СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕКТИНА Российский патент 2002 года по МПК C08B37/06 A23L1/524 

Изобретение относится к пищевой технологии, а именно к способу получения пектиновых веществ из растительного сырья, используемых в качестве студнеобразователей, загустителей в пищевой промышленности.

Известен способ получения пектиновых веществ путем экстрагирования из растительного сырья минеральными кислотами (Авторское свидетельство СССР N 77212, кл. С 08 В 37/06, 1976). Однако использование минеральных кислот приводит к коррозии оборудования, к тому же высаждение целевого продукта становится необходимой стадией технологического производства, так как получаемый раствор содержит непищевые компоненты.

Известен способ получения пектина, который заключается в обработке растительного сырья экстрагирующим агентом - щавелевой кислотой при 70-75^oС в течение 1-1.5 ч с последующим высаждением целевого продукта водным раствором ацетона или этанола (Авторское свидетельство СССР N 861354, кл. С 08 В 37/06, 1979).

Существует способ получения пектина, в котором в качестве экстрагирующего агента используют молочную сыворотку, а обработку проводят при рН 1.8-2.4 и температуре 65-70^oС в течение 1-1.5 ч с последующим концентрированием экстракта (Авторское свидетельство СССР N 1027171, кл. С 08 В 37/06. 1983 ).

Недостатками данного способа являются низкий выход конечного продукта и длительность обработки сырья, а также высокая температура обработки, при которой сывороточные белки (альбумины, глобулины) выпадают в осадок и довольно низкое значение рН реакционной среды, которое приводит к снижению содержания метоксильных групп в пектиновой макромолекуле, что отрицательно сказывается на качестве пектина.

Один из путей устранения этих недостатков - поиск новых более "мягких" технологий, позволяющих интенсифицировать массообмен в системе пектинсодержащее сырье - растворитель, а также ускорять процесс гидролиза и экстракцию пектиновых веществ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения пектина в гидроакустическом экстракторе-дезинтеграторе. По указанному способу гадролиз - экстракцию пектинсодержащего сырья питьевой водой путем кавитационной обработки в гидроакустическом экстракторе-дезинтеграторе осуществляют при индексе кавитации к=0.8-1.9 и при различных значениях гидромодуля (1:5-10), после чего из полученной пульпы пектин извлекают комплексным методом. При этом производительность процесса составляет от 800 до 1400 л/ч (Патент РФ N2066962, кл. А 23 L /0524, С 08 В 37/06, 1996) - прототип.

К недостаткам данного способа прототипа относится низкая производительность процесса.

Целью изобретения является повышение производительности процесса и получение целевого продукта улучшенной питательной ценности за счет использования молочной сыворотки - отхода молочного производства.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получают пектин путем обработки - пектинсодержащего сырья гидролизующим реагентом (молочной сывороткой и молочной кислотой) в аппарате кавитационного типа. Обработку ведут в течение 30-240 с в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором при значениях градиентов скоростей от.4.6•10⁵ м/с•м до 5.8•10⁵ м/с•м в условиях воздействия на нее (смесь) резонансных колебаний ротора и статора и гидромодуле 1:5-15. Полученную пульпу разделяют на жидкую (экстракт) и твердую (жом) фазы путем фильтрации или центрифугирования. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на автоматизированной установке на полых волокнах АУФ-06 с использованием половолоконного фильтра с границей фильтрации от 10 до 100 кДа и при давлении 0.08-0.12 мПа осуществляют концентрирование пектинового экстракта до 3.5-5.0% по пектиновым веществам и его очистку от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинсодержащего концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляется на сушку.

Автоматизированная установка на полых волокнах АУФ-06 предназначена дня фильтрации, концентрирования, разделения и очистки водных растворов биологически активных веществ и суспензий. В состав ультрафильтрационной установки входит ультрафильтрационный модуль на полых волокнах марки УФМ-0.2 с площадью фильтрации 0.2 м. Производительность установки по дистиллированной воде от 3 до 100 л/ч в зависимости от величины границ фильтрации полого волокна. Тип волокна, используемого в УФМ-0.2 ВПУ-ПА (ТУ-06-31-529-86).

