Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к способам получения низкомолекулярного пектина и может быть использовано в различных отраслях промышленности и медицины, в частности в фармацевтической промышленности для создания новых лечебных и профилактических средств и низкомолекулярных сорбентов.
Получение низкомолекулярных пектинов (олигогалактуронидов) обычно осуществляют путем деполимеризации природных высокомолекулярных пектинов. Для этого может применяться ряд методов.
Известен способ гидролиза пектина при высокой температуре (WO 2009/004153, C08B 37/06, опубл. 08.01.2009). Согласно этому способу 1% раствор пектина с pH 4-5 нагревают под давлением при 110°С в течение 30-60 минут, затем раствор охлаждают, осаждают олигогалактурониды изопропанолом и сушат. Полученный продукт на 95% состоит из олигогалактуронидов со степенью полимеризации 4-11 (0,7-2 кДа). Выход конечного продукта авторами не приводится.
Недостатком данного способа является то, что при температуре более 100°С резко ускоряются процессы термического разложения олигогалактуронидов - разрывы пиранозного цикла, окисление, декарбоксилирование, образование фурфурола и его производных. Это сопровождается снижением выхода олигогалактуронидов и загрязнением гидролизата продуктами их разложения (Kertesz Z.I. The pectic substances. Interscience Publishers, Inc., N.Y., L., 1951, 576 p.). С химической точки зрения олигогалактурониды, имеющие в составе молекул продукты термической деградации галактуроновой кислоты, не могут в полной мере считаться олигогалактуронидами.
Известен способ деполимеризации полиуронидов - альгинатов и пектинов с помощью окислителя - перекиси водорода (Пат. США US 2002/0016453(A1), C08B 37/06, опубл. 07.02.2002). Согласно этому способу пектовая кислота в виде пектата лития окисляется перекисью водорода концентрацией около 2% в присутствии сульфата железа в течение 4 часов. Затем олигогалактурониды осаждают уксусной кислотой, промывают пропанолом и сушат. Средняя степень полимеризации олигогалактуронидов - 16 (2,8 кДа). Выход продукта составляет 38%.
К недостаткам данного способа следует отнести, во-первых, низкий выход продукта. Во-вторых, перекись водорода одновременно с деполимеризацией пектина вызывает значительную деструкцию остатков галактуроновой кислоты - декарбоксилирование, разрывы пиранозного цикла, окисление спиртовых групп и, как отмечалось в предыдущем примере, полученные продукты не могут в полной мере считаться олигогалактуронидами (Kertesz Z.I. The pectic substances. Interscience Publishers, Inc., N.Y., L., 1951, 576 p.).
Общим недостатком приведенных выше способов является использование для гидролиза пектина растворов с низкой исходной концентрацией сырья - 1-2%. Другим их общим недостатком является то, что процесс получения олигогалактуронидов является периодическим, и следовательно, образовавшиеся в начале процесса олигогалактурониды остаются в реакционной среде до конца периода и могут частично разрушаться.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ получения низкомолекулярного пектина (олигогалактуронидов) из пектинов льна путем кислотного гидролиза (Bedouet L., Courtois B., Courtois J. Methods for obtaining neutral and acid oligosaccharides from flax pectins // Biotechnol. Lett. 2005. Vol.27. P. 34, 36, табл.1 и 37). Способ включает следующие операции: получение водного раствора пектина, гидролиз, охлаждение, отделение жидкой фазы, последующее выделение целевого продукта осаждением органическим растворителем, смешивающимся с водой, центрифугирование осадка и его сушку.
Указанный способ, в частности, осуществляют следующим образом. Из образца пектина массой 50 мг, содержащего 22,9 мг (45,8%) уроновой (галактуроновой) кислоты, готовят водный раствор пектина концентрацией 5 мг/мл (0,5%). Затем добавляют 12 М раствор соляной кислоты до концентрации 100 мМ (0,1 г-экв/л) и проводят гидролиз при 80°С в течение 24 часов. Полученный гидролизат охлаждают до комнатной температуры. Жидкую фазу, содержащую низкомолекулярные продукты гидролиза, отделяют от высокомолекулярной полигалактуроновой кислоты центрифугированием при 4°С и относительном центробежном ускорении 20000 g в течение 30 минут. Затем низкомолекулярные продукты гидролиза - олигогалактурониды осаждают из жидкой фазы изопропанолом и отделяют центрифугированием. Средняя степень полимеризации олигогалактуронидов - 15 (2,6 кДа). Выход олигогалактуронидов составляет 33,9% от первоначального содержания галактуроновой кислоты.
