CC BY
63
УДК 547.97
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АНТОЦИАНИДИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ ИЗ КОРЫ ПИХТЫ И ЛИСТВЕННИЦЫ
© В.А. Левданский, А.И. Бутылкина, Б.Н. Кузнецов
Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск 660049 (Россия), e-mail: [email protected]
Изучено влияние концентрации соляной кислоты и продолжительности обработки на выход антоцианидиновых красителей из коры пихты и лиственницы. Найдены оптимальные условия процесса, обеспечивающие максимальный выход антоцианидинов.
Ключевые слова: Антоцианидиновые красители, кора лиственницы и пихты, получение, оптимизация.
Введение
Привлекательность многих пищевых продуктов в значительной мере связана с подкрашиванием для придания цвета, близкого к естественной окраске плодов и овощей. В настоящее время для этой цели используют дешевые синтетические красители. Однако уже есть доказательства вредного, канцерогенного влияния некоторых искусственных красителей на организм человека, в связи с чем ставится вопрос о запрещении амаранта, нафтола желтого и др. Список допускаемых синтетических красителей с каждым годом сокращается. В ближайшие годы пищевая промышленность встанет перед фактом необходимости замены искусственных красителей естественными. Эту проблему можно решить использованием натуральных, безвредных антоцианидиновых красителей, выделенных из различных видов растительного сырья. Также анто-цианидины могут применяться в медицине. Патентуются нетоксичные фармакологические композиции на основе антоцианидинов, обладающие противовоспалительным, заживляющим, повышающим защитные свойства организма действием [1, 2]. В настоящее время достаточно подробно изучены условия получения и отработаны методы количественного определения антоцианидиновых красителей в плодоовощном сырье [3, 4]. Самый распространенный метод получения антоцианидинов из плодоовощного сырья - гидролиз анто-цианов (глюкозидов) 2 н соляной кислотой при 100 °С в течение 40 мин или 6 н соляной кислотой при той же температуре в течение нескольких минут. Однако те же самые соединения могут быть получены при соответствующей обработке коры хвойных пород деревьев или дубильных экстрактов, получаемых из коры [5-7]. В коре различных видов деревьев антоцианидиновые соединения могут содержаться как в свободном состоянии, так и включенном в лигноуглеводный комплекс коры. Так, в коре лиственных пород деревьев, например березы, основное количество лейкоантоцианидинов находится в свободном состоянии [8], а в коре лиственницы до 3% флавоноидов находится в связанном состоянии с лигноуглеводным комплексом коры [9]. Лейкоантоцианидины коры березы анализируют, предварительно переведя их в соответствующие окрашенные антоцианидинхлориды, при этом концентрация соляной кислоты составляет около 6-7%, а время выдержки 30 мин. В настоящее время недостаточно изучены процессы получения антоцианидиновых красителей из коры сибирских хвойных пород деревьев.
Цель работы - оптимизация процесса получения антоцианидиновых красителей из коры пихты и лиственницы.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
В качестве исходного сырья использовали высушенную и измельченную кору пихты и лиственницы (фракция 1,0-2,0 мм). Перед выделением антоцианидиновых соединений кору экстрагировали неполярным растворителем в аппарате Сокслета до удаления всех смолистых веществ [6, 10]. Данные о химическом составе коры приведены в таблице 1.
Оптимальный режим выделения антоцианидиновых соединений из коры пихты и лиственницы был найден с использованием блока Experimental design из пакета прикладных программ Statgraphics Plus [11].
На выход антоцианидиновых соединений оказывают влияние такие факторы, как гидромодуль, концентрация соляной кислоты, температура и продолжительность обработки коры. Наиболее эффективно процесс извлечения антоцианидинов идет при гидромодуле 12 и температуре 78 °С. На основе экспериментальных данных строили математические модели процессов. В качестве независимых переменных выбраны следующие факторы: Х1 - концентрация HCl, %; X2 - продолжительность процесса, ч. Гидромодуль и температура были стабилизированы на уровнях 12 и 78 °С соответственно. Уровни варьирования переменных представлены в таблице 2. Для определения влияния вышеуказанных факторов на выход красителя был реализован план Ко-2. Каждый эксперимент осуществляли дважды.
Таблица 1. Содержание основных компонентов в используемых видах коры, %
Экстрактивные вещества Полисахариды
Вид коры Целлюлоза Лигнин легкогидро- лизуемые трудногид- ролизуемые Зольность
Лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.) 25,3 38,8 19,б 13,2 24,7 2,8
Пихта сибирская (Abies sibirica Ledeb.) 23,7 37,2 18,0 17,2 22,б 1,9
* - от массы абсолютно сухой коры
Таблица 2. Уровни варьирования переменных при получении антоцианидиновых красителей из коры пихты и лиственницы
Наименование факторов Уровни варьирования Параметры варьирования
Концентрация HCl, % -1 2,5
0 3
1 3,5
Продолжительность процесса, ч -1 2
0 3
1 4
Результаты и обсуждение
Для оценки влияния указанных факторов на выход красителя из коры пихты были использованы данные, представленные в таблице 3.
Таблица 3. План экспериментов по получению антоцианидинового красителя из коры пихты и результаты его реализации
Номер опыта Концентрация HCl, % Продолжительность процесса, ч Выход красителя, %
У1 У2
1 2,5 3 1б,3 1б,2
2 2,5 2 14,5 14,3
3 3,5 2 1б 1б,1
4 2,5 4 15,8 15,7
5 3,5 4 1б,9 1б,б
б 3,5 3 17,2 17,4
7 3 3 17,б 17,5
8 3 2 1б,3 1б,2
9 3 4 17,2 17,3
В результате математической обработки экспериментальных данных было получено следующее уравнение регрессии:
У! = 17,655 + 0,617Х1 + 0,508Х2 - 0,933Х^ - 0,162Х1Х2 - 0,958Х22,
где у1 - выход антоцианидинового красителя из коры пихты.
