CC BY
1ПОЛУЧЕНИЕ ЭКСТРАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ИЗ СКОРЛУПЫ СЕМЯН СОСНЫ СИБИРСКОЙ PINUS SIBIRICA DU TOUR В ПОЛЕ СВЧ
В статье рассматривается возможность переработки отходов производства кедрового ядра и масла (скорлупы) с целью получения экстрактов для пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности.
Ключевые слова: скорлупа семян сосны сибирской, экстракт, танниды, сверхвысокочастотный нагрев электромагнитным полем.
Zalutskiy A.V., engineer Hanturgaev A.G., candidate of technical science, docent.
East-Siberian State University Chair: «Biomedical technique, processes and apparatuses of food industry»
OBTAINING OF EXTRACTIVE SUBSTANCES FROM SHELL OF SEEDS OF PINUS SIBIRICA DU TOUR BY MICROWAVE HEATING
This article is about extract technology from shell of cedar nuts, which can be used in food industry, pharmacology and other branches. This technology can extract about 90 % of extractive substances in one stage, because the particles of shell have size about 140 mkm and for process of extraction are used by microwave heating. Obtaining extracts are distinguished by traditional receiving extracts of high quality and quantity tanning substance.
Key words: shell of seeds Pinus sibirica du Tour, extracts, tanning substance, microwave heating.
Экологически чистым сырьем для получения таннидсодержащих экстрактов в Сибири является скорлупа семян сосны сибирской (Pinus Sibirica du Tour).
Известно, что кедровые леса занимают 5,1% площади лесов России, причем главным образом они произрастают в Восточной Сибири. Здесь сосредоточено более 54% кедровников России. На Байкальской природной территории (Иркутская область, Бурятия и Читинская область) площадь промысловых кедровников составляет 5769,9 тыс.га [1] со среднегодовыми общими запасами биологического урожая по кедровникам 570-580 тыс. тонн (при среднем урожае 100 кг/га). Однако даже при максимальном сборе орехов кедра сибирского здесь осваивается не более 0,9% биологического урожая.
В последние годы в Сибири и Забайкалье появляются малые предприятия по переработке кедрового ореха на кедровое ядро и прессовое масло. При этом в качестве отходов образуется скорлупа, составляющая в среднем до 57-60% от веса самого ореха, которую необходимо утилизировать. В скорлупе кедрового ореха содержится до 10-12% экстрактивных веществ, обладающих дубящими, красящими, антиоксидантными и дезинфицирующими, антисептическими свойствами, которые широко используются в различных отраслях народного хозяйства: в процессах виноделия, при производстве коньяка и чая, в кожевенной промышленности для дубления кож, при бурении нефтяных скважин для стабилизации и уменьшения вязкости глинистых суспензий, в паровых котлах для борьбы с образованием накипи, в цветной металлургии для флотационного обогащения полезных ископаемых. Несмотря на возможность широкого использования экстрактов из скорлупы кедрового ореха она практически не используется, так как состав и свойства экстрактов из скорлупы кедрового ореха мало изучены и нет рациональных способов ее комплексной переработки.
Известные способы получения экстрактов из растительного сырья (из скорлупы грецкого ореха, кожуры граната и др.): водный, спиртовой, водно-щелочной не позволяют в полной мере извлекать экстрактивные вещества, являются трудоемкими, длительными и энергозатратными.
В связи с этим актуальной задачей является исследование химического состава, биологической ценности скорлупы кедрового ореха и его экстрактов и разработка энерго- и ресурсосберегающих способов ее переработки.
Целью данной работы является разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии получения экстрактивных веществ из скорлупы семян сосны сибирской, изучение их состава и свойств.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- исследование химического состава скорлупы семян сосны сибирской;
- изучение влияния технологических параметров на выход экстракта кедрового из скорлупы семян сосны сибирской;
- установление химического состава и свойства экстракта кедрового;
- оценка возможности использования полученного экстракта кедрового в процессе дубления и крашения меховой овчины;
- исследование противовоспалительной и желчегонной активности экстракта кедрового;
- получение сорбционных материалов из скорлупы кедрового ореха и изучение их сорбционной активности;
- разработка принципиальной технологической схемы получения экстракта из скорлупы семян сосны сибирской.
