Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛАНИНА ИЗ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА

Предлагаемое техническое решение относится к химии высокомолекулярных природных соединений, а именно к получению биологически активного биополимера растительного происхождения - меланина, и может быть использовано для производства лечебно-профилактических препаратов, биологически активных и пищевых добавок.

Известен способ получения пищевого красителя из лузги гречихи, включающий измельчение растительного сырья, экстракцию 3-5% раствором щелочи при значении гидромодуля 3-5, осаждение соляной кислотой, фильтрацию и сушку (Пат. SU 1742295 A1, С09В 61/00, 1992).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся низкий выход продукта и значительная продолжительность процесса.

Известен способ получения меланина - пигмента с высокой антиоксидантной активностью из растительного сырья - лузги гречихи, включающий измельчение лузги гречихи, ее обработку целлюлолитическим ферментом целлюбранин ГЗХ в течение 48 ч, экстракцию раствором щелочи в течение 24 часов, осаждение меланина соляной кислотой, разделение фаз фильтрацией (Пат. РФ 2215761, С09В 61/00, 2003).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся значительная продолжительность процесса, сравнительно невысокий выход меланина и использование дорогостоящего фермента, что повышает себестоимость продукта.

Известен способ получения водорастворимого меланина из виноградных выжимок, включающий измельчение сырья, получение его спиртовой суспензии, обработку суспензии ультразвуком, сливание спирта, экстракцию осадка водным раствором гидроокиси аммония при рН 9-10, отделение экстракта декантированием, очистку экстракта центрифугированием, его выпаривание, промывание сухого продукта этиловым эфиром уксусной кислоты, спиртом и ацетоном.

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся значительная продолжительность процесса, низкий выход продукта.

Известен способ получения меланина из трутовых грибов, включающий измельчение плодовых тел грибов, а также вегетативных форм чаги (наростов) до размеров 0,5-2 мм, сушку при температуре 40-45°С до постоянной массы, обработку измельченного сырья смесью гексан-изопропанол (1:1) при соотношении субстрат-растворитель 1:10 в течение 24 ч для удаления липидов, фильтрование через капроновую мембрану, удаление остатков смеси растворителей на роторном испарителе при температуре 30°С, экстрагирование меланинов из обезжиренного сырья 0,1 N раствором гидроксида натрия при 45-50°С в течение 2 ч, отделение твердого остатка фильтрованием через капроновую мембрану, подкисление полученного фильтрата 1N раствором соляной кислоты до рН 1,5, отделение образовавшегося хлопьевидного осадка меланина центрифугированием в течение 15 мин при 10000 g, его растворение в 0,1 N растворе гидроксида натрия, 3-кратное кислотное переосаждение, растворение в 0,01 N растворе гидроксида натрия, диализ против воды до нейтральной рН, сушку полученного препарата на лиофильной установке (Сушинская Н.В., Кукулянская Т.А., Курченко В.П., Шостак Л.М. Физико-химические свойства и получение меланинов из базидиомицетов // Труды БГТУ. Cep. IV. - 2004. - Вып. XII. - С. 193-197).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся значительная продолжительность процесса, ограниченность сырьевой базы, медленная воспроизводимость в естественных условиях трутовых грибов.

Известен способ получения природного меланоидного антиоксиданта, включающий предварительное промывание неизмельченной лузги подсолнечника, ее сушку при температуре 90-110°С до сыпучего состояния, экстракцию водой при кипячении в течение 30-55 минут при соотношении лузги к воде 1:10, фильтрацию, обработку пищевым адсорбентом КСМ №6С, отделение адсорбента, упаривание воды из антиоксиданта и доведение экстракта до желеобразного состояния (Патент РФ 2281779, А61К 36/28, 2006).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся невысокий выход антиоксиданта; повышенные энергозатраты на нагревание смеси при экстракции и упаривании экстракта; необходимость использования для очистки пищевого адсорбента КСМ №6С, что повышает себестоимость продукта; значительная продолжительность процесса; получение конечного продукта в виде желе, что отрицательно сказывается на продолжительности хранения, удобстве транспортировки и использования. Кроме того, полученный продукт представляет собой смесь веществ, содержащую помимо активных, сопутствующие соединения.

