Способ получения сухого пектинового экстракта из растительного сырья и способ получения пектина из растительного сырья

 

Назначение: изобретение относится к пектиновому производству, в частности к способам получения пектина и пектинопродуктов, предназначенных для использования в консервной, кондитерской, хлебо-пекарной промышленности, фармакологии и медицине. Сущность изобретения: проводят гидролиз-экстракцию пектиновых веществ действием электроактивированной воды с pH 1,2-2,5, выделяют пектиновые вещества, концентрируют их и сушат путем распыления при температуре сушильного агента 80-180^oC. Высушенный пектиновый экстракт обрабатывают смесью этанола и электроактивированной воды с pH 1,5-1,9, крепостью 55-70 об. % в течение 1,5-2,5 ч с последующей обработкой этанолом в течение 5-30 мин. 2 с.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к пектиновому производству, а именно к способам получения пектина и пектинопродуктов, которые предназначены для производства пищевых продуктов массового спроса, профилактического и лечебного назначения в консервной, кондитерской, хлебопекарной промышленности, фармакологии и медицине.

Известен способ получения яблочного пектина из сушеных выжимок, включающий следующие операции: двух-трехкратную промывку сырья водой, гидролиз разбавленными растворами кислот, отделение гидролизата, дополнительное экстрагирование выжимок водой, отделение экстраткта и смешивание его с гидролизатом, очистку экстракта от механических примесей, его концентрирование в вакуум-выпарных установках, сушку концентрата в вальцовой сушилке с получением порошка [1] При получении конечного продукта в виде пектинового концентрата или порошка, вырабатываемого путем высушивания концентрата, для гидролиза используют органическую, например, молочную кислоту или сернистый ангидрид. Порошок, получаемый по данному способу, на две трети состоит из сопутствующих продуктов гидролиза, т.е. балластных по отношению к пектину веществ. Кроме того, применение молочной кислоты для гидролиза приводит к получению конечного продукта темно-коричневого цвета со специфическим запахом и привкусом молочной кислоты, что затрудняет его применение для производства пищевых продуктов. Применение сернистого ангидрида для гидролиза также имеет ряд недостатков: высокая химическая активность его требует использования оборудования из высокопрочных материалов (нержавеющая сталь легко разъедается водным раствором сернистого ангидрида -сернистой кислотой), герметизации оборудования (из-за высокой летучести сернистого ангидрида), условия труда на таком производстве являются вредными из-за невозможности полной герметизации оборудования. При концентрировании (при высокой температуре) пектинового экстракта, содержащего сернистый ангидрид, происходит частичная или полная деградация пектиновых веществ, ухудшение качественных показателей продукта. Кроме того, остатки сернистого ангидрида, которые не удаляются даже при длительной термической обработке, чрезвычайно вредны для человека.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения пектина [2] по которому пектиновый концентрат, полученный с использованием молочной кислоты или сернистого ангидрида, сначала высушивают в вальцовой сушилке, затем промывают спиртом. Очищенный пектин высушивают, измельчают.

Недостатком способа является высокая температура сушки пектинового концентрата в вальцовой сушилке, что приводит к термической деградации молекул пектина, снижению качества продукта. Кроме того, применение вальцовой сушилки приводит к необходимости проведения дополнительной технологической стадии измельчения получаемого в виде пластинок продукта в порошок. Применение в качестве гидролизующего агента молочной кислоты отрицательно сказывается на органолептических показателях получаемого продукта: он имеет темно-коричневый цвет, специфический привкус и запах, что ограничивает его применение для пищевых продуктов. Использование сернистого ангидрида к необходимости применения оборудования из высокопрочных материалов либо со специальным покрытием, ухудшает условия труда, вызывает деградацию пектина при термической обработке пектиновых экстрактов.

Процесс очистки сухого пектинового экстракта от балластных веществ, остатков молочной кислоты или сернистого ангидрида многостадиен и чрезвычайно длителен, вследствие чего является трудоемким, требует большого количества оборудования для обеспечения высокой производительности линии, приводит к большим потерям спирта.