Для решения поставленных цели и задач была разработана схема, представленная на рисунке 1, в которой отражены все этапы экспериментальных исследований.
Объектами исследований служили: скорлупа, полученная при переработке семян сосны сибирской Pinus Sibirica du Tour (кедровых орехов), заготовленных в Закаменском, Джи-динском, Бичурском районах Бурятии в сентябре 2003-2007 гг.; водный, водно-спиртовой, водно-щелочной, водно-содовый экстракты дубильных веществ, полученные традиционными методами, а также методами экстракции в электромагнитном поле СВЧ и ультразвуковой обработки растворов; остатки скорлупы после экстракции, сорбционные материалы, полученные из скорлупы кедрового ореха.
Экспериментальные образцы экстрактов скорлупы семян сосны сибирской, предназначенные для оценки качества готового продукта, вырабатывались на микроволновой установке в научной лаборатории кафедры «Процессы и аппараты пищевых производств» ВСГТУ.
При исследовании скорлупы, полученной при переработке семян сосны сибирской Pinus Sibirica du Tour как объекта экстракции, нами было определено качество исходного сырья: органолептические показатели, установлен его химический состав и показатели безопасности, к которым относятся микробиологические характеристики и содержание токсичных элементов, которые приведены в таблицах 1, 2.
При определении органолептических показателей установлено, что скорлупа, полученная при переработке семян сосны сибирской Pinus Sibirica du Tour, - это твёрдая оболочка, состоящая преимущественно из каменистых клеток (склереидов), имеющих многогранную форму, у которых утолщены и лигнифицированы стенки.
Рис.1. Общая схема экспериментальных исследований
Микробиологическая оценка сырья свидетельствует о том, что поступившее на переработку сырье соответствует санитарным правилам и нормам, предъявляемым к данному виду сырья.
Процесс СВЧ-экстракции измельченной скорлупы семян сосны сибирской проводили на установке мощностью 150-1000Вт с частотой 2450МГц и максимальной загрузкой по объёму 2 дм . Процесс экстракции проводили водой, спиртом, водно-спиртовыми растворами и растворами пищевой соды различных составов. При выборе растворителей принимали во внимание их пищевую безопасность, доступность, стоимость и извлекающую способность.
Таблица 1
Химический состав скорлупы, полученной при переработке семян сосны сибирской
Показатель Значение Показатель Значение
Влага, % 9,35 Калий, мг/кг 2000,0±0,1
Масла и смолы, % 2,9 Натрий, мг/кг 52,5±0,1
Белок, % 1,63 Кальций, мг/кг 141,4 ±0,1
Клетчатка, % 62,07 Магний , мг/кг 366,2±0,1
Пентозаны, % 20,30 Фосфор, мг/кг 12419,5+0,5
Водорастворимые вещества, % 4,04 Железо, мг/кг 13,4+0,1
Витамин С, мг/100г 27 Цинк, мг/кг 16,1+0,1
Зола, % 0,6-0,9 Медь, мг/кг 1,9+0,05
Кремний, мг/кг 254,9+0,1 Марганец, мг/кг 29,9+0,1
Никель, мг/кг 0,4+0,05 Хром, мг/кг 0,17+0,01
Кобальт, мг/кг 0,02+0,005 Алюминий, мг/кг 58,0+0,1
В состав скорлупы кедрового ореха также входят йод, бор, молибден, ванадий, серебро
и др.
Было исследовано влияние на процесс СВЧ-экстракции таких параметров, как жидкостной коэффициент и удельный расход энергии.
Таблица 2
Уровни изучаемых факторов
Факторы Уровень варьирования Водная экстракция Водно-спиртовая экстракция Водно-содовая экстракция
1 2 3 4 5
Степень измельчения, мкм 140 264 438 800 1000 Х1 Х1 Х1
Удельный расход энергии, кВт*ч/кг 0,12 0,16 0,20 0,28 0,54 Х2 Х2 Х2
Мощность, Вт 150 250 500 700 1000 Х3 Х3 Х3
ЖК 2 8 10 15 20 Х4 - Х4
ЖК (для водно- спиртовой экстракции) 4 6 8 10 15 - Х4 -
Концентрация спир- та,% 5 10 20 40 96 - Х5 -
Концентрация пищевой соды, г/л 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Х5
Для оценки влияния технологических параметров на процесс экстракции скорлупы были проведены факторные эксперименты с использованием математического планирования по методу М.М. Протодъяконова, уровни изучаемых факторов представлены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, было исследовано влияние степени измельчения, удельного расхода энергии, мощности, жидкостного коэффициента и вида растворителя на выход экстрактивных веществ из скорлупы семян сосны сибирской в процессе экстракции в ЭМП СВЧ.