Существенным недостатком данного способа является низкая исходная концентрация пектина в растворе. Результатом этого является, во-первых, низкая скорость гидролиза, так как она при неизменной константе гидролиза пропорциональна концентрации пектина в растворе. Во-вторых, низкая исходная концентрация пектина приводит к соответствующей низкой концентрации конечного продукта в готовом гидролизате − содержание олигогалактуронидов в готовом гидролизате, полученном вышеописанным методом, составляет всего 0,78 мг/мл за 24 часа гидролиза (выход продукта рассчитывается умножением исходной концентрации пектина в растворе на относительное содержание галактуроновой кислоты в пектине и на относительный выход галактуронидов и составляет соответственно 5 мг/мл × 0,458 × 0,339=0,78 мг/мл). А это, в свою очередь, приводит к более высоким удельным затратам на производство единицы массы продукта. В данном случае это, например, затраты, связанные с термостатированием длительное время всего объема гидролизата при 80°С и расходом кислоты на гидролиз.
Препятствием для существенного повышения концентрации пектина в растворе является то обстоятельство, что высокомолекулярные пектины уже при концентрации около 1% образуют достаточно вязкие растворы и использование более концентрированных растворов пектинов может создать определенные технологические трудности. Высоковязкие растворы при низких концентрациях образуют практически все коммерческие пектины, так как именно с этой способностью связано одно из главных направлений их использования - в качестве загустителей и структурирующих агентов в пищевой промышленности. Так, например, вязкость 1,5% растворов наиболее распространенных коммерческих пектинов - яблочного и цитрусового (производитель - Herbstreith & Fox KG, Германия) в 25-30 раз превышает вязкость воды.
Другим недостатком является низкая технологическая эффективность метода, которая приводит к низкому выходу продукта. Выход продукта - олигогалактуронидов составляет около 34%, 33% составляет остаток высокомолекулярной полигалактуроновой кислоты и 33% - потери олигогалактуронидов вследствие их структурной деградации. Таким образом, потери продукта составляют практически такую же величину, как и его выход. Технологическим недостатком метода является то, что для отделения жидкой фазы, содержащей готовый продукт, требуются слишком жесткие условия: величина относительного центробежного ускорения - 20000 g для большинства промышленных центрифуг и сепараторов либо недостижима, либо близка к их предельному рабочему режиму, необходимость охлаждения системы до 4°С также создает дополнительные технические проблемы и приводит к удорожанию процесса. Основным технологическим недостатком является то, процесс ведут в различных приспособлениях, и для получения последующей порции готового продукта процесс повторяют сначала. Существенным недостатком такого периодического способа ведения гидролиза пектина является то, что, как отмечалось выше, образовавшиеся в начале процесса гидролиза олигогалактурониды остаются в реакционной среде до конца процесса (цикла) и неизбежно подвергаются дальнейшей структурной деградации, что приводит, в результате, к потере части целевой фракции (1-5 кДа) и, соответственно, к снижению выхода готового продукта.
Задачей, поставленной перед изобретением, является получение низкомолекулярного пектина, обогащенного фракцией олигогалактуронидов с молекулярной массой 1-5 кДа, увеличение выхода целевого продукта, за счет уменьшения структурной деградации олигогалактуронидов в процессе гидролиза, упрощение и удешевление способа.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения низкомолекулярного пектина (олигогалактуронидов), включающем гидролиз пектина в водном растворе минеральной кислоты при нагревании, с отделением жидкой фазы от нерастворимого остатка пектина, выделением из нее низкомолекулярных продуктов гидролиза пектина путем их осаждения органическим растворителем, смешивающимся с водой, с последующим выделением целевого продукта, согласно изобретению, в качестве исходного сырья для гидролиза используют низкоэтерифицированный пектин со степенью этерификации не более 30%, гидролиз ведут непрерывно в проточном аппарате, состоящим из системы термостатирования, узла загрузки сырья и рабочей камеры, разделенной фильтрующими перегородками на три отделения: отделение ввода раствора минеральной кислоты, отделение гидролиза пектина и отделение вывода гидролизата, при этом скорость подачи раствора минеральной кислоты в аппарат рассчитывают по эмпирической формуле
где υ - скорость подачи раствора минеральной кислоты в аппарат, л/ч;
V - объем рабочей камеры аппарата, занимаемый отделением гидролиза пектина, л;
С - концентрация кислоты: 0,1-2,0 моль/л;
t - температура процесса: 70-100°С;
К - безразмерный эмпирический коэффициент, определенный опытным путем, значения которого находятся в пределах 0,056-0,083;
перед осаждением низкомолекулярных продуктов гидролиза пектина органическим растворителем жидкую фазу нейтрализуют до pH не менее 4,0.