Целью изобретения является упрощение и удешевление способа, улучшение качества пектинопродуктов и пектина.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получение пектиносодержащих продуктов и пектина, заключающемся в подготовке пектиносодержащего сырья, гидролизе-экстрагировании пектиновых веществ, выделении, концентрировании и сушке пектинового экстракта, спиртовой очистке сухого пектинового экстракта, сушке и измельчении пектина, гидролиз-экстрагирование пектиновых веществ проводят водой, подвергнутой электромембранной обработке, с pH 1,2-2,5, концентрированный пектиновый экстракт сушат распылением при температуре сушильного агента 80-180^oC с возможностью использования полученного пектиносодержащего полуфабриката в качестве готового продукта. Очистку сухого пектинового экстракта проводят в две стадии. На первой стадии используют смесь этилового спирта и воды, подвергнутой электромембранной обработке и имеющей значение pH 1,5-1,9, крепостью 55-70 об. в течение 1,5-2,5 ч, а на второй стадии применяют этиловый спирт крепостью 94-96 об. в течение 5-30 мин.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что гидролиз-экстрагирование пектиновых веществ проводят водой, предварительно подвергнутой электромембранной обработке, с pH 1,2-2,5 при температуре 75-95^oC, концентрированный пектиновый экстракт сушат при температуре сушильного агента 80-180^oC с возможностью использования полученного пектиносодержащего полуфабриката в качестве готового продукта, очистку сухого концентрированного пектинового экстракта проводят в две стадии, причем на первой стадии используют смесь этилового спирта и воды, подвергнутой электромембранной обработке, с pH 1,5-1,9, крепостью 55-70 об. в течение 1,5-2,5 ч, при соотношении масс продукта и водно-спиртовой смеси 1:(13-17).

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемсого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию "Существенные отличия".

Способ осуществляют следующим образом.

Пектиносодержащее сырье (яблочные, цитрусовые, виноградные выжимки, свекловичный жом, морковь и др.) в свежем виде подвергают промывке водой с температурой 30-80^oC в течение 20-40 мин. При использовании сушеного сырья проводят его промывку-набухание водой температурой 30-80^oC в течение 20-30 мин. При промывке из сырья экстрагируются водорастворимые вещества (сахара, крахмал, красящие и др.), удалются также минеральные примеси. Подготовленное таким образом сырье подвергается гидролизу-экстрагированию при температуре 75-95^oC в течение 1,5-2,5 ч при постоянном перемешивании и при соотношении подготовленного сырья и гидролизующего агента 1 (1,5-3,0).

В качестве гидролизующего агента используют воду с pH 1,2-2,5, предварительно обработанную в электромембранной установке.

По окончании процесса гидролиза-экстрагирования производят разделение гидролизной массы одним из известных способов: прессованием, центрифугированием, на стекателе и др. с выделением пектинового экстракта. Экстракт очищают от частиц сырья известными способами: фильтрованием, сепарированием, отстаиванием и др. Очищенный пектиновый экстракт концентрируют, удаляя часть воды путем выпаривания в вакуум-выпарных аппаратах, роторно-пленочных испарителях, путем ультрафильтрации, криоконцентрирования и др. до содержания пектиновых веществ в концентрированном продукте 1,5-3,5% (в зависимости от вида экстракта). Концентрированный пектиновый экстракт сушат в распылительной сушилке горячим воздухом температурой 140-180^oC на выходе из рабочей камеры. Сухой концентрированный пектиновый экстракт содержит от 30 до 60% пектиновых веществ, не содержит вредных примесей и может быть использован для производства пищевых продуктов массового спроса и профилактического назначения, лечебного питания. Содержание пектиновых веществ в сухом пектиновом экстракте может быть увеличено до необходимости значения путем его спиртовой очистки до получения пектина, соответствующего ГОСТ. Очистку проводят в две стадии этиловым спиртом.

На первой стадии используют смесь спирта крепостью 92-96 об. и воды с pH 1,5-1,9, полученной электромембранной обработкой. Концентрация спирта в полученной смеси 55-70 об. Промывку проводят при периодическом перемешивании в течение 1,5-2,5 ч, соотношение масс продукта и водно-спиртовой смеси 1: (13-16). По окончании первой стадии промывки жидкая фаза сливается, а твердая частями спирта крепостью 94-96% на 5-30 мин, затем спирт сливают. Очищенный продукт сушат под вакуумом при температуре 45-70^oC, затем измельчают до частиц размером не более 0,5 мм и, при необходимости, купажируют с другими партиями с целью получения стандартизированного по качеству пектина.

