СПОСОБ ОЧИСТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ ОТ АЛКАЛОИДОВ Российский патент 1998 года по МПК A23L1/211 

Изобретение относится к физико-химическим способам удаления алкалоидов (горечи) из растительных кормов и продуктов питания и может быть использовано в перерабатывающей промышленности.

Известен способ удаления алкалоидов из семян люпина путем замачивания их в течение 5 ч. в водопроводной воде, кипячения набухших семян в течение 30 мин с последующей 48-часовой промывкой в проточной водопроводной воде. (Mohamed A.M., Aman M.E., Shehata A.A. Effect of debittering on chemikal composition, functional properties and in vitro digestibilitu of lupine (Lupinus termis) flour (Egipt). Egiptian journal of food Science. 1987, U15 (2) p. 161-168). Содержание алкалоидов при очистке зерна уменьшалось до требуемого уровня, содержание золы уменьшалось от 3,66 до 1,75%. Менялся аминокислотный состав, увеличивалась водопоглощающая способность муки из очищенного зерна, уменьшалось пенообразование и стабильность пены.

Однако реализация этого способа связана с большими трудностями, в первую очередь с большим расходом чистой водопроводной воды и длительностью очистки. Немаловажна также проблема утилизации отработанной воды, загрязненной алкалоидами. Кроме этого, при промывке семян водой необратимо теряется часть белка - самого ценного компонента семян люпина. В результате отмеченных недостатков данный способ оказался непригодным к промышленному применению.

Из известных наиболее близким к предлагаемому является способ очистки зерна люпина от алкалоидов (Федышин Б.М., Федышина Н.М. Экстракция алкалоидов из люпина. Химизация сельского хозяйства 1992 N2 c. 80, 81), включающий размол зерна до частиц 0,5-1,0 мм, замачивание размола в 2-3-кратном объеме раствора соляной кислоты с концентрацией 1,5 М и перемешивание с последующей многократной периодической сменой растворителя (раствора соляной кислоты).

Однако для очистки зерна горького люпина с содержанием алкалоидов более 1% до допустимого уровня содержания алкалоидов (не выше 0,025%) даже 4-кратной смены растворителя недостаточно.

Кроме отмеченного недостатка, применение данного способа связано с большими материальными затратами и нерешенной остается проблема утилизации больших объемов отработанного раствора соляной кислоты.

Изобретение направлено на повышение качества очистки сельскохозяйственной продукции от алкалоидов, снижение экономических затрат и сведение к минимуму ущерба, наносимого окружающей среде отходами производства.

Это достигается тем, что в способе очистки сельскохозяйственной продукции от алкалоидов, включающем замачивание продукта в элюенте и многократную периодическую смену элюента, в качестве элюента используют водопроводную воду и дополнительно через продукт пропускают постоянный электрический ток при напряженности электрического поля 5-20 B/см; смену элюента (водопроводной воды) осуществляют через промежутки времени, за которые в результате прохождения электрического тока продукт разогревается до температуры 85-85^oC.

Учитывая физические и химические свойства молекул алкалоидов люпина (конденсированные шестизвенные гетероциклы, включающие помимо углерода атомы азота), можно легко создать условия, когда эти молекулы будут находиться в ионной форме, иными словами, нести на себе электрический заряд. Немецкий ученый Винк показал, что уже при физиологических условиях молекулы алкалоидов люпина находятся в ионной форме.

Между тем, еще в 30-е годы ученые, в первую очередь биохимии, успешно использовали в научных целях способность молекул, несущих электрический заряд, двигаться под действием электрического поля.

Использование же этого эффекта в целях извлечения алкалоидов из биологических тканей неизвестно до настоящего времени.

Применение на практике отмеченного эффекта сразу может дать два больших преимущества против всех вариантов методов удаления алкалоидов:
1. Поскольку электрическое поле пронизывает всю толщу биологической ткани, элюция будет одинаково успешно осуществляться как с поверхностных слоев, так и их глубины тканей.

