют от высокомолекулярной полигалактуроновой кислоты центрифугированием при 4°С и относительном центробежном ускорении 20000 g в течение 30 минут. Затем низкомолекулярные продукты гидролиза - олигогалактурониды осаждают из жидкой фазы изопропанолом и отделяют центрифугированием. Средняя степень полимеризации олигогалактуронидов - 15 (2,6 кДа). Выход олигогалактуронидов составляет 33,9% от первоначального содержания галактуроновой кислоты.
Существенным недостатком данного способа является низкая исходная концентрация пектина в растворе. Результатом этого является, во-первых, низкая скорость гидролиза, так как она при неизменной константе гидролиза пропорциональна концентрации пектина в растворе. Во-вторых, низкая исходная концентрация пектина приводит к соответствующей низкой концентрации конечного продукта в готовом гидролизате − содержание олигогалактуронидов в готовом гидролизате, полученном вышеописанным методом, составляет всего 0,78 мг/мл за 24 часа гидролиза (выход продукта рассчитывается умножением исходной концентрации пектина в растворе на относительное содержание галактуроновой кислоты в пектине и на относительный выход галактуронидов, и составляет соответственно 5 мг/мл × 0,458 × 0,339=0,78 мг/мл.), а это, в свою очередь, приводит к более высоким удельным затратам на производство единицы массы продукта. В данном случае это, например, затраты, связанные с термостатированием длительное время всего объема гидролизата при 80°С и расходом кислоты на гидролиз.
Препятствием для существенного повышения концентрации пектина в растворе является то обстоятельство, что высокомолекулярные пектины уже при концентрации около 1% образуют достаточно вязкие растворы и использование более концентрированных растворов пектинов может создать определенные технологические трудности. Высоковязкие растворы при низких концентрациях образуют практически все коммерческие пектины, так как именно с этой способностью связано одно из главных направлений их использования - в качестве загустителей и структурирующих агентов в пищевой промышленности. Так, например, вязкость 1,5% растворов наиболее распространенных коммерческих пектинов - яблочного и цитрусового (производитель - Herbstreith & Fox KG, Германия) в 25-30 раз превышает вязкость воды.
Другим недостатком является низкая технологическая эффективность метода, которая приводит к низкому выходу продукта. Выход продукта - олигогалактуронидов составляет около 34%, 33% составляет остаток высокомолекулярной полигалактуроновой кислоты и 33% - потери олигогалактуронидов вследствие их структурной деградации. Таким образом, потери продукта составляют практически такую же величину, как и его выход. Технологическим недостатком метода является то, что для отделения жидкой фазы, содержащей готовый продукт, требуются слишком жесткие условия: величина относительного центробежного ускорения - 20000 g для большинства промышленных центрифуг и сепараторов либо недостижима, либо близка к их предельному рабочему режиму, необходимость охлаждения системы до 4°С также создает дополнительные технические проблемы и приводит к удорожанию процесса. Основным технологическим недостатком является то, что процесс ведут в различных приспособлениях, и для получения последующей порции готового продукта процесс повторяют сначала. Существенным недостатком такого периодического способа ведения гидролиза пектина является то, что, как отмечалось выше, образовавшиеся в начале процесса гидролиза олигогалактурониды остаются в реакционной среде до конца процесса (цикла) и неизбежно подвергаются дальнейшей структурной деградации, что приводит, в результате, к потере части целевой фракции (1-5 кДа) и, соответственно, к снижению выхода готового продукта.
