СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО БЕТА-КАРОТИНА Российский патент 1998 года по МПК C12P23/00 

Изобретение относится к микробиологической, пищевой и медицинской промышленности, а именно к способам получения натуральных пищевых красителей и медицинских препаратов разнопротекторного действия, содержащих каротиноид растений и микроорганизмов - бета-каротин.

Бета - каротин (C₄₀H₅₆) - каротиноид, широко распространенный в мире растений (плоды моркови, тыквы) и микроорганизмов.

Растворы каротина поглощают световое излучение в области 420-470 нм и поэтому используются для окраски пищевых продуктов в желтый цвет. На рынке пищевых красителей широко представлены каротинсодержащие препараты (растворы, эмульсии, порошки), рекомендуемые для окрашивания молочных, рыбных продуктов, кексов, желе, пудингов, соков, кукурузных палочек и т.д.

В основе применения каротина в медицине лежит его способность нейтрализовывать свободные радикалы и синглет кислорода, которые, как известно, реагируют с генетическим материалом клетки организма человека, способствуя злокачественным новообразованиям, нарушению иммунитета, развитию процессов старения. Отмечается, что диета, обогащенная каротином, способствует снижению риска злокачественных новообразований, повышению иммунитета, увеличению продолжительности жизни.

В настоящее время известны два метода получения кристаллического каротина: химическим синтезом и путем экстракции органическими растворителями из натуральных источников (овощи, фрукты, биомасса микроорганизмов) [1, 2, 3, 4].

Недостатком перечисленных способов является использование сырья с низкой концентрацией каротина и как следствие, высокий удельный расход растворителей и энергоресурсов.

Из всех возможных микроорганизмов - продуцентов бета - каротина только микроскопический гриб Blakeslea trispora используется в промышленном масштабе, т.к. способен накапливать каротин на единицу массы в десятки раз больше, чем известные растения и другие микроорганизмы [5].

Наиболее близким к заявленному способу по конечной форме продукта (кристаллы) и исходному сырью (биомасса гриба Blakeslea trispora) является способ получения бета-каротина, предусматривающий:
- сушку биомассы спиртом;
- многоступенчатую экстракцию каротина из неизмельченной биомассы с использованием неполярных органических растворителей - H-алканов и их хлорпроизводных;
- отгонку растворителя;
- охлаждение экстракта и кристаллизацию каротина;
- разбавление полученной суспензии кристаллов полярным растворителем (ацетоном, метанолом, этанолом), играющим роль высаливающего агента, отделение кристаллов их промывку и сушку под вакуумом (прототип) [6].

Известно, что каротин в силу своей уникальной химической структуры легко окисляется и изомеризуется, теряя A-провитаминную активность.

Качество бета-каротина определяют по соответствию геометрии спектра поглощения раствора эталону. Примеси и изомеры каротина поглощают световое излучение в области 341 нм. Поэтому чем больше частное оптических плотностей раствора образца бета-каротина в гексане при 451 нм (главный максимум поглощения) к 341 нм, тем выше степень очистки бета-каротина. Считается, что качество каротина является достаточно высоким, если отношение оптических плотностей раствора анализируемого образца (см. далее в тексте D451нм/D341нм) более 9,0.

Реализация данного способа позволяет получать кристаллы бета-каротина с температурой плавления 179-181^oC, с соотношением оптических плотностей растворов D451/D341 = 8,0 и с выходом 27% (см. пример 1 опыт 6).

Недостатками способа являются:
- экстракция каротина из неизмельченной биомассы, и как следствие, относительно низкая степень извлечения каротина из биомассы в экстракт;
- высокое соотношение растворитель / экстрагируемая биомасса, применяемое автором (5:1 на каждой ступени), что приводит к значительному расходу экстрагента;
- кристаллизация каротина при пониженной температуре с одновременным высаливанием без дополнительного прогрева перед фильтрацией, что способствует осаждению примесей микробных липидов биомассы одновременно с каротином, и как следствие, относительно невысокое качество получаемых кристаллов;
- использование растворителей (хлор-H-алканы, метанол), недопустимых в пищевых продуктах, а также необходимость создания дистилляционного хозяйства для их регенерации.

Целью настоящего изобретения является повышение качества препарата и снижение его стоимости при условии использования сырья, разрешенного в пищевой промышленности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения бета-каротина, предусматривающем экстракцию каротина из биомассы неполярным органическим растворителем, отделение полученного экстракта, очистку экстракта полярным растворителем, кристаллизацию каротина, отделение полученных кристаллов, их промывку и сушку, предложено, согласно изобретению, экстракцию предварительно измельченной биомассы начинать в реакторе при температуре 95-100^oC в соотношении 1:1,5 - 1:3 (мас.) в течение 15-60 мин и завершать на фильтре тем же растворителем, нагретым до 60-90^oC, затем насыщенные экстракты промывать полярным растворителем в соотношении 10:1 - 3:1 (об.) при температуре 40-55^oC, кристаллизовать при 10-20^oC в течение 1-3-х сут, после чего полученную суспензию нагревать до температуры 40-60^oC, фильтровать кристаллы, промывать их полярным растворителем в соотношении 1:3 - 1:25 (мас.) при температуре 50-55^oC.