Ультрафильтрация с использованием в качестве фильтрующего материала полых волокон широко используется при концентрировании, разделении и очистке биологически активных жидкостей и суспензий, в том числе пектинсодержащих экстрактов. Автоматизированная установка на полых волокнах АУФ-06 производится в HПП "Биомедавтоматика" (г. Нижний Новгород) с 1993 г.

В качестве роторно-пульсационного аппарата использовался аппарат, который содержит корпус, выполненный в виде улитки с входным, расположенным по оси, патрубком и выходным, расположенным тангенциально, патрубком. В корпусе на валу установлен ротор, выполненный в виде диска, на торцах которого расположены коаксиальные цилиндры с прорезями. Ротор с двух сторон охватывает статор, установленный с возможностью осуществлять акустические воздействия на обрабатываемую среду различной частоты и амплитуды. При этом наибольшая эффективность процесса достигается при осуществлении ротором и статором резонансных колебаний, что обеспечивается подбором скорости вращения ротора, его диаметра и зазора между ротором и статором. На торцах статора, обращенных к ротору, установлены коаксиальные цилиндры с проточными каналами.

Такой роторно-пульсационный аппарат описан в Международной заявке [РСТ (WO) /RU 9600297, Кл. В 01 F 7/00]. Значение максимума резонансных колебаний ротора и статора определяют, например, по значению максимальной амплитуды звуковых колебаний (максимального уровня звука по вибродатчику).

На чертеже изображен элемент зазора между статором и ротором, где 1 - ротор, 2 - статор, δ - зазор между ротором и статором, ω - угловая скорость вращения ротора, при этом Р-ω-О - эпюра скоростей движения жидкости в зазоре между ротором и статором.

Градиент скорости (Δω) определяется по формуле:

где ω_p - линейная скорость вращения ротора;
ω_c = 0 - скорость вращения статора (неподвижен);
δ - величина зазора между статором и ротором.

При подстановке в приведенную выше расчетную формулу величин скорости вращения ротора (от 4000 до 5000 об/мин), величины зазора между статором и ротором (8.1•10^-5 м) и диаметра ротора (D), равного 178 мм, получают значения минимального (Δω_min) и максимального (Δω_max) градиентов скоростей, равные 4.6•10⁵ м/с•м до 5.8•10⁵ м/с•м соответственно.

Аппарат работает следующим образом.

Обрабатываемая смесь гидролизующего реагента и пектинсодержащего сырья через входной патрубок поступает в корпус. Вращающийся вместе с валом ротор прокачивает жидкотекучую среду через ступени ротор-статор. Протекая в каналы ротора и статора, в зазорах между ротором и статором жидкотекучая среда подвергается кавитационным резонансным механоакустическим воздействиям, возникающим между ротором и статором, в результате чего происходит дезинтеграция пектинсодержащего сырья с одновременной высокоэффективной экстракцией пектина из сырья в водную фазу. При этом линейная производительность аппарата достигает 20000 и 25000 л/ч для жидкотекучей среды при скорости вращения ротора от 4000 до 5000 об/мин.

Способ осуществляется следующим образом.

В качестве пектинсодержащего сырья могут использовать любое пектинсодержащее сырье растительного происхождения, при этом пектинсодержащее сырье могут использовать в сухом, и/или свежем, и/или свежеотжатом виде.

