Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения эфирного масла из плодов фенхеля обыкновенного

Изобретение относится к эфиромасличной, пищевой и химико-фармацевтической промышленности и может быть использовано для выделения эфирного масла из плодов фенхеля обыкновенного (Foeniculum vulgare Mill.), семейства сельдерейные (зонтичные) – Apiaceae (Umbelliferae).

На данный момент в литературе описано несколько различных способов выделения эфирного масла из данного растительного сырья: гидродистилляция – выделение эфирных масел с помощью водяного пара; экстракция с помощью микроволновой перегонки и экстракция с помощью органических растворителей и сжиженных газов [Damayanti A., Setyawan E. Essential oil extraction of fennel seed (Foeniculum vulgare) using steam distillation. Int. J. Sci. Eng., 2012. Vol.3(2). P.12-14.

Al-Hilphy A.R.S., Al-fekaiki D.F., Hussein R.A. Extraction of essential oils from some types of Umbelifera family using microwave-assisted water distillation. Journal of biology, agriculture and healthcare. 2015. Vol.5, No.22. – P.16-28.

Benmoussa H., Farhat A., Romdhane M., Bouajila J. Enhanced solvent-free microwave extraction of Foeniculum vulgare Mill. Essential oil seeds using double walled reactor. Arabian Journal of Chemistry. 2016. In Press. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2016.02.010.

Zorca M., Gainar I., Bala D. Influence of the process parameters on supercritical CO2 extraction of Fennel essential oil. Analele Universitatii din Bucuresti – Chimie, Anul XV (serie noua), 2006. vol.I, pag. 107-111. ].

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является технология выделения с помощью сжиженного фреона 134а описанная в работе [Girova T., Gochev V., Stoilova I., Dobreva K., Nenov N., Stanchev V., Stoyanova A. Low temperature extraction of essential oil bearing plants by liquificate gases: Fruits from sweet fennel (Foeniculum officinale Mill.). Internaional Scientific Conference eRA-6. At Greece, Volume: Physics session. 2011. P.1-6.]. Данный способ включает измельчение, а затем экстракцию плодов фенхеля обыкновенного с помощью сжиженного фреона 134а при следующих оптимальных условиях: давление 0,5 МПа, температура 18-20°С, время экстракции 60 мин, размер частиц сырья 0,15-0,25 мм. При этих параметрах выход эфирного масла составил 3,8% (об/масс), а согласно газовой хроматографии процент анетола составлял более 68,3% в пересчете на площадь пика среди других легколетучих компонентов эфирного масла.

К основным недостаткам данного способа относятся: необходимость применения специального оборудования работающего под давлением, которое в пять раз превышает атмосферное, а также необходимость затраты энергии на операции упаривания экстракта и на операции конденсации паров растворителя в холодильной установке. Описанный способ принят за прототип изобретения.

Технической задачей изобретения является разработка более эффективного экологически чистого способа выделения эфирного масла из плодов фенхеля обыкновенного, простого в исполнении при котором не требуется специальное и сложное оборудование.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа выделения эфирного масла из плодов фенхеля обыкновенного, включающего измельчение плодов фенхеля обыкновенного, экстрагирование измельчённого сырья органическим растворителем в аппарате «Сокслет», упариванием растворителя, причем, в качестве органического растворителя используют легко кипящую жидкость – Фторкетон-5-1-12 (далее Novec 1230 [www.3mrussia.ru/3M/ru_RU/novec-ru/applications/fire-suppression/]), при соотношении сырьё/растворитель 1:4,5-9,6 масс/масс, экстрагирование сырья осуществляют в течение 1-3 часов полученный экстракт упаривают с конденсацией экстрагента до получения эфирного масла. Сырье, не извлекая из экстрактора, нагревают до 50°С, продувают воздухом до полного удаления и конденсации экстрагента. Регенерированный экстрагент объединяют с основной массой экстрагента и используют повторно для экстракции новой партии сырья.

