Способ комплексной переработки бурых водорослей

Изобретение относится к медицинской, химико-фармацевтической и пищевой промышленности и касается технологии комплексной переработки бурых водорослей.

Способ комплексной переработки фукуса пузырчатого (Fucus vesiculosus) предусматривает последовательное экстрагирование измельченных слоевищ макрофитов с целью получения по единой технологии липидно-пигментного комплекса, маннита, полисахаридного комплекса, полифенольного комплекса, альгината натрия и водорослевой клетчатки. Для получения липидно-пигментного комплекса сухие измельченные водоросли экстрагируют бинарным растворителем сверхкритический диоксид углерода-этиловый спирт, далее экстракт разделяют с получением фракций, обогащенных полифенолами и жирными кислотами. Для получения водорастворимых веществ водорослевый остаток экстрагируют водой в несколько стадий. Полисахаридный комплекс и маннит осаждают добавлением этанола, полифенольный комплекс экстрагируют методом жидкостно-жидкостной экстракции смесью этилацетата и н-бутанола. Затем водорослевой остаток экстрагируют раствором гидрокарбоната натрия, обрабатывают серной кислотой, концентрируют, очищают, сушат и получают альгинат натрия. Волокнистый водорослевый остаток подвергают многоступенчатой очистке водой при температуре кипения и сушат.

Изобретение относится к медицинской, химико-фармацевтической и пищевой отраслям промышленности, а именно к способам переработки морских водорослей, таких как фукус, с получением в едином технологическом цикле фракций липидно-пигментного комплекса, полисахаридного комплекса, маннита, полифенольного комплекса, альгиновой кислоты, а также энтеросорбента из водорослевого волокнистого остатка.

Фракции липидно-пигментного комплекса могут быть использованы в фармацевтической промышленности для производства препаратов и биологически активных добавок, обладающих бактерицидными, фунгицидными, антиоксидантными и иммуномодулирующими свойствами.

Полифенольный комплекс проявляет выраженные антиоксидантные свойства и может быть использован в качестве лечебных и профилактических средств в пищевой, косметической и фармакологических отраслях.

Водорослевая клетчатка может быть использована в качестве средства, обладающего адсорбционной активностью по отношению к среднемолекулярным токсинам и ионам тяжелых металлов.

Известен способ комплексной переработки сухих водорослей (Патент №2142812, МПК ⁶ А61K 35/80 “Способ комплексной переработки сухого сырья водорослей”). Сухие измельченные слоевища беломорской ламинарии экстрагируют одновременно маслом или жиром и водно-спиртовой смесью при соотношении компонентов: сухие водоросли 1; масло или жир 3-40; спирт этиловый 1,5-15; вода 1-30. Экстракт отделяют от водорослевого остатка, отделяют масляную или жировую фазу, выделяют маннит и минеральный концентрат из водно-спиртовой фазы. Из водорослевого остатка выделяют альгинат натрия.

Недостатком данного способа является:

- нерациональное использование сырья (полифенолы, фукоидан и водорослевая клетчатка не используются);

- низкий выход альгинатов ввиду малого времени экстракции щелочью;

- высокая температура экстрагирования, при которой происходят деструкция альгинового полисахарида и снижение вязкости альгинатов.

Известен способ комплексного получения водорастворимых полисахаридов из бурых водорослей - ламинаранов и фукоиданов (RU, патент №2135518, МПК С08В 37/00 “Способ получения водорастворимых полисахаридов из бурых водорослей"). Свежие, свежезамороженные или сухие водоросли последовательно обрабатывают этанолом, ацетоном и хлороформом с целью удаления низкомолекулярных веществ, экстракцию полисахаридов 0,1н соляной кислотой при комнатной температуре и водой при 50-60°С. Разделение ламинаранов и фукоиданов и последующее их фракционирование осуществляют с помощью гидрофобной хроматографии.

Недостатками данного способа является:

- нерациональное использование сырья (липидно-пигментный комплекс, полифенолы, водорослевая клетчатка, альгиновые кислоты не используются);

- использование токсичных растворителей, таких как ацетон, хлороформ, формальдегид;

- использование дорогого хроматографического метода для разделения смеси полисахаридов.