В качестве гидролизующего реагента используют молочную сыворотку или молочную кислоту. Молочная сыворотка, в среднем, содержит сухих веществ до 6.7%, в том числе молочного сахара до 4.5%, белков до 1.3%, жира до 0.5%, минеральных веществ до 0.7%. Активная кислотность сыворотки характеризуется содержанием в ней свободных водородных ионов и выражается величиной рН. Общая же кислотность (титруемая) сыворотки определяется не только концентрацией свободных водородных ионов, но и присутствием в ней солей органических и неорганических кислот (в основном кальциевых и магниевых солей лимонной и фосфорной кислот), белков и газов. При необходимости, перед гидролизом - экстракцией пектинсодержащее сырье могут дополнительно измельчать.

Процесс гидролиза - экстракции осуществляют в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором в режиме скорости вращения ротора от 4000 до 5000 об/мин в течение 30-240 с при значениях градиентов скоростей от 4.6•10⁵ м/с•м до 5.8•10⁵ м/с•м, что обеспечивает протекание процесса экстракции в условиях воздействия на суспензию пектинсодержащего сырья резонансных колебаний ротора и статора, которые определялись по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (ВМВ 003М2), равному 96-110 дБ (децибел), и гидромодуле 1:5-15. Экстракт отделяют от жома фильтрованием или центрифугированием. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на мембранной установке (АУФ -06) с использованием половолоконного ультрафильтрационного модуля с границей фильтрации от 10 до 100 кДа и при давлении 0.08-0.12 мПа. При этом осуществляются концентрирование пектинового экстракта до 3.5-5.0% по пектиновым веществам и его очистка от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинсодержащего концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляют на сушку. В процессе гидролиза - экстракции могут использовать молочную сыворотку с титруемой кислотностью 82^oТ-112^oТ, активной кислотностью 4.0-5.0, массовой долей белка 1.3%, а также молочную кислоту.

Способ поясняется следующими примерами его выполнения.

Пример 1. Получение пектина из надземной части амаранта.

2 кг сухого измельченного сырья (надземная часть травы амаранта) загружают в аппарат кавитационного типа, заливают 24 л молочной сыворотки с титруемой кислотностью 102^oТ, активной кислотностью 4.5 и массовой долей белка 1.3% (гидромодуль 1: 12) и проводят гидролиз - эстракцию пектиновых веществ путем комплексной механоакустической обработки в режиме скорости вращения ротора 4000 об/мин в течение 30 с в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 4.6•10⁵ м/с•м, что обеспечивает протекание процесса экстракции в условиях воздействия на суспензию пектинсодержащего сырья резонансных колебаний ротора и статора, которые определялись по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (ВМВ 003М2), равному 96 дБ.

Экстракт отделяют от жома фильтрованием или центрифугированием. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на автоматизированной установке на полых волокнах АУФ - 06 с использованием половолоконного фильтра с границей фильтрации 50 кДа и при давлении 0.08 мПа осуществляют концентрирование пектинового экстракта до 3.5% содержания по пектиновым веществам и его очистку от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинового концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляется на сушку. Конечным продуктом процесса является сухой порошок пектина с влажностью 8%, имеющий молекулярную массу 80000-100000 у.е.

Пример 2. Получение пектина из зеленой биомассы люпина.

2 кг сухой зеленой биомассы люпина загружают в аппарат кавитационного типа, заливают 20 л молочной сыворотки с титруемой кислотностью 112^oТ, активной кислотностью 4.0 и массовой долей белка 1.3% (гидромодуль 1: 10) и проводят гидролиз - экстракцию пектиновых веществ путем комплексной механоакустической обработки в режиме скорости вращения ротора 5000 об/мин в течение 60 с в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 5.8•10⁵ м/c•м, что обеспечивает протекание процесса экстракции в условиях воздействия на суспензию пектинсодержащего сырья резонансных колебаний ротора и статора, которые определялись по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (ВМВ 003М2), равному 100 дБ. Экстракт отделяют от жома фильтрованием или центрифугированием. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на автоматизированной установке на полых волокнах АУФ - 06 с использованием половолоконного фильтра с границей фильтрации 15 кДа и при давлении 0.12 мПа. При этом осуществляют концентрирование пектинового экстракта до 5.0% содержания по пектиновым веществам и его очистку от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинового концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляется на сушку. Конечным продуктом процесса является сухой порошок пектина с влажностью 6%, имеющий молекулярную массу 200000-300000 у. е.

