изучение влияния различных факторов на выход и некоторые

Химия растительного сырья. 2003. №4. С. 43–46
УДК 547.917
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОД
И НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ КОРЫ
ЛИСТВЕННИЦЫ

Н.В. Иванова*, О.В. Попова, В.А. Бабкин
Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, ул. Фаворского, 1,
Иркутск, 664033, (Россия) E-mail: isn@smtp.ru
Проведено исследование влияния технологических параметров, таких как предобработка сырья, гидромодуль,
температура, продолжительность экстракции, рН среды, и вид осадителя на выход и некоторые характеристики
пектиновых веществ коры лиственницы.
Введение
Пектиновые вещества, обладая хорошими желирующими и стабилизирующими свойствами,
традиционно используются в производстве фруктовых, молочных, десертных продуктов, в фармацевтике и
косметической промышленности. Однако в настоящее время российские потребители удовлетворяют свои
запросы за счет дорогого импортного пектина.
Пектин (от греческого слова «pectos» – «свернувшийся») является естественным полимерным
соединением, входящим в состав структурных элементов клеточной ткани всех земных растений [1].
Кора лиственницы содержит от 1,5 до 12,0% пищевого пектина [2], поэтому ее можно рассматривать
как объект для его промышленного выделения. В литературе также имеются сведения о биологической
активности лиственничного пектина [3]. Наравне с другими хвойными пектинами он промотирует
выведение из организма цезия-137, а также заметно ингибирует рост раковых клеток саркомы 180.
В рамках программы «Комплексная безотходная переработка биомассы лиственницы» мы исследовали
классические способы выделения пектиновых веществ из растительного сырья в приложении к объекту –
коре лиственницы.
Традиционно в промышленности с целью получения высокомолекулярного желирующего пектина
используется гидролиз-экстракция пектинсодержащего сырья с последующим осаждением продукта.
Известно [4], что такие параметры процесса выделения пектина, как предобработка сырья, гидромодуль,
температура, продолжительность экстракции, рН среды и вид осадителя варьируют в их взаимном
сочетании в зависимости от особенностей перерабатываемого сырья. Целью настоящей работы было
изучение влияния этих параметров на выход и некоторые характеристики пектиновых веществ коры
лиственницы, являющейся отходом Байкальского ЦБК.
Экспериментальная часть и обсуждение результатов
Влияние вида экстрагирующего агента и гидромодуля
Для выделения пектиновых веществ применяли следующие экстрагирующие агенты: 1) 0,5% раствор
оксалата аммония (гидромодуль 1 : 5), 2) 0,5% раствор щавелевой кислоты (гидромодуль 1 : 5), 3)
эквимолярная смесь 0,5% растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония (1 : 5), 4) 0,25% раствор
гидроксида натрия (1 : 5) и 5) то же, что и 3 (гидромодуль 1 : 7), 6) то же, что и 3 (гидромодуль 1 : 10).
*
Автор, с которым следует вести переписку.
44
Н.В. ИВАНОВА, О.В. ПОПОВА, В.А. БАБКИН
Экстракцию вели при 80 °С в течение 2 ч, при постоянном перемешивании. При обработке полученного
экстракта в качестве осадителя пектиновых веществ использовали трехкратный объем этилового спирта.
Сформировавшийся осадок отфильтровывали через батистовый фильтр с помощью вакуумного
водоструйного насоса, дважды промывали этанолом, а затем диэтиловым эфиром. Получившиеся таким
образом пектиновые вещества высушивали сначала на воздухе, а затем в сушильном шкафу при 50 °С.
Результаты по изменению выхода и элементного состава полученных пектиновых веществ в зависимости
от вида используемого экстрагента представлены в таблице.
Как видно из таблицы, максимальный выход пектиновых веществ наблюдается при использовании в
качестве экстрагента слабоконцентрированного раствора щелочи, однако зольность получаемого препарата
составляет 16,66%. Известно [1], что количество зольных элементов определяет качество пектинов, влияя
на их желирующую способность: чем ниже зольность, тем лучше желирующая способность.
Следовательно, использование в качестве экстрагента раствора щелочи нецелесообразно, поскольку
требует дальнейшей очистки продукта от зольных элементов. Минимальное количество золы находится в
препаратах, для выделения которых использовали смесь оксалата аммония и щавелевой кислоты (оп. 3).
