Способ получения пектина и пищевых волокон с использованием электрохимически активированной воды

Пектин - полисахарид, который в достаточном количестве содержится в растительном сырье - плодах, овощах, корне- и клубнеплодах, яблочных и цитрусовых выжимках и других вторичных ресурсах. В то же время создалась парадоксальная ситуация: пектин не стал дешевым и доступным в питании человека