Использование электроактивированной воды с pH 1,2-2,5 в качестве гидролизующего агента на стадии гидролиза-экстрагирования протопектина вместо минеральных или органических кислот обеспечивает высокий выход пектина при высоком качестве, не загрязняет пектиновый экстракт остатками химических реагентов (поскольку кроме воды никакие другие реагенты не используются), создают благоприятные условия труда, позволяет использовать стандартизированное оборудование, (также не предъявляется особых требований к материалу оборудования), организовать экологически чистое производство, удешевить организацию производства.

Электроактивированная вода с pH 1,2-2,5 может быть получена различными способами: на электродиализных установках с биполярными и анионитовыми мембранами, в электролизерах с полупроницаемой мембраной, электромагнитным способом и др.

Применение в качестве гидролизующего агента воды, полученной электромембранной обработкой, с pH менее 1,2 экономически нецелесообразно, т.к. получение такой воды связано со значительными энергетическими затратами. Применение данной воды не приводит к существенному увеличению выхода пектина, качество же его при этом снижается из-за "жестких" режимов гидролиза.

Использование электроактивированной воды с pH более 2,5 не обеспечивает создания условий, необходимых для эффективного гидролиза протопектина, выход пектина очень низкий.

Сушка концентрированного пектинового экстракта распылением обеспечивает получение порошкообразного сухого продукта, не требующего дополнительного измельчения, что выгодно отличает предлагаемый способ от прототипа.

Сушка концентрированного пектинового экстракта при температуре сушильного агента на выходе 140-180 и 80-105^oC на выходе обеспечивает получение сухого пектинового экстракта влажностью 7-10% при этом не происходит ухудшения органолептических (потемнение, подгорелый запах и др.) и физико-химических (содержание пектина, комплексообразующая и студнеобразующая способности продукта) и других показателей, поскольку температура самого продукта при сушке не превышает 120^oC, цвет получаемого продукта зависит от исходного сырья, например, светло-коричневый цвет характерен для пектиносодержащего сухого продукта, полученного из яблочного сырья, светло-серый из свекловичного жома. При температуре сушильного агента на входе более 180^oC и на выходе более 105^oC происходит подгорание получаемого продукта, ухудшение его качества вследствие термической деградации молекул пектина. При использовании сушильного агента с температурой менее 140^oC на входе и 80^oC на выходе пектиновый экстракт не успевает высохнуть до равновесной влажности, вследствие чего получаемый продукт имеет влажность от 15 до 30% налипает на стенки рабочей камеры в виде клейкой массы, собрать которую без огромных потерь и высушить каким-либо способом невозможно. В этом случае продукт полностью теряется.

Использование для проведения очистки сухого концентрированного пектинового экстракта смеси спирта и воды с pH 1,5-1,9 полученной электромембранной обработкой, крепостью 55-70 об. позволяет достичь необходимого значения реакции среды, при котором происходит удаление из пектиносодержащего продукта водо- и спирторастворимых балластных по отношению к пектину веществ: сахаров, крахмала, красящих веществ, органических кислот и др. Применение на первой стадии очистки водно-спиртовой смеси крепостью менее 55 об. приводит к значительным потерям целевого продукта, поскольку при низком содержании спирта происходит растворение части пектина в жидкой фазе и удаление вместе с ней по окончании очистки. Использование водно-спиртовой смеси крепостью более 70 об. не позволяет достичь заданной степени очистки, поскольку при этом из порошка извлекается лишь незначительная часть водорастворимых балластных веществ. В случае снижения pH среды на первой стадии очистки, т.е. использования электроактивированной воды с pH менее 1,5 происходит кислотная деградация пектиновых веществ (снижение молекулярной массы, деэтерификация карбоксильных групп), что приводит к резкому ухудшению качества продукта (темный цвет, низкая студнеобразующая способность). Применение электроактивированной воды с pH более 1,9 не обеспечивает заданной степени очистки из-за недостаточной кислотности реакционной среды, необходимо проведение дополнительной стадии очистки. Поскольку основная часть балластных веществ удаляется из продукта на первой стадии очистки, то ее продолжительность зависит от содержания пектина в исходном продукте, от требуемой степени очистки и составляет 1,5-2,5 ч для получения пектина с чистотой 70-80% из сухого экстракта с содержанием пектина 35-40% Увеличение продолжительности очистки более 2,5 ч не приводит к значительному увеличению содержания чистого пектина в целевом продукте, поскольку за 2,5 ч очистки устанавливается равновесие между концентрацией балластных веществ в твердой и жидкой фазах и дальнейшее растворение балласта невозможно. Сокращение продолжительности первой стадии очистки (менее 1,5 ч) приведет к недостаточной очистке продукта, поскольку большая часть балластных веществ не успеет раствориться в водно-спиртовой смеси. Небольшая продолжительность первой стадии очистки обусловлена отсутствием в сухом пектиновом экстракте остатков химических реагентов (например, кислот) и наличием лишь легкорастворимых в воде и спирте балластных веществ.