При этом предложено в качестве неполярного органического растворителя использовать растительное масло, а. полярного - этиловый спирт.

Ведение процесса получения каротина в таких технологических параметрах позволяет получать продукт с применением растворителей, разрешенных в пищевой промышленности, с выходом 25 - 27%, заданного уровня качества (массовая доля каротина - более 90%, температура плавления 179-181 ^oC, отношение оптических плотностей раствора D451нм/D341нм не менее 9,0) и снизить затраты на производство.

Способ осуществляется следующим образом. В аппарат сначала загружают подсолнечное масло, нагревают его до температурит 95 -100^oC, а затем предварительно измельченную биомассу в количестве, обеспечивающем соотношение экстрагент / мицелиальная масса 1:1,5 - 1:3. Первую экстракцию проводят при перемешивании в течение 15-60 мин.

Выбор данных интервалов экстракции основывается на том, что снижение соотношения масло / биомасса ниже 1,5 приводит к тому, что экстракционная масса становится достаточно густой, что резко снижает эффективность массообменных процессов и затрудняет транспортировку суспензии по технологическим коммуникациям. Увеличение соотношения более 1 : 3 приводит к получению ненасыщенного экстракта и уменьшению выхода кристаллов.

Полученную суспензию передают на фильтр-пресс, отделяя насыщенный экстракт каротина в масле.

Остаточные каротиноиды в отработанной биомассе экстрагируют нагретым до 60 - 90^oC растительным маслом в два приема, сначала количеством, взятым в расчете на получение насыщенного экстракта, а затем до полного перехода каротиноидов из твердой фазы в экстракт.

Полученные насыщенные экстракты объединяют и направляют на стадию очистки спиртом. Ненасыщенные экстракты используют на последующих операциях экстракции или в качестве товарного пищевого красителя.

Ведение процесса второй экстракции непосредственно на фильтре при 60-90^oC необходимо и достаточно для того, чтобы при минимальных потерях в экстракт переходило более 90% каротина потери каротина в шроте < 10% от исходного в биомассе.

Использование более жесткого температурного режима не оправдано, т.к. неизбежно приводит к снижению качества каротина.

Насыщенные экстракты после обработки спиртом переводят в кристаллизатор. Процесс проводят при температуре 10-20^oC в течение 1-3 сут. Опытами установлено, что снижение температуры приводит к увеличению выхода кристаллов, но ухудшению их качества вследствие соосаждения примесей. При повышении температуры наблюдалась обратная закономерность. Продолжительность кристаллизации более 3 суток не является рациональной, т.к. повышенные энергетические и материальные затраты не компенсируются увеличением выхода кристаллов.

В процессе кристаллизации примеси микробного биосинтеза (фосполипиды, стерины и др.) переходят в экстракт из биомассы одновременно с каротином и затем выпадают в осадок одновременно с кристаллами каротина.

Экстракция примесей из насыщенных экстрактов и промывка кристаллов спиртом существенно интенсифицируются при повышенной температуре. Поэтому компромисс между процессом температурного разрушения каротина и увеличением степени перехода примесей в спиртовую фазу являлся основой выбора температурных параметров очистки насыщенного экстракта и кристаллов.

Известно, что фосфолипиды плохо растворяются в спирте. Поэтому в заявленном способе предложена дополнительная очистка кристаллов от веществ этого класса путем их растворение. Для этого суспензию кристаллов перед фильтрацией нагревают до 40-60^oC. Примеси растворяются и легко отделяются от осадка кристаллов фильтрацией. Технологические параметры этой операции обоснованы экспериментально. Опытами установлено, что ведение процесса при повышенной температуре приводит к снижению выхода кристаллов вследствие их растворения. Понижение температуры менее 40^oC не позволяет получать кристаллы с качеством заданного уровня.

Пример 1.

Опыты с N 1 по N 5 проводились по заявленному способу.

Каротинсодержащую биомассу гриба Blakeslea trispora предварительно измельчали на валковой мельнице и затем экстрагировали растительным маслом при перемешивании. Экстракционную массу отфильтровывали, а затем проводили дополнительную экстракцию твердой фазы на фильтре тем же растворителем при перемешивании. Насыщенные экстракты промывали этанолом и направляли на кристаллизацию.

Полученную суспензию нагревали и фильтровали; кристаллы промывали этанолом и высушивали.

Опыт 1 проводился в параметрах за нижними пределами заявленного способа. При этом получены кристаллы с массовой долей каротина 75,7%, соотношение D451/D341 = 7,8, выход кристаллического каротина от загруженного в биомассе составил 20,1%.

Опыт 5 проводился в параметрах за верхними пределами заявленного способа. При этом получены кристаллы с массовой долей каротина 84,4%, соотношение D451/D341 составило 7,2, выход кристаллического каротина от загруженного в биомассе составил 27,0%.