На основании полученного уравнения регрессии построена поверхность отклика выходного параметра -выхода антоцианидинового красителя из коры пихты (рис. 1).
Сканированием уравнения регрессии были найдены оптимальные условия процесса получения антоцианидинового красителя из коры пихты. Установлено, что максимальный выход антоцианидинового красителя достигается при концентрации соляной кислоты 3,1% и продолжительности процесса 3,2 ч. Выход красителя в этих условиях составил 17,8%. Аналогичным образом была проведена математическая обработка процесса получения антоцианидинового красителя из коры лиственницы.
В результате математической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии, описывающее процесс получения антоцианидинового красителя из коры лиственницы:
у2 = 20,161 + 0,192Хі + 0,533Х2 - 0,692Х^ + 0,025Х1Х2 - 1,267Х22,
где у2 - выход антоцианидинового красителя из коры лиственницы.
На основании полученного уравнения регрессии построена поверхность отклика выходного параметра -выхода антоцианидинового красителя из коры лиственницы (рис. 2).
Сканированием уравнения регрессии были найдены оптимальные условия процесса получения антоцианидинового красителя из коры лиственницы. Установлено, что максимальный выход антоцианидинового красителя достигается при концентрации соляной кислоты 3,1% и продолжительности процесса 3,2 ч. Выход красителя в этих условиях составил 20,2%.
Таблица 4. План эксперимента по получению антоцианидинового красителя из коры лиственницы и результаты его реализации
Номер опыта Концентрация НС1, % Продолжительность процесса, ч Выход красителя, %
У1 У2
1 2,5 3 19,2 19,4
2 2,5 2 17,6 17,5
3 3,5 2 17,9 17,8
4 2,5 4 18,5 18,4
5 3,5 4 18,8 18,9
6 3,5 3 19,7 19,8
7 3 3 20,0 19,9
8 3 2 18,2 18,4
9 3 4 19,5 19,7
Х1, концентрация НС1, %
3,3 3,5 2
2,4 •
Х2, время, ч
сч
ч
о
[3
3
&
«
о
X
Я
я
21
20
19
18
17
3,5 2
Х1, концентрация НС1, %
2,4
Х2, время, ч
4
Рис. 1. Поверхность отклика выходного параметра Рис. 2. Поверхность отклика выходного параметра
у1 - выхода антоцианидинового красителя из коры у2 - выхода антоцианидинового красителя из коры
пихты лиственницы
В оптимальных условиях эксперимента был выделен краситель из коры пихты с выходом 17,7%, а из коры лиственницы с выходом 20,0%. Из полученных результатов видно, что расчетные значения параметров оптимизации хорошо согласуются с экспериментальными данными, что подтверждает адекватность модели.
Заключение
В результате оптимизации процесса получения антоцианидиновых красителей из коры пихты и лиственницы установлено, что максимальный выход красителя из коры пихты - 17,8 и 20,2% - из коры лиственницы достигается при продолжительности обработки 3,2 ч, концентрации соляной кислоты 3,1%, гидромодуле 12 и температуре процесса 78 °С.
Список литературы
1. Markakis P. Anthocyanins as Food Colors. New York; London, 1982. 163 p.
2. Bohm H., Boeing H., Hempel J., Raab B., Kroke A. Flavonols, flavones and anthocyanins as native antioxidants and their possible role in the prevention of chronic diseases // European Journal of Nutrition. 1998. V. 37. №2. P. 147-163.
3. Танчев С.С. Антоцианы в плодах и овощах. М., 1980. 304 с.
4. Харламова О .А., Кафка Б.В. Натуральные пищевые красители. М., 1979. 190 c.
5. Левданский В.А., Полежаева Н.И., Макиевская А.И., Кузнецов Б.Н. Выделение и изучение состава антоцианидинов коры пихты // Химия в интересах устойчивого развития. 2000. Т. 8. №6. C. 823-827.
6. Патент №2175668 РФ. Способ получения модифицированного антоцианидинового красителя / В.А. Левданский, Н.И. Полежаева, А.И. Макиевская, Б.Н. Кузнецов // БИ. 2003. №31.
7. Левданский В.А., Бутылкина А.И., Кузнецов Б.Н. Выделение и изучение состава антоцианидинов коры лиственни-
цы // Химия растительного сырья. 2006. №4. С. 17-20.
8. Бондаренко С.М., Долгодворова С.Я., Черняева Г.Н. Лейкоантоцианидины коры березы повислой // Изв. СО АН СССР. Серия хим. наук, 1989. №1. C. 86-90.
9. Левданский В.А., Полежаева Н.И., Бутылкина А.И., Кузнецов Б.Н. Получение антоцианидинхлоридов из коры лиственницы и пихты // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. Т. 10. №3. С. 331-337.
10. Патент №2137821 РФ. Способ переработки пихтовой коры / В.А. Левданский, Н.И. Полежаева, А.П. Еськин, Л.В. Сафонова, Б.Н. Кузнецов // БИ. 1999. №26.
11. Пен Р.З. Планирование эксперимента в Statgraphics. Красноярск, 2003. 246 с.
Поступило в редакцию 18 марта 2008 г.
