Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛАНИНА ИЗ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА

Предлагаемое техническое решение относится к химии высокомолекулярных природных соединений, а именно к получению биополимера растительного происхождения - меланина, обладающего высокой биологической активностью, 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, значительная продолжительность процесса, высокая зольность.

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 многостадийность и значительная продолжительность процесса, низкий выход продукта, необходимость использования нескольких аппаратов.

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 гексанизопропанол (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 1 N 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 нейтрального 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 многостадийность, значительная продолжительность процесса, ограниченность сырьевой базы, медленная воспроизводимость в естественных условиях трутовых грибов.

Известен способ получения осажденного полифенольного комплекса чаги, включающий получение диффузионного сока чаги с использованием в качестве экстрагента водного раствора гидроксида натрия или калия с концентрацией 1-10%, осаждение его добавлением 20%-ного раствора соляной кислоты до значения рН 2,0-2,2 (Патент РФ 2 465 911, А61K 36/06, B01D 11/02, 2012).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокая зольность осажденного полифенольного комплекса, ограниченность сырьевой базы, медленная воспроизводимость чаги в естественных условиях.

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, А61K 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; 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, что ухудшает его качество и снижает антиоксидантную активность.

Известен способ получения антиоксиданта из лузги подсолнечники, 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 РФ 2578037, А61K 36/28, B01D 11/02, 2016).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокое остаточное содержание меланина в сырье, необходимость использования пищевого адсорбента КСМ №6С для его очистки, что повышает себестоимость продукта; повышенные энергозатраты на сушку лузги и упаривание экстракта; 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 различного состава, что снижает его качество.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к предлагаемому техническому решению и выбранным за прототип является способ получения меланина из лузги подсолнечника, включающий промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку при температуре 90-110°С до сыпучего состояния, измельчение подготовленной лузги до частиц с поперечным размером не более 1 мм, ступенчатую экстракцию 0,1-0,5 М раствором гидроксида натрия при комнатной температуре 18-22°С в вибрационной экстракционной установке с продолжительностью каждой ступени 20 минут при массовом соотношении лузга сухая-экстрагент 1:(4÷5) на первой и 1:(2÷3) на второй ступенях, состоящую из следующих операций: добавление к сырью первой порции экстрагента, проведение экстракции на 1 первой ступени, отделение экстракта 1-й ступени фильтрованием, заливание оставшегося сырья второй порцией экстрагента, проведение экстракции на второй ступени, отделение экстракта 2-й ступени фильтрованием, объединение экстрактов, а также добавление при перемешивании 25% раствора соляной кислоты с доведением рН до 1,5, отделение образовавшегося хлопьевидного осадка меланина фильтрованием, сушку на воздухе при нормальных условиях (Патент РФ А61K 36/28, B01D 11/02, 017).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся высокое остаточное содержание меланина в сырье, многостадийность, что предполагает проведение промежуточных операций и приводит к увеличению продолжительности процесса.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение выхода меланина из лузги подсолнечника за счет повышения его растворимости и улучшения условий его извлечения из сырья.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности использования сырья за счет повышения растворимости меланина и улучшения условий его извлечения, повышение чистоты меланина за счет гидролиза химически связанных с ним полисахаридов в щелочной среде при повышенной температуре при экстрагировании меланина, сокращение продолжительности процесса выделения меланина.

Поставленный технический результат достигается тем, что способ получения меланина из лузги подсолнечника включает промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку при температуре 90-110°С до сыпучего состояния, измельчение подготовленной лузги до частиц с поперечным размером не более 1 мм, экстракцию 0,1-0,5 М раствором гидроксида натрия, фильтрацию, добавление при перемешивании 25% раствора соляной кислоты с доведением рН до 1,5, отделение образовавшегося хлопьевидного осадка меланина фильтрованием, сушку на воздухе при нормальных условиях, причем экстрагент образуется в процессе экстракции при последовательном добавлении к сырью навески гидроксида натрия из расчета его конечной концентрации в растворе 0,1-0,5 М и воды в 2 этапа: на первом этапе 20% от необходимого количества из расчета общего массового соотношения сырье-экстрагент, равного 1:10, и на втором этапе после перемешивания полученной смеси в течение 45 минут - оставшегося количества воды и повторного перемешивания, а после фильтрования оставшееся сырье промывают водой по массе, равной утроенной массе исходного сырья и промывные воды добавляют в экстракт.