Пример 3. Получение пектина из свекловичного жома.

2 кг свежеприготовленного свекловичного жома загружают в аппарат кавитационного типа, заливают 14 л молочной сыворотки с титруемой кислотностью 102^oТ, активной кислотностью 4.5 и массовой долей белка 1.3% (гидромодуль 1: 7) и проводят гидролиз - экстракцию пектиновых веществ путем комплексной механоакустической обработки в режиме скорости вращения ротора 4500 об/мин в течение 120 с в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 5.2•10⁵ м/с•м, что обеспечивает протекание процесса экстракции в условиях воздействия на суспензию пектинсодержащего сырья резонансных колебаний ротора и статора, которые определялись по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (ВМВ 003М2), равному 100 дБ. Экстракт отделяют от жома фильтрованием или центрифугированием. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на автоматизированной установке на полых волокнах АУФ - 06 с использованием половолоконного фильтра с границей фильтрации 15 кДа, и при давлении 0.1 мПа осуществляют концентрирование пектинового экстракта до 4.5% содержания по пектиновым веществам и его очистку от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинового концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляется на сушку. Конечным продуктом процесса является сухой порошок пектина с влажностью 8%, имеющий молекулярную массу 50000-70000 у.е.

Пример 4. Получение пектина из фитомассы амаранта.

2 кг сырой фитомассы амаранта загружают в аппарат кавитационного типа, заливают 14 л молочной сыворотки с титруемой кислотностью 102^oТ, активной кислотностью 4.5 и массовой долей белка 1.3% (гидромодуль 1:7) и проводят гидролиз - экстракцию пектиновых веществ путем комплексной механоакустической обработки в режиме скорости вращения ротора 4500 об/мин в течение 60 с в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 5.2•10⁵ м/с•м, что обеспечивает протекание процесса экстракции в условиях воздействия на суспензию пектинсодержащего сырья резонансных колебаний ротора и статора, которые определялись по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (ВМВ 003М2), равному 100 дБ.

Экстракт отделяют от жома фильтрованием или центрифугированием. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на автоматизированной установке на полых волокнах АУФ - 06 с использованием половолоконного фильтра с границей фильтрации 50 кДа, и при давлении 0.08 мПа осуществляют концентрирование пектинового экстракта до 3.5% содержания по пектиновым веществам и его очистку от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинового концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляется на сушку. Конечным продуктом процесса является сухой порошок пектина с влажностью 8%, имеющий молекулярную массу 80000-100000 у.е.

Пример 5. Получение пектина из фитомассы люпина.

2 кг сырой зеленой биомассы люпина загружают в аппарат кавитационного типа, заливают 12 л молочной сыворотки с титруемой кислотностью 112^oТ, активной кислотностью 4.0 и массовой долей белка 1.3% (гидромодуль 1: 6) и проводят гидролиз - экстракцию пектиновых веществ путем комплексной механоакустической обработки в режиме скорости вращения ротора 5000 об/мин в течение 60 с в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 5.8•10⁵ м/с•м, что обеспечивает протекание процесса экстракции в условиях воздействия на суспензию пектинсодержащего сырья резонансных колебаний ротора и статора, которые определялись по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (ВМВ 003М2), равному 110 дБ. Экстракт отделяют от жома фильтрованием или центрифугированием. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на автоматизированной установке на полых волокнах АУФ - 06 с использованием половолоконного фильтра с границей фильтрации 15 кДа и при давлении 0.12 мПа. При этом осуществляют концентрированно пектинового экстракта до 5.0% содержания по пектиновым веществам и его очистку от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинового концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляется на сушку. Конечным продуктом процесса является сухой порошок пектина с влажностью 6%, имеющий молекулярную массу 200000-300000 у. е.