Задачей, поставленной перед изобретением, является получение низкомолекулярного пектина, обогащенного фракцией олигогалактуронидов с молекулярной массой 1-5 кДа, увеличение выхода целевого продукта, за счет уменьшения структурной деградации олигогалактуронидов в процессе гидролиза, упрощение и удешевление способа.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения низкомолекулярного пектина (олигогалактуронидов), включающем гидролиз пектина в водном растворе минеральной кислоты при нагревании, с отделением жидкой фазы от нерастворимого остатка пектина, выделением из нее низкомолекулярных продуктов гидролиза пектина путем их осаждения органическим растворителем, смешивающимся с водой, с последующим выделением целевого продукта, согласно изобретению в качестве исходного сырья для гидролиза используют низкоэтерифицированный пектин со степенью этерификации не более 30%, гидролиз ведут непрерывно в проточном аппарате, состоящим из системы термостатирования, узла загрузки сырья и рабочей камеры, разделенной фильтрующими перегородками на три отделения: отделение ввода раствора минеральной кислоты, отделение гидролиза пектина и отделение вывода гидролизата, при этом скорость подачи раствора минеральной кислоты в аппарат рассчитывают по эмпирической формуле
где υ - скорость подачи раствора минеральной кислоты в аппарат, л/ч;
V - объем рабочей камеры аппарата, занимаемый отделением гидролиза пектина, л;
С - концентрация кислоты = 0,1-2,0 моль/л;
t - температура процесса = 70-100°С;
K - безразмерный эмпирический коэффициент, определенный опытным путем, значения которого находятся в пределах 0,075-0,100;
1
жидкую фазу (готовый гидролизат) после выхода из аппарата направляют в проточный теплообменник и подвергают в нем дополнительной тепловой обработке при той же температуре, при которой проводился процесс гидролиза, при этом объем отделения теплообменника, которое предназначено для приема жидкой фазы из аппарата (V), рассчитывают по эмпирической формуле
1
где V - объем отделения теплообменника, которое предназначено для приема жидкой фазы из аппарата, л;
V - объем рабочей камеры аппарата, занимаемый отделением гидролиза пектина, л;
1
K - эмпирический коэффициент, определенный опытным путем, значения которого находятся в пределах 0,17-0,22;
перед осаждением низкомолекулярных продуктов гидролиза пектина органическим растворителем жидкую фазу нейтрализуют до pH не менее 4,0.
Использование в качестве исходного сырья для гидролиза низкоэтерифицированного пектина со степенью этерификации не более 30%, имеющего ограниченную набухаемость в кислой среде, позволяет проводить процесс кислотного гидролиза в гетерофазной системе: гель низкоэтерифицированного пектина (твердая фаза) - раствор минеральной кислоты (жидкая фаза), что в конечном результате, позволяет на практике повысить его концентрацию в суспензии до 8-26% (в пересчете на сухое вещество пектина). Такая высокая концентрация пектина в суспензии достигается, также, благодаря тому, что процесс гидролиза проводится в проточном аппарате, где не требуется перемешивания суспензии (и она поэтому может иметь максимально высокую плотность), а вместо этого происходит движение жидкой фазы через неподвижную суспензию пектина. При этом также отпадает необходимость в перемешивающем устройстве.
Использование в процессе проточного аппарата позволяет вести процесс непрерывно, вследствие чего идет постоянное обновление жидкой фазы в аппарате из него непрерывно выводятся образующиеся олигогалактурониды, в то время как оставшееся сырье подвергается дальнейшему гидролизу. В конечном результате, удается полностью использовать исходное сырье, предупредить деградацию олигогалактуронидов в жидкой фазе, обеспечивая тем самым повышение выхода целевого продукта и понижение удельных затрат на его получение, а также обеспечивать возможность использования, по сравнению с прототипом, высоких концентраций исходного сырья, что при прочих равных условиях (при одинаковой степени гидролиза пектина), позволяет получать гидролизаты с соответственно большим процентным содержанием конечного продукта - олигогалактуронидов с требуемым молекулярным весом, что значительно уменьшает удельные затраты на производство единицы массы продукта. И, как следствие, ведет к упрощению и удешевлению процесса получения целевого продукта.
При использовании пектина, имеющего степень этерификации более 30%, происходит резкое увеличение объема набухшего геля пектина и значительное снижение его механической прочности, что существенно осложняет последующее отделение геля пектина от жидкой фазы, также возможен частичный переход высокомолекулярного пектина в жидкую фазу.
Для осуществления заявленного способа может быть использован практически любой коммерческий пектин. Для этого предварительно проводят снижение его степени этерификации до необходимой величины в пределах 0-30%, используя любой из известных методов деэтерификации: щелочной, кислотный или ферментативный. Наиболее удобным и экономичным, по мнению авторов, может считаться метод щелочной деэтерификации пектина в среде органического растворителя, например, этанола или изопропанола. Данный метод приводится ниже, в описании осуществления заявляемого способа.
