Полная версия

Главная arrow Товароведение arrow Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Витаминные препараты

Многие виды растительного сырья являются основными источниками биологически активных липидов — полиненасыщенных жирных кислот, токоферолов, каротиноидов. Масла из зародышей пшеницы, ржи и просяных мучелей содержат до 11% линоленовой кислоты — предшественника арахидоновой кислоты в цикле биосинтеза. Для масел из зародышей зерновых и облепихи характерно высокое содержание токоферолов, достигающее в пшеничном масле более 1%. Плоды шиповника, аронии, красной рябины, кизильника, барбариса, жимолости, облепихи, томатные выжимки и семена богаты каротиноидами. Масло из семян томатов содержит до 1% каротиноидов.

Разнообразие растительного витаминного сырья, его технологических свойств, предполагает возможность различных путей его переработки. Основным элементом технологии препаратов растительных жирорастворимых витаминов (ЖРВ) является способ их извлечения из сырья. Выбор способа извлечения определяет и процедуры подготовки сырья к основному технологическому этапу, и характер заключительных операций при получении продукта.

Способы извлечения ЖРВ из растительного сырья можно разделить на две группы — прессовые и экстракционные. Прессовые технологии эффективны в тех случаях, когда в сырье имеется достаточное количество естественного растворителя ЖРВ — растительного масла. При этом получают высокий выход масла и ЖРВ. Прессование низкомасличного сырья дает невысокий выход конечного продукта.

Экстракционная технология наиболее приемлема для получения препаратов ЖРВ из низкомасличного растительного сырья. При экстракции достигается более высокая степень извлечения витаминов за счет перехода прочносвязанных ЖРВ в свободную форму под действием экстрагента.

Существуют различные варианты экстракционных способов извлечения ЖРВ: экстракции углеводородными растворителями, спиртами, ацетоном, эфиром, маслами и их смесями с другими органическими растворителями, сжиженными газами и пр. Для каждого вида сырья можно использовать множество видов экстракционной технологии, обеспечивающих высокий выход целевых продуктов. Окончательный выбор определяется заданным качеством получаемого препарата (составом, консистенцией), уровнем безопасности производства, сложностью аппаратурного оформления процесса, экономическими соображениями.

Этанольные экстракты витаминного сырья могут использоваться как полупродукты в технологии водорастворимых препаратов каротиноидов и токоферолов, последние сорбируются из этанольного раствора на водорастворимые полимеры, нерастворимые в этаноле.

Путем эмульгирования растительных масел в спиртовых экстрактах токоферолов с последующим разделением фаз получают витаминные масла, обогащенные токоферолами. Экстракционные технологии получения витаминных препаратов из растительного сырья основаны на использовании ферментных препаратов.

Этанольная экстракция. Имеет преимущество перед прессованием при выделении витаминизированных масел из низкомасличного сырья. Экстракция этанолом используется при получении витаминизированных масел из индивидуальных видов и смешанного сырья, липидных витаминных продуктов (ЛВП), а также экстрактов растительного сырья как источников каротиноидов и токоферолов при выделении их водорастворимых препаратов.

Являясь веществом промежуточной полярности, этанол хорошо контактирует как с гидрофильными, так и с гидрофобными участками клеточных структур, что обеспечивает быстрое проникновение в сырье и высокую интенсивность массообмена в процессе экстракции.

Концентрированный этанол при температуре кипения хорошо экстрагирует триглицериды, каротиноиды и токоферолы. Различная полярность этих веществ и, соответственно, растворимость в этаноле позволяет проводить избирательную экстракцию, изменяя концентрацию этанола. Так, триглицериды и гидрофобные углеводородные каротиноиды (ликопин, (3-каротин) заметно растворяются и экстрагируются этанолом концентрации выше 80%, ксантофиллы — уже при 60%, а для экстракции токоферолов достаточно 40—50% концентрации этанола. Последняя влияет и на степень экстракции нежелательных сопутствующих веществ, прежде всего белков. Глиадины — основная фракция белков зерна злаков — растворяется в 80%-м этаноле. Флавоноиды, в том числе антоцианы, извлекаются 40—70%-м этанолом.

В присутствии этанола ослабляются белково-липидные взаимодействия, и прочносвязанные ЖРВ переходят в свободную форму, доступную экстракции. Схема получения витаминных препаратов с помощью этанольной экстракции представлена на рис. 3.6.

При получении витаминизированных масел из низкомасличного сырья, такого как зародыши зерновых культур или иные отходы зерна, богатые витаминами, сырье целесообразно предварительно обогатить путем ферментации гидролитическими ферментами. При ферментации происходит гидролиз нелипидных компонентов сырья, повышается его масличность, доля свободных липидов, степень их экстрагируемости и чистота конечного продукта.

