CC BY
33
УДК 664.161.8:557.15.02
ОЧИСТКА в-ЦИКЛОДЕКСТРИНА ОТ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАТЕЛЯ
Н.Г. ГУЛЮК, доктор технических наук, зав. отделом
Т.С. ПУЧКОВА, кандидат технических наук, зав. сектором
Д.М. ПИХАЛО, старший научный сотрудник
Ю.И. КОМАРОВ, аспирант
ВНИИ крахмалопродуктов, Россия, Московская обл., п. Красково
Е-таН: vniik@arrisp.ru
Резюме. В статье приведены результаты изучения различных способов очистки продуктов после циклизации для получения в-циклодекстрина (в-ЦД), содержащего безопасное остаточное количество комплексанта трихлорэтилена. Объектом исследований были циклодекстрины(ЦД) - циклические соединения, состоящие из 6, 7 и 8 глюкопиранозных единиц, расположенных в виде кольца (соответственно а-, в- и у-ЦД). В лабораторных условиях в-ЦД получали из амилопектинового крахмала. Клейстеризацию и частичное разжижение крахмала осуществляли с использованием амилолитического ферментного препарата марки «БАН 480Л» при дозировке 0,2 г/кг сухого вещества крахмала. Условия гидролиза: концентрация суспензии крахмала - 30±0,2 %; обработка при температуре 83±2°С идалее при температуре 115±5 0С в течение 30 мин. Затем проводили отделение жиробелковой взвеси. Процесс циклизации осуществляли с использованием препарата циклодекстриглюканотрансферазы (ЦГТ-азы) «Торузим 3.0Л» и комплексанта трихлорэтилена. Смесь выдерживали при температуре 50±2 0С и перемешивании в течение 48 ч. В продукте образовывались кристаллы комплекса «в-ЦД-трихлорэтилен». В полученных образцах в-ЦД определяли остаточное количество трихлорэтилена на газовом хроматографе с термосорбцией GC-1010+. Для достижения безопасного качества ЦД по содержанию комплексанта после циклизации достаточно проводить кипячение продукта. При этом в-ЦД содержитне более 0,005мг/кг трихлорэтилена, также как и в контрольном импортном образце. Предложенный способ очистки в-ЦД заключается в растворении кристаллов комплекса «циклодекстрин-трихлорэтилен» после циклизации при нагревании, кипячении в течение 20 мин. с последующим фильтрованием, концентрированием, кристаллизацией, центрифугированием и сушкой.
Ключевые слова: в-циклодекстрин, очистка, сольвентная технология, циклодекстринглюканотрансфераза (ЦГТ-аза), комплексообразователь, трихлорэтилен.
Циклодекстрины (ЦД) представляют собой ряд циклических соединений, состоящих из 6, 7 и 8 глюкопиранозных единиц, расположенных в виде кольца, называемых соответственно а-, в- и у-ЦД. Наиболее распространен в-циклодекстрин (в-ЦД). Специфика строения циклодекстринов позволяет им образовывать надмолекулярные комплексы включения с разнообразными органическими и неорганическими соединениями, широко используемые в практике. К числу таких особенностей, во-первых, относится наличие в молекуле торообразной полости диаметром 0,4...0,8 нм. В эту полость могут встраиваться молекулы различных веществ, образуя комплексы включения «хозяин-гость» [1]. Во-вторых, следует назвать различные свойства внешней поверхности тора и внутренней его полости: внешняя поверхность гидрофильна, а внутренняя -гидрофобна. Благодаря такой ситуации входящая в соединение молекула «гостя» может прочно удерживаться в полости межмолекулярными связями. При этом свойства включённых соединений могут отличаться от исходных [1]. В связи с этим ЦД находят широкое применение в пищевой, медицинской, парфюмерной и других отраслях промышленности [2].
Биохимический синтез ЦД основан на ферментативной трансформации крахмала, катализируемой циклодекстринглюканотрансферазой (ЦГТ-азой) в присутствии комплексообразователя, который селективно взаимодействует с ЦД с образованием устойчивых нерастворимых комплексов [1]. Он получил название «соль-вентного» и чаще всего применяется в промышленности. Другой способ заключается в синтезе циклодекстринов определённой формы (а, в и у) в присутствии специфичного ферментного препарата без комплексантов [1, 2].
В качестве комплексообразователей используют такие органические соединения, как бутанол, циклогексан, изопропанол, этанол, ацетон и др., имеющие различную температуру кипения и растворимость в воде [1, 2].
