Разговоров П.Б. Технология получения биологически активных веществ

Подождите немного. Документ загружается.

– приготовление раствора глюкозы;

– очистка раствора фильтрацией путем последовательного пропускания

через природный алюмосиликат кизельгур, активированный уголь и ионо-

обменные смолы;

– упаривание концентрата;

– изомеризация концентрата с применением ферментов.

В качестве ферментативной основы применяют компоненты типа ГлИ

(глюкозоизомераза).

Аппаратурно-технологическая схема получения сиропов из глюкозы [6]

представлена на рис. 8.1. Основу ГлИ составляют штаммы микроорганизмов

типа Streptomyces albogriseolus. Из этого штамма при рН = 8 получают

иммобилизованную ферментную систему.

Изомеризацию глюкозы ведут в колонных реакторах. Степень конверсии

(превращения) глюкозы зависит от скорости пропускания раствора через

реактор, рН среды, температуры процесса, а также от концентрации солей маг-

ния и кольбата, которые обеспечивают необходимую степень превращения.

Рис. 8.1. Аппаратурно-технологическая схема получения биологически активных

сиропов из глюкозы: 1 – аппараты-реакторы для приготовления субстрата; 2 – тепло-

обменники; 3 – биореакторы с иммобилизованной глюкозоизомеразой (ГлИ); 4 – ре-

актор для раствора с системой регулирования рН; 5 – угольная колонна для деколори-

зации раствора; 6, 8, 11 – сборники раствора (8 – установки с мешалкой); 7 – фильтр;

9 – ионообменные колонки; 10 – вакуум-выпарная установка

Изомеризацию целесообразно проводить при температуре 60°C, так как

при более низкой температуре повышается возможность инфицирования ко-

нечного продукта, а при росте температуры выше 60°C усиливаются процессы

разложения сахаров, что приводит к увеличению концентрации темно-

окрашенных продуктов распада этих сахаров.

Пропущенная через теплообменник 2 солевая смесь раствора глюкозы,

поступает из аппарата 1 с помощью насосов в биореакторы 3, где ее

пропускают через слой иммобилизованной глюкозоизомеразы. Из реактора 4

вытекает смесь фруктозы и глюкозы при рН = 7,8. Затем эту смесь с целью

деколоризации (обесцвечивания) пропускают через слои угля в колонне 5 и

фильтруют от частичек угля на фильтре 7. После прохождения фильтра 7

систему вновь нагревают до температуры 60°C и с помощью насоса подают в

ионообменные колонки 9, где происходит освобождение раствора от примесей,

в частности от катионов металлов. Затем система поступает в вакуум-выпарной

аппарат 10, где ее упаривают до содержания сухих веществ 70±1%. Этот

обезвоженный остаток содержит 50 мас.%

глюкозы и 42 мас.% фруктозы.

Примечания

1. При повышенном содержании фруктозы в сиропе (не менее 50%) уда-

ется приостановить протекание процесса кристаллизации глюкозы при хране-

нии.

2. Использование сиропа целесообразно при организации лечебного пита-

ния не только в составе соков и безалкагольных напитков (кваса), но также в

составе ликероводочных изделий или в качестве добавки к молочным консер-

вам и мороженому.

3. Оптимизация технологического маршрута позволяет снизить расход

ферментов в 6,5–10 раз. Трудозатраты процесса при использовании иммобили-

зованных ферментов снижаются в 2,5–3 раза.

Технология получения сиропа из инулинсодержащего сырья

Технологическая схема во многом аналогична таковой, представленной

на рис.8.1.

Лучшим инулинсодержащим сырьем являются корни топинамбура

(18–20% от массы смеси) и порошок высушенного топинамбура (75–80% от

массы смеси).

Процесс получения сиропа сводится к следующему.

1) проводят экстракцию инулина из корней топинамбура водой, подкис-

ленной до рН = 5,5. Соотношение сырья к воде составляет 1:1 ÷ 1,5:1; темпе-

ратура процесса 70–75°C, продолжительность экстракции 30 мин;

2) по истечении 30 мин в полученный экстракт подают сернистый газ в

виде 0,1% раствора (с целью предотвращения потемнения);

3) после добавления сернистого газа подкисляют экстракт до значений

рН, близких к изоэлектрической точке белка (рI = 4,5);

4) проводят центрифугирование с целью удаления осадка (высокоско-

ростная центрифуга; частота вращения n = 10000–20000 мин

-1

);

5) полученный раствор с содержанием инулина 10–12% пропускают через

систему фильтров в угольной колонне;

6) пропускают обесцвеченный раствор через систему иммобилизованного

фермента (на дрожжевой основе) при условиях: рН = 4,5; температура 50°C;

объемная скорость пропускания 0,4 ч

–1

;

7) пропускают раствор через ионообменные колонки и затем вновь – че-

рез колонну с активированным углем;

8) обрабатывают сироп в вакуум-выпарном аппарате до получения про-

дукта с содержанием сухих веществ 71%.

