CC BY
78
Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 43-46
УДК 547.917
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОД И НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ КОРЫ ЛИСТВЕННИЦЫ
© Н.В. Иванова , О.В. Попова, В.А. Бабкин
Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, ул. Фаворского, 1, Иркутск, 664033, (Россия) E-mail: [email protected]
Проведено исследование влияния технологических параметров, таких как предобработка сырья, гидромодуль, температура, продолжительность экстракции, рН среды, и вид осадителя на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры лиственницы.
Введение
Пектиновые вещества, обладая хорошими желирующими и стабилизирующими свойствами, традиционно используются в производстве фруктовых, молочных, десертных продуктов, в фармацевтике и косметической промышленности. Однако в настоящее время российские потребители удовлетворяют свои запросы за счет дорогого импортного пектина.
Пектин (от греческого слова «pectos» - «свернувшийся») является естественным полимерным соединением, входящим в состав структурных элементов клеточной ткани всех земных растений [1].
Кора лиственницы содержит от 1,5 до 12,0% пищевого пектина [2], поэтому ее можно рассматривать как объект для его промышленного выделения. В литературе также имеются сведения о биологической активности лиственничного пектина [3]. Наравне с другими хвойными пектинами он промотирует выведение из организма цезия-137, а также заметно ингибирует рост раковых клеток саркомы 180.
В рамках программы «Комплексная безотходная переработка биомассы лиственницы» мы исследовали классические способы выделения пектиновых веществ из растительного сырья в приложении к объекту -коре лиственницы.
Традиционно в промышленности с целью получения высокомолекулярного желирующего пектина используется гидролиз-экстракция пектинсодержащего сырья с последующим осаждением продукта. Известно [4], что такие параметры процесса выделения пектина, как предобработка сырья, гидромодуль, температура, продолжительность экстракции, рН среды и вид осадителя варьируют в их взаимном сочетании в зависимости от особенностей перерабатываемого сырья. Целью настоящей работы было изучение влияния этих параметров на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры лиственницы, являющейся отходом Байкальского ЦБК.
Экспериментальная часть и обсуждение результатов Влияние вида экстрагирующего агента и гидромодуля
Для выделения пектиновых веществ применяли следующие экстрагирующие агенты: 1) 0,5% раствор оксалата аммония (гидромодуль 1 : 5), 2) 0,5% раствор щавелевой кислоты (гидромодуль 1 : 5), 3) эквимолярная смесь 0,5% растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония (1 : 5), 4) 0,25% раствор гидроксида натрия (1 : 5) и 5) то же, что и 3 (гидромодуль 1 : 7), 6) то же, что и 3 (гидромодуль 1 : 10).
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экстракцию вели при 80 °С в течение 2 ч, при постоянном перемешивании. При обработке полученного экстракта в качестве осадителя пектиновых веществ использовали трехкратный объем этилового спирта. Сформировавшийся осадок отфильтровывали через батистовый фильтр с помощью вакуумного водоструйного насоса, дважды промывали этанолом, а затем диэтиловым эфиром. Получившиеся таким образом пектиновые вещества высушивали сначала на воздухе, а затем в сушильном шкафу при 50 °С. Результаты по изменению выхода и элементного состава полученных пектиновых веществ в зависимости от вида используемого экстрагента представлены в таблице.
Как видно из таблицы, максимальный выход пектиновых веществ наблюдается при использовании в качестве экстрагента слабоконцентрированного раствора щелочи, однако зольность получаемого препарата составляет 16,66%. Известно [1], что количество зольных элементов определяет качество пектинов, влияя на их желирующую способность: чем ниже зольность, тем лучше желирующая способность. Следовательно, использование в качестве экстрагента раствора щелочи нецелесообразно, поскольку требует дальнейшей очистки продукта от зольных элементов. Минимальное количество золы находится в препаратах, для выделения которых использовали смесь оксалата аммония и щавелевой кислоты (оп. 3).