Использование в качестве исходного сырья для гидролиза низкоэтерифицированного пектина со степенью этерификации не более 30%, имеющего ограниченную набухаемость в кислой среде, позволяет проводить процесс кислотного гидролиза в гетерофазной системе: гель низкоэтерифицированного пектина (твердая фаза) - раствор минеральной кислоты (жидкая фаза), что в конечном результате позволяет на практике повысить его концентрацию в суспензии до 8-26% (в пересчете на сухое вещество пектина). Такая высокая концентрация пектина в суспензии достигается, также, благодаря тому, что процесс гидролиза проводится в проточном аппарате, где не требуется перемешивания суспензии (и она поэтому может иметь максимально высокую плотность), а вместо этого происходит движение жидкой фазы через неподвижную суспензию пектина. При этом также отпадает необходимость в перемешивающем устройстве.
Использование в процессе проточного аппарата позволяет вести процесс непрерывно, вследствие чего идет постоянное обновление жидкой фазы в аппарате, из него непрерывно выводятся образующиеся олигогалактурониды, в то время как оставшееся сырье подвергается дальнейшему гидролизу. В конечном результате, удается полностью использовать исходное сырье, предупредить деградацию олигогалактуронидов в жидкой фазе, обеспечивая тем самым повышение выхода целевого продукта и понижение удельных затрат на его получение, а также обеспечивать возможность использования, по сравнению с прототипом, высоких концентраций исходного сырья, что при прочих равных условиях (при одинаковой степени гидролиза пектина) позволяет получать гидролизаты с соответственно большим процентным содержанием конечного продукта - олигогалактуронидов с требуемым молекулярным весом, что значительно уменьшает удельные затраты на производство единицы массы продукта, и, как следствие, ведет к упрощению и удешевлению процесса получения целевого продукта.
При использовании пектина, имеющего степень этерификации более 30%, происходит резкое увеличение объема набухшего геля пектина и значительное снижение его механической прочности, что существенно осложняет последующее отделение геля пектина от жидкой фазы, также возможен частичный переход высокомолекулярного пектина в жидкую фазу.
Для осуществления заявленного способа может быть использован практически любой коммерческий пектин. Для этого предварительно проводят снижение его степени этерификации до необходимой величины в пределах 0-30%, используя любой из известных методов деэтерификации: щелочной, кислотный или ферментативный. Наиболее удобным и экономичным, по мнению авторов, может считаться метод щелочной деэтерификации пектина в среде органического растворителя, например этанола или изопропанола. Данный метод приводится ниже, в описании осуществления заявляемого способа.