Исходя из запланированных уровней факторов была составлена матрица пятифактор-ного эксперимента на пяти уровнях, по которой были проведены 25 опытов по каждому из трёх способов экстракции.
На основе полученных данных были построены графические зависимости, представленные на рисунках 2-6.
£
к
12 10 8 6 4 2 0
Влияние степени измельчения на выход экстракта, %
/3
1 '---.
1 —д-- —д
140 340 540 740 940
Стипинь измильчиния, мкм
1140
Рис.2
Влияние удельного расхода энергии на выход экстракта, %
0 А------
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Удильный расход эниргии, кВт*ч/кг
Рис.3
10
ТО 9
тк « 8
т 7
с к 6
э
д 5
о X 4
.0 3
ш
2
1
0
>
\_____.—^
2 --г--*
—7* —д-—
*
10
15
20
Жидкостной коэффициент
Рис.4
1 -водная экстракция; 2 - водно-спиртовая экстракция; 3 - водно-содовая экстракция
Концентрация спирта, %
Рис.5
0
5
Влияние концентрации соды на выход экстракта
Концентрация сиды, г/л
Рис. 6
По результатам факторного эксперимента были выведены обобщенные уравнения Про-тодъяконова и выбраны оптимальные технологические параметры процесса СВЧ-экстракции скорлупы. Из данных факторного эксперимента установлено, что на процесс СВЧ-экстракции большое влияние оказывают размер частиц, жидкостной коэффициент, удельный расход энергии, а также вид растворителя.
Результаты проведенных исследований показали, что СВЧ-экстракция позволяет интенсифицировать процесс в 10-15 раз и, одновременно, снизить затраты электроэнергии в 2,74 раза по сравнению с экстракцией в стандартных условиях, применяемых в промышленности.
Проведенные исследования и найденные оптимальные параметры процесса экстракции позволили разработать технологическую схему процесса получения экстрактивных веществ (рис. 7).
По данной технологической схеме в оптимальных условиях была наработана партия продукции на предприятии ООО «Байкалэкопродукт» (акт исп. от 21.12.2007 г.).
Полученные экстракты из скорлупы кедрового ореха были исследованы на предмет их фармакологической активности. Исследования были выполнены в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН. Были изучены противовоспалительная и желчегонная активности экстрактов.
Полученные результаты свидетельствовали о том, что танниды проявляют умеренную желчегонную активность. В частности, скорость секреции желчи возрастала по сравнению с контролем на 34 % через 1 час после введения экстракта, которая сохранялась повышенной в течение всего периода наблюдения. Одновременно возросло общее количество выделенной желчи на 18 % по сравнению с контролем. При увеличении дозы таннидов до 25 мг/кг скорость секреции желчи возрастала на 41 % через 1 час наблюдения, на 34 % через 2 часа, на 35 и 23 % в последующие часы. При этом общее количество выделенной желчи возросло на 33% по сравнению с контролем. Таннидный экстракт в дозе 75 мг/кг повышал скорость секреции желчи в 1,5 раза через 1 час опыта по сравнению с контролем.
Рис.7. Технологическая схема процесса СВЧ-экстракции семян сосны кедровой
Результаты оценки желчегонной активности представлены в таблице 3.
Исследование желчегонной активности таннидов из скорлупы семян
сосны сибирской
Условия опыта Скорость секреции желчи в течение 5 часов, мг/мин на 100г Общее количество желчи за 2-5 ч опыта мг
1 ч 2 ч 3 ч 4 ч 5 ч
Контроль 5,6±0,1 5,5±0,1 5,2±0,7 5,1 ±0,7 4,5±0,6 1218±39
5 мг/кг 6,5±0,7 7,4±0,9 6,1±0,5 5,5±0,5 5,1 ±0,7 1446±231
25 мг/кг 6,3±0,6 7,8±0,7 7,0±0,4 6,3±0,2 6,1±0,5 1632±121
75 мг/кг 6,7±0,5 8,9±0,2 6,7±0,5 5,9±0,6 5,2±0,5 1602±451
Таким образом, экстрактивные вещества из скорлупы семян сосны сибирской обладают желчегонной активностью и непосредственно воздействуют на гепатоциты, вызывая осмотическую фильтрацию воды и электролитов, и тем самым стимулируя процесс желчеотделения.