Комплекс гидролитических ферментов для обогащения сырья подбирают в соответствии с составом нелипидных компонентов. В сырье, богатом белком, основным препятствием для экстракции липидов являются белково-липидные взаимодействия. Для расщепления белка используют препараты протеолитических ферментов. Для обеспечения доступа протеиназ к белку и повышения скорости массообмена при гидролизе необходимо разрушить структуры клеточных стенок сырья. Соответственно в комплекс ферментов вводят целлюлазы и гемицеллюлазы.

Оптимум действия ферментов должен находиться в слабокислой или нейтральной среде в соответствии с естественной реакцией водных взвесей сырья. Выбирают ферменты с оптимальной температурой действия 40—50 °С, поскольку гидролиз сырья необходимо проводить при температуре ниже порога клейстеризации крахмала (для пшеничного крахмала 50 °С).

Получение витаминных препаратов методом этанольной экстракции

Рис. 3.6. Получение витаминных препаратов методом этанольной экстракции

При ферментации зародышей пшеницы наилучшие результаты получены при сочетании «Протосубтилина» (0,72 ед. протеазы/г сырья) с «Целлюлазой-100» (3,68 ед. целлюлазы и 0,82 ед. пектиназы/г сырья) или «Целловиридином» (1,92 ед. целлюлазы/г сырья). В этих вариантах не наблюдается потерь липидов за счет перехода в жидкую фазу гидролизата, масличность сырья повышается в 2 раза (до 20,9—21,9%), выход масла составляет 72% к масличности исходного сырья.

Экстракцию масел и витаминов из обогащенного сырья производят концентрированным этанолом при температуре кипения экстракционной смеси. После отделения экстракта фильтрацией к нему добавляют воду с целью понижения растворимости липидов и из образовавшейся эмульсии выделяютсырое масло. Первую фильтрацию масла проводят сразу после его отделения от водно-спиртового раствора, при этом удаляется белково-липидная фаза. Вторая фильтрация, для отделения фракции восков, проводится после вымораживания продукта. Этанол как пищевой растворитель имеет то преимущество, что не требуется его полное удаление из продукта.

Из сырья достаточно высокой масличности с низким содержанием белка масла и витамины могут быть экстрагированы без предварительного обогащения сырья. Классический пример такого сырья — ягоды бересклета с масличностью 32—45% и пористой, хорошо проницаемой структурой, представленной преимущественно полисахаридными компонентами. Прямая экстракция позволяет получать из ягод бересклета витаминизированное масло с высоким содержанием каротиноидов и токоферолов. Выделение масла из экстракта и его очистка производится по той же схеме, что при получении масла из обогащенного сырья зерновых культур (см. рис. 3.6).

Из некоторых видов низкомасличного сырья, таких как плоды жимолости, бузины, жом плодов облепихи, также можно достаточно полно экстрагировать масло, каротиноиды и токоферолы без предварительного обогащения сырья. Но в этих случаях выделяемые из экстрактов конечные продукты имеют при комнатной температуре не жидкую, а пастообразную консистенцию.

Витаминные препараты содержат водно-спиртовую фазу, количество которой может сильно варьировать. В составе нелетучих компонентов вещества, экстрагируемые хлороформом, составляют более 90%, что свидетельствует о липидной природе препаратов. Пастообразная консистенция может быть связана как с жирнокислотным составом глицеридов, так и с присутствием восков, белков и пектиновых веществ.

Пастообразные препараты, названные липидными витаминными продуктами, обладают высокой стабильностью витаминных компонентов, чему способствует присутствие спиртовой фазы, по-этому фракционирование ЛВП нецелесообразно.

При получении витаминизированных масел и ЛВП методом спиртовой экстракции, как правило, достигается высокий выход масла — не менее 70% к масличности сырья. Выход витаминных компонентов определяется двумя факторами: степенью их экстракции из сырья и фазовым распределением на стадии выделения конечного продукта, которое, в свою очередь, зависит от коэффициентов распределения витаминов в системе масло — водно-спиртовый раствор и соотношения объемов этих фаз.

Выход каротиноидов составляет 17—53%, токоферолов — 2,7— 31,1% к содержанию в сырье. Концентрация витаминных компонентов в конечных продуктах достигает очень высоких величин: в маслах каротиноидов — до 279, токоферолов — до 1277 мг в 100 г масла, в ЛВП — соответственно до 1597 и 8798 мг в 100 г нелетучих веществ. Витаминные компоненты стабильны в процессе хранения масел и ЛВП.

Концентрацию и соотношение каротиноидов и токоферолов в препаратах можно регулировать, используя смешанное растительное сырье различного состава, а также изменяя параметры процесса на стадии выделения конечного продукта. Эти возможности в сочетании с высоким выходом суммарных липидов характеризуют процесс этанольной экстракции как технологически перспективный.