Для достижения заявленного технического результата и осуществления процесса гидролиза проточный аппарат включает (схема представлена на фиг.) систему термостатирования 1, узел загрузки сырья 2 и рабочую камеру 3, разделенную фильтрующими перегородками 4 и 5 на три отделения: отделение ввода 6 раствора минеральной кислоты, отделение гидролиза 7 пектина и отделение вывода 8 гидролизата. Детали проточного аппарата, непосредственного контактирующие с раствором минеральной кислоты, изготавливают из кислото- и термостойких материалов: стекло, тефлон, нержавеющая сталь (при использовании азотной или серной кислот). Фильтрующие перегородки 4 и 5, ограничивающие отделение гидролиза 7 рабочей камеры 3, в котором находится гидролизуемое сырье, делают более равномерными подачу и распределение раствора кислоты по площади поперечного сечения рабочей камеры и позволяют осуществлять автоматическое и непрерывное отделение готового гидролизата (жидкой фазы) от негидролизованного остатка сырья (твердой фазы). Наличие в конструкции аппарата двух фильтрующих перегородок 4 и 5 - внизу и вверху рабочей камеры - позволяет осуществлять движение жидкой фазы в аппарате во время гидролиза в любом направлении, как сверху вниз, так и снизу вверх. При обратной подаче раствора минеральной кислоты отделение вывода гидролизата будет выполнять роль отделения ввода минеральной кислоты, а отделение ввода минеральной кислоты, соответственно, будет выполнять роль отделения вывода гидролизата. Благодаря возможности направлять движение жидкой фазы снизу вверх, в аппарате предлагаемой конструкции возможно проведение гидролиза пектинов, образующих гель с низкой механической прочностью (например, пектинов со степенью этерификации близкой к 30%). Такой гель в ходе гидролиза может деформироваться и образовывать плотный осадок, препятствующий движению жидкой фазы. При движении жидкой фазы в данном аппарате снизу вверх, ее движение противодействует влиянию сил гравитации на гранулы пектинового геля и, таким образом, предотвращает уплотнение осадка пектина.
Отношение высоты отделения гидролиза (расстояние между фильтрующими перегородками) к его внутреннему диаметру - Н/D - является параметром, который влияет на динамику процесса гидролиза. Экспериментальная проверка показала, что для нормального протекания процесса гидролиза в проточном аппарате величина Н/D должна находиться в диапазоне значений 0,5-10. При значениях Н/D меньших 0,5 возможно возникновение застойных зон и нарушение равномерности потока жидкой фазы через объем гидролизуемого сырья. Это приводит к отклонениям условий гидролиза от оптимальных значений в отдельных точках объема сырья и, как следствие, к снижению выхода целевого продукта. При значениях Н/D больших 10 существенно возрастает гидравлическое сопротивление «столба» сырья, из-за чего может не достигаться необходимая скорость движения жидкой фазы. Это приводит к отклонениям условий гидролиза от оптимальных значений по всему объему сырья и, соответственно, также к снижению выхода целевого продукта.
Использование формулы (I), разработанной авторами, позволяет в указанном диапазоне температур (70-100°C) и концентрации кислоты (0,1-2,0 моль/л), и коэффициенте К (К=0,056-0,083) с удовлетворительной точностью рассчитать скорость подачи раствора минеральной кислоты в аппарат, необходимую для получения продукта с максимальным относительным содержанием фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа, т.е. обеспечить реализацию заявленного технического результата и получить целевой продукт. Следует отметить, что формула (I) является эмпирической и, как многие эмпирические формулы (например, известное уравнение Аррениуса, связывающее температуру и скорость химической реакции), не позволяет осуществить строгое сведение размерности физических величин в левой и правой частях уравнения. Поэтому коэффициент К в предлагаемом в заявке математическом выражении является безразмерным и отражает пропорцию между левой и правой частью уравнения (I) с учетом приведенной размерности (масштаба) физических величин, входящих в уравнение.
Проведение гетерофазного кислотного гидролиза низкоэтерифицированного пектина в проточном аппарате создает условия для эффективной и постоянной молекулярной сепарации, происходящей естественным путем непосредственно в процессе самого гидролиза. Вследствие чего олигогалактурониды с молекулярной массой 1-5 кДа, образовавшиеся в ходе гидролиза пектина, практически полностью переходят в раствор - жидкую фазу, в то время как доля таких молекул, оставшихся в пектиновом геле - твердой фазе, не превышает 1-2% от их общего количества.
Выход готового продукта - низкомолекулярного пектина, полученного по предлагаемому авторами способу, составляет 93,2-97,5%. При этом относительное содержание целевой фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в готовом продукте составляет 83,2-86,8%. Необходимым условием получения таких высоких показателей выхода продукта и содержания целевой фракции является проведение процесса гидролиза пектина непрерывно в аппарате проточного типа. Это связано с определенными преимуществами непрерывного процесса гидролиза (по сравнению с периодическим (циклическим) процессом), которые проявляются в динамике накопления олигогалактуронидов в жидкой фазе и выведения их из аппарата. Так, за счет того, что при непрерывном гидролизе из аппарата постоянно выводятся образующиеся олигогалактурониды, их среднее время пребывания в аппарате (необходимое для достижения максимального содержания целевой фракции в жидкой фазе) получается меньше, чем при периодическом процессе. Это позволяет существенно ограничить деструкцию олигогалактуронидов и повысить выход целевого продукта.