Опыты 2, 3, 4 проведены в интервалах заявленного способа. Получены кристаллы с чистотой более 90%, соотношением D451/D341 более 9; выход кристаллов 25 - 27% (см. таблицу).

Представленные в таблице данные свидетельствуют о том, что значения интервалов заявленного способа производства необходимы и достаточны для обеспечения массовой доли каротина в получаемых кристаллах - более 90% с соотношением D451/D341 более 9,0.

Уменьшение или увеличение параметров ведения процесса в сторону от заявленных пределов приводит либо к снижению выхода кристаллов и их качества, либо к увеличению удельного расхода сырья и материалов (см. таблицу опыты NN 1 и 5 в сравнении с NN 2-4).

Опыт N 6 проводился в условиях заявленных прототипом.

Каротинсодержащую биомассу гриба Blakeslea trispora предварительно высушивали этанолом и затем экстрагировали четыреххлористым углеродом при перемешивании в соотношении 1:5 (мас.) и температуру 75^oC. Экстракционную массу отфильтровывали и проводили дополнительную экстракцию твердой фазы тем же растворителем при тех же условиях. Экстракты объединяли, упаривали. К полученному остатку добавляли этанол в соотношении 1:3 (мас.) и проводили кристаллизацию в течение 24 ч при температуре 5^oC. Кристаллический каротин отфильтровывали, промывали этанолом и высушивали под вакуумом.

В результате получен кристаллический бета каротин с выходом 27%, с содержанием основного вещества 90%, температурой плавления 179-181^oC, с соотношением оптических плотностей растворов D451/D341 = 8,0.

Результаты испытаний заявленного способа получения бета-каротина в сравнении с прототипом (см. опыты NN 2-4 табл. в сравнении с опытом N 6) свидетельствуют о том, что ведение технологического процесса в заявленных пределах позволяет получать кристаллы с выходом и уровнем качества на уровне прототипа, но с меньшим удельным расходом сырья и с применением веществ, разрешенных в пищевой промышленности.

Пример 2. В реактор вместимостью 2 м³ содержащий 600 л подсолнечного масла, нагретого до 90^oC, загружали 300 кг дважды растертой на валковой мельнице биомассы гриба Blakeslea trispora с концентрацией 30 г каротина в 1 кг массы.

Экстракцию проводили при перемешивании и 95 - 100^oC в течение 30 мин. Экстракционную массу отфильтровывали, а затем проводили дополнительную экстракцию на фильтре тем же растворителем, нагретым до 90^oC. Насыщенные экстракты промывали этанолом в соотношении 3:1 при 45^oC и направляли на кристаллизацию в течение 3 сут при 15 - 18^oC.

Полученную суспензию нагревали до температуры 45^oC, фильтровали; кристаллы промывали этанолом в соотношении 1:25 при 55^oC 30 мин и высушивали.

В результате получено 2,48 кг кристаллического каротина с массовой долей основного вещества 92,8%, соотношением D451/D341 = 10,8. Выход кристаллического каротина от загруженного в биомассе составил 25,1%.

Использование: биотехнология, пищевая промышленность, медицина. Сущность изобретения: разработан способ получения кристаллического бета-каротина, включающий последовательное проведение операций экстракции каротина из биомассы неполярным органическим растворителем, отделения полученного экстракта, очистки экстракта спиртом, кристаллизации каротина, отделения полученных кристаллов, их промывку и сушку, причем экстракцию начинают в реакторе при 95-100^oC в соотношении 1: 1,5-1: 3 в течение 15-60 мин и завершают на фильтре тем же растворителем, нагретым до 60-90^oC. Затем насыщенные экстракты промывают полярным растворителем в соотношении 10: 1-3: 1 (об.) при 40-55^oC, кристаллизуют при 10-20^oС в течение 1-3 суток, после чего полученную суспензию нагревают до 40-60^oC, фильтруют кристаллы, промывают их полярным растворителем в соотношении 1: 3-1: 25 при 50-55^oC. Это позволяет увеличить чистоту каротина и уменьшить затраты на его производство. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения кристаллического бета-каротина, включающий экстракцию каротина из биомассы неполярным органическим растворителем, отделение полученного экстракта, очистку экстракта полярным растворителем, кристаллизацию каротина, отделение полученных кристаллов, их промывку и сушку, отличающийся тем, что экстракцию предварительно измельченной биомассы начинают в реакторе при 95 - 100^oC в соотношении 1 : 1,5 - 1 : 3 (мас.) в течение 15 - 60 мин и завершают на фильтре тем же растворителем, нагретым до 60 - 90^oC, затем насыщенные экстракты промывают полярным растворителем в соотношении 10 : 1 - 3 : 1 (об.) при 40 - 55^oC, кристаллизуют при 10 - 20^oС в течение 1 - 3 суток, после чего полученную суспензию нагревают до 40 - 60^oC, фильтруют кристаллы, промывают их полярным растворителем в соотношении 1 : 3 - 1 : 25 (мас.) при 50 - 55^oC. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве неполярного органического растворителя используют растительное масло, а полярного - этиловый спирт.