Результат интеллектуальной деятельности: Способ выделения меланина из лузги гречихи

Предлагаемое техническое решение относится к химии высокомолекулярных природных соединений, а именно, к выделению биологически активного биополимера растительного происхождения - меланина, и может быть использовано для производства лечебно-профилактических препаратов, биологически активных и пищевых добавок, в том числе, в виде натурального красителя пищевой продукции.

Меланины - обширная группа от желто-красных до черно-коричневых природных пигментов, которые находятся непосредственно в тканях животных и растений, обладающие высокой фармакологической активностью. Основной функцией меланина в клетках живых организмов является выработка меланина для защиты от ультрафиолетовых лучей. Меланины существенно подавляют развитие опухолевых клеток и метастаз, ингибируют процессы свободно радикального окисления, обладают радиопротекторными свойствами, сорбирующими, хелатирующими, антиоксидантными и UV-защитными свойствами с высоким выходом [1, 2].

Подавляющему большинству известных способов получения меланина присущи одни и те же недостатки: длительность процесса, низкий выход целевого продукта, большие энергозатраты, специфическое оборудование и т.п.

Примеры способов получения меланина из лузги гречихи:

- Способ получения меланина из лузги гречихи [3], включающий в себя операции измельчения сырья, экстрагирования раствором гидроксида натрия концентрацией 3-5 мас.%, при гидромодуле 1:3-1:5 с последующим осаждением соляной кислотой, фильтрацией и сушкой. К недостаткам данного способа можно отнести длительность процесса, а также высокое остаточное содержание меланина в отработанном сырье.

- Способ получения меланина из лузги гречихи с использованием ферментативной предобработки лузги целлюлолитическим ферментом целлюлобранин ГЗХ в течение 48 часов с последующей экстракцией меланина растворами щелочи в течение 24 часов, с последующим осаждением соляной кислотой, фильтрованием и сушкой [4]. Но, как и в предыдущем способе к недостаткам можно отнести длительность процесса, низкий выход целевого продукта, а также увеличение себестоимости продукта за счет использования ферментного препарата.

- Способ получения меланина из лузги гречихи [5], предусматривающий измельчение лузги гречихи, экстрагирование 0,3-0,7% раствором хлорида натрия, предварительно обработанным в катодной камере диафрагменного электролизера до рН 12,3-12,5 с последующей обработкой соляной кислотой, фильтрованием и сушкой. К недостаткам указанного способа можно отнести специфическое оборудование, работающее при высоком напряжении, что требует особые условия безопасности, а также длительность этапа экстракции.

Известен способ получения меланина из чаги, включающий измельчение плодовых тел грибов, сушку, 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, экстрагирование меланинов из обезжиренного сырья 0,1н раствором гидроксида натрия при 45-50°С в течение 2 ч, отделение твердого остатка повторным фильтрованием через капроновую мембрану, подкисление полученного фильтрата 1н раствором соляной кислоты до рН 1,5, отделение образовавшегося хлопьевидного осадка меланина центрифугированием в течение 15 мин при факторе осаждения 10000g, его растворение в 0,1н растворе гидроксида натрия, 3-х кратное кислотное переосаждение, растворение в 0,01н растворе гидроксида натрия, диализ против воды до нейтральной рН, сушку полученного препарата на лиофильной установке [6]. К недостаткам известного способа можно отнести ограниченность, труднодоступность и медленное возобновление сырьевой базы.

Известен способ получения меланина из лузги подсолнечника [7], включающий в себя сушку лузги подсолнечника до сыпучего состояния, экстракцию водой при кипячении в течение 30-55 минут и гидромодуле 1:10, фильтрацию, обработку пищевым адсорбентом КСМ №6, упариванием воды и доведение экстракта меланина до желеобразного состояния. К недостаткам указанного способа можно отнести повышенные энергозатраты, использование адсорбента КСМ №6 (в настоящее время отсутствующего в продаже), а также желеобразную форму готового продукта, что негативно сказывается на продолжительности хранения, удобстве в использовании и транспортировке.

Имеются открытые сведения о способе выделения меланина из растительного сырья [8], согласно которому предварительно подготовленное измельченное сырье подвергают обработке ультразвуком в течение 3-7 минут при интенсивности ультразвука 0,3 Вт/см², затем сырье обрабатывают 0,001-0,01% раствором ферментного препарата гидролитического действия при температуре 35-55°С в течение 20-35 минут при соотношении сырья и раствора ферментного препарата 1:10 в пересчете на абсолютно сухое вещество. По истечении времени гидролиза ферменты инактивируют, из полученного гидролизата экстрагируют красящие вещества 40-80% растворами этанола в течение 60-80 минут при температуре 40-50°С при соотношении предобработанного сырья и экстрагирующего агента 1:10 в пересчете на абсолютно сухое вещество. Полученный раствор стабилизируют Гипоксеном в количестве 0,0001-0,0005%) и аскорбиновой кислотой в количестве 0,001%-0,01% от количества сухих веществ в полученном фильтрате и концентрируют до содержания сухих веществ 65-80%. К недостаткам известного способа можно отнести получение продукта в жидком состоянии, использование ферментного препарата, этанола, а также необходимость его стабилизации Гипоксеном и аскорбиновой кислотой, что приводит к увеличению стоимости продукта.