Известно, что а- и в-ЦД не гидролизуются ферментной системой человека и проходят через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) в неизменном виде [1]. Такая ситуация связана с тем, что, будучи высокомолекулярными соединениями (1000.2000 ед. и более), гидрофильные ЦД плохо всасываются в ЖКТ. Следовательно, с токсикологической точки зрения ЦД -безопасный продукт.
На сегодняшний день промышленное производство циклодекстрина в мире достигло 10 тыс. т в год. Основные страны-изготовители - Япония, США, Германия, Венгрия, Франция, Бельгия и др.
В России в-циклодекстрин (Е-450) в соответствии с санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами СанПиН 2.2.3.1293-9 от 18 апреля 2003 г. разрешён для использования в качестве носителя-наполнителя в пищевых продуктах, витаминах, ароматизаторах и фармацевтике для стабилизации медицинских препаратов.
Безопасность применения ЦД определяется в первую очередь содержанием остаточного количества комплексантов в готовом продукте.
Цель нашего исследования - изучение различных способов очистки после процесса циклизации для получения образцов в-циклодекстрина (ЦД) с безопасным остаточным количеством комплексанта трихлорэтилена.
Условия, материалы и методы. В качестве исходного сырья для исследований использовали кукурузный амилопектиновый крахмал (ГОСТ 32159-2013).
Клейстеризацию и частичное разжижение крахмала осуществляли с амилолитическим ферментным препаратом марки «БАН 480Л» в дозе 0,2 г/кг сухого вещества. Условия гидролиза: концентрация суспензии крахмала 30±0,2 %; обработка при температуре 83±2 0С и при температуре 115±5 0С в течение 30 мин; далее - отделение жиробелковой взвеси.
Проведённые ранее исследования по применению различных комплексообразователей показали, что в этом качестве наиболее приемлем трихлорэтилен [3.5]. Это соединение малотоксично, имеет низкую температуру кипения (87,2 0С) и легко может быть удалено из производственной среды. Комплексант вносили в количестве 5% по объёму субстрата.
Циклизацию проводили с ферментным препаратом «Торузим 3.0Л» при следующих условиях: температура 50±2 0С; дозировка 10 г/кг на сухое вещество крахмала; продолжительность 48 ч. В продукте образовывались кристаллы комплекса «в-ЦД-трихлорэтилен».
Для очистки использовали следующие способы:
фильтрование без кипячения с последующей промывкой водой и сушкой;
растворение кристаллов комплекса в продукте после циклизации нагреванием, кипячение полученного продукта в течение 20 мин с последующим фильтрованием, концентрирование, кристаллизация, центрифугирование, промывка водой и сушка;
выделение кристаллов комплекса после циклизации фильтрованием, растворение в воде и кипячение в течение 20 мин, очистка
активным углём, концентрирование, кристаллизация, центрифугирование, промывка водой и сушка;
после выделения сырых кристаллов р-ЦД по предыдущему способу растворение их в воде, перекристаллизация, центрифугирование и сушка.
Для сравнения в исследованиях использовали контрольный образец р-ЦД (качество - х.ч.), произведённый в Германии.
Остаточные количества трихлорэтилена в ЦД определяли на газовом хроматографе с термосорбцией GC-1010+ (газ-носитель - гелий, колонка HP-5MS, 30 м х 0,25 мм х 0,25 мкм) в Аналитическом центре химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова; углеводный состав - на жидкостном хроматографе с рефрактометрическим датчиком компании Bischoff, модель 8120 [5].
Результаты и обсуждение. Установлено, что для достижения безопасного качества ЦД по содержанию комплексанта после циклизации достаточно кипячения продукта, выделения кристаллов, промывки кристаллов дистиллированной водой и сушки (см. табл.).
Литература.
1. Jozsef Szejtli. Cyclodextrin Technology. New York: Springer, 1988. vol. 1.
2. Абелян В.А. Циклодекстрины: Получение и применение. Ереван: Изд. Дом «Ван-Арьян», 2001. 519 с.
3. Гулюк Н.Г., Комаров Ю.И., Пучкова Т.С., Пихало Д.М. Исследование процесса получения из крахмала циклодекстринов -высокоэффективных соединений включения // Тезисы докладов XIX Международной конференции по крахмалу. М., 2012.
4. Гулюк Н.Г., Комаров Ю.И., Пучкова Т.С., Пихало Д.М. Получение в-циклодекстрина из различных видов крахмала // Хранение и переработка сельхозсырья. 2013. № 11. С. 45-48.