Для достижения заявленного технического результата и осуществления процесса гидролиза проточный аппарат включает (схема представлена на фигуре) систему термостатирования 1, узел загрузки сырья 2 и рабочую камеру 3, разделенную фильтрующими перегородками 4 и 5 на три отделения: отделение ввода 6 раствора минеральной кислоты, отделение гидролиза 7 пектина и отделение вывода 8 гидролизата. Детали проточного аппарата, непосредственного контактирующие с раствором минеральной кислоты, изготавливают из кислото- и термостойких материалов: стекло, тефлон, нержавеющая сталь (при использовании азотной или серной кислот). Фильтрующие перегородки 4 и 5, ограничивающие отделение гидролиза 7 рабочей камеры 3, в котором находится гидролизуемое сырье, делают более равномерными подачу и распределение раствора кислоты по площади поперечного сечения рабочей камеры и позволяют осуществлять автоматическое и непрерывное отделение готового гидролизата (жидкой фазы) от негидролизованного остатка сырья (твердой фазы). Наличие в конструкции аппарата двух фильтрующих перегородок 4 и 5 - внизу и вверху рабочей камеры - позволяет осуществлять движение жидкой фазы в аппарате во время гидролиза в любом направлении, как сверху вниз, так и снизу вверх. При обратной подаче раствора минеральной кислоты - отделение вывода гидролизата будет выполнять роль отделения ввода минеральной кислоты, а отделение ввода минеральной кислоты, соответственно будет выполнять роль отделения вывода гидролизата. Благодаря возможности направлять движение жидкой фазы снизу вверх, в аппарате предлагаемой конструкции возможно проведение гидролиза пектинов, образующих гель с низкой механической прочностью (например, пектинов со степенью этерификации близкой к 30%). Такой гель в ходе гидролиза может деформироваться и образовывать плотный осадок, препятствующий движению жидкой фазы. При движении жидкой фазы в данном аппарате снизу вверх, ее движение противодействует влиянию сил гравитации на гранулы пектинового геля и, таким образом, предотвращает уплотнение осадка пектина.
Отношение высоты отделения гидролиза (расстояние между фильтрующими перегородками) к его внутреннему диаметру - Н/D - является параметром, который влияет на динамику процесса гидролиза. Экспериментальная проверка показала, что для нормального протекания процесса гидролиза в проточном аппарате величина Н/D должна находиться в диапазоне значений 0,5-10. При значениях Н/D меньших 0,5 возможно возникновение застойных зон и нарушение равномерности потока жидкой фазы через объем гидролизуемого сырья. Это приводит к отклонениям условий гидролиза от оптимальных значений в отдельных точках объема сырья и, как следствие, к снижению выхода целевого продукта. При значениях Н/D больших 10 существенно возрастает гидравлическое сопротивление «столба» сырья, из-за чего может не достигаться необходимая скорость движения жидкой фазы. Это приводит к отклонениям условий гидролиза от оптимальных значений по всему объему сырья и, соответственно, также к снижению выхода целевого продукта.
1
1
Использование эмпирических формул (I) и (II), предложенных заявителем, позволяет в указанном диапазоне температур (70-100°С) и концентрации кислоты (0,1-2,0 моль/л) и коэффициенте K (K=0,075-0,100) с удовлетворительной точностью рассчитать скорость подачи раствора минеральной кислоты в аппарат, а с помощью коэффициента K (K=0,17-0,22) с удовлетворительной точностью рассчитать объем отделения теплообменника, которое предназначено для приема жидкой фазы (гидролизата) из аппарата для проведения дополнительной тепловой обработки, необходимый для получения продукта с максимальным относительным содержанием фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа, т.е. обеспечить реализацию заявленного технического результата и получить целевой продукт.