Изменение темпаратуры сваривания в процессе дубления голья
Продолжительность, ч
Рис.8
1-экстракт квебрахо; 2- экстракт скорлупы семян сосны сибирской
Оценка возможности использования таннидов в кожевенно-меховой промышленности
С целью выявления пригодности использования полученного дубителя из семян сосны сибирской для дубления кож для низа обуви провели опытное дубление полученным экстрактом пикелеванного голья и хромированного полуфабриката КРС, согласно типовой методике производства кож для низа обуви [4].Для сравнения провели дубление экстрактом квебрахо. Изменение температуры сваривания в процессе дубления экстрактом квебрахо и экстрактом скорлупы представлено на рисунке 8 и в таблице 4.
Результаты физико-механических испытаний выдубленных кож
Показатели Пикелеванное голье, выдубленное экстрактом
квебрахо скорлупы семян сосны сибирской
1. Предел прочности при разряжении, МПа 81,66 80,89
2. Относительное удлинение при разрыве, % 105,00 112,00
3. Жесткость при растяжении, Н 530,00 553,15
4. Пористость, % 35,45 33,27
5. Толщина, мм 2,7 2,9
Выводы
1. Таким образом, проведённые исследования свидетельствуют о том, что скорлупа семян сосны сибирской является ценным сырьём для пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности.
2. Экспериментально найдены и апробированы в опытно-промышленных условиях оптимальные технологические параметры получения экстрактов из скорлупы семян сосны сибирской.
3. Расчетным путем получены критериальные уравнения, описывающие процесс получения экстракта из скорлупы семян сосны сибирской в ЭМП СВЧ.
4. Определены химический состав и свойства скорлупы кедрового ореха и полученных экстрактов.
5.Предварительными исследованиями установлена противовоспалительная и желчегонная активность экстрактов из скорлупы семян сосны сибирской на лабораторных мышах совместно с отделом тибетской и восточной медицины Института общей и экспериментальной биологии СО РАН (акт испытаний от 25.12. 2006 г.).
6. Проведены испытания по дублению кожи в опытно-производственном цехе ВСГТУ, которые показали, что дубящие свойства экстракта из скорлупы семян сосны сибирской вполне подходят для обработки кожевенно-мехового сырья.
7. Разработана принципиальная технологическая схема комплексной переработки скорлупы семян сосны сибирской методом экстракции в ЭМП СВЧ для получения дубильных экстрактов и сорбционных материалов.
Библиография
1. Алейников Н.И., Русаков А.В. Переработка и использование лузги кедровых орехов// Хранение и переработка сельхозсырья. - 2002. - №1. - С.47-48.
2. Патент 2097433 (Россия) Способ извлечения дубильных веществ из кожуры плодов граната / Квасенков О. И. // Опубл. 27.11.1997. Бюл. № 11/2002.
3. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов. - М.: Агро-промиздат, 1986. -352 с.
4. Страхов И. П., Шестаков И. С., Куциди Д. А. и др. Химия и технология кожи и меха. - М.: Легпромбытиздат, 1985. - 496с.
Bibliography
1. Aleynikov N.I., Rusakov A.V. Processing and using shells of cedar nuts// Keeping and work agricultural raw material, № 1, 2002. P.47-48.
2. Patent 2097433 (Russia) Extracting method of tanning materials from peel of pomegranate / Kvasenkov O.I. // Publication 27.11.1997.bul. № 11/2002.
3. Rogov I.A., Nekrutman S.V. Microwave heating of foodstuffs. - M.:Agropromizdat, 1986. - 352 p.
4. Strahov I. P.,Shestakov I. S., Kutsidy D.A. and others. Chemistry, leather and fur technology. - M.: Legprombitizdat, 1985. - 496 p.