Известен способ получения антиоксиданта из лузги подсолнечника, включающий промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку при температуре 90-110°С до сыпучего состояния, экстракцию 0,1-0,5 М раствором гидроксида натрия при комнатной температуре 18-22°С в вибрационной экстракционной установке в течение 30-60 мин при массовом соотношении лузга-экстрагент, равном 1:(6÷7), фильтрацию, обработку отфильтрованного фильтрата катионитом КУ-2 с доведением рН до 7 и его отделение, обработку пищевым адсорбентом КСМ №6С, отделение адсорбента и упаривание до желеобразного состояния (Патент РФ2578037, А61К 36/28, B01D 11/02, 2015).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся необходимость использования катионита КУ-2 для нейтрализации экстракта и пищевого адсорбента КСМ №6С для его очистки, что повышает себестоимость продукта; повышенные энергозатраты на упаривание экстракта; значительная продолжительность процесса; получение конечного продукта в виде желе, что отрицательно сказывается на продолжительности хранения, удобстве транспортировки и использования. Кроме того, полученный продукт представляет собой смесь веществ, содержащую помимо активных, сопутствующие соединения.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к предлагаемому техническому решению и выбранным за прототип является способ получения меланина из лузги подсолнечника, включающий промывание лузги подсолнечника, ее сушку при 100°С до сыпучести, измельчение, экстрагирование 0,1÷0,5 М раствором гидроксида натрия при общем массовом соотношении сырье-экстрагент, равном 1:(6÷8), в две ступени при нормальных условиях в вибрационной экстракционной установке, отделение экстракта от сырья с отжимом в фильтр-прессе после каждой ступени, объединение экстрактов первой и второй ступени, подкисление полученного экстракта 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2, отделение выпавших хлопьев меланинов фильтрованием, их сушка, очистка 3-кратным кислотным переосаждением, состоящая из следующих этапов: растворения высушенных меланинов в растворе гидроксида натрия и их осаждения путем подкисления полученного коллоидного раствора 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2, отделения выпавших хлопьев меланинов фильтрованием и сушки (Грачева Н.В., Желтобрюхов В.Ф. Способ получения меланина из лузги подсолнечника и исследование его антиоксидантной активности // Вестник Казанского гос. технол. ун-та. - 2016. - Т. 19. - №15 С. - 154-157).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся значительная продолжительность процесса за счет проведения дополнительных стадий очистки полученного продукта.

Задачей предлагаемого технического решения является сокращение общей продолжительности процесса выделения меланина за счет исключения стадии очистки и интенсификации процесса экстрагирования с сохранением высокого выхода продукта.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является получение очищенных меланинов, не содержащих примесей, с высоким выходом за счет предварительной обработки сырья раствором соляной кислоты, и сокращение продолжительности процесса за счет улучшения условий массообмена при экстрагировании с применением поля СВЧ

Поставленный технический результат достигается тем, что способ получения меланина из лузги подсолнечника включает промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку при температуре 100°С до сыпучести, измельчение, экстрагирование 0,1-0,5М раствором гидроксида натрия при определенном массовом соотношении сырье-экстрагент, отделение экстракта от сырья с отжимом в фильтр-прессе, подкисление полученного экстракта 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2, отделение выпавших хлопьев меланинов фильтрованием, их сушку, причем промытую неизмельченную лузгу подсолнечника обрабатывают избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут, затем ее промывают водой с доведением рН смеси до нейтрального значения, а экстрагирование проводят в поле СВЧ с удельной мощностью 1-5 Вт/см³ при массовом соотношении сырье-экстрагент, равном 1:(6÷14), с продолжительностью стадии экстрагирования 1-5 минут.