Спирто-масляная и масляная экстракция. Используется при получении витаминизированных масел из низкомасличного сырья. Она может быть рекомендована в двух случаях. Во-первых, для извлечения витаминов из сырья с очень низкой масличностью, когда с помощью спиртовой экстракции нельзя получить витаминизированное масло или ЛВП с технологически значимым выходом по массе и содержанию витаминов. Во-вторых, когда из сырья можно извлечь этанолом масло и витамины с достаточной полнотой, но витаминный препарат имеет форму липидного продукта, что неудобно при его использовании.

Примером первой категории является получение масляных растворов каротиноидов из томатного сырья. К числу разновидностей сырья с очень низкой масличностью, к которым целесообразно применять спирто-масляную экстракцию, относятся также плоды шиповника, рябины, калины.

Пример второй категории — получение облепихового масла из жома плодов. При необходимости иметь масляную форму препарата спирто-масляная экстракция применима также к плодам жимолости, бузины.

Спирто-масляная экстракция имеет свои преимущества и недостатки. Сочетание двух экстрагентов, из которых один (этанол) легко проникает в сырье, а другой имеет высокое сродство к жирорастворимым витаминам, дает возможность быстро и достаточно полно извлекать последние из сырья. За счет использования гидрофобного экстрагента повышается доля (3-каротина в сумме каротиноидов масляной фазы, а выход суммарных каротиноидов в масле достигает 80% к содержанию в сырье. Препараты получают в виде масляных растворов, а концентрацию витаминов в них можно регулировать, изменяя массово-объемное соотношение сырье : этанол : масло.

Недостаток метода — изменение жирнокислотного состава витаминного препарата, который соответствует уже не сырью, а маслу- экстрагенту (вклад жирнокислотного состава сырья невелик). Однако этот недостаток значителен лишь в тех случаях, когда сырье содержит особо ценные жирные кислоты, отсутствующие в масле-экстрагенте.

Для спирто-масляной экстракции используют измельченное сухое или обезвоженное влажное сырье. С целью повышения степени экстракции витаминов и чистоты препаратов сырье может быть предварительно обогащено путем ферментации. Состав ферментных комплексов подбирают в соответствии с характером локализации целевого компонента, его связи с полимерами сырья. Например, для ферментации томатов и продуктов его переработки используют препараты с пектолитической активностью — «Целлюлазу-100» и «Пек- тофоетидин». В результате ферментации и отделения жидкой фазы содержание каротиноидов в пересчете на СВ значительно возрастает — в 7,5—11 раз в свежем сырье и томатной пасте соответственно.

Измельченное сухое сырье смачивают расчетным количеством этанола и выдерживают несколько минут для полного проникновения экстрагента в структуру сырья. Обезвоженное влажное сырье размешивают в этаноле до получения однородной массы. В обоих случаях расход этанола составляет 1—3 мг/г сырья. Затем добавляют расчетное количество масла (1—3 г/г сырья) и проводят экстракцию в течение 20—30 мин при температуре кипения экстракционной смеси и ее непрерывном перемешивании. После отделения экстракта его охлаждают до 10-15 °С и проводят разделение фаз. Схема получения масляных препаратов каротиноидов из томатного сырья представлена на рис. 3.7.

Выход витаминов из одной порции сырья можно повысить повторной экстракцией их из шрота. Для получения высококонцентрированных масляных растворов витаминов проводят многократное насыщение масла путем экстракции свежих порций сырья. В этом случае шрот повторно не экстрагируют, а масляную фазу экстракта первой стадии используют как экстрагент в новом цикле, который проводят при том же соотношении сырье : этанол : масло, и т.д.

Применительно к этому сырью метод спирто-масляной экстракции дает высокие технологические показатели. Выход каротиноидов в масляных экстрактах, полученных по двухстадийной схеме (с экстракцией шрота), составляет не менее 80% к содержанию в сырье, концентрация каротиноидов — до 136 мг/100 см3. При многократном насыщении масла-экстрагента концентрация каротиноидов составила более 400 мг/100 см3.

Сорбция на гидрофильных носителях. Используется в технологии водорастворимых препаратов каротиноидов и токоферолов. Водорастворимые препараты каротиноидов и токоферолов (ВПК и ВПТ) получают по общей схеме, включающей спиртовую экстракцию каротиноидов или токоферолов из сырья, соединение экстракта с водным раствором гидрофильного носителя, выдержку смеси в условиях,

Получение масляных препаратов каротиноидов из томатного сырья

Рис. 3.7. Получение масляных препаратов каротиноидов из томатного сырья

необходимых для сорбции витаминов, отделение продукта сорбции и перевод его в конечную форму — сухого препарата или водного раствора (рис. 3.8).