Диапазон соотношения сырьё/растворитель 1:4,5-9,6 масс/масс, обеспечивает эффективное извлечение компонентов эфирного масла из растительного сырья и является экономически целесообразным. Нижнее предельное значение 1:4,5 масс/масс, обусловлено тем, что данное количество экстрагента позволяет покрыть насыпной объем растительного сырья в экстракторе с небольшим избытком экстрагента необходимого для возможности осуществления процесса его циркуляции в экстракционном аппарате. Увеличение соотношения сырьё/растворитель более 1:9,6 масс/масс, не приводит к увеличению выхода компонентов эфирного масла и требует неоправданно высоких энергозатрат и экстрагента.

Заявленный интервал времени экстракции 1-3 часа обеспечивает исчерпывающее извлечение компонентов эфирного масла из сырья. Уменьшение времени экстракции приводит к значительному недоизвлечению эфирного масла. Увеличение времени экстракции является не целесообразным с экономической точки зрения, а также энергозатрат, поскольку не приводит к значительному повышению выхода эфирного масла.

Количественный анализ транс-анетола в эфирном масле и растительном сырье проводили с помощью обратно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с использованием хроматографа фирмы «Agilent Technologies», серии «Agilent 1200 Infinity», производства США, при следующих условиях: подвижная фаза (А) – 1% водный раствор муравьиной кислоты, подвижная фаза (B) – этанол в линейном градиентном режиме подачи; хроматографическая колонка – Supelco Ascentis express C18, размеры колонки 100 мм × 4,6 мм, размер частиц 2,7 мкм; скорость подвижной фазы – 0,5 мл/мин; температура хроматографической колонки +35°С; объем образца – 1 мкл. Перед количественным анализом точную навеску эфирного масла смешивали с точно взвешенным этанолом 70% об., и центрифугировали при 13000 об/мин в течение 5 мин. Этанольный раствор сливали и анализировали.

Идентификацию компонентов эфирного масла проводили с помощью газожидкостной хроматографии с использованием метода внутренней нормировки по сумме площадей. ГЖХ анализ проводили на приборе хромато-масс-спектрометр модели GCMS-QP2010 Ultra, фирма-изготовитель «Shimadzu», Япония. Разделение проводили на колонке: Zebron ZB-5MS 30 mL × 0,25 mm ID × 0,25 μm df; жидкая фаза: 5%-polysilarylene-95polydimethylsiloxane; температурные пределы: от 70°С до 325/350°С. Условия хроматографирования: газ-носитель – гелий с постоянным потоком – 3,0 мл/мин; анализ осуществлялся в изотермическом режиме. Температура колонки – 70°С (изотерма 2 мин) - 200°С (изотрема 5 мин), скорость подъёма температуры 5 град/мин. Температура испарителя – 210°С; температура ионного источника – 250°С; температура интерфейса – 250°С; режим ввода пробы - без деления потока – 1 мин; напряжение на детекторе – 0,84 кВ; поток эмиссии – 60 μА; объём вводимой пробы – 1 μl. Детектирование осуществляли в режиме полного ионного тока (SCAN) в диапазоне m/z 30 – 500 Da, со скоростью сканирования 1000 и результирующим временем 0,5 сек. Перед анализом эфирное масло растворяли в н-гексане и при необходимости фильтровали через фильтр с размером пор 0,45 мкм.

Пример 1

Навеску измельченных плодов фенхеля обыкновенного массой 5,01 г, помещают в циркуляционный экстрактор типа «Сокслет». Заливают сырье экстрагентом Novec 1230 при соотношении 1:8,0 масс/масс, 40,0 г (25,0 мл) и начинают процесс циркуляционной экстракции в течение 2 часов. Полученный экстракт упаривают под вакуумом до получения эфирного масла, а экстрагент конденсируют.

Сырье не извлекая из экстрактора, нагревают до 50°С, продувают воздухом до полного удаления и конденсации экстрагента. Регенерированный экстрагент объединяют с основной массой экстрагента и используют повторно для экстракции новой партии сырья.