1
Следует отметить, что формулы (I) и (II) являются эмпирическими и, как многие эмпирические формулы (например, известное уравнение Аррениуса, связывающее температуру и скорость химической реакции), не позволяют осуществить строгое сведение размерности физических величин в левой и правой частях уравнения. Поэтому коэффициенты K и K в предлагаемых в заявке математических выражениях являются безразмерными и отражают пропорцию между левой и правой частью уравнений (I) и (II) с учетом приведенной размерности (масштаба) физических величин, входящих в уравнения.
1
Проведение дополнительной тепловой обработки жидкой фазы в проточном теплообменнике позволяет увеличить содержание в конечном продукте целевой фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа за счет гидролиза высокомолекулярной фракции олигогалактуронидов (более 5 кДа). При этом объем отделения теплообменника, которое предназначено для приема жидкой фазы из аппарата, рассчитанный по формуле (II) при коэффициенте K=0,17-0,22, позволяет проводить дополнительный гидролиз жидкой фазы путем ее дополнительной термообработки таким образом, что прирост целевой фракции олигогалактуронидов за счет гидролиза высокомолекулярной фракции олигогалактуронидов существенно превышает убыль данной целевой фракции, происходящую в следствие ее частичного гидролиза и перехода в низкомолекулярную фракцию олигогалактуронидов (менее 1 кДа).
Проведение гетерофазного кислотного гидролиза низкоэтерифицированного пектина в проточном аппарате создает условия для эффективной и постоянной молекулярной сепарации, происходящей естественным путем непосредственно в процессе самого гидролиза. Вследствие чего олигогалактурониды с молекулярной массой 1-5 кДа, образовавшиеся в ходе гидролиза пектина, практически полностью переходят в раствор - жидкую фазу, в то время как доля таких молекул, оставшихся в пектиновом геле - твердой фазе, не превышает 1-2% от их общего количества.
Выход готового продукта - низкомолекулярного пектина, полученного по предлагаемому авторами способу, составляет 93,0-97,7%. При этом, относительное содержание целевой фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в готовом продукте составляет 87,5-93,1%. Необходимым условием получения таких высоких показателей выхода продукта и содержания целевой фракции является проведение процесса гидролиза пектина - непрерывно, в аппарате проточного типа, с последующей дополнительной тепловой обработкой полученного гидролизата. Это связано с определенными преимуществами непрерывного процесса гидролиза (по сравнению с периодическим (циклическим) процессом), которые проявляются в динамике накопления олигогалактуронидов в жидкой фазе и выведения их из аппарата. Так, за счет того, что при непрерывном гидролизе из аппарата постоянно выводятся образующиеся олигогалактурониды, их среднее время пребывания в аппарате (необходимое для достижения максимального содержания целевой фракции в жидкой фазе) получается меньше, чем при периодическом процессе. Это позволяет существенно ограничить деструкцию олигогалактуронидов и повысить выход целевого продукта.
Проведение процесса в проточном аппарате позволяет повысить относительное содержание целевой фракции в продукте, во-первых, за счет большей скорости диффузии легких фракций олигогалактуронидов (меньше 5 кДа) через полисахаридный гель по сравнению с более тяжелыми фракциями при их продвижении вместе с жидкой фазой через проточный аппарат; во-вторых, за счет наличия «хроматографического» эффекта (разделение молекул веществ на сорбенте, в частности, по их молекулярной массе), обусловленного различной скоростью процессов сорбции/десорбции олигогалактуронидов с разной молекулярной массой на матриксе пектинового геля, поскольку в кислой среде имеет место частичная сорбция молекул олигогалактуронидов на молекулах высокомолекулярного пектина.
Дополнительная тепловая обработка гидролизата пектина в проточном теплообменнике позволяет относительное содержание в нем целевой фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа на 5-8%, что является существенным улучшением показателя чистоты продукта.
Сочетание в данном способе эффекта межфазной молекулярной сепарации и технологической простоты разделения фаз, а также возможности ввода в аппарат новых порций сырья, не прерывая процесс, позволяет проводить процесс гидролиза непрерывно и неограниченно долго. Указанные ограничения температуры и концентрации кислоты связаны, в первую очередь, с экономическими и технологическими причинами. Так при температуре среды ниже 70°С и концентрации кислоты ниже 0,1 г-моль/л происходит существенное снижение скорости гидролиза пектина и значительное увеличение времени процесса, это ведет к повышению затрат на производство целевого продукта.