2. Под действием электрического поля ионизированные молекулы алкалоидов могут двигаться против градиента концентрации (из уже относительно очищенной ткани в относительно уже загрязненный элюирующий раствор), что должно позволить получить высокоочищенную продукцию при небольшом расходе элюирующего раствора.

Предлагаемый способ очистки сельскохозяйственной продукции от алкалоидов удовлетворяет критерию охранноспособности "существенное отличие". Поставленная цель - повышение качества очистки продукта от алкалоидов, снижение экономических затрат и сведение к минимуму ущерба, наносимого окружающей среде отходами производства - может быть достигнута только при такой совокупности признаков, когда вымачивание продукта в элюенте и многократную смену элюента (в качестве которого используют водопроводную воду) дополняют пропусканием через продукт постоянного электрического тока при напряженности 5-20 В/см, а смену элюента производят через промежутки времени, за которые продукт в результате прохождения через него электрического тока разогревается до температуры 80-85^oC.

Очевидно, что в общем случае параметры технологического процесса очистки растительного сырья от алкалоидов (горечи) - количество смен элюента и время, за которое продукт под действием электрического тока нагреется до температуры 80-85^oC - будет зависеть от вида обрабатываемого продукта, массы одновременно обрабатываемого продукта, геометрических параметров камеры для электроэлюции, конкретного значения напряженности электрического поля и электрохимических характеристик водопроводной воды. В настоящее время идет накопление таких экспериментальных данных.

Примеры применения способа.

Для обработки взяли семена желтого и узколистного люпина с высоким содержание алкалоидов. В качестве элюционной камеры использования выпускаемый промышленностью прибор для обессоливания растворов полимеров АО-1 (Минмедпром, завод "ЭМА", Москва), а также выполненную по аналогии камеру увеличенных размеров для обработки до 250 г зерна.

Пример 1. Сухие семена узколистного люпина, содержащие 1,26% алкалоидов в пересчете на абсолютно сухое вещество, замочили на 5 ч. для набухания в водопроводной воде, набухшие семена перенесли в элюционную камеру, свободный объем элюционной камеры заполнили водопроводной водой и включили электрический ток, создав напряженность в камере 20 В/см. Через 11 мин, когда под действием электрического тока семена нагрелись до 85^oC, ток отключили и нагретую воду заменили на холодную чистую водопроводную воду. Снова включили электрический ток при такой же напряженности. На этот раз семена нагревались до 85^oC за 14 мин. После повторной смены воды провели еще один цикл электроэлюции до достижения температуры продукта 85^oC, на что потребовалось 17 мин. После этого электрический ток отключили, семена извлекли из элюционной камеры, высушили и определили содержание в них алкалоидов. Оно оказалось равным 0,095% или более чем в 13 раз ниже, чем в исходных семенах, но все еще довольно существенный. Для проверки возможности более глубокой очистки опыт повторили с такими же семенами, но провели еще одну, третью смену воды с последующим пропусканием постоянного электрического тока при той же напряженности. Электроэлюцию продолжали, пока температура продукта не поднялась до 80^oC, на что потребовалось 24 мин. На этом очистку закончили, семена высушили и определили в них содержание алкалоидов, которое оказалось равным 0,02% в пересчете на абсолютно сухое вещество.

Пример 2. На этот раз изучали возможность очистки новым способом от алкалоидов семян другого культурного вида люпина - желтого. Сухие семена, содержащие исходно 0,36% алкалоидов в пересчете на абсолютно сухое вещество, подвергли обработке по той же схеме и при тех же параметрах электрического поля (20 В/см), что и семена узколистного люпина в предыдущем примере. При первом включении электрического тока температура продукта поднялась до 85^oC за 10 мин (против 11 мин в предыдущем примере), а при втором включении тока продукт нагревался до 85^oC за 13 мин (против 14 мин в предыдущем примере). На дальнейших этапах все режимы точно совпали с режимами, полученными в предыдущем примере. Если третью смену элюента с последующей электроэлюцией не проводили, то содержание алкалоидов в зерне оказывалось равным 0,048%, а при проведении третьей смены воды с последующей электроэлюцией в том же режиме, что и в предыдущем примере, содержание алкалоидов в зерне уменьшалось до 0,019% в пересчете на абсолютно сухое вещество.