5. Определение оптимальных условий циклизации в-циклодекстринов из крахмала на основе многофакторного планировании эксперимента/Ю.И. Комаров, Н.Г. Гулюк, Д.Н. Пихало, Т.С. Пучкова, В.А. Коваленок //Материалы Международной конференции «Биотехнология и качество жизни». М., 2014.
6. МУК 4.1.1205-03 Госсанэпиднадзора Минздрава России «Методы контроля, химические факторы. Газохроматогра-фическое определение бензола, трихлорэтилена, хлорбензола, этилбензола, м-, п-ксилолов, стирола, изопропилбензола, 0-хлортолуола и нафталина в воде. Методические указания».
PURIFICATION OF BETA-CYCLODEXTRIN FROM COMPLEXING COMPOUND
N.G. Gulyuk, T.S. Puchkova, D.M. Pikhalo, Y.I. Komarov
All-Russia Research Institute for starch products, Russia, Moscow region, Kraskovo
Summary. The results of studies of different methods of products purification after cyclization to produce beta-cyclodextrin (beta-CD), which had safe residual amount of complexant trichloroethylene, are stated in this article. The objects of the research were cyclodextrins (CD) -cyclic compounds that consisted of 6, 7, and 8 glucopyranose units, formed in a ring (alpha-, beta- and gamma-CD respectively). Beta-CD was produced from amylopectine starch under laboratory conditions. Gelatinization and partial dilution of starch were made using amylolytic enzyme preparation "BAN 480L" at dosage 0.2g/kg dry substances of starch. Conditions of hydrolysis were: concentration of starch suspension 30±0.2 %; treatment at a temperature 83±2 deg and further at a temperature 115±5 deg during 30 min. Then separation of fatty-protein suspension was made. Cyclization process was carried out using the preparation of cyclo-dextringlucanotransferase (CGT-ase) "Toruzym 3.0U' and compexant trichloroexthylene. Mixture was maintained at mixing and at a temperature 50±2 deg during 48 hours. Crystals of the complex beta-CD-trichloroethylene formed in the product. The residual amount of trichloroethylene was determined in samples of beta-CD using gas chromatograph with thermosorption GC-1010+. In order to reach safe quality of CD on complexant content after cyclization it is enough to boil it. At that the content of trichloroethylene in beta-CD is no more than 0.005 mg/kg, the same value as in the standard imported sample. The proposed method of beta-CD purification is the dissolution of crystals of complex cyclodextrin-tricholoroethylene after cyclization at heating, boiling during 20 min with further filtration, concentration, crystallization, centrifugation and drying.
Keywords: beta-cyclodextrin, purification, solvent technology, cyclodextringlucanotransferase (CGT-ase), complexing compound, trichloroethylene.
Таблица. Влияние степени очистки на чистоту ЦД
Способ удаления комплексанта и очистки Р-ЦД
Содержание трихлорэти-лена, мг/кг
Углеводный состав, %
ВМС* в-ЦД глюкоза
Фильтрование без кипячения, промывка, сушка
Растворение комплекса, кипячение, фильтрование, концентрирование, кристаллизация, центрифугирование, промывка водой, сушка Фильтрование, растворение комплекса, кипячение, очистка углём, концентрирование, кристаллизация, центрифугирование, промывка водой, сушка Фильтрование, растворение комплекса, кипячение, очистка углём, концентрирование, кристаллизация, центрифугирование, растворение кристаллов, перекристаллизация, центрифугирование, промывка водой, сушка Импортный образец ЦД (х.ч.)_
0,46±0,07 6,68 92,49 0,84
0,005 2,33 97,67 0,00
0,005 2,30 97,70 0,00
0,005 0,00 100,00 0,00
0,005 0,00 100,00 0,00
* ВМС - высокомолекулярные соединения
Гарантированная высокая степень чистоты ци-клодекстрина достигается дополнительной очисткой растворов р-ЦД активным углём с последующей перекристаллизацией.
Полученный с использованием разработанного способа очистки р-ЦД содержит не более 0,005 мг/кг трихлорэтилена. При этом концентрация этого соединения в воде централизованных систем питьевого водоснабжения в соответствии с МУК 4.1.120503 Госэпиднадзора Минздрава России не превышает 0,006 мг/дм3 [6].
Выводы. Растворение кристаллов комплекса «ци-клодекстрин- трихлорэтилен» после циклизации нагреванием, кипячение полученного продукта в течение 20 мин. с последующим фильтрованием, концентрирование, кристаллизация, центрифугирование и сушка даёт возможность получать р-ЦД с безопасным остаточным количеством комплексанта, не превышающим его содержания в воде централизованных систем питьевого водоснабжения и позволяющим использовать его в пищевой, медицинской и других отраслях промышленности.