Предварительные эксперименты показали, что использование экстрагирующей жидкости менее 5 объемных единиц по отношению к коре не достаточно, так как не происходит полного смачивания частиц коры экстрагентом. Изменение гидромодуля от 5 до 7 единиц (оп. 3, 5) увеличивает выход пектиновых веществ в 1,5 раза, а дальнейший его рост (оп. 6) принципиального влияния на выход продукта, а также его зольность не оказывает.
Таким образом, для выделения пектиновых веществ из коры лиственницы наиболее оптимальным в рассмотренных условиях нам представляется использование в качестве экстрагента смеси оксалата аммония и щавелевой кислоты при гидромодуле 1 : 7, что приводит к выделению пектиновых веществ в количестве 2,7% от веса абсолютно сухой коры с зольностью 5,2%.
Влияние предобработки сырья и температуры процесса
Как указано выше, настоящая работа проводилась в рамках программы «Комплексная безотходная переработка биомассы лиственницы» [5], которая предусматривает последовательное извлечение из коры воска, антиоксидантного комплекса, таннинов и пектиновых веществ. Имея это в виду, мы провели сравнительное изучение зависимости выхода пектиновых веществ из коры лиственницы исходной и последовательно обработанной растворителями с возрастающей полярностью - гексаном, этилацетатом, водой. Выделение проводили в выбранных ранее условиях, полученные результаты представлены на рисунке 1. Как и следовало ожидать, предварительное удаление экстрактивных веществ приводит к увеличению выхода продукта (примерно в 1,5 раза), что, очевидно, связано с увеличением доступности пектиновых веществ.
Результаты, представленные на рисунке 1, также свидетельствуют о том, что с увеличением температуры процесса гидролиз-экстракции пектиновых веществ их выход возрастает и проходит через максимум при температуре 80 °С. Эти данные хорошо согласуются с литературными для процессов выделения классических пектинов [1, 6]: повышение температуры вызывает частичный гидролиз протопектина - выход продукта увеличивается, однако при увеличении температуры выше 80 °С происходит разрушение суперструктуры пектиновых веществ. Об этом также свидетельствует представленная на рисунке 2 экспериментальная зависимость молекулярной массы полученных пектиновых веществ, определенной вискозиметрически [7], от температуры процесса их экстрагирования.
Изменение выхода и элементного состава пектиновых веществ коры лиственницы в зависимости от вида используемого экстрагента
Экстрагирующие агенты (№ опыта) Выход,% от а.с.н. рН экстракционной среды Элементный состав, %
С Н зола
1 0,77 6,95 30,28 6,66 7,89
2 0,97 1,90 31,17 5,75 8,34
3 1,64 2,90 32,05 5,42 5,58
4 5,81 11,97 36,55 4,51 16,66
5 2,71 2,86 34,24 6,30 5,20
6 2,93 2,84 31,48 6,82 5,08
Влияние времени экстракции
Кинетические закономерности любого процесса вообще и процесса гидролиз-экстракции пектиновых веществ в частности представляют значительный интерес и являются самостоятельным предметом исследования. На рисунке 3 приведены экспериментальные результаты влияния времени экстракции на выход пектиновых веществ. Гидролиз-экстракцию исходной коры лиственницы проводили при 80° С эквимолярной смесью 0,5% щавелевой кислоты и 0,5% оксалата аммония, в качестве осадителя использовали этанол. Полученные данные свидетельствуют, что основное количество пектиновых веществ переходит в экстракт уже в первый час процесса, последующее увеличение времени на выход продукта существенного влияния не оказывает.