Содержание фруктозы в готовом сиропе составляет 75%.

Технология получения овощных ферментированных напитков

Целью приготовления таких напитков является возможность снижения

желудочно-кишечных заболеваний при их употреблении. Напитки из соков

овощей имеют антибактерицидные свойства, поскольку дополнительно содер-

жат бифидо- и лактобактерии, ингибирующие развитие условно-патогенной

микрофлоры в кишечнике. Они включают также добавки сахарных сиропов.

С целью предотвращения расслоения ферментированных соков на отдель-

ные фракции систему необходимо стабилизировать 7–10% раствором крахма-

ла, взятым в количестве 20% от массы смеси.

Содержание компонентов в таких овощных ферментированных напитках

указано в табл. 8.1; стадии технологического процесса их получения представ-

лены на рис. 8.2 [4].

Таблица 8.1

Рецептура ферментированных соков с добавками

биологически активных сиропов

Содержание в напитке, мас.% Компонент

морковь

+ красная смородина

свекла

+ черная смородина

Ферментированный сок 54 57

Раствор крахмала (71%) 20 20

Сахарный сироп (10%) 6 3

Смородина

(красная либо черная)

20 20

Плоды Ягоды

Вода

Пар

Вода

Пар

Рис. 8.2. Структурно-технологическая схема получения

овощных ферментированных напитков

Инспекция

Инспекция (отбор ягод)

Мойка ягод

Промывка плодов овощей (фруктов)

Прессование

Получение сока

Измельчение ягод

Бланширование

Очистка и резка

Введение сахарного сиропа; С

доб

= 10%

Стерилизация горячим

паром

Получение сока-пюре

Ферментация (фермент Bifidobacterium

bifidum, Lactobacillus acidophilus); t = 37°C;

10 ч

ЗАКВАСКИ

= 5

Купажирование смородиновым соком

Стабилизация раствором крахмала; С

ДОБ

= 20%

Разведение водой

Стерилизация горячим паром

Гомогенизация

Закваска (бифидобактериально-

лактобацильная смесь, 1:1)

7–10% раствор крахмала

10% сахарный сироп

Пар

Готовый продукт

Примечание. Неосветленные красно- и черносмородиновые соки в ходе

купажирования повышают органолептические свойства напитков и их пита-

тельную ценность.

Аналогичная структурно-технологическая схема применяется и при

получении фруктовых соков. Однако следует отметить, что при исключении

стадии пастеризации из технологического цикла сроки хранения напитков

снижаются (для овощных они ниже – не более 3 сут при температуре 7–9°C).

9. Технологии получения хитина и хитозана

Хитин и хитозан являются природными полисахаридами. Хитин пред-

ставляет собой поли-К-ацетил-Б-глюкозоамин, по химическому строению

сходный с целлюлозой, занимая после нее 2 место по распространенности в

природе. Хитозан (поли-Д-глюкозамин) является производным хитина; в живых

организмах он не встречается, за исключением некоторых мицелиев. Его полу-

чают в процессе деацетилирования хитина.

Хитин встречается в наружных покровах членистоногих (ракообразных,

насекомых), скелете морского зоопланктона, клеточных стенках грибов и дрож-

жей; он присутствует в стенках цисты инфузории, клетках зеленых водорослей.

В 2000-х гг. российскими учеными разработана технология выделения

хитина и хитозана из полипа O. longissima – организма морского происхож-

дения. При этом используют метод последовательной экстракции сопутст-

вующих веществ из белкового сырья (процесс депрoтеинизации). Депротеини-

зацию осуществляют в 4%-м растворе гидроксида натрия при соотношении

сырья к щелочи, равном 1:4; температура процесса составляет 95–97ºС, про-

должительность 60 мин. Затем проводят деминерализацию раствором соляной

кислоты при комнатной температуре в течение 30 мин; соотношение сырья к

кислоте составляет 1:4. При этом стадии депротеинизации и деминерализации

чередуют дважды. Технологическая схема процесса представлена на рис. 9.1.

NaOH (4% р-р)

O. longissima

Рис. 9.1. Схема получения хитина и хитозана из полипа O. longissima

Экстракция белковых веществ

(депротеинизация); t = 95–97ºC, τ = 60 мин

Деминерализация; t =20–22°C, τ = 30 мин

НСl

Чистые белки

Минеральные

вещества

Хитин

Выделенный хитин представляет собой мелкие волокна белого, светло-

кремового или светло-бежевого цвета. Поскольку хитин не плавится и раст-

воряется в ограниченном наборе агрессивных растворителей, получение из него

пленок, волокон и других форм затруднительно.