При температуре более 100°С резко ускоряются процессы термического разложения олигогалактуронидов - разрывы пиранозного цикла, окисление, декарбоксилирование, образование фурфурола и его производных. Это сопровождается снижением выхода олигогалактуронидов и загрязнением гидролизата продуктами их разложения. Увеличение концентрации кислоты более 2,0 г-моль/л не дает значительного увеличения скорости гидролиза, но приводит к существенному перерасходу кислоты и дополнительным затратам на ее последующую нейтрализацию и освобождение продукта от образовавшихся солей, что, в конечном результате, ведет к усложнению процесса получения целевого продукта.
Нейтрализация жидкой среды до pH не менее 4,0 перед осаждением низкомолекулярных продуктов гидролиза пектина органическим растворителем обеспечивает получение осадка низкомолекулярного пектина (олигогалактуронидов) с оптимальной консистенцией - плотного, хорошо отделяющегося от жидкой фазы. При pH ниже 4,0 происходит увеличение удельного объема осадка и ослабление его структуры, и, как следствие, затрудняется отделение осадка от жидкой фазы.
В качестве минеральной кислоты могут быть использованы, в частности, соляная, серная, азотная кислоты.
В качестве органического растворителя могут быть использованы известные органические растворители, смешивающиеся с водой, в частности, ацетон, изопропанол, этанол.
Отделение жидкой фазы - готового гидролизата от нерастворимого остатка пектина в аппарате происходит автоматически благодаря наличию фильтрующей перегородки 5, разделяющей в рабочей камере 3 отделение гидролиза 7 и отделение вывода гидролизата 8, и не требует дополнительных усилий. Это значительно снижает затраты и упрощает процесс получения целевого продукта по сравнению с прототипом, поскольку в прототипе центрифугирование ведут при ускорении 20000 g и температуре 4°С.
С экономической точки зрения целесообразно для поддержания процесса гидролиза пектина в постоянном технологическом режиме, т.е. при постоянном количестве пектина в реакционной среде, осуществлять добавку новых порций сырья к остатку пектина через узел загрузки аппарата для компенсации его расхода в ходе гидролиза. Это позволяет проводить процесс гидролиза пектина непрерывно и неограниченно долго (до исчерпания запасов сырья) и получать любое требуемое количество целевого продукта с нужной молекулярной массой, 1-5 кДа.
Преимуществом проведения процесса проведения гидролиза непрерывно, в проточном аппарате, конструкции предложенной заявителем, является возможность осуществления добавки сырья в проточный аппарат в любой, технологически или организационно удобный момент времени. В связи с чем промежутки времени между добавками сырья определяются на месте самими производственниками, исходя из их собственных экономических, технологических или организационных моментов.
Количество сырья, добавляемого в аппарат, определяется визуально по появлению остаточного количества пектина в загрузочном узле при загрузке сырья.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1.
3
2
1
1
Гидролиз пектина проводят в аппарате, конструкция которого представлена на фигуре, а описание устройства на 8-9 описания заявки. Материал корпуса аппарата - стекло, материал фильтрующих перегородок - пористый стеклянный фильтр марки ПОР 100. Отделение рабочей камеры, где происходит гидролиз пектина - отделение гидролиза - имеет следующие характеристики: внутренний диаметр (D) - 50 мм, высота (H) - расстояние между фильтрующими перегородками - 25 мм, отношение высоты к диаметру (Н/D) - 0,5, объем (V) - 49 см (0,049 л). Термостатирование аппарата осуществляют с помощью «рубашки» - наружного стеклянного теплообменника, расположенного вокруг рабочей камеры, через который прокачивают теплоноситель (вода или раствор этиленгликоля) с требуемой температурой. Подачу жидкой фазы - раствора кислоты в аппарат осуществляют с помощью перистальтического насоса с регулируемой производительностью. Выход жидкой фазы из аппарата соединен с проточным теплообменником, в котором происходит дополнительная тепловая обработка жидкой фазы. Проточный теплообменник представляет собой отрезок тефлоновой трубки (внутренний диаметр - 0,8 см, площадь поперечного сечения - 0,5 см) определенной длины, помещенной в жидкостной термостат (термостатирование теплообменника и аппарата для гидролиза осуществляется с помощью одного термостата и, соответственно, при одной и той же температуре). Необходимый внутренний объем теплообменника, предназначенный для приема жидкой фазы из аппарата (V), рассчитывают по формуле (II) при коэффициенте K=0,17
1
V=0,17*0,049=0,0083 (л).