Проведение процесса в проточном аппарате позволяет повысить относительное содержание целевой фракции в продукте, во-первых, за счет большей скорости диффузии легких фракций олигогалактуронидов (меньше 5 кДа) через полисахаридный гель по сравнению с более тяжелыми фракциями при их продвижении вместе с жидкой фазой через проточный аппарат; во-вторых, за счет наличия «хроматографического» эффекта (разделение молекул веществ на сорбенте, в частности, по их молекулярной массе), обусловленного различной скоростью процессов сорбции/десорбции олигогалактуронидов с разной молекулярной массой на матриксе пектинового геля, поскольку в кислой среде имеет место частичная сорбция молекул олигогалактуронидов на молекулах высокомолекулярного пектина.
Сочетание в данном способе эффекта межфазной молекулярной сепарации и технологической простоты разделения фаз, а также возможности ввода в аппарат новых порций сырья, не прерывая процесс, позволяет проводить процесс гидролиза непрерывно и неограниченно долго. Указанные ограничения температуры и концентрации кислоты связаны, в первую очередь, с экономическими и технологическими причинами. Так при температуре среды ниже 70°С и концентрации кислоты ниже 0,1 г-моль/л происходит существенное снижение скорости гидролиза пектина и значительное увеличение времени процесса, это ведет к повышению затрат на производство целевого продукта.
При температуре более 100°С резко ускоряются процессы термического разложения олигогалактуронидов - разрывы пиранозного цикла, окисление, декарбоксилирование, образование фурфурола и его производных. Это сопровождается снижением выхода олигогалактуронидов и загрязнением гидролизата продуктами их разложения. Увеличение концентрации кислоты более 2,0 г-моль/л не дает значительного увеличения скорости гидролиза, но приводит к существенному перерасходу кислоты и дополнительным затратам на ее последующую нейтрализацию и освобождение продукта от образовавшихся солей, что, в конечном результате, ведет к усложнению процесса получения целевого продукта.
Нейтрализация жидкой среды до pH не менее 4,0 перед осаждением низкомолекулярных продуктов гидролиза пектина органическим растворителем обеспечивает получение осадка низкомолекулярного пектина (олигогалактуронидов) с оптимальной консистенцией - плотного, хорошо отделяющегося от жидкой фазы. При pH ниже 4,0 происходит увеличение удельного объема осадка и ослабление его структуры, и как следствие, затрудняется отделение осадка от жидкой фазы.
В качестве минеральной кислоты могут быть использованы, в частности, соляная, серная, азотная кислоты.
В качестве органического растворителя могут быть использованы известные органические растворители, смешивающиеся с водой, в частности ацетон, изопропанол, этанол.
Отделение жидкой фазы - готового гидролизата от нерастворимого остатка пектина в аппарате происходит автоматически благодаря наличию фильтрующей перегородки 5, разделяющей в рабочей камере 3 отделение гидролиза 7 и отделение вывода гидролизата 8, и не требует дополнительных усилий. Это значительно снижает затраты и упрощает процесс получения целевого продукта по сравнению с прототипом, поскольку в прототипе центрифугирование ведут при ускорении 20 000 g и температуре 4°С.
С экономической точки зрения целесообразно для поддержания процесса гидролиза пектина в постоянном технологическом режиме, т.е. при постоянном количестве пектина в реакционной среде, осуществлять добавку новых порций сырья к остатку пектина через узел загрузки аппарата для компенсации его расхода в ходе гидролиза. Это позволяет проводить процесс гидролиза пектина непрерывно и неограниченно долго (до исчерпания запасов сырья) и получать любое требуемое количество целевого продукта с нужной молекулярной массой, 1-5 кДа.
Преимуществом проведения процесса проведения гидролиза непрерывно в проточном аппарате конструкции, предложенной заявителем, является возможность осуществления добавки сырья в проточный аппарат в любой технологически или организационно удобный момент времени. В связи с чем промежутки времени между добавками сырья определяются на месте самими производственниками, исходя из их собственных экономических, технологических или организационных моментов.