Предварительные эксперименты показали, что использование экстрагирующей жидкости менее 5
объемных единиц по отношению к коре не достаточно, так как не происходит полного смачивания частиц
коры экстрагентом. Изменение гидромодуля от 5 до 7 единиц (оп. 3, 5) увеличивает выход пектиновых
веществ в 1,5 раза, а дальнейший его рост (оп. 6) принципиального влияния на выход продукта, а также его
зольность не оказывает.
Таким образом, для выделения пектиновых веществ из коры лиственницы наиболее оптимальным в
рассмотренных условиях нам представляется использование в качестве экстрагента смеси оксалата
аммония и щавелевой кислоты при гидромодуле 1 : 7, что приводит к выделению пектиновых веществ в
количестве 2,7% от веса абсолютно сухой коры с зольностью 5,2%.
Влияние предобработки сырья и температуры процесса
Как указано выше, настоящая работа проводилась в рамках программы «Комплексная безотходная
переработка биомассы лиственницы» [5], которая предусматривает последовательное извлечение из коры
воска, антиоксидантного комплекса, таннинов и пектиновых веществ. Имея это в виду, мы провели
сравнительное изучение зависимости выхода пектиновых веществ из коры лиственницы исходной и
последовательно обработанной растворителями с возрастающей полярностью – гексаном, этилацетатом,
водой. Выделение проводили в выбранных ранее условиях, полученные результаты представлены на
рисунке 1. Как и следовало ожидать, предварительное удаление экстрактивных веществ приводит к
увеличению выхода продукта (примерно в 1,5 раза), что, очевидно, связано с увеличением доступности
пектиновых веществ.
Результаты, представленные на рисунке 1, также свидетельствуют о том, что с увеличением
температуры процесса гидролиз-экстракции пектиновых веществ их выход возрастает и проходит через
максимум при температуре 80 °С. Эти данные хорошо согласуются с литературными для процессов
выделения классических пектинов [1, 6]: повышение температуры вызывает частичный гидролиз
протопектина – выход продукта увеличивается, однако при увеличении температуры выше 80 °С
происходит разрушение суперструктуры пектиновых веществ. Об этом также свидетельствует
представленная на рисунке 2 экспериментальная зависимость молекулярной массы полученных
пектиновых веществ, определенной вискозиметрически [7], от температуры процесса их экстрагирования.
Изменение выхода и элементного состава пектиновых веществ коры лиственницы в зависимости от вида
используемого экстрагента
Экстрагирующие
агенты (№ опыта)
1
2
3
4
5
6
Выход,% от а.с.н.
0,77
0,97
1,64
5,81
2,71
2,93
рН экстракционной
среды
6,95
1,90
2,90
11,97
2,86
2,84
С
30,28
31,17
32,05
36,55
34,24
31,48
Элементный состав, %
Н
6,66
5,75
5,42
4,51
6,30
6,82
зола
7,89
8,34
5,58
16,66
5,20
5,08
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОД …
45
5
4
3
2
1
0
Молекулярная
масса
Выход ПВ, % от а.с.н.
Влияние времени экстракции
Кинетические закономерности любого процесса вообще и процесса гидролиз-экстракции пектиновых
веществ в частности представляют значительный интерес и являются самостоятельным предметом
исследования. На рисунке 3 приведены экспериментальные результаты влияния времени экстракции на
выход пектиновых веществ. Гидролиз-экстракцию исходной коры лиственницы проводили при 80° С
эквимолярной смесью 0,5% щавелевой кислоты и 0,5% оксалата аммония, в качестве осадителя
использовали этанол. Полученные данные свидетельствуют, что основное количество пектиновых веществ
переходит в экстракт уже в первый час процесса, последующее увеличение времени на выход продукта
существенного влияния не оказывает.