Этому объему соответствует длина трубки теплообменника равная 16,6 см.
Пектовую кислоту (Serva, №31680), с содержанием галактуроновой кислоты - 82,2% и степенью этерификации - менее 1% в виде 20% суспензии в растворе соляной кислоты концентрацией 0,1 моль/л загружают в аппарат через узел загрузки - до полного заполнения отделения гидролиза рабочей камеры, избыток жидкой фазы сливается через верхнее или нижнее отделение ввода/вывода жидкой фазы. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Количество загруженной в аппарат пектовой кислоты, в пересчете на сухое вещество, составляет 11,55 г, ее концентрация в суспензии - 23,6%. После заполнения аппарата сырьем его нагревают до 100°С и начинают подачу в аппарат раствора соляной кислоты концентрацией 0,1 моль/л (С) через верхнее отделение ввода/вывода жидкой фазы со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте K=0,075
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 100°С в течение 12 часов. Каждые 2 часа в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженной в аппарат пектовой кислоты составляет 15,10 г. Готовый гидролизат выводится из аппарата через нижнее отделение ввода/вывода жидкой фазы и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 192 мл, содержание олигогалактуронидов - 17,1 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют до pH 4,0 5,0 М раствором гидроокиси натрия и осаждают олигогалактурониды добавлением 580 мл этанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты и оставляют для формирования осадка (формирование осадка происходит примерно за 8-12 часов), затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием при относительном центробежном ускорении (ОЦУ) - 1000-1500 g в течение 15 минут и сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия - 3,72 г (содержание в олигогалактуронате натрия чистой галактуроновой кислоты составляет 88,5%). Для определения относительного (по сырью) выхода продукта, в пересчете на галактуроновую кислоту, устанавливают расход сырья - по разнице между общим количеством пектовой кислоты, использованной для гидролиза (15,10 г) и ее количеством, оставшимся после гидролиза. Для этого количество пектовой кислоты пересчитывают на содержание в ней галактуроновой кислоты, а в оставшемся количестве пектовой кислоты определяют общее содержание галактуроновой кислоты фотометрическим методом. Установленный расход сырья составляет по галактуроновой кислоте 3,62 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте составляет, соответственно, 93,0%. По данным эксклюзионной хроматографии полученного продукта в 0,05 М ацетатном буфере с pH 3,0 на колонке с сефадексом G-50 superfine, откалиброванной с помощью стандартного набора пуллуланов, относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 87,5%.
Пример 2.
Получают низкоэтерифицированный пектин путем контролируемой щелочной деэтерификации высокоэтерифицированного пектина.
3
Берут 50 г высокоэтерифицированного цитрусового пектина (Herbstreith & Fox KG, Германия), суспендируют в 0,5 л 60 об.% этанола и постепенно, порциями добавляют 5,0 М раствор гидроокиси натрия, контролируя величину степени этерификации пектина в пробах, взятых после добавления каждой порции гидроокиси натрия. После достижения величины степени этерификации менее 30% к суспензии добавляют 20 мл концентрированной соляной кислоты (плотность - d=1,19 г/см), пектин отделяют фильтрованием, промывают 150 мл 50% этанола и сушат при 80°С. Выход низкоэтерифицированного пектина - 47 г, содержание галактуроновой кислоты - 74,8%, степень этерификации - 30,0%.
3
1
1
Гидролиз полученного пектина проводят в поточном аппарате, описание которого приведено в предыдущем примере. Характеристики аппарата: D=50 мм, Н=50 мм, Н/D=1,0, V=98 см. Необходимый внутренний объем теплообменника, предназначенный для приема жидкой фазы из аппарата (V), рассчитывают по формуле (II) при коэффициенте K=0,20:
1
V=0,20*0,098=0,0196 (л).