Количество сырья, добавляемого в аппарат, определяется визуально по появлению остаточного количества пектина в загрузочном узле при загрузке сырья.
Способ осуществляется следующим образом.
Пример 1.
Гидролиз пектина проводят в аппарате, конструкция которого представлена на рис.1, а описание - на стр.7-8. Материал корпуса аппарата - стекло, материал фильтрующих перегородок - пористый стеклянный фильтр марки ПОР 100. Отделение рабочей камеры, где происходит гидролиз пектина - отделение гидролиза - имеет следующие характеристики: внутренний диаметр (D) - 50 мм, высота (H) - расстояние между фильтрующими перегородками - 25 мм, отношение высоты к диаметру (Н/D) - 0,5, объем (V) - 49 см3 (0,049 л). Термостатирование аппарата осуществляют с помощью системы термостатирования, выполненную, в частности, в виде «рубашки» - наружного стеклянного теплообменника, расположенного вокруг рабочей камеры, через который прокачивают теплоноситель (вода или раствор этиленгликоля) с требуемой температурой. Подачу жидкой фазы - раствора кислоты в аппарат осуществляют с помощью перистальтического насоса с регулируемой производительностью.
Пектовую кислоту (Serva, №31680), с содержанием галактуроновой кислоты 82,2% и степенью этерификации менее 1% в виде 20% суспензии в растворе соляной кислоты концентрацией 0,1 моль/л загружают в проточный аппарат через узел загрузки сырья 2 - до полного заполнения отделения гидролиза 6 рабочей камеры 3, избыток жидкой фазы сливается через отделение ввода 5 или отделение вывода 7 жидкой фазы. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Количество загруженной в проточный аппарат пектовой кислоты, в пересчете на сухое вещество, составляет 11,30 г, ее концентрация в суспензии - 23,0%. После заполнения проточного аппарата сырьем его нагревают до 100°С и начинают подачу в проточный аппарат раствора соляной кислоты концентрацией 0,1 моль/л (С) через отделение ввода 5 жидкой фазы со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте К=0,056
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 100°С в течение 12 часов. Каждые 2 часа в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженной в аппарат пектовой кислоты составляет 14,92 г. Полученный гидролизат выводится из аппарата через нижнее отделение вывода гидролизата и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 144 мл, содержание олигогалактуронидов - 22,4 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют до pH 4,0 5,0 М раствором гидроокиси натрия и осаждают олигогалактурониды добавлением 430 мл этанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты и оставляют для формирования осадка (формирование осадка происходит примерно за 8-12 часов), затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием при относительном центробежном ускорении (ОЦУ) - 1000-1500 g в течение 15 минут и сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия - 3,65 г (содержание в олигогалактуронате натрия чистой галактуроновой кислоты составляет 88,5%). Для определения относительного (по сырью) выхода продукта, в пересчете на галактуроновую кислоту, устанавливают расход сырья - по разнице между общим количеством пектовой кислоты, использованной для гидролиза (14,92 г) и ее количеством, оставшимся после гидролиза. Для этого количество пектовой кислоты пересчитывают на содержание в ней галактуроновой кислоты, а в оставшемся количестве пектовой кислоты определяют общее содержание галактуроновой кислоты фотометрическим методом. Установленный расход сырья составляет по галактуроновой кислоте 3,57 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте составляет, соответственно, 93,2%. По данным эксклюзионной хроматографии полученного продукта в 0,05 М ацетатном буфере с pH 3,0 на колонке с сефадексом G-50 superfine, откалиброванной с помощью стандартного набора пуллуланов, относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 83,2%.
Пример 2.
Получают низкоэтерифицированный пектин путем контролируемой щелочной деэтерификации высокоэтерифицированного пектина:
Берут 50 г высокоэтерифицированного цитрусового пектина (Herbstreith & Fox KG, Германия), суспендируют в 0,5 л 60 об.% этанола и постепенно, порциями добавляют 5,0 М раствор гидроокиси натрия, контролируя величину степени этерификации пектина в пробах, взятых после добавления каждой порции гидроокиси натрия. После достижения величины степени этерификации менее 30% к суспензии добавляют 20 мл концентрированной соляной кислоты (плотность d=1,19 г/см3), пектин отделяют фильтрованием, промывают 150 мл 50% этанола и сушат при 80°С. Выход низкоэтерифицированного пектина - 47 г, содержание галактуроновой кислоты - 74,8%, степень этерификации - 30,0%.