Более удобным для использования в различных областях (медицине, кос-

метике, пищевой, текстильной, бумажной промышленностях) является

хитозан. Он легко растворяется в разбавленных органических и одноосновных

минеральных кислотах.

Хитозан получают по технологической схеме, сходной с представленной

на рис. 9.1. Отличие заключается в том, что обработку хитина 50% раствором

NaOH проводят при температуре 80–120ºС в течение 10–60 мин. Уже при

температуре 80ºС в течение 10 мин достигается степень дезацетилирования

(СД) 70 %, достаточная для растворения продукта в 2% уксусной кислоте.

Повышение температуры реакции и увеличение продолжительности щелочной

обработки хитина приводят к росту СД при одновременном снижении моле-

кулярной массы хитозана и выхода конечного продукта. Снижение молекуляр-

ной массы вызвано гидролитической и окислительной деструкцией макромоле-

кул в присутствии кислорода воздуха; уменьшение выхода продукта является

следствием естественной убыли массы за счет отщепления ацетильной группы,

а также деструкции вплоть до растворимых в воде олигомеров, которые уда-

ляются из продукта при его очистке.

Варьирование режимов получения хитозана позволяет получить продукт

с определенной СД в интервале 70,0–87,8 %. Оптимальные условия, отвечаю-

щие повышенной экономичности и упрощению технологии, достигаются при

температуре 80ºС и обработке щелочью в течение 10 мин. Полученный хитозан

имеет морфологию и цвет, подобные хитину. К недостаткам известных техно-

логий хитинсодержащих материалов, основанных на процессах депротеи-

низации, деминерализации и обесцвечивания сырья с использованием щелочей,

кислот, окислителей и ферментных препаратов, следует отнести значительную

стоимость способов получения, связанную с многостадийностью, а также

необходимость повторять стадии многократно с промывками до нейтральной

реакции среды. Кроме того, использование указанных агрессивных сред приво-

дит к ухудшению качества получаемого хитина и образованию канцерогенных

продуктов. Таким образом, представленная технология нуждается в дополни-

тельной проработке вопросов экологии.

Нетрадиционный способ получения хитина и хитозана

В середине 90-х годов ушедшего столетия предложен нетрадиционный

(электрохимический) способ получения хитинсодержащих материалов. Его

сущность заключается в обработке панцирьсодержащего сырья (в виде водно-

солевой суспензии) в электролизерах. При этом процессы депротеинизации,

деминерализации и обесцвечивания протекают под действием электромагнит-

ного поля и направленного потока ионов, образующихся в результате электро-

лиза воды.

Преимуществами данного метода являются экологическая безопасность,

возможность проводить процессы депротеинизации, деминерализации и обес-

цвечивания в одну стадию при низких концентрациях щелочи и кислоты, а

также без промежуточных промывок до нейтральной среды.

При электрохимическом способе в качестве сырья используют пресно-

водное ракообразное (Gummarus pulex) в диспергированном мороженном и

сухом виде. Технологическая схема представлена на рис. 9.2. Полученные ма-

териалы могут быть использованы в качестве сорбентов в процессах очистки

промышленных стоков, питьевой воды, почв, а также представляют большой

интерес для медицинской химии [4].

Рис. 9.2. Получение хитинсодержащих материалов электрохимическим методом

Диспергирование

Смешивание с раствором католита,

выдержива

ние, термостатирование

Депротеинизация панциря в катодной камере

электролизера с раствором электролита;

рН ≥12, t = 300–500°C, τ = 30–40 мин

Термостатирование, активирование и

обезжиривание, обработка ПАВ в растворе

католита; t = 60°C, τ = 45 мин

Деминерализация в анодной камере

электролизера в растворе электролита;

рН

≥

–

мин

Хитинол

Фильтрование и промывка водой

Панцирь

(полуфабрикат)

Панцирь

(полуфабрикат)

Фильтрование с отжимом

Основные белки

(раствор)

Вода

Хизинтэл

Фильтрование и промывка водой; рН = 7

Вода

Католит

ли

Панцирьсодер-

жащее сырье

Известно более 200 областей применения таких материалов, основные из

которых указаны ниже.

Медицина:

– биологически активное вещество, способствующее восстановлению

коллагеновой (соединительной) ткани хрящей и суставов при профилактике и

предупреждении артрита, артрозов, полиомиелита, ряда заболеваний опорно-

двигательного аппарата и сердечно-сосудистой системы;

– средство для механической защиты ран и регенерации поврежденной

ткани (заживление ран происходит в 3–4 раза быстрее);

– средство лечения и устранения поражений и ожогов слизистой оболоч-

ки полости рта и зубов;

– функциональный материал для создания мембран, обладающих адгезив-

ными свойствами, а также пленок, наночастиц и наносистем для доставки вита-

минов, белков, пептидов и лекарственных средств (перорально, парентерально)

и пролонгации их действия.