Основные данные, полученные в приведенных примерах, наряду с результатами, которые дает метод-прототип, приведены в таблице.

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что новый способ позволяет в десятки раз снизить содержание алкалоидов в зерне люпина. Полученный продукт по содержанию алкалоидов отвечает самым жестким требованиям.

Содержание алкалоидов в зерне узколистного люпина, равное 1,26% и в зерне желтого люпина - 0,36% является очень высоким для культурных сортов, но такое часто случается в производстве, когда сорт выходит из-под контроля семеноводов. Но и в этом случае, как видно из приведенных примеров, новый способ позволяет снизить содержание алкалоидов в зерне до ничтожно низкого уровня. На практике же у современных российских сортов желтого и узколистного люпина содержание алкалоидов значительно ниже, но не настолько, чтобы зерно без ограничения можно было использовать как продукт питания и даже как фураж.

Потери сухого вещества в ходе очистки в приведенных примерах составляют от 14 до 18%. По предварительным данным в очищенном зерне люпина относительное содержание белка на 5-12% выше, чем до очистки, что свидетельствует об отсутствии потерь белка в процессе очистки. В ходе очистки приблизительно в 2 раза уменьшается содержание в зерне кальция и сырой золы.

По сравнен известными способами предлагаемый способ значительно более экономичный. Прямые затраты включают только расходование 13-15 л водопроводной воды и около 1,5 кВт/ч. электроэнергии в пересчете на очистку 1 кг зерна.

Внедрение этого способа в производство снимает ограничения в возделывании люпина, связанные с жесткими требованиями к содержанию алкалоидов в зерне, а это в свою очередь поможет решить проблему кормового и пищевого белка и проблему поддержания плодородия почв, поскольку люпин является самой эффективной сидеральной культурой.

В настоящее время немецкими учеными показана возможность использования водных экстрактов алкалоидов люпина, как природных регуляторов роста и развития растений или как средство борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Учитывая то, что при новом способе отходами являются относительно небольшие объемы концентрированных водных растворов алкалоидов, их использование в сельском хозяйстве может оказаться эффективным и тогда новый способ окажется вообще безотходным.

Предлагаемый способ может также найти применение для более эффективного экстрагирования низкомолекулярных соединений из биологического материала, например при получении экстрактов из лекарственных растений.

Способ может применяться в перерабатывающей промышленности для удаления алкалоидов (горечи) из сельскохозяйственного сырья. Очищаемый материал, например зерно люпина, с высоким содержанием алкалоидов настаивают для набухания в течение 5 ч в водопроводной воде и переносят в камеру для электроэлюции. Свободный объем камеры заполняют водопроводной водой и пропускают через продукт постоянный электрический ток при напряженности электрического поля 5 - 20 В/см. При повышении температуры продукта до 80 - 85^oС, что происходит в результате действия электрического тока, производят замену воды на холодную чистую водопроводную воду и продолжают пропускать электрический ток, пока температура продукта снова не достигнет значения 80 - 85^oC. Таких циклов замены воды, сопровождающейся пропусканием электрического тока, делают столько, сколько требуется для достижения требуемой степени очистки. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ очистки сельскохозяйственной продукции от алкалоидов, включающий вымачивание сырья в элюенте и многократную периодическую смену элюента, отличающийся тем, что в качестве элюента используют водопроводную воду и через продукт дополнительно пропускают постоянный электрический ток. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напряженность электрического поля 5 - 20 В/см. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смену водопроводной воды производят каждый раз после повышения температуры продукта до 80 - 85^oС. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество смен элюента определяют требуемой степенью очистки.