Гидролиз полученного пектина проводят в поточном аппарате, описание которого приведено в предыдущем примере. Характеристики аппарата: D=50 мм, Н=50 мм, Н/D=1,0; V=98 см3. Низкоэтерифицированный пектин в виде 5% суспензии в растворе соляной кислоты концентрацией 2,0 моль/л загружают в аппарат, как описано в предыдущем примере. Количество загруженного в аппарат пектина, в пересчете на сухое вещество, составляет 8,57 г, его концентрация в суспензии - 8,75%. После заполнения аппарата сырьем его нагревают до 70°С и начинают подачу в аппарат раствора соляной кислоты концентрацией 2,0 моль/л (С) через отделение вывода гидролизата, которое в данном случае выполняет функцию отделения ввода минеральной кислоты, со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте К=0,070
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 70°С в течение 24 часов. Каждые 4 часа в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженного в аппарат пектина составляет 11,03 г. Готовый гидролизат выводится из аппарата через верхнее отделение ввода/вывода жидкой фазы и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 264 мл, содержание олигогалактуронидов - 19,10 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют: в начале - сухой гидроокисью натрия до pH 1-2, затем - 5,0 М раствором гидроокиси натрия до pH 6,0. Олигогалактурониды осаждают добавлением 800 мл этанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты и оставляют для формирования осадка, затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием 15 минут при ОЦУ 1000-1500 g, затем очищают от солей: ресуспендируют в 250 мл 70% этанола и повторно центрифугируют. Влажный осадок сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия − 5,70 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте, определенный как описано в предыдущем примере, составляет 97,5%. Относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 86,8.
Пример 3.
Получают низкоэтерифицированный пектин. Для этого в 0,5 л 50% этанола растворяют 20,0 г гидроокиси натрия, затем при перемешивании добавляют 100,0 г высокоэтерифицированного цитрусового пектина (Herbstreith & Fox KG, Германия). Смесь перемешивают 50 минут, затем постепенно небольшими порциями добавляют 40,0 мл концентрированной соляной кислоты, пектин отделяют фильтрованием, промывают 300 мл 50% этанола и сушат при 80°С. Выход низкоэтерифицированного пектина - 93,3 г, содержание галактуроновой кислоты - 76,5% (C1), степень этерификации - 0%.
Гидролиз полученного пектина проводят в проточном аппарате, описание которого приведено в предыдущем примере. Характеристики аппарата: D=50 мм, Н=100 мм, Н/D=2,0, V=196 см3. Низкоэтерифицированный пектин в виде 20% суспензии в растворе серной кислоты концентрацией 0,5 моль/л загружают в аппарат, как описано в предыдущем примере. Количество загруженного в аппарат пектина, в пересчете на сухое вещество, составляет 51,70 г, его концентрация в суспензии - 26,4%. После заполнения аппарата сырьем его нагревают до 80°С и начинают подачу в аппарат раствора серной кислоты концентрацией 0,5 моль/л (С) через отделение ввода минеральной килоты со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте К=0,083
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 80°С в течение 120 часов. Каждые 8 часов в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженного в аппарат пектина составляет 148,2 г. Готовый гидролизат выводится из аппарата через нижнее отделение ввода/вывода жидкой фазы и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 3360 мл, содержание олигогалактуронидов - 22,3 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют: в начале - сухой гидроокисью натрия до pH 1-2, затем - 5,0 М раствором гидроокиси натрия до pH 5,0. Олигогалактурониды осаждают добавлением 10,0 л этанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты и оставляют для формирования осадка, затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием 15 минут при ОЦУ 1000-1500 g, затем очищают от солей: ресуспендируют в 8,0 л 70% этанола и повторно центрифугируют. Влажный осадок сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия − 84,50 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте, определенный как описано в примере 1, составляет 96,6%. Относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 85,7%.
Пример 4.