Варианты технологии различаются способом подготовки сырья к экстракции витаминов и конкретными технологическими параметрами. При растворении в воде ВПК и В ПТ должны давать однородные коллоидные растворы типа золя, не содержащие свободных липидов. Прочносвязанные липиды, экранированные в составе препаратов и не

Получение водорастворимых препаратов каротиноидов

Рис. 3.8. Получение водорастворимых препаратов каротиноидов

и токоферолов

влияющие на их гидрофильный характер, должны быть представлены каротиноидами и (или) токоферолами. Соответственно из них и должна преимущественно состоять липидная фракция экстракта. Другие липиды, даже если они прочно связываются с носителем и не изменяют общего гидрофильного характера продукта сорбции, снижают сорбционную емкость носителя в отношении витаминов и чистоту препарата.

Для уменьшения примеси посторонних липидов предпочтительно получать витаминные экстракты из низкомасличного сырья (калины, рябины, шиповника, томатного сырья). Удаление посторонних липидов достигается также оптимизацией параметров экстракции. Так, полная экстракция токоферолов возможна при концентрации этанола 50—80%, что значительно снижает степень перехода в экстракт фракций глицеридов и восков. Для очистки экстрактов от белково-липидной фракции их вымораживают и фильтруют до прозрачности.

Экстрагент витаминов должен неограниченно смешиваться с водой, что необходимо для образования однородной среды при соединении экстракта и водного раствора гидрофильного носителя на стадии сорбции. Этому требованию удовлетворяет этанол и некоторые другие спирты. Известные преимущества этанольной экстракции витаминов объясняют выбор этанола в качестве экстрагента.

Способ подготовки сырья к экстракции зависит от вида сырья. Так, при получении экстракта каротиноидов из томатной пасты эффективна ферментативная обработка, повышающая концентрацию каротиноидов в сырье. При извлечении каротиноидов из свежего томатного сырья проводится предварительное извлечение фракции антоцианов и других веществ, растворимых в 40%-м этаноле. Экстракция токоферолов из сочных плодов (калина, рябина, шиповник) проходит с высокой полнотой без предобработки. Влажное сырье перед экстракцией каротиноидов должно быть обезвожено промыванием этанолом, поскольку экстракция каротиноидов проводится концентрированным этанолом.

Экстракты, передаваемые на стадию сорбции, не должны содержать взвешенных частиц. При получении экстрактов каротиноидов томата это достигается за счет обработки сырья перед экстракцией, а при получении экстрактов токоферолов из плодового сырья — вымораживанием экстракта с последующей фильтрацией.

Процесс сорбции оптимизируется для конкретного продукта. Величина удельной сорбции зависит от вида сорбента, концентраций витамина, сорбента и этанола в среде, температуры и продолжительности экспозиции. В качестве универсальных носителей для каротиноидов и токоферолов могут быть названы пектины и белки. Сорбция каротиноидов происходит очень быстро—даже при комнатной температуре не более чем за 20 мин, а для сорбции токоферолов требуется выдержка на холоде в течение 2 ч.

Выбор концентрации этанола на стадии сорбции определяется влиянием на величину удельной сорбции и формирование осадка продукта сорбции. Очевидно, что в водно-этанольной среде полнота сорбции гидрофобных веществ на гидрофильные носители тем выше, чем ниже концентрация этанола. Окончательный выбор зависит от способа выделения продукта сорбции. Если продукт отделяют фильтрацией, то концентрация этанола должна быть достаточной для полного осаждения продукта. Такие носители, как пектины, целлюлоза, гемицеллюлозы, хорошо осаждаются при концентрации этанола 50%. Полнота осаждения белков достигается при различных концентрациях этанола, в зависимости от их молекулярной массы и величины pH изоэлектрической точки. При использовании мембранной технологии продукты сорбции можно отделять и при низкой концентрации этанола.

Рациональная концентрация витаминов в конечном продукте определяется практическими соображениями. В одностадийном процессе сорбции токоферолов достигается их концентрация 100— 250 мг/г препарата. Этого вполне достаточно для использования ВПТ в пищевой промышленности, косметике, медицине и ветеринарии.

При сорбции каротиноидов из экстрактов свежего томатного сырья удельная сорбция составляет 20—30 мг/г сорбента (пектина). Ее можно повысить путем повторной сорбции каротиноидов из экстракта до 100 мг/г и более. В одностадийной сорбции сходные показатели достигаются при использовании концентрированных экстрактов каротиноидов, получаемых многократной экстракцией свежих порций сырья одной порцией экстрагента. Насыщенные ВПК (более 80 мг/г) плохо растворяются в воде, что ограничивает предел концентрирования каротина.

Водорастворимые препараты каротиноидов и токоферолов могут храниться и использоваться в двух формах — сухой и в виде водного раствора. Обе формы достаточно стабильны при хранении.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>