Наиболее близким к предлагаемому (прототип) является способ получения меланина из лузги подсолнечника, включающий промывание водой неизмельченной лузги подсолнечника, сушку, измельчение, экстрагирование раствором гидроксида натрия, отделение экстракта от сырья отжимом в фильтр-прессе, подкисление полученного экстракта с доведением рН до 1-2, отделение выпавших хлопьев меланинов фильтрованием, их сушку, при этом промытую неизмельченную лузгу подсолнечника обрабатывают избытком 5% раствора соляной кислоты при слабом кипении, затем ее промывают водой с доведением рН смеси до нейтрального значения, а интенсификацию процесса массообмена при экстрагировании проводят за счет использования энергии СВЧ [9]. Но и в этом способе к существенному недостатку можно отнести использование энергии СВЧ для интенсификации процессов массообмена при экстрагировании, что практически не позволяет провести промышленное масштабирование процесса за счет ограниченности размеров магнетронов и необходимости соблюдения особых правил безопасности на производстве.

В предлагаемом техническом решении задача заключается в разработке способа, в котором реально увеличен выход целевого продукта и сокращены затраты времени на реализацию процесса.

Предлагаемый процесс выделения меланина из лузги гречихи состоит в том, что лузгу обрабатывают 2-4%-ным раствором соляной кислоты при кипячении в течение 40-60 минут и гидромодуле 1:10 для удаления из клеточного матрикса пектиновых веществ и гемицеллюлоз, препятствующих свободному экстрагированию меланина. Лузгу, после обработки кислотой, отделяют от гидролизата, промывают водой до нейтральной реакции и высушивают на воздухе. Высушенная лузга в определенном количестве помещается в реактор качающегося автоклава в количестве, заливается 4%-ным раствором гидроксида натрия до достижения гидромодуля 1:18-1:20. Экстракцию меланина в качающемся автоклаве проводят при температуре 110-120° и давлении 2,2-2,5 атм. в течение 2-х часов. По окончании указанного времени содержимое автоклава (после остывания) сливают на нутч-фильтр, гидролизат отфильтровывают от лузги, промывая водой для отделения меланина. Окрашенный в красно-коричневый цвет гидролизат подкисляют соляной кислотой до значения рН равном 2,0, оставляют на 1 час для формирования хлопьев меланина. По окончании указанного времени подкисленный гидролизат лузги направляют в осадительную центрифугу для отделения меланина. Полученный осадок меланина промывают водой до нейтральной реакции, проводя 3-х кратное осаждение в осадительной центрифуге. Промытый осадок меланина высушивают на воздухе и перетирают до порошкообразного состояния.

Предлагаемый способ выделения меланина позволяет получать целевой продукт с выходом 15,3-17,9% и наименьшими затратами в силу использования доступных и дешевых реагентов.

Пример 1

Навеску лузги в количестве 120 г обрабатывают 2%-ным раствором соляной кислоты при кипячении в течение 60 минут и гидромодуле 1:10. Затем лузгу отделяют от гидролизата фильтрованием, промывают до значения рН 6,5 и высушивают на воздухе. Из обработанной кислотой лузги берут навеску 100 г, помещают в реактор качающегося автоклава, приливают 4%-ный раствор гидроксида натрия до достижения гидромодуля 1:20. Экстракцию меланина проводят при температуре 110°С и давлении 2,2 атм. в течение 2-х часов. Содержимое автоклава охлаждают до комнатной температуры, отделяют лузгу от гидролизата, промывают водой для удаления остаточного количества меланина. Красно-коричневый гидролизат лузги гречихи обрабатывают соляной кислотой до достижения рН 2,0 при перемешивании. Образовавшиеся через час хлопья меланина отделяют в осадительной центрифуге, трижды промывают водой, и оставляют сушить на воздухе до равновесной влажности. Высушенный меланин растирают в шаровой мельнице до состояния порошка. Выход меланина составил 15,3%.

Пример 2

Меланин из лузги гречихи получают аналогично примеру 1, с той лишь разницей, что навеску лузги в количестве 120 г обрабатывают 4%-ным раствором соляной кислоты при кипячении в течение 40 минут и гидромодуле 1:10. Выход меланина составил 16,8%.

Пример 3

Меланин из лузги гречихи получают аналогично примеру 1 с той лишь разницей, что экстракцию меланина проводят при температуре 120°С и давлении 2,5 атм в течение 2-х часов. Выход меланина составил 17,9%.