Получают низкоэтерифицированный пектин:
В 0,4 л 50 об.% изопропанола растворяют 20 г гидроокиси натрия, затем при перемешивании добавляют 100 г высокоэтерифицированного яблочного пектина (Herbstreith & Fox KG, Германия). Смесь перемешивают 10 мин, затем постепенно небольшими порциями добавляют 40 мл концентрированной соляной кислоты, пектин отделяют фильтрованием, промывают 300 мл 50% изопропанола и сушат при 80-100°С. Выход низкоэтерифицированного пектина - 94,5 г, содержание галактуроновой кислоты - 78,4% (C1), степень этерификации - 13,8%.
Гидролиз полученного пектина проводят в проточном аппарате, описание которого приведено в предыдущем примере. Характеристики аппарата: D=25 мм, Н=250 мм, Н/D=10,0, V=122,5 см3. Низкоэтерифицированный пектин в виде 20% суспензии в растворе азотной кислоты концентрацией 1,0 моль/л загружают в аппарат, как описано в предыдущем примере. Количество загруженного в аппарат пектина, в пересчете на сухое вещество, составляет 31,22 г, его концентрация в суспензии - 25,5%. После заполнения проточного аппарата сырьем его нагревают до 90°С и начинают подачу в аппарат раствора азотной кислоты концентрацией 1,0 моль/л (С) через отделение вывода гидролизата, выполняющего в данном случае функцию отделения ввода минеральной кислоты, со скоростью (υ), рассчитанной по формуле (I) при коэффициенте К=0,056
Гидролиз сырья ведут при данной скорости подачи раствора кислоты и температуре 90°С в течение 48 часов. Каждые 8 часов в аппарат загружают новую порцию сырья - до восстановления первоначального объема. Процесс загрузки контролируют визуально и заканчивают при появлении избытка сырья в загрузочном узле. Общее количество загруженного в аппарат пектина составляет 82,45 г. Готовый гидролизат выводится из аппарата через отделение ввода минеральной кислоты, выполняющего в данном случае роль отделения вывода гидролизата, и направляется в сборник, где охлаждается до комнатной температуры. Общий объем полученного гидролизата составляет 2590 мл, содержание олигогалактуронидов - 18,7 мг/мл.
Гидролизат нейтрализуют: в начале - сухой гидроокисью натрия до pH 1-2, затем - 5,0 М раствором гидроокиси натрия до pH 8,0. Олигогалактурониды осаждают добавлением 8,0 л изопропанола. Смесь интенсивно перемешивают в течение минуты и оставляют для формирования осадка, затем выпавший осадок олигогалактуронидов отделяют центрифугированием 15 минут при ОЦУ 1000-1500 g, затем очищают от солей: ресуспендируют в 5,0 л 70% изопропанола и повторно центрифугируют. Влажный осадок сушат при 80°С. Выход продукта - сухого порошка олигогалактуроната натрия − 50,53 г. Относительный выход продукта по галактуроновой кислоте, определенный, как описано в примере 1, составляет 95,7%. Относительное содержание фракции олигогалактуронидов 1-5 кДа в полученном низкомолекулярном пектине составляет 84,0%.
Как видно из приведенных примеров, заявляемый способ гетерофазного гидролиза позволяет за счет нерастворимости исходного пектина в кислоте проводить гидролиз целенаправленно − до получения продукта с необходимой молекулярной массой и при этом использовать исходный пектин практически полностью, т.е. позволяет избегать каких-либо значительных технологических потерь сырья и повысить конечный выход продукта (по галактуроновой кислоте) по сравнению с прототипом в 2,7-2,8 раза до 93,2-97,5% от исходного сырья. Кроме того, в заявляемом способе, в отличие от известного способа, гидролиз сырья ведется непрерывно, в проточном аппарате, из которого постоянно выводятся образующиеся олигогалактурониды, что позволяет существенно ограничить деструкцию олигогалактуронидов в процессе гидролиза, и как следствие, дополнительно повысить выход целевого продукта. Более того, предлагаемое авторами техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом более высокую скорость процесса и, соответственно, снижение удельных производственных затрат и времени на выпуск одного килограмма продукта, при значительной экономии сырья, также позволяет отказаться от использования сложного и дорогостоящего технологического оборудования для отделения жидкой фазы от остатка пектина.
Достигаемый технический результат в значительной степени обеспечивается подачей в проточный аппарат минеральной кислоты со скоростью, которую позволяет вычислить предлагаемая заявителем эмпирическая формула.