Обработка промытой неизмельченной лузги подсолнечника раствором соляной кислоты приводит к вымыванию из сырья низкомолекулярных соединений, к гидролизу совместно соосаждаемых и трудно отделяемых от меланинов гемицеллюлоз и их удалению из сырья на стадии, предшествующей экстрагированию, что обеспечивает в дальнейшем получение очищенных меланинов, не содержащих примесей. Меланины же при этих условиях нерастворимы и остаются в сырье. Ввиду того, что гемицеллюлозы легкогидролизуемые полисахариды, обработку сырья проводят 5% раствором соляной кислоты при слабом кипении. Обработка лузги в течение 30 минут обеспечивает гидролиз гемицеллюлоз и отделение продуктов гидролиза от меланинов, остающихся в сырье.

Промывание смеси водой позволяет довести ее рН до нейтрального значения за счет удаления соляной кислоты, удержанной между частицами сырья, и, таким образом, избежать повышения зольности и загрязнения меланинов за счет образования солей при введении в смесь щелочесодержащего экстрагента.

При экстрагировании в поле СВЧ за счет колебательного движения диполей молекул выделяется тепловая энергия и происходит нагревание смеси, что увеличивает растворимость извлекаемых компонентов и увеличивает скорость диффузионных процессов. Кроме того, обеспечивается быстрое перераспределение извлекаемых компонентов из глубины частиц сырья к их поверхности за счет уноса вскипающим экстрагентом (Иванов Е.В. Влияние перераспределения извлекаемых компонентов в частицах сырья на процесс экстрагирования // Вестник ВГУ, Серия: Химия. Биология. Фармация. - 2006. - №2. - С. 47-50), что повышает доступность извлекаемых компонентов, улучшает условия массообмена и обеспечивает сокращение продолжительности процесса.

Превышение удельной мощности поля СВЧ выше 5 Вт/см³ приводит к повышению энергозатрат без увеличения выхода меланинов, уменьшение удельной мощности поля СВЧ ниже 1 Вт/см³ - к снижению выхода меланинов.

Превышение верхнего предела заявляемого соотношения сырье-экстрагент, равного 1:6, ведет к уменьшению степени извлечения веществ за счет уменьшения объема сливаемого экстракта. Уменьшение нижнего предела заявляемого соотношения сырье-экстрагент, равного 1:14, не приводит к значительному увеличению выхода и обусловливает нерациональное использование экстрагента.

Проведение процесса экстрагирования более 5 минут приводит к значительному испарению экстрагента и уменьшению выхода меланина, а перегрев смеси приводит к изменению физико-химических свойств полученного продукта. Проведение процесса экстрагирования менее 1 минуты является неэффективным, так как не обеспечивается высокий выход меланинов.

Предлагаемый способ включает следующие операции. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую неизмельченную лузгу обрабатывают избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Затем измельченное сырье заливают экстрагентом в массовом соотношении 1:(6÷14) и экстрагируют в течение 1-5 минут в поле СВЧ с удельной мощностью 1-5 Вт/см³. По истечении времени экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат.

Полученный меланин представляет собой порошок темно-коричневого цвета с металлическим блеском. Принадлежность к меланинам полученного продукта подтверждена характерными реакциями с перекисью водорода (обесцвечивание раствора), перманганатом калия (изменение окраски до зеленой, с последующим выпадением осадка и обесцвечиванием раствора), хлоридом железа (III) (выпадение хлопьевидного осадка с последующим его растворением при избытке реактива); УФ- спектрами (Лях С.П. Микробный меланогенез и его функции. М., 1981. 273 с.; Сушинская Н.В. и др. Получение и физико-химические свойства меланинов из базидиомицетов// Труды Белорусского государственного технологического университета. Серия IV: Химия и технология органических веществ. - Вып. XII. - Минск, 2004. - с. 193-196).

Изобретение поясняется конкретными примерами, результаты которых обобщены в таблице.

Пример 1 (по прототипу). Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают ее 0,1М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении сырье-экстрагент, равном 1:5, и экстрагируют при нормальных условиях в вибрационной экстракционной установке с частотой вибраций 20 Гц и амплитудой 0,3-0,9 мм в течение 20 минут, по истечении которых экстракт 1 отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Оставшийся шрот заливают новой порцией экстрагента той же концентрации при массовом соотношении сырье-экстрагент, равном 1:3, и экстрагируют при нормальных условиях в вибрационной экстракционной установке с частотой вибраций 20 Гц и амплитудой 0,3-0,9 мм в течение 20 минут, по истечении которых экстракт 2 отделяют от шрота с отжимом в фильтр-прессе. Экстракты 1 и 2 объединяют и подкисляют добавлением 25% раствора соляной кислоты до рН 1-2. Выпавшие хлопья меланина отделяют фильтрованием и сушат. Высушенный меланин растворяют в растворе гидроксида натрия и снова осаждают добавлением 25% раствора соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Кислотное переосаждение проводят трижды, после чего меланин сушат. Выход меланина - 8,62% к весу лузги.

Пример 2 (по прототипу). Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают ее 0,5М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении сырье-экстрагент, равном 1:5, и экстрагируют при нормальных условиях в вибрационной экстракционной установке с частотой вибраций 20 Гц и амплитудой 0,3-0,9 мм в течение 20 минут, по истечении которых экстракт 1 отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Оставшийся шрот заливают новой порцией экстрагента той же концентрации при массовом соотношении сырье-экстрагент, равном 1:3, и экстрагируют при нормальных условиях в вибрационной экстракционной установке с частотой вибраций 20 Гц и амплитудой 0,3-0,9 мм в течение 20 минут, по истечении которых экстракт 2 отделяют от шрота с отжимом в фильтр-прессе. Экстракты 1 и 2 объединяют и подкисляют добавлением 25% раствора соляной кислоты до рН 1-2. Выпавшие хлопья меланина отделяют фильтрованием и сушат. Высушенный меланин растворяют в растворе гидроксида натрия и снова осаждают добавлением 25% раствора соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Кислотное переосаждение проводят трижды, после чего меланин сушат. Выход меланина - 12,36% к весу лузги.

Пример 3. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,1 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении, равном 1:6, и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 5 Вт/см³ в течение 3 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 8,82% к весу лузги.

Пример 4. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,25 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении, равном 1:6, и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 5 Вт/см³ в течение 3 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 10,46% к весу лузги.

Пример 5. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,25 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении, равном 1:6, и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 2,5 Вт/см³ в течение 3 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 10,14% к весу лузги.

Пример 6. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,25 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении, равном 1:10, и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 2,5 Вт/см³ в течение 3 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 10,17% к весу лузги.

Пример 7. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,25 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении, равном 1:14, и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 2,5 Вт/см³ в течение 3 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 10,27% к весу лузги.

Пример 8. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,25 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении, равном 1:14, и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 2,5 Вт/см³ в течение 5 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 12,54% к весу лузги.

Пример 9. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,5 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении, равном 1:14, и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 2,5 Вт/см³ в течение 2 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 12,69% к весу лузги.

Пример 10. Лузгу подсолнечника промывают водой, обрабатывают ее избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении в течение 30 минут и затем промывают водой с доведением рН смеси до 7, то есть до нейтрального значения, сушат при температуре 100°С до сыпучего состояния, измельчают. Берут навеску массой 10 г, заливают 0,1 М раствором гидроксида натрия в массовом соотношении равном 1:14 и экстрагируют в поле СВЧ с удельной мощностью 1 Вт/см³ в течение 5 минут. Затем экстракт отделяют от сырья с отжимом в фильтр-прессе. Полученный экстракт подкисляют 25%-ым раствором соляной кислоты с доведением рН до 1-2. Выпавшие хлопья меланинов отделяют фильтрованием и сушат. Выход меланина - 12,84% к весу лузги.

Предлагаемый способ позволяет получить очищенные от сопутствующих веществ меланины с высоким выходом и сократить при этом продолжительность процесса в 42-46 раз.