Параметры способа выделения меланина по примерам 1-3 представлены в таблице 1.

Сравнивая условия реализации процесса выделения меланина из лузги гречихи, а также выход целевого продукта, можно сделать вывод, что при прочих равных временных затратах способ, реализуемый по примеру 3, является более выгодным, поскольку обеспечивает получение целевого продукта с максимальным выходом. Это обусловлено более жесткими условиями процесса экстракции, при которых происходит разрушение клеточного каркаса и меланин легче высвобождается.

Технический результат в предлагаемом решения - получение очищенного меланина, не содержащего примесей высокомолекулярных веществ (преимущественно, гемицеллюлоз и пектина), с высоким выходом за счет проведения процесса экстрагирования в условиях избыточного давления при непрерывном перемешивании, с применением качающегося автоклава с электрообогревом для проведения гетерогенных процессов [10].

Использование предлагаемого способа позволяет дополнительно перерабатывать крупнотоннажный легкодоступный отход АПК - лузгу гречихи с получением ценного вещества меланина, обладающего сорбирующими, хелатирующими, антиоксидантными и UV-защитными свойствами с высоким выходом.

В настоящее время проводятся переговоры о промышленной отработке и внедрении предлагаемого способа выделения меланина из лузги гречихи на предприятии ООО «КиТ плюс» (г. Бийск), специализирующего на переработке растительного сырья в биологически активные препараты и субстанции.

Источники информации

1. Борщевская М.И. Развитие представлений о биохимии и фармакологии меланиновых пигментов / М.И. Борщевская, С.М. Васильева // Вопросы медицинской химии. 1999. №1. С. 13-23.

2. Моссэ И.Б. Влияние меланина на мутагенное действие хронического облучения и адаптивный ответ у мышей/ И.Б. Моссе, Л.Н. Кострова, В.Б. Дубовик [и др.] // Радиобиология и радиоэкология. - 1999 - Т. 39 - №2-3. - С. 329-333.

3. Способ получения пищевого красителя [Текст]: пат.1742295 СССР, МПК С09В 61/00 / Бинеев Р.Г., Зарипова Л.П., Лиакумович А.Г. [и др.]; заявитель Казанский химико-технологический институт им. С.М. Кирова. - 4709795; заявл. 26.06.89; опубл. 23.06.92 - 4 с.

4. Способ получения пигмента-красителя из растительного сырья [Текст]: пат. 2215761 РФ, МПК С09В 61/00 / Огарков Б.Н., Самусенок Л.В.; заявитель Огарков Б.Н., Самусенок Л.В. - №2000116048/13; заявл. 19.06.2000; опубл. 10.11.03, - 4 с.

5. Способ получения пищевого красителя [Текст]: пат.№1717608 А1 СССР, МПК С09В 61/00 / Лиакумович А.Г., Агаджанян С.И., Шильникова Л.П. [и др.]; заявитель Казанский химико-технологический институт им. С.М. Кирова. - 4709779/13; заявл. 26.06.1989; опубл. 07.03.92, - 2 с.

6. Сушинская Н.В. Физико-химические свойства и получение меланинов из базидиомицетов / Н.В. Сушинская, Т.А. Кукулянская, В.П. Курченко [и др.] // Труды БГТУ. - Сер. IV. - 2004. - Вып. XII. - С. 193-197.

7. Способ получения натурального пищевого красителя из растительного сырья и отходов переработки растительного сырья и натуральный пищевой краситель, полученный по этому способу [Текст]: пат.2285708 РФ, МПК С09В 61/00 / Рыжова Н.В., Иванова Л.А., Бутова С.Н.; заявитель ГОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств». - 2005138928/13; заявл. 15.12.2005; опубл. 20.10.2006, - 9 с.

8. Способ получения природного меланоидного антиоксиданта [Текст]: пат. №2281779 РФ, МПК А61К 36/28 / Жорина Л.А., Кашеватская P.M., Иванов А.Л. [и др.]; заявитель Жорина Л.А., Кашеватская P.M., Иванов А.Л. [и др.]. - 2004134636/15; заявл. 26.11.2004; опубл. 20.08.2006, - 6 с.

9. Способ получения меланина из лузги подсолнечника [Текст]: пат.2637646 РФ, МПК А61К 36/28, B01D 11/02 / Грачева Н.В., Картушина Ю.Н., Желтобрюхов В.Ф.; заявитель ФГБОУ ВО ВолгГТУ. - 2017100103; заявл. 09.01.2017; опубл. 05.12.2017, - 6 с.

10. Качающийся автоклав с электрообогревом для проведения гетерогенных процессов [Текст]: Пол. мод. №2518 РФ, МПК B01J 3/04 / Куничан В.А., Севодина Г.И., Севодин В.П. [и др.]; заявитель Научно-производственное предприятие «Фитохим». 94025445/20; заявл. 06.07.1994; опубл. 16.08.1996, - 7 с.