Влияние вида осадителя
Раствор пектиновых веществ получали, обрабатывая кору лиственницы эквимолярной смесью 0,5% оксалата аммония и 0,5% щавелевой кислоты (гидромодуль 1 : 7) при 80 °С и постоянном перемешивании в течение 2 ч. Далее экстракт концентрировали в циркуляционном вакуумном испарителе до 1/3 объёма и делили на две равные части, каждую из которых обрабатывали отдельно. В первую покапельно, при постоянном перемешивании добавляли равное количество ацетона, а во вторую таким же образом, столько же этанола. Получившиеся осадки отфильтровывали через батистовый фильтр под вакуумом, снова растворяли в 100 мл дистиллированной воды, при необходимости подогревая до 40-50 °С. Процедуры осаждения и фильтрования повторяли дважды. Полученные осадки на фильтре промывали сначала ацетоном или спиртом соответственно, а затем диэтиловым эфиром, высушивали на воздухе, а после этого в сушильном шкафу при 50 °С, охлаждали до комнатной температуры в эксикаторе и взвешивали, определяя выход в массовых процентах от абсолютно сухой навески исходной коры. Результаты представлены на рисунке 4. Следует отметить, что покапельное прибавление экстракта в осадитель увеличивает выход продукта в среднем на 0,5% по сравнению с обычным способом высаживания.
Полученные результаты свидетельствуют, что ацетон является менее избирательным осадителем пектиновых веществ, чем этиловый спирт, соответственно и чистота получаемых продуктов при осаждении спиртом выше. О чистоте получаемого препарата пектина можно судить также по величине его уронидной составляющей [8]. Для пектиновых веществ из коры лиственницы этот параметр составляет 69,77 и 78,12% высаженных ацетоном и этанолом соответственно.
—*— ПВ из исх. коры —■— ПВ из обработанной коры
Рис. 1. Зависимость выхода пектиновых веществ коры лиственницы от предобработки сырья и температуры процесса выделения
Рис. 2. Зависимость молекулярной массы пектиновых веществ коры лиственницы от температуры процесса их выделения
Рис. 3. Влияние времени гидролиз-экстракции пектиновых веществ коры лиственницы на их выход
Время, мин
д о
з
m 0
1 -
ацетон этанол
Осадитель
Рис. 4. Зависимость выхода пектиновых веществ коры лиственницы от вида используемого осадителя
Выводы
В рамках программы «Комплексная безотходная переработка биомассы лиственницы» проведено исследование по определению условий выделения пектиновых веществ из коры лиственницы. Установлено, что для их извлечения следует использовать: сырье - кору, предварительно
проэкстрагированную последовательно гексаном, этилацетатом и водой; экстрагент - эквимолярную смесь 0,5% растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония; гидромодуль - 1 : 7; температуру процесса -80 °С; время экстракции - 1 ч; осадитель - этанол; способ высаживания - покапельное добавление экстракта к осадителю при перемешивании.
Список литературы
1. Аймухомедова Г.Б., Шелухина Н.П. Пектиновые вещества и методы их определения. Фрунзе, 1964. 119 С.
2. Ярцева Н.А., Пермякова Г.В., Степень Р.А. Характеристика пищевых пектинов из коры хвойных // Продовольственные и кормовые ресурсы лесов Сибири. Красноярск, 1983. С. 122-124.
3. Grigoriuk G.P. Pectins from a bark of coniferous trees as biologically active components of food stuffs in the medical and practical purposes // Int. Conf. Natur. Prod. and Physiol. Active Subst., Novosibirsk, Nov. 30 - Dec. 6, 1998. Book Abstr. S. 79.
4. Алейников И.Н., Сергеев В.Н., Русаков А.В., Меркулов Ю.Г. Новый подход к производству пектина // Пищевая промышленность. 2000. №1. С. 59-61.
5. Бабкин В. А. Безотходная комплексная переработка биомассы лиственницы сибирской и даурской // Химия в интересах устойчивого развития. 1997. №5. С. 105-115.
6. Шелухина Н.П., Абаева Р.Ш., Аймухамедова Г.Б. Пектин и параметры его получения. Фрунзе, 1987. 91 с.
7. Коваленко С. Л., Куриленко О. Д. Вязкость пектиновых растворов // Химия природных соединений. 1964. №2. С. 175-179.
8. Кайшева Н.Ш., Щербак С.Н. и др. Анализ пектинов защитного действия // Журнал аналитической химии. 1994. Т. 49. №11. С. 1158-1162.
Поступило в редакцию 30 сентября 2003 г.