Количество смеси спирта и электроактивированной воды, необходимое на первой стадии очистки, зависит от содержания пектина в исходном сухом пектиновом экстракте и целевом продукте. Для получения стандартного пектина (с чистотой 70-80%) из сухого экстракта с содержанием пектина 35-40% необходимо обеспечить соотношение масс сухого экстракта и водно-спиртового раствора 1 (13-17).

Вторую стадию очистки проводят спиртом крепостью 94-96 об. с целью улучшения структуры осадка, его обезвоживания. Получаемый "воздушно-сухой" осадок хорошо сушится, не подгорает, не комкуется. При крепости спирта менее 94 об. получается липкий осадок, он "спекается" при сушке, плохо отдает влагу, качество сухого пектина при этом снижается из-за увеличения продолжительности сушки. При продолжительности второй стадии очистки менее 5 мин осадок не успевает укрепиться, остается липким, что затрудняет сушку. Увеличение продолжительности второй стадии очистки (свыше 30 мин) нецелесообразно, поскольку улучшения качества продукта при этом не происходит.

Пример 1. 110 кг свежих яблочных выжимок влажностью 80% промывают водой при температуре 45^oC в течение 30 мин. Затем промывную воду отделяют прессованием и проводят гидролиз выжимок электроактивированной водой с pH 2,0, полученной в электромембранной установке при следующих параметрах: концентрация рабочего раствора соли (хлорида натрия) 0,5% удельный расход электроэнергии 0,7 кВт.ч./м³. Гидролиз проводят при температуре 85^oC, соотношении выжимки экстрагент 1: 2 в течение 2,0 ч. По окончании процесса отделяют пектиновый экстракт, содержащий 1,8% растворимых сухих веществ (СВ) и из них 0,8% пектиновых веществ (ПВ). Экстракт концентрируют в роторно-пленочном испарителе до содержания СВ=6,7% и ПВ=3,0% затем концентрат сушат в распылительной сушильной установке воздуха, имеющего температуру на входе в сушильную камеру 160^oC и на выходе из нее 95^oC. Получают сухой пектиновый экстракт в количестве 16,1 кг. Он имеет влажность 8,0% и содержит 41% пектиновых веществ, не включает вредных веществ и является продуктом пищевого достоинства. Студнеобразующая способность такого продукта составляет 350-400 мм рт.ст. что соответствует пектину яблочному (ОСТ III-3-82), I сорту и позволяет использовать сухой пектиновый экстракт в качестве студнеобразователя для различных пищевых продуктов (мармелад, желе и др.).

Для получения пектина из сухого пектинового экстракта проводят его спиртовую очистку в две стадии: сначала сухой пектиновый экстракт в количестве 2,1 кг заливают 31,5 л смеси спирта крепостью 94 об. и электроактивированной воды с pH 1,7 (q 1:15). Количество спирта и электроактивированной воды для приготовления смеси рассчитывают так, чтобы содержание спирта в смеси составляло 60 об. (20,1 л спирта и 11,4 л воды). Продолжительность промывки 2 ч, пектино-спирто-водную смесь периодически перемешивают для обеспечения более полного контакта жидкой и твердой фаз. По окончании промывки водно-спиртовую фазу сливают через фильтрующую поверхность, а осадок заливают спиртом крепостью 94 об. в количестве 12,6 л и проводят II стадию очистки в течение 20 мин при периодическом перемешивании. Жидкую фазу сливают, пектин сушат в вакуум-сушилке до влажности 10% при температуре 45-60^oC. Сухой пектин измельчают. Количество сухого пектина 1,15 кг, выход из сырья -8% на сухую массу. Пектин имеет следующие показатели: содержание чистого пектина 75% студнеобразующая способность 600-630 мм рт.ст.