Известен способ комплексной переработки бурых водорослей (SU, а.с. №1381925, МКИ С07С 31/26 "Способ получения маннита из водорослей ламинарии") включающий измельчение бурых водорослей, экстракцию их 86 % раствором спирта в течение 1 ч при температуре 80°С, отгонку спирта от экстракта, отстаивание водного экстракта, разделение минерального и липидного концентрата ламинарии.

Недостатком данного можно считать нерациональное использование сырья ввиду того, что полифенолы, водорослевая клетчатка, альгиновые кислоты и полисахаридный комплекс являются отходами.

Известен способ получения липидного концентрата из бурых водорослей (RU, заявка №93002017, МПК А61K 35/80 “Способ получения липидного концентрата из водорослей”), согласно которому высушенное на воздухе сырье и измельченное двукратно экстрагируют 86-89%-ным раствором этанола при 65-75°С, из экстракта извлекают маннит и липиды, которые затем очищают от водорастворимых примесей.

Недостатком данного способа является:

- нерациональное использование сырья, при котором получают только два продукта из водорослей (маннит и липиды);

- жом водоросли, содержащий альгинаты и фукоидан и водорослевую клетчатку, не используется.

Наиболее близким по техническому решению является способ комплексной переработки смеси беломорских бурых водорослей (L.saccharina и L.digitata) (RU, патент №2028153С1, МПК ⁶ А61K 35/80. Бюл. №4 “Способ получения биологически активных веществ из ламинарии”) с целью получения маннита и полисахаридов (водорастворимого полисахаридного комплекса, ламинарана, фукоидана и альгината натрия) путем экстрагирования измельченного сушеного сырья 90-96%-ным этанолом при температуре кипения экстрагента в течение 3 ч. Затем водоросли экстрагируют двукратно водой в соотношении 1:10 при температуре 80°С в течение 30 мин, водные экстракты объединяют, фильтруют, упаривают под вакуумом, из охлажденного экстракта 96%-ным этанолом в соотношении экстракт:этанол 1:2 осаждают водорастворимый полисахаридный комплекс, отфильтровывают, трехкратно очищают 96%-ным этанолом, сушат. Оставшийся после осаждения водорастворимого полисахаридного комплекса спиртовый маточный раствор упаривают до 1/10 первоначального объема, после чего сгущенный экстракт обрабатывают 80% этанолом в соотношении экстракт:этанол 1:3. Полученный осадок (ламинаран и фукоидан) центрифугируют, разделяют обработкой 0,4% раствором соляной кислоты при соотношении осадок:раствор соляной кислоты 1:5 при комнатной температуре в течение 2,0 ч; затем к полученному раствору добавляют 0,5 М раствор цетавлона для переведения кислых полисахаридов в осадок. Осадок отделяют, а надосадочную жидкость обрабатывают 80% этанолом (для высаждения ламинарана) в соотношении надосадочная жидкость:этанол 1:3. Полученный ламинаран фильтруют, очищают 96% этанолом, сушат. Осадок, образованный после добавления цетавлона, растворяют в 0,4% растворе соляной кислоты в соотношении осадок:раствор соляной кислоты 1:10 и обрабатывают 70% этанолом в соотношении раствор:этанол 1:3, выпадает осадок фукоидана, который фильтруют, очищают, сушат. После этого жом водорослей экстрагируют 1,5% раствором карбоната натрия в соотношении 1:20 при температуре 50°С в течение 1 ч, водно-щелочной экстракт фильтруют, фильтрат обрабатывают концентрированной серной кислотой, выпавший при этом осадок отделяют, обрабатывают 1,5% раствором карбоната натрия и получают альгинат натрия осаждением 96% этанолом в соотношении раствор:этанол 1:5. Альгинат натрия фильтруют, сушат.

Недостатком данного способа являются:

- нерациональное использование сырья - липидно-пигментный комплекс, полифенольный комплекс, водорослевая клетчатка являются отходами производства;

- применение спиртовой экстракции при температуре кипения экстрагента для извлечения маннита из бурых водорослей, что приводит к потере йодсодержащих соединений и деструкции полисахаридных цепей.

Задачей предлагаемого технического решения является комплексная переработка бурых водорослей с одновременным получением полного спектра биологически активных веществ из биомассы водоросли в рамках одного технологического цикла для расширения ассортимента продукции и снижения количества отходов.