Пример 6. Получение пектина из сухого свекловичного жома.

2 кг сухого свекловичного жома загружают в аппарат кавитационного типа, заливают 28 л дистиллированной воды, подкисленной молочной кислотой до рН 4.5 (гидромодуль 1:14) и проводят гидролиз - экстракцию пектиновых веществ путем комплексной механоакустической обработки в режиме скорости вращения ротора 4000 об/мин в течение 200 с в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и ротором при значении градиента скорости 4.6•10⁵ м/с•м, что обеспечивает протекание процесса экстракции в условиях воздействия на суспензию пектинсодержащего сырья резонансных колебаний ротора и статора, которые определялись по максимальному значению уровня звука по вибродатчику (ВМВ 003М2), равному 96 дБ. Экстракт отделяют от жома фильтрованием или центрифугированием. Далее экстракт подвергают ультрафильтрации на автоматизированной установке на полых волокнах АУФ - 06 с использованием половолоконного фильтра с границей фильтрации 15 кДа, и при давлении 0.1 мПа осуществляют концентрирование пектинового экстракта до 4.5% содержания по пектиновым веществам и его очистку от низкомолекулярных органических и неорганических примесей. Далее осуществляют сгущение пектинового концентрата в вакуум-выпарном аппарате до содержания в нем 8-14% пектиновых веществ. После чего готовый концентрат направляется на сушку. Конечным продуктом процесса является сухой порошок пектина с влажностью 8%, имеющий молекулярную массу 50000-70000 у.е.

Использование молочной сыворотки (вместо технических кислот) для извлечения пектиновых веществ из растительного сырья открывает один из возможных путей ее утилизации и получение на ее основе пектинсодержащего желирующего пищевого концентрата. При этом пектиновый концентрат обогащается такими ценными компонентами сыворотки, как белки, жир, за счет чего повышается его питательная ценность. Одновременно повышается и кормовая ценность проэкстрагированного сырья.

Так как при использовании в качестве экстрагирующего агента молочной сыворотки пектиновый экстракт не содержит непищевых компонентов, нет необходимости выделять пектин из экстракта. Рациональнее использовать его полностью, для чего его достаточно сконцентрировать. Такой подход позволяет практически полностью исключить стадии выделения и очистки пектина и тем самым предотвратить образование сточных вод (см. таблицу).

Описывается способ получения пектина, включающий обработку пектинсодержащего сырья экстрагентом в аппарате кавитационного типа, причем обработку ведут молочной сывороткой или молочной кислотой в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором в течение 30-240 с при гидромодуле 1:5-15, температуре 35-45^oС и значениях градиентов скоростей от 4,6•10⁵ до 5,8•10⁵ м/с•м, а ультрафильтрацию ведут через половолоконный фильтр с границей фильтрации 15-100 кДа при давлении 0,08-0,12 мПа. Конечным продуктом является сухой порошок пектина с влажностью 6%, имеющий молекулярную массу 20000-300000. Способ позволяет заменить технические кислоты, используемые для экстракции, на молочную сыворотку. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ получения пектина, включающий обработку пектинсодержащего сырья экстрагентом в аппарате кавитационного типа с последующей ультрафильтрацией экстракта, отличающийся тем, что обработку ведут молочной сывороткой или молочной кислотой в роторно-пульсационном аппарате в зазоре между статором и вращающимся ротором в течение 30-240 с, при гидромодуле 1:5-15, температуре 35-45^oС и значениях градиентов скоростей от 4,6•10⁵ до 5,8•10⁵ м/с•м, а ультрафильтрацию ведут через половолоконный фильтр с границей фильтрации 15-100 кДа и давлении 0,08-0,12 мПа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку пектинсодержащего сырья в роторно-пульсационном аппарате осуществляют в условиях воздействия на него резонансных колебаний ротора и статора, которые определяют по максимальной амплитуде звуковых колебаний.