Пример 2. Свежий свекловичный жом (влажностью 90%) в количестве 110 кг промывают водой температурой 30^oC в течение 40 мин при соотношении жома и воды 1: 3. Промытый жом заливают электроактивированной водой с pH 1,2. Гидролиз проводят при температуре 75^oC, соотношении жома и экстрагента 1:1,5 в течение 2,5 ч. Полученный экстракт содержит 1,8% СВ и 0,6% ПВ, его концентрируют до содержания СВ=7,5% ПВ 2,5% Сухой пектиновый экстракт получают путем распыления в установке при температуре сушильного агента на входе 150^oC, на выходе 100^oC. Получают 2,9 кг сухого продукта, имеющего влажность 10% содержащего 31% ПВ. Студнеобразующая способность сухого экстракта 200-210 мм рт.ст. Сухой экстракт может использоваться в продуктах профилактического назначения, напитках и др. Для получения пектина сухой экстракт очищают: 1 стадия смесью спирта крепостью 94 об. и электроактивированной водой с pH 1,5, содержание спирта в смеси 55 об. продолжительность очистки 2,5 ч.

2 стадия очистки: осадок заливают 12,6 л спирта крепостью 96 об. и проводят очистку в течение 5 мин при перемешивании. Жидкую фазу сливают, пектин сушат в вакуум-сушилке при температуре 45-60^oC. Сухой пектин измельчают, получают 1,27 кг пектина, выход составляет 10% (на сухую массу). Чистота пектина 70% студнеобразующая способность 400-420 мм рт.ст. комплексообразующая способность 180 мг Pb²⁺/г пектина.

Пример 3. Сушеный свекловичный жом в количестве 12,8 кг (влажность 14%) промывают водой в количестве 128 л при температуре 30^oC в течение 40 мин, затем промывную воду сливают. Набухший жом в количестве 64 кг заливают 192 л электроактивированной воды с pH 1,5. Гидролиз проводят при температуре 95^oC в течение 2,5 ч. Полученный пектиновый экстракт с содержанием 1,8% СВ и 0,6% ПВ концентрируют до содержания ПВ=3,5% затем сушат распылением в сушильной установке при температуре сушильного агента на входе 140^oC и на выходе 80^oC до влажности 10% Сухой пектиновый экстракт получают в количестве 3,5 кг, он содержит 31% ПВ, имеет студнеобразующую способность 200-220 мм рт.ст. область применения для производства продуктов профилактического назначения. Для получения стандартизированного пектина сухой пектиновый экстракт очищают в две стадии. На первой стадии 3,55 кг сухого пектинового экстракта заливают 60,35 л (q 1:17) смеси спирта крепостью 94 об. и электроактивированной воды с pH 1,7 (содержание спирта в смеси 60 об.), продолжительность промывки 1,9 ч.

На второй стадии осадок заливают 12,6 л спирта крепостью 94 об. и проводят очистку в течение 12 мин при периодическом перемешивании. Очищенный пектин сушат, измельчают. Выход пектина -12% студнеобразующая способность 420-430 мм рт.ст.

Примеры 1-7 сведены в таблицу.

Использование предлагаемого способа по сравнению с известным позволяет: упростить способ получения пектина, сократив стадию измельчения сухого пектинового экстракта; снизить требования к материалам рабочей поверхности оборудования, продлить срок службы оборудования; улучшить условия труда работающих; улучшить органолептические и физико-химические показатели сухого пектинового экстракта и пектина; расширить область применения сухого пектинового экстракта, разработать ассортимент новых пищевых изделий с его использованием.

Примеры выполнения способа приведены в таблице.

Формула изобретения

1. Способ получения сухого пектинового экстракта из растительного сырья, включающий подготовку пектиносодержащего сырья, гидролиз-экстрагирование пектиновых веществ, выделение, концентрирование и сушку пектинового экстракта, отличающийся тем, что гидролиз-экстрагирование пектиновых веществ проводят электроактивированной водой с рН 1,2 2,5, а сушку пектинового экстракта проводят путем распыления при температуре сушильного агента 80 180^oC.

2. Способ получения пектина из растительного сырья, включающий спиртовую очистку сухого пектинового экстракта, сушку и измельчение пектина, отличающийся тем, что сухой пектиновый экстракт, полученный путем гидролиза-экстрагирования пектиновых веществ электроактивированной водой с рН 1,2 2,5, концентрированием и сушкой пектинового экстракта распылением при температуре сушильного агента 80 180^oC, очищают в две стадии, причем на первой стадии экстракт обрабатывают смесью этилового спирта и электроактивированной воды с рН 1,5 1,9 крепостью 55 70 об. в течение 1,5 2,5 ч, а на второй стадии очистку проводят этиловым спиртом в течение 5 30 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2