– радиопротектор при острой лучевой болезни;

– аналог гепарина, обладающий антикоагулянтной активностью и замед-

ляющий свертывание крови, препятствующий возникновению тромбов.

Пищевая промышленность:

– эмульгатор, загуститель соусов, приправ, паштетов, паст; стабилизатор

гомогенных и гетерогенных систем при производстве пудингов, муссов, желе;

– осветление жидкости в производстве вин, пива, соков;

– образование защитных пленок на поверхности плодов и овощей;

– консервант, подавляющий условно-патогенную микрофлору и повы-

шающий биологическую ценность продуктов питания и напитков;

– биологически активная добавка для связывания жиров и избыточного

холестерина.

Парфюмерно-косметическая промышленность:

– компонент косметических кремов (образование защитной пленки на

коже, снижающей потерю воды; повышение эффективности УФ-фильтров);

– средство по уходу за волосами (шампуни, бальзамы, лосьоны) – для

улучшения расчесываемости и уменьшения статического заряда, предупреж-

дения перхоти и обеспечения блеска волос;

– гелеобразователь в жидком мыле, гелевых зубных пастах (0,5–1,5%), а

также в лаках для ногтей с бактерицидными свойствами;

– стабилизатор аромата духов.

Сельское хозяйство:

– облагораживание почв в композициях с природными или искусствен-

ными удобрениями;

– связующий материал при изготовлении гранулированных форм удобре-

ний;

– средство, вызывающее системную и продолжительную болезнеустой-

чивость растений против различных заболеваний (бактериальных, грибковых,

вирусных, нематод) при обработке семян до посева и обработке растений в

фазу ветвления;

– ростостимулирующее средство сельскохозяйственных растений.

Экология:

– очистка сточных вод от тяжелых металлов, радионуклидов, белков, уг-

леводородов, пестицидов, красителей и бактериальных клеток.

10. Получение белковых веществ из некоторых видов

нетрадиционного сырья

В качестве нетрадиционного сырья для получения белковых веществ

используют спирулину, фукус пузырчатый, амарант.

Спирулина содержит ряд ценных для человека компонентов и входит в

состав различных БАВ. Она улучшает обменные процессы, способствует насы-

щению организма редкими макро- и микроэлементами, а также полиненасы-

щенными жирными кислотами. Содержит ряд ценных пищевых волокон, кото-

рые в сочетании с белковыми компонентами способны регулировать уровень

содержания сахара в крови; благоприятно воздействует на кожу, способствует

восстановлению микрофлоры кишечника.

Состав амаранта весьма специфичен:

– проламины – до 1,5%;

– альбумины 2–4%;

– глобулины 6–8%.

Усредненный аминокислотный состав амаранта приведен в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Аминокислотный состав белков амаранта

Аминокислоты Содержание аминокислот, мас.%

Изолейцин 3,2–4,5

Лейцин 4,8–5,2

Лизин 4,3–6,5

Цистеин + метионин –

Фенилаланин + тирозин 4,5–6,6

Треонин 2,2–4,5

Триптофан 0,5–1,8

Валин 3,0–4,6

Фукус пузырчатый содержит минеральные вещества, большое количество

йода и полифенолы в усвояемой для организма форме. Он ускоряет обмен

веществ, улучшает состояние лимфы крови и способствует выведению

токсинов, препятствует всасыванию жиров, служит источником минералов и

йода.

Метод противоточной экстракции

Данный метод является одним из наиболее эффективных в получении

белковых веществ из нетрадиционного сырья. Технологические операции,

согласно этому методу, указаны на рис. 10.1.

Исходное сырье (40 г измельченной травы) замачивают в воде (массовое

соотношение 1:1) при комнатной температуре 20°C в течение 1–2 ч, затем смесь

фильтруют и сушат. Высушенную фитомассу направляют в кавитационный

экстрактор и проводят процесс непрерывной противоточной экстракции вод-

ным раствором NаОН при рН=8,5–10,0 и температуре 35–40°C; продолжитель-

ность экстракции составляет 20–40 мин. Затем осуществляют фильтрацию и

осаждение целевого продукта в присутствии уксусной кислоты при рН в

области 3,9–4,5. После осаждения целевой продукт центрифугируют и сушат

при комнатной температуре. Для увеличения выхода продукта проводят непре-

рывную противоточную экстракцию.

Рис. 10.1. Технологические операции получения белковых веществ

по методу противоточной экстракции

Высушенная фитомасса

амаранта

Жидкий концентрат белка

Экстрагент

Сбор в осадительную емкость

Экстракция; рН=8,5–10

,0,

= 43

–

45°C

τ = 20

–

мин

Распыление, сушка

Осаждение в центрифуге

Фильтрация

Осаждение; рН = 3,9–4,5

Выпаривание

СН

СООН

Сухой концентрат белка

NаОН