Этому объему соответствует длина трубки теплообменника равная 39,2 см.
Низкоэтерифицированный пектин в виде 5% суспензии в растворе соляной кислоты концентрацией 2,0 моль/л загружают в аппарат как описано в предыдущем примере. Количество загруженного в аппарат пектина, в пересчете на сухое вещество, составляет 8,30 г, его концентрация в суспензии - 8,47%. После заполнения аппарата сырьем его нагревают до 70°С и начинают подачу в аппарат раствора соляной кислоты концентрацией 2,0 моль/л (С) через нижнее отделение ввода/вывода жидкой фазы со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте К=0,088
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 70°С в течение 24 часов. Каждые 4 часа в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженного в аппарат пектина составляет 10,60 г. Готовый гидролизат выводится из аппарата через верхнее отделение ввода/вывода жидкой фазы и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 336 мл, содержание олигогалактуронидов - 14,4 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют: в начале - сухой гидроокисью натрия до pH 1-2, затем - 5,0 М раствором гидроокиси натрия до pH 6,0. Олигогалактурониды осаждают добавлением 1,0 л этанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты и оставляют для формирования осадка, затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием 15 минут при ОЦУ 1000-1500 g, затем очищают от солей: ресуспендируют в 250 мл 70% этанола и повторно центрифугируют. Влажный осадок сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия − 5,47 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте, определенный как описано в предыдущем примере, составляет 97,7%. Относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 93,1%.
Пример 3.
1
Получают низкоэтерифицированный пектин. Для этого в 0,5 л 50% этанола растворяют 20,0 г гидроокиси натрия, затем при перемешивании добавляют 100,0 г высокоэтерифицированного цитрусового пектина (Herbstreith & Fox KG, Германия). Смесь перемешивают 50 минут, затем постепенно небольшими порциями добавляют 40,0 мл концентрированной соляной кислоты, пектин отделяют фильтрованием, промывают 300 мл 50% этанола и сушат при 80°С. Выход низкоэтерифицированного пектина - 93,3 г, содержание галактуроновой кислоты - 76,5% (C), степень этерификации - 0%.
3
1
1
Гидролиз полученного пектина проводят в поточном аппарате, описание которого приведено в предыдущем примере. Характеристики аппарата: D=50 мм, Н=100 мм, Н/D=2,0, V=196 см. Необходимый внутренний объем теплообменника, предназначенный для приема жидкой фазы из аппарата (V), рассчитывают по формуле (II) при коэффициенте K=0,22
1
V=0,22*0,196=0,0431(л).
Этому объему соответствует длина трубки теплообменника равная 86,2 см.
Низкоэтерифицированный пектин в виде 20% суспензии в растворе серной кислоты концентрацией 0,5 моль/л загружают в аппарат как описано в предыдущем примере. Количество загруженного в аппарат пектина, в пересчете на сухое вещество, составляет 50,92 г, его концентрация в суспензии - 26,0%. После заполнения аппарата сырьем его нагревают до 80°С и начинают подачу в аппарат раствора серной кислоты концентрацией 0,5 моль/л (С) через верхнее отделение ввода/вывода жидкой фазы со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте K=0,100
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 80°С в течение 120 часов. Каждые 8 часов в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженного в аппарат пектина составляет 152,5 г. Готовый гидролизат выводится из аппарата через нижнее отделение ввода/вывода жидкой фазы и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 4080 мл, содержание олигогалактуронидов - 18,9 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют: в начале - сухой гидроокисью натрия до pH 1-2, затем - 5,0 М раствором гидроокиси натрия до pH 5,0. Олигогалактурониды осаждают добавлением 12,0 л этанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты и оставляют для формирования осадка, затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием 15 минут при ОЦУ 1000-1500 g, затем очищают от солей: ресуспендируют в 8,0 л 70% этанола и повторно центрифугируют. Влажный осадок сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия − 87,33 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте, определенный как описано в предыдущем примере, составляет 97,0%. Относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 92,5%.
Пример 4.