Влияние вида осадителя
Раствор пектиновых веществ получали, обрабатывая кору лиственницы эквимолярной смесью 0,5%
оксалата аммония и 0,5% щавелевой кислоты (гидромодуль 1 : 7) при 80 °С и постоянном перемешивании
в течение 2 ч. Далее экстракт концентрировали в циркуляционном вакуумном испарителе до 1/3 объёма и
делили на две равные части, каждую из которых обрабатывали отдельно. В первую покапельно, при
постоянном перемешивании добавляли равное количество ацетона, а во вторую таким же образом, столько
же этанола. Получившиеся осадки отфильтровывали через батистовый фильтр под вакуумом, снова
растворяли в 100 мл дистиллированной воды, при необходимости подогревая до 40–50 °С. Процедуры
осаждения и фильтрования повторяли дважды. Полученные осадки на фильтре промывали сначала
ацетоном или спиртом соответственно, а затем диэтиловым эфиром, высушивали на воздухе, а после этого
в сушильном шкафу при 50 °С, охлаждали до комнатной температуры в эксикаторе и взвешивали,
определяя выход в массовых процентах от абсолютно сухой навески исходной коры. Результаты
представлены на рисунке 4. Следует отметить, что покапельное прибавление экстракта в осадитель
увеличивает выход продукта в среднем на 0,5% по сравнению с обычным способом высаживания.
Полученные результаты свидетельствуют, что ацетон является менее избирательным осадителем
пектиновых веществ, чем этиловый спирт, соответственно и чистота получаемых продуктов при
осаждении спиртом выше. О чистоте получаемого препарата пектина можно судить также по величине его
уронидной составляющей [8]. Для пектиновых веществ из коры лиственницы этот параметр составляет
69,77 и 78,12% высаженных ацетоном и этанолом соответственно.
0
10
20
30 40 50 60
Температура, °С
ПВ из исх. коры
70
80
90
60000
40000
20000
0
100
50
60
70
80
Температура, °С
90
100
ПВ из обработанной коры
Рис. 1. Зависимость выхода пектиновых веществ
коры лиственницы от предобработки сырья и
температуры процесса выделения
Рис. 2. Зависимость молекулярной массы
пектиновых веществ коры лиственницы от
температуры процесса их выделения
Выход, %
3
Рис. 3. Влияние времени гидролиз-экстракции
пектиновых веществ коры лиственницы на их
выход
2,5
2
1,5
1
0
50
100
Время, мин
150
200
Выход, % от а.с.н.
46
Н.В. ИВАНОВА, О.В. ПОПОВА, В.А. БАБКИН
4
3
2
1
0
ацетон
Осадитель
этанол
Рис. 4. Зависимость выхода пектиновых веществ
коры лиственницы от вида используемого
осадителя
Выводы
В рамках программы «Комплексная безотходная переработка биомассы лиственницы» проведено
исследование по определению условий выделения пектиновых веществ из коры лиственницы.
Установлено, что для их извлечения следует использовать: сырье – кору, предварительно
проэкстрагированную последовательно гексаном, этилацетатом и водой; экстрагент – эквимолярную смесь
0,5% растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония; гидромодуль – 1 : 7; температуру процесса –
80 °С; время экстракции – 1 ч; осадитель – этанол; способ высаживания – покапельное добавление
экстракта к осадителю при перемешивании.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Аймухомедова Г.Б., Шелухина Н.П. Пектиновые вещества и методы их определения. Фрунзе, 1964. 119 С.
Ярцева Н.А., Пермякова Г.В., Степень Р.А. Характеристика пищевых пектинов из коры хвойных //
Продовольственные и кормовые ресурсы лесов Сибири. Красноярск, 1983. С. 122–124.
Grigoriuk G.P. Pectins from a bark of coniferous trees as biologically active components of food stuffs in the medical
and practical purposes // Int. Conf. Natur. Prod. and Physiol. Active Subst., Novosibirsk, Nov. 30 – Dec. 6, 1998.
Book Abstr. S. 79.
Алейников И.Н., Сергеев В.Н., Русаков А.В., Меркулов Ю.Г. Новый подход к производству пектина //
Пищевая промышленность. 2000. №1. С. 59–61.
Бабкин В.А. Безотходная комплексная переработка биомассы лиственницы сибирской и даурской // Химия в
интересах устойчивого развития. 1997. №5. С. 105–115.
Шелухина Н.П., Абаева Р.Ш., Аймухамедова Г.Б. Пектин и параметры его получения. Фрунзе, 1987. 91 с.
Коваленко С.Л., Куриленко О.Д. Вязкость пектиновых растворов // Химия природных соединений. 1964. №2.
С. 175–179.
Кайшева Н.Ш., Щербак С.Н. и др. Анализ пектинов защитного действия // Журнал аналитической химии.
1994. Т. 49. №11. С. 1158–1162.
Поступило в редакцию 30 сентября 2003 г.