Поставленная задача решается путем измельчения сырья, обработки его методом сверхкритической флюидной экстракции (1 стадия, фиг. 1) при заданных условиях, обеспечивающих наиболее высокий выход целевых продуктов: водоросли перемолотые (фракция 0,03-0,2 мм), влажность сырья 9 %масс (воздушно сухое сырье), температура 60°С, давление 300 атмосфер, время экстракции 60 мин, расход сверхкритического флюида 6 мл/мин, состав флюида: сверхкритический СО₂, (расход 5,65 г/мин (5,4 мл/мин)), сорастворитель этанол с расходом 10 об.% от флюида (0,6 мл/мин (0,47 г/мин)). Выход экстракта составляет 6±1 %масс от массы водоросли (в зависимости от исходного содержания целевых компонентов). Компоненты липидно-пигментного комплекса извлекаются с выходами, близкими к 100%. Так же в экстракт переходят 10% маннита и 10% полифенолов (% от исходного содержания в водоросли). Таким образом, основные компоненты экстракта: жирные кислоты, маннит, полифенолы, пигменты.

Полученный сверхкритический экстракт содержит этанольный раствор (фракция I) и осадок, не растворимый в этаноле при нормальных условиях (фракция II). Фракцию I концентрируют под вакуумом до ¼ исходного объема и далее термостатируют при -15°С, в течение суток, в результате чего она разделялась на маслянистый осадок (фракция III) и надосадочную жидкость (фракция IV).

Далее водорослевой остаток I подвергают экстрагированию водой (стадия 2, фиг. 1) при 60°C, соотношение сухие вещества:растворитель 1:20, 3 стадии по 60 минут при постоянном перемешивании. Выход сухого экстракта составляет 65±3 %масс. Основными компонентами экстракта являются маннит, полисахаридный комплекс, полифенолы, соли.

Экстракт упаривают под вакуумом до 1/4 исходного объема. Комплексный экстракт водорастворимых веществ разделяют. Для осаждения фукоидана и ламинарана к упаренному раствору добавляют 96 об.% этиловый спирт в соотношении раствор:спирт 1:3. По истечении двух часов, выпавший осадок (ламинаран и фукоидан) отделяют от раствора методом центрифугирования. В осадок переходит до 75% полисахаридов, находящихся в водном экстракте.

После фугования полисахаридов слитую методом декантации надосадочную жидкость охлаждают до температуры 0°С и оставляют на сутки для осаждения маннита из раствора. Осадок маннита отделяют декантацией надосадочной жидкости. В осадок переходят до 70% маннита, находящегося в водно-спиртовом растворе.

Далее из водно-спиртового экстракта под вакуумом удаляют этанол, упаривая водно-спиртовый экстракт до ¼ исходного объема. Полученный водный раствор разбавляют в 2 раза, подкисляют концентрированной соляной кислотой до рН 2. Для выделения полифенольной фракции проводят трехкратную жидкофазную экстракцию из водного раствора бурых водорослей смесью этилацетата и н-бутанола (4:1), при объемном соотношении водный раствор : органический растворитель = 5:2. Экстракты объединяют, растворитель упаривают. Выход полифенольной фракции составляет 63±5% от исходного содержания в водоросли.

Далее водорослевый остаток II экстрагируют раствором 1,5% NaHCO₃ при 50°С в 2 стадии (каждая стадия по 60 минут) с гидромодулем 1:30 (стадия 3, фиг. 1). Экстракты объединяют, подкисляют концентрированной серной кислотой. Выпавший альгинат натрия используют для производства различных солей альгиновой кислоты.

Волокнистый остаток после выделения альгинатов - водорослевую клетчатку (ВК) подвергают очистке путем четырехкратной экстракции (продолжительность отдельной стадии 60 минут) водой при температуре кипения растворителя и гидромодулем 1:20. Таким образом, происходит удаление низкомолекулярных легкогидролизуемых углеводов и остаточных количеств альгиновых кислот. Выход водорослевой клетчатки составляет 10% от массы водоросли.

Технический результат: получение из водорослевой биомассы не только углеводной фракции (маннит, альгиновые кислоты, фукоидан), но и липидно-пигментного комплекса, полифенольного комплекса и водорослевой клетчатки.

Фракции липидно-пигментного комплекса II и III представляют собой маслянистые жидкости буро-зеленого цвета, фракция IV предоставляет собой порошок светло-коричневого цвета. Фракции обладают выраженной бактерицидной, фунгицидной, антиоксидантной и иммуномодулирующей активностью.

Полифенольный комплекс представляет собой порошок коричневого цвета, обладающий ярко выраженной антиоксидантной активностью.

Очищенная ВК, представляет собой волокнистую массу бурого цвета. Данная субстанция обладает высокими сорбционными характеристиками по отношению к ионам тяжелых металлов, среднемолекуллярным токсикантам и патогенным микроорганизмам и обладает мезопористой структурой.

Пример 1.

500 г сушеных слоевищ фукуса пузырчатого (fucus vesiculosus) (влажность составляет 9 %масс) измельчают до размера частиц 0,03-0,2 мм, помещают в полупрепаративный сверхкритический флюидный экстрактор MV-10ASFE (Thar Process, США). Параметры процесса: температура 60°С, давление 300 атм, время экстракции 60 мин, состав флюида: сверхкритический СО₂, (расход 5,65 г/мин (5,4 мл/мин)), сорастворитель этанол с расходом 10 об.% от флюида (0,6 мл/мин (0,47 г/мин)). В результате получен сверхкритический экстракт с выходом 29 г или 6,4 %масс от исходной водоросли. Полученный экстракт содержит этанольный раствор (фракция I) и осадок, не растворимый в этаноле при нормальных условиях (фракция II). Фракцию I подвергали концентрированию на роторном испарителе до ¼ исходного объема и далее термостатировали при -15°С, в течение суток, в результате чего она разделялась на маслянистый осадок (фракция III) и надосадочную жидкость (фракция IV). Соотношение фракций в экстракте, их состав и антиоксидантная активность представлены в таблице 1.

Водорослевой остаток I после сверхкритической флюидной экстракции помещают в емкость и заливают 8,5 л воды и трехкратно экстрагируют при температуре 60°С по 60 минут при постоянном перемешивании. Экстракты отделяют от водорослей путем фильтрования через капроновый фильтр. Выход экстракта составляет 272 г (60% от массы исходной водоросли). Раствор декантируют и упаривают на роторном испарителе до 1/4 исходного объема. Для осаждения фукоидана и ламинарана к упаренному раствору добавляют 96 об.% этиловый спирт в соотношении раствор:спирт 1:3. Через два часа выпавший осадок полисахаридного комплекса отделяют от раствора методом центрифугирования. После фугования полисахаридов слитую методом декантации надосадочную жидкость охлаждают до температуры 0°С и оставляют на сутки для осаждения маннита из раствора. Осадок маннита отделяют декантацией надосадочной жидкости. Выход маннита составляет 35,5 г (7,8% от массы водоросли).

Водно-спиртовый экстракт упаривают на роторном испарителе до ¼ объема с получением водного экстракта, который разбавляют в 2 раза и подкисляют концентрированной соляной кислотой до рН 2. Далее проводят 3 кратную жидкофазную экстракцию полифенольного комплекса из водного раствора бурых водорослей 5л смеси этилацетата и н-бутанола (4:1). Выход полифенольной составляет 25,3 г (5,6% от массы водоросли).

Водорослевой остаток II экстрагируют 5 л 1,5% раствора гидрокарбоната натрия в две стадии по 60 минут при температуре 50°С при перемешивании. Экстракты отделяют от водорослей путем фильтрации через капроновый фильтр. Альгинаты осаждают подкислением раствора. Выход альгината натрия составляет 104,5 г (23% от массы исходной водоросли).

Волокнистый остаток после выделения альгинатов представляет собой бурую массу - клетчатку. Очистку ВК проводят четырехкратной экстракцией водой 10 л при температуре кипения и постоянном перемешивании. Экстракты отделяют от водорослей путем фильтрования через капроновый фильтр. Водорослевой остаток IV - очищенная ВК представляет собой волокнистую бурую массу с выходом 41 г (8,2 %масс от водоросли).

Таблица 1. Состав фракций сверхкритического экстракта Fucus vesiculosus