Получают низкоэтерифицированный пектин.
1
В 0,4 л 50 об.% изопропанола растворяют 20 г гидроокиси натрия, затем при перемешивании добавляют 100 г высокоэтерифицированного яблочного пектина (Herbstreith & Fox KG, Германия). Смесь перемешивают 10 мин, затем постепенно небольшими порциями добавляют 40 мл концентрированной соляной кислоты, пектин отделяют фильтрованием, промывают 300 мл 50% изопропанола и сушат при 80-100°С. Выход низкоэтерифицированного пектина - 94,5 г, содержание галактуроновой кислоты - 78,4% (C), степень этерификации - 13,8%.
3
1
1
Гидролиз полученного пектина проводят в поточном аппарате, описание которого приведено в предыдущем примере. Характеристики аппарата: D=25 мм, Н=250 мм, Н/D=10,0, V=122,5 см. Необходимый внутренний объем теплообменника, предназначенный для приема жидкой фазы из аппарата (V), рассчитывают по формуле (II) при коэффициенте K=0,19
1
V=0,19*0,1225=0,0245 (л).
Этому объему соответствует длина трубки теплообменника равная 49,0 см.
Низкоэтерифицированный пектин в виде 20% суспензии в растворе азотной кислоты концентрацией 1,0 моль/л загружают в аппарат как описано в предыдущем примере. Количество загруженного в аппарат пектина, в пересчете на сухое вещество, составляет 32,50 г, его концентрация в суспензии - 26,5%. После заполнения аппарата сырьем его нагревают до 90°С и начинают подачу в аппарат раствора азотной кислоты концентрацией 1,0 моль/л (С) через нижнее отделение ввода/вывода жидкой фазы со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте K=0,075
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 90°С в течение 48 часов. Каждые 8 часов в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженного в аппарат пектина составляет 84,05 г. Готовый гидролизат выводится из аппарата через верхнее отделение ввода/вывода жидкой фазы и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 3460 мл, содержание олигогалактуронидов - 13,4 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют: в начале - сухой гидроокисью натрия до pH 1-2, затем - 5,0 М раствором гидроокиси натрия до pH 8,0. Олигогалактурониды осаждают добавлением 10,0 л изопропанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты, и оставляют для формирования осадка, затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием 15 минут при ОЦУ 1000-1500 g, затем очищают от солей: ресуспендируют в 5,0 л 70% изопропанола и повторно центрифугируют. Влажный осадок сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия − 52,20 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте, определенный как описано в предыдущем примере, составляет 96,2%. Относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 89,3%.
Как видно из приведенных примеров, заявляемый способ гетерофазного гидролиза позволяет за счет нерастворимости исходного пектина в кислоте проводить гидролиз целенаправленно − до получения продукта с необходимой молекулярной массой и при этом использовать исходный пектин практически полностью, т.е. позволяет избегать каких-либо значительных технологических потерь сырья и повысить конечный выход продукта (по галактуроновой кислоте) по сравнению с прототипом в 2,7-2,8 раза до 93,0-97,7% от исходного сырья. Кроме того, в заявляемом способе в отличие от известного способа, гидролиз сырья ведется непрерывно, в проточном аппарате, из которого постоянно выводятся образующиеся олигогалактурониды, что позволяет существенно ограничить деструкцию олигогалактуронидов в процессе гидролиза, и, как следствие, дополнительно повысить выход целевого продукта. Более того, предлагаемое авторами техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом более высокую скорость процесса и, соответственно, снижение удельных производственных затрат и времени на выпуск одного килограмма продукта, при значительной экономии сырья, также позволяет отказаться от использования сложного и дорогостоящего технологического оборудования для отделения жидкой фазы от остатка пектина.
Достигаемый технический результат, в значительной степени обеспечивается подачей в проточный аппарат минеральной кислоты со скоростью, которую позволяет вычислить предлагаемая заявителем эмпирическая формула (I), а также дополнительной тепловой обработкой гидролизата в проточном теплообменнике, объем отделения которого, предназначенный для приема жидкой фазы из проточного аппарата, позволяет вычислить предлагаемая заявителем эмпирическая формула (II).