Некоторые физико-химические, экологические и токсические показатели фреона 134а и жидкости Novec 1230 для сравнения приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные физико-химические, экологические и токсические показатели фреона 134а и жидкости Novec 1230

Как видно из данных табл.1, легкокипящая жидкость Novec 1230 имеет ряд преимуществ при прочих равных условиях по сравнению с аналогичными показателями фреона 134а, а именно температура кипения Novec 1230 равна 49°С, т.е. при обычных условиях это жидкость с теплотой испарения, которая почти в 2,5 раза меньше по сравнению с фреоном 134а (88<217 кДж/кг), теплоемкость почти в 1,3 раза меньше фреона 134а (1103<1425 кДж/(кг·К)), потенциал глобального потепления в 1300 раз меньше фреона 134а (1<1300 GWP).

Результаты сравнения по основным признакам прототипа и новой технологии приведены в табл.2.

Таблица 2. Результаты сравнения по основным признакам прототипа и новой технологии

Как видно из данных табл. 2, результаты сравнения новой технологии перед технологией прототипа демонстрирует ее преимущества, а именно: отсутствие специального оборудования работающего под высоким давлением, отсутствуют затраты электроэнергии на конденсацию паров экстрагента, рабочее давление составляет 0,1 МПа, при этом достигается выход транс-анетола на уровне 91±3%. При этом, несмотря на увеличение времени экстракции на один час и с учетом того, что по новой технологии на конденсацию паров и охлаждение растворителя производитель не затрачивает электроэнергию, энергетика процесса экстракции по новой технологии на 47% меньше по сравнению с технологией прототипа.

Потери экстрагента составляют 1,5±0,2 г (1,0±0,1 мл), что эквивалентно 4% от его первоначального количества.

Состав легколетучей фракции первичного экстракта полученного с помощью Novec 1230 приведен на фиг. 1 (Хроматограмма эфирного масла полученного с помощью Novec 1230) и табл.3.

Таблица 3. Состав легколетучей фракции экстракта полученного с помощью Novec 1230

Пример 2

Навеску измельченных плодов фенхеля обыкновенного массой 5,02 г, помещают в циркуляционный экстрактор типа «Сокслет». Заливают сырье экстрагентом Novec 1230 при соотношении 1:4,5 масс/масс, 22,4 г (14,1 мл) и начинают процесс циркуляционной экстракции в течение 1 часа. Полученный экстракт упаривают под вакуумом до получения эфирного масла, а экстрагент конденсируют.

Выход липофильных веществ по отношению к весу ЛРС – 2,4±0,1%.

Выход анетола по отношению к весу ЛРС – 1,60±0,06%.

Выход анетола – 71±3%.

Пример3

Навеску измельченных плодов фенхеля обыкновенного массой 5,00 г, помещают в циркуляционный экстрактор типа «Сокслет». Заливают сырье экстрагентом Novec 1230 при соотношении 1:9,6 масс/масс, 48,1 г (30,0 мл) и начинают процесс циркуляционной экстракции в течение 3 часов. Полученный экстракт упаривают под вакуумом до получения эфирного масла, а экстрагент конденсируют.

Выход липофильных веществ по отношению к весу ЛРС – 2,7±0,1%.

Выход анетола по отношению к весу ЛРС – 2,10±0,06%.

Выход анетола – 94±4%.

Техническим результатом является эффективный и экологически чистый способ выделения эфирного масла из плодов фенхеля обыкновенного простой в исполнении при обычных условиях, без специального и сложного оборудования.

Изобретение позволяет выделить эфирное масло из плодов фенхеля обыкновенного с помощью Фторкетона-5-1-12 (Novec 1230) при минимальных энергозатратах, обычном давлении, с использованием стандартного оборудования характерного для химико-фармацевтических и/или эфиромасличных предприятий.