Последовательное добавление к измельченному сырью навески гидроксида натрия из расчета его конечной концентрации, равной 0,1-0,5 М, и воды приводит к разогреву смеси за счет выделения тепла при растворении гидроксида натрия в воде (экзотермический процесс). При этом улучшается растворимость меланина и увеличивается скорость массообменных процессов (экстракции), что обусловливает повышение выхода меланина из сырья и эффективности использования сырья, а также сокращает время выделения меланинов из сырья.

Конечная концентрация гидроксида натрия, равная 0,1-0,5 М, является оптимальной при экстрагировании меланина из лузги подсолнечника, так как при этом меланины растворяются хорошо, а гемицеллюлозы не растворяются. Получение конечной концентрации гидроксида натрия ниже 0,1 М приводит к уменьшению растворимости меланинов и снижению их выхода и эффективности использования сырья, а получение конечной концентрации гидроксида натрия выше 0,5 М приводит к совместному выделению гемицеллюлоз и нерациональному использованию гидроксида натрия.

Добавление воды в два этапа обусловливает получение на первом этапе раствора гидроксида натрия с высокой концентрацией щелочи, что повышает растворимость меланинов и эффективность использования сырья. При этом высокая концентрация щелочи обусловливает гидролиз связей меланина с полисахаридами и полисахаридов, что приводит к увеличению доступности меланина и, как следствие, повышению эффективности использования сырья.

Добавление на первом этапе воды в количестве 20% от необходимого количества из расчета общего массового соотношения сырье-экстрагент, равного 1:10, обеспечивает оптимальные условия на стадии смачивания сырья, проникновения экстрагента внутрь частиц и набухания. Уменьшение массового соотношения сырье-экстрагент приводит к неполному смачиванию сырья, полному поглощению экстрагента и ухудшению условий массообменна. Увеличение данного соотношения приводит к снижению концентрации гидроксида натрия в экстрагенте, что отрицательно влияет на выход меланина и эффективность использования сырья.

При этом проведение экстракции при общем массовом соотношении сырье-экстрагент, равном 1:10, позволяет увеличить количество сливаемого экстракта, что обеспечивает увеличение выхода экстрактивных веществ, в том числе меланина и повышает эффективность использования сырья. Увеличение соотношения приводит к нерациональному использованию экстрагента, уменьшение - к снижению количества сливаемого экстракта, следовательно, к уменьшению выхода меланина.

Перемешивание смеси в течение 45 минут обеспечивает извлечение из разрушенных клеток сырья меланина и растворение меланина внутри клеток. Проведение перемешивания более 45 минут при заданном соотношении сырье-экстрагент не приводит в дальнейшем к увеличению выхода меланина в экстракт, а проведение перемешивания менее 45 минут приводит к значительному снижению выхода меланина в дальнейшем.

Прибавление оставшегося количества воды (80%) на втором этапе после перемешивания приводит к увеличению разности концентраций между внутренним и внешним соком, основной движущей силы массообменных процессов, что обусловливает повышение выхода меланина и эффективности использования сырья и позволяет проводить процесс экстракции в одну стадию, при этом сокращается время процесса за счет исключения стадии отделения экстракта от сырья между ступенями экстракции. При этом уменьшение концентрации щелочи в экстрагенте до 0,1-0,5 М сохраняет меланины в растворенном состоянии, а растворимость выделенных гемицеллюлоз снижается, что приводит к их выделению из экстракта.

Перемешивание обеспечивает сокращение времени достижения равновесия.

Промывание оставшегося сырья после отделения экстракта водой по массе, равной утроенной массе исходного сырья, позволяет выделить вещества, в том числе меланины, находящиеся в экстракте, удержанном между частицами сырья. Увеличение количества воды не приводит к значительному увеличению выхода меланина. Уменьшение количества воды не обеспечивает достаточного вымывания удержанных веществ, в том числе меланина.

Предлагаемый способ включает следующие операции. Неизмельченную лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния, измельчают подготовленную лузгу до частиц с поперечным размером не более 1 мм, получают экстрагент в процессе экстракции путем последовательного добавления к сырью навески гидроксида натрия из расчета его конечной концентрации в растворе 0,1-0,5 М и воды в 2 этапа: на первом этапе 20% от необходимого количества из расчета общего массового соотношения сырье-экстрагент, равного 1:10, и на втором этапе после перемешивания полученной смеси в течение 45 минут - оставшегося количества воды, смесь повторно перемешивают, фильтруют, оставшееся сырье промывают водой по массе, равной утроенной массе исходного сырья, промывные воды добавляют в экстракт, в который далее добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, отделяют образовавшийся хлопьевидный осадок меланина фильтрованием, сушат на воздухе при нормальных условиях.

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).

Изобретение поясняется конкретными примерами, результаты которых обобщены в таблице.

Пример 1 (по прототипу). Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 300 г 0,1 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов - 7,56% к весу лузги.

Пример 2 (по прототипу). Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Подготовленную лузгу подсолнечника измельчают до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску массой 100 г, заливают 500 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С. Затем экстракт 1-й ступени отделяют, а оставшееся сырье заливают 300 г 0,5 М раствора гидроксида натрия и снова экстрагируют в вибрационной экстракционной установке в течение 20 минут при температуре 18-22°С, после чего отделяют экстракт 2-й ступени. Экстракты 1-й и 2-й ступеней объединяют и добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, образовавшийся хлопьевидный осадок меланина отделяют фильтрованием и сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов - 8,87% к весу лузги.

Пример 3. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Измельчают подготовленную лузгу до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску лузги массой 100 г, в сырье добавляют навеску гидроксида натрия из расчета его конечной концентрации, равной 0,1 М, равную 4 г, и воду в 2 этапа: на первом этапе 20% от необходимого количества из расчета общего массового соотношения сырье-экстрагент, равного 1:10, то есть 200 г, и на втором этапе после перемешивания полученной смеси в течение 45 минут - оставшегося количества воды, то есть 800 г, смесь повторно перемешивают, фильтруют, после фильтрования оставшееся сырье промывают водой по массе, равной утроенной массе исходного сырья, промывные воды добавляют в экстракт, в который далее добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, отделяют образовавшийся хлопьевидный осадок меланина фильтрованием, сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов - 8,82% к весу лузги.

Пример 4. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Измельчают подготовленную лузгу до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску лузги массой 100 г, в сырье добавляют навеску гидроксида натрия из расчета его конечной концентрации, равной 0,25 М, равную 10 г, и воду в 2 этапа: на первом этапе 20% от необходимого количества из расчета общего массового соотношения сырье-экстрагент, равного 1:10, то есть 200 г, и на втором этапе после перемешивания полученной смеси в течение 45 минут - оставшегося количества воды, то есть 800 г, смесь повторно перемешивают, фильтруют, после фильтрования оставшееся сырье промывают водой по массе, равной утроенной массе исходного сырья, промывные воды добавляют в экстракт, в который далее добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, отделяют образовавшийся хлопьевидный осадок меланина фильтрованием, сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланина - 9,12% к весу лузги.

Пример 5. Лузгу подсолнечника промывают водой, промытую лузгу сушат при температуре 90-110°С до сыпучего состояния. Измельчают подготовленную лузгу до частиц с поперечным размером не более 1 мм, берут навеску лузги массой 100 г, в сырье добавляют навеску гидроксида натрия из расчета его конечной концентрации, равной 0,5 М, равную 20 г, и воду в 2 этапа: на первом этапе 20% от необходимого количества из расчета общего массового соотношения сырье-экстрагент, равного 1:10, то есть 200 г, и на втором этапе после перемешивания полученной смеси в течение 45 минут - оставшегося количества воды, то есть 800 г, смесь повторно перемешивают, фильтруют, после фильтрования оставшееся сырье промывают водой по массе равной утроенной массе исходного сырья, промывные воды добавляют в экстракт, в который далее добавляют при перемешивании 25% раствор соляной кислоты с доведением рН до 1,5, отделяют образовавшийся хлопьевидный осадок меланина фильтрованием, сушат на воздухе при нормальных условиях. Выход меланинов - 12,65% к весу лузги.

*- без учета времени сушки меланина

Предлагаемый способ позволяет увеличить выход меланина на 17-43% по сравнению с прототипом при сокращении продолжительности процесса в среднем на 33%.