CC BY
5УДК 66.021.3
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ФЛАВОНОИДСОДЕРЖАЩИХ КОМПЛЕКСОВ ИЗ
ШРОТА ОБЛЕПИХИ
А.А. Кухленко, М.С. Василишин, В.В. Будаева, С.Е. Орлов, О.С. Иванов
Исследована кинетика экстракции флавоноидсодержащих комплексов из шрота облепихи в емкостном аппарате с перемешивающим устройством и в установке с роторно-пульса-ционным аппаратом. Проведены эксперименты по получению экстракта при многократном использовании экстрагента. Установлено, что проведение процесса в установке с роторно-пульсационным аппаратом с многократным использованием экстрагента позволяет увеличить полноту извлечения флавоноидсодержащих комплексов примерно на 20 % по сравнению с традиционно используемым оборудованием емкостного типа.
Ключевые слова: роторно-пульсационный аппарат, экстракция, флавоноидсодержащие комплексы, шрот облепихи.
ВВЕДЕНИЕ
Флавоноиды являются незаменимыми компонентами пищи, многие из которых обладают к тому же антимикробными и антибактериальными свойствами. В этой связи приготовление дешевых и эффективных биоконцентратов на основе флавоноидсодержащих комплексов является актуальной задачей. В настоящее время в качестве одного из источников для получения флавоноидов рассматриваются отходы производства масла, вин и соков из плодов облепихи.
Традиционно для извлечения флавоноидов из шрота облепихи используется оборудование емкостного типа [1-3], которое, к сожалению, обладает существенными недостатками. Такие аппараты малоэффективны, громоздки и сложны в обслуживании. Они используются, в основном, в производстве небольших партий фармацевтических препаратов, настоев, морсов и др.
Повышение эффективности процесса извлечения флавоноидовов возможно как путем внедрения в технологический цикл более эффективного оборудования такого, как, например, роторно-пульсационные аппараты (РПА) [4], так и за счет организации процесса экстрагирования по противоточной схеме [5, 6].
Проведение экстрагирования по проти-воточной схеме предполагает многократное использование экстрагента для извлечения флавоноидсодержащих комплексов, и исследование роста концентрации в экстракте необходимо для определения количества ступеней при организации такой схемы.
В связи с этим целью настоящей работы является экспериментальное исследование
кинетики образования флавоноидсодержащих комплексов в экстракте при его многократном использовании в качестве экстрагента при проведении процесса в установке с РПА.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве растительного сырья использовали реальные заводские отходы переработки облепихи - шрот, полученный после удаления сока и исчерпывающего извлечения масла. Данное сырье представляет собой смесь очень твердой косточки, находящейся под кожицей ягоды. Такие частицы обладают высокой твердостью [7].
В качестве экстрагента во всех опытах нами использовался 60%-ный раствор водного этилового спирта.
Массовую долю экстрактивных веществ, извлеченных 60%-ным спиртом, определяли по методике [8]. Массовую долю флавоноидов - спектрофотометрическим методом в виде комплекса с хлористым алюминием (длина волны максимума поглощения в области 400-420 нм) на приборе «и^2450» фирмы «Shimadzu» с обязательным построением калибровочного графика для рутина [9, 10]. В качестве меры концентрации массовой доли сухих веществ принималась оптическая плотность экстракта на указанных длинах волн.
Первоначально проводили экстракцию в емкостном аппарате с перемешивающим устройством объемом 5 л при температуре 20°С в течение 60 мин при соотношениях экс-трагент: сырье - 100:1; 10:1. В процессе экстракции через определенные промежутки времени отбирали пробы и определяли массовую долю сухих веществ в экстракте гравиметри-
ческим способом [11] и массовую долю флаво-ноидов в нем в пересчете на рутин.
Следующие эксперименты по извлечению флавоноидсодержащих комплексов проводили в установке с РПА, описание которой подробно приведено в работах [12, 13]. При этом длительность извлечения составляла те же 60 мин, а соотношение экстрагент: сырье - 100:1; 50:1 при температуре 20 °С. Аналогичным образом отбирали пробы, и анализировали массовые доли сухих веществ и флавоноидов.
Дальнейшие эксперименты с многократным использованием экстракта проводили следующим образом. Экстракт, полученный на предыдущей стадии извлечения флавоно-идсодержащих комплексов в установке с РПА, после фильтрации направляли на обработку свежей порции сырья (использовали его в качестве экстрагента), сохраняя при этом соотношение экстрагент: сырье - 100:1. Время обработки суспензии на каждой стадии не превышало 18 мин, при этом через каждые 4,5 мин эксперимента отбирались пробы и определяли массовые доли сухих веществ и фла-воноидов. Таким путем было проведено десятикратное использование экстракта.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Из приведенных на рисунке 1 результатов по извлечению флавоноидсодержащих комплексов из шрота облепихи видно, что проведение экстракции в установке с РПА дает больший выход целевого компонента из частиц растительного сырья в сравнении с опытом в емкостной аппаратуре.
аЬэ
( \ \ ——
---
/ ч
! / , 2
; ; /
; 1
1 - экстракция в установке с РПА; 2 -
экстракция в емкостном аппарате Рисунок 1 - Зависимости оптической плотности экстракта от времени обработки (соотношение экстрагент:сырье - 100:1)
Из графиков также следует, что экстрагирование в установке с РПА протекает гораздо быстрее, чем в емкостном аппарате. Так, в
установке с РПА процесс извлечения практически заканчивается спустя 5 мин от его начала и дальнейшее проведение опыта не приводит к сколько-нибудь значительному приросту оптической плотности экстракта. При проведении экстракции в емкостной аппаратуре видно, что кинетика этого процесса более затянута во времени и прирост оптической плотности длится на всем протяжении опыта.
Быстрой экстракции флавоноидсодержащих комплексов из шрота во многом способствует измельчение сырья при его попадании в РПА. Нами по методике, изложенной в [14], были смоделированы изменения дисперсного состава и площади поверхности частиц шрота при его прохождении через рабочие органы РПА. Результаты расчетов приведены на рисунках 2 и 3.
О) —I
И Я
си и Оч £ К т
1,5
0,5
0-1
Г
1 2
1 г
I
о
1 2
Размер частиц, мм
Рисунок 2 - Исходный (1) и расчетный (2) фракционные составы (по массе) шрота облепихи после 60 мин обработки сырья в установке с РПА
Рисунок 3 - Изменение площади поверхности частиц шрота облепихи в процессе его измельчения в установке с РПА.
Согласно представленным на рисунке 2 экспериментальным данным видно, что в результате обработки в РПА фракционный состав претерпевает значительные изменения.
Так, если до начала эксперимента доля фракции 1,0 - 2,5 мм составляла 35,8 %, то спустя первые 5 мин обработки доля этой фракции уменьшилась до 1,0 - 1,2 % от общей массы. При этом доля фракции 0,63 - 1,0 мм возросла, примерно, на 34,8 - 35,0 %. Несмотря на небольшое увеличение площади поверхности частиц в процессе обработки в установке с РПА (рисунок 3), что объясняется изначально большим количеством частиц мелкой фракции (менее 0,63 мм - 43,2 %), наблюдается довольно заметный прирост по оптической плотности экстракта, полученного в установке с РПА (рисунок 1). Такой результат хорошо согласуется с ранее полученным нами результатом по экстрагированию арабиногалактана и инулина [15]. Таким образом, можно утверждать, что измельчение сырья при его прохождении через рабочие органы РПА способствует более полному извлечению целевого компонента из частиц растительного сырья.
Уменьшение соотношения экстрагент: сырье существенно упрощает концентрирование жидких экстрактов на следующей стадии технологического цикла. Результаты опытов при уменьшении соотношения экстрагент: сырье с 100:1 до 50:1 представлены на рисунке 4.
Э, аЬэ
\
\
1 и.
О 10 20 30 40 50 60
т, МИН
1 - соотношение экстрагент: сырье 100:1;
2 - соотношение экстрагент: сырье 50:1 Рисунок 4 - Зависимость оптической
плотности экстракта от времени обработки в РПА
Из рисунка 4 видно, что уменьшение количества экстрагента приводит к получению более концентрированного экстракта: прирост по оптической плотности увеличился почти в 2 раза, при том что время проведения процесса осталось практически неизменным и составило не более 5 мин. Данный результат полностью соответствует общим представлениям о процессе экстракции [5, 6, 16-18]: снижение
соотношения экстрагент:сырье приводит к увеличению равновесной концентрации фла-воноидов и, как следствие, к снижению выхода целевых компонентов в экстракт.
При многократном использовании экстракта с целью максимального увеличения содержания в нем извлекаемого комплекса веществ была выполнена серия экспериментов, результаты проведения которой представлены на рисунке 5.
г
г —1
/ \
/
/
/
/ VI
I
1 - многократная экстракция в установке с РПА (соотношение на каждой стадии экстрагент: сырье 100:1); 2 - экстракция в емкостном аппарате (соотношение
экстрагент: сырье 10:1) Рисунок 5 - Зависимости оптической плотности экстракта от времени обработки
Представленные на рисунке 5 результаты подтверждают, что в установке с РПА осуществляется более полное извлечение целевого компонента из частиц шрота в сравнении с результатами, полученными в емкостном аппарате. При этом длительность процесса экстрагирования в установке с РПА составила 180 мин, а в емкостном аппарате -всего 60 мин. Большая длительность процесса в установке с РПА является следствием преднамеренного увеличения времени при проведении одиночной стадии в эксперименте. Вместо достаточных 5 мин на каждую стадию для проведения процесса - это время составляло 18 мин. Такое преднамеренное увеличение длительности каждой стадии было сделано для того, чтобы показать, что с увеличением номера стадии время ее длительность увеличивается незначительно и на последней стадии не превышает 5-6 мин от ее начала. Таким образом, реальное время на экстракцию в установке с РПА можно сократить в 3 раза без снижения выхода целевых компонентов.
ВЫВОДЫ
Применение установок с РПА для экстракции флавоноидсодержащих комплексов из шрота облепихи позволяет значительно интенсифицировать процесс извлечения по сравнению с традиционно используемыми аппаратами емкостного типа. Интенсификация процесса, в первую очередь, объясняется измельчением шрота и облегчением доступа экстрагента к внутренним порам его частиц. Так, в проведенных нами экспериментах в результате обработки в РПА практически исчезла фракция 1,0 - 2,5 мм, а прирост по массе фракции 0,63 -1,0 мм составил порядка 35 %.
При проведении экстракции с многократным использованием экстракта предыдущей стадии в качестве экстрагента на следующей стадии процесса приводит к существенному увеличению концентрация сухих веществ и массовой доли флавоноидсодержащих комплексов в экстракте, а многократное использование экстракта позволяет упростить последующую процедуру упаривания и выделения флавоноидсодержаших комплексов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А. с. 1752396 СССР. Способ получения биологически активных веществ из облепихи / В.В.Будаева, А.А. Лобанова, В.П. Бобрышев 07.08.92, Бюл. № 29.
2. Патент 2002422 РФ. Способ сушки жома облепихи / Василишин М.С., Виноградов А.К. и др. За-явл. 15.11.93, Бюл. № 41-42.
3. Будаева, В.В. Экологически безопасный способ получения, состав и свойства биологически активных экстрактов из отходов плодово-ягодной переработки: автореферат дисс... к.х.н. - Бийск: Изд-во ООО «Принт-Макет», 2005. - 20 с.
4. Балабудкин, М.А. Роторно-пульсационные аппараты в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Медицина, 1983. - 160с.
5. Аксельруд, Г.А. Экстрагирование (система твердое тело - жидкость) / Г.А. Аксельруд, В.М. Лы-сянский. - Л.: Химия. - 1974. - 256 с.
6. Пономарев, В.Д. Экстрагирование лекарственного сырья / В.Д. Пономарев. - М.: Медицина, 1976. - 202 с.
7. Будаева, В.В. Переработка ягод брусники и водяники / В.В. Будаева, А.А. Лобанова, Е.Ю. Егорова // Пиво и напитки. - М., 2005. - № 3. - С. 34-38.
8. ГОСТ 24027.2-80 Сырье лекарственное растительное. Методы определения влажности, содержания золы, экстрактивных и дубильных веществ, эфирного масла. Издание официальное. -М.: Изд-во стандартов, 1980. - 12 с.
9. Лобанова А.А., Исследование биологически активных флавоноидов в экстрактах из растительного сырья / А.А. Лобанова, В.В. Будаева, Г.В. Са-кович // Химия растительного сырья. - 2004. - №
1. - С. 47-52.
10. Корулькин, Д.Ю. Природные флавонои-ды / Д.Ю. Корулькин, Ж.А. Абилов, Р.А. Музычкина, Г.А. Толстиков; Рос. акад. наук, Сиб. отд., Новосиб. ин-т органической химии. - Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2007. - 232 с.
11. ГОСТ Р 51437-99 Соки фруктов и овощей. Гравиметрический метод определения массовой доли общих сухих веществ по убыли массы при высушивании. Издание официальное. М.: Изд-во стандартов, 1999. - 16 с.
12. Кухленко, А.А. Исследование закономерностей эмульгирования в роторно-пульсационном аппарате / А.А. Кухленко, М.С. Василишин А.Г. Карпов Н.В. Бычин // Хим. пром. сегодня. - 2008. - №1.
- С.36-40.
13. Орлов, С.Е. Исследование эффективности роторно-пульсационного аппарата в процессе экстракции лигнина из недревесного растительного сырья / С.Е. Орлов, В.В. Будаева, А.А. Кухленко, А.Г Карпов, М.С. Василишин, В.Н. Золотухин // Пол-зуновский вестник. - 2010. - № 4-1. - С. 183-188.
14. Кухленко, А.А. Расчет фракционного состава и площади поверхности твердых частиц в процессе их диспергирования в роторно-пульсаци-онном аппарате / А.А. Кухленко, М.С. Василишин, С.Е. Орлов, Д.Б. Иванова // Ползуновский вестник.
- 2010. - № 3. - С. 180-183.
15. Кухленко, А.А. Исследование процесса экстракции в установке с роторно-пульсационным аппаратом / А.А. Кухленко, С.Е. Орлов, М.С. Василишин, Е.И. Макарова, В.В. Будаева // Ползуновский вестник. - 2013. - №3 - С.
16. Василишин, М.С. Экстракция арабинога-лактана из опилок лиственницы сибирской в аппарате роторно-пульсационного типа / М.С. Василишин, В.В. Будаева, А.А. Кухленко, А.Г Карпов, О.С. Иванов, С.Е. Орлов, В.А. Бабкин, Е.Н. Медведева // Ползуновский вестник. - 2010. - № 4-1. -С. 168-173.
17. Орлов, С.Е. Экспериментальное исследование процесса экстракции инулина из клубней топинамбура с применением аппарата роторно-пульсационного типа / С.Е. Орлов // Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием (27-29 апреля 2011 г., г. Бийск).
- с. 44-48.
18. Будаева, В.В. Биологически активные комплексы из отходов растениеводства и диких растений / Будаева В.В., Якимов Д.Й. // Ползуновский вестник. -2007. - № 3. - С. 15-25.
Кухленко Алексей Анатольевич, старший научный сотрудник лаборатории процессов и аппаратов химических технологий, кандидат технических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО
РАН), ak-79@rambler.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-18-69.
Василишин Михаил Степанович, заведующий лабораторией процессов и аппаратов химических технологий, кандидат технических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), admin@ipcet.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-18-37.
Будаева Вера Владимировна, заведующая лабораторией биоконверсии, кандидат химических наук, доцент Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), budaeva@ipcet.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-59-85, факс (3854)
30-17-25.
Орлов Сергей Евгеньевич, младший научный сотрудник лаборатории процессов и аппаратов химических технологий Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), ceppp@mail.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-18-69.
Иванов Олег Сергеевич, научный сотрудник лаборатории процессов и аппаратов химических технологий, кандидат технических наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН), osi85@mail.ru, ул. Социалистическая, 1, Бийск, 659322, Россия. Тел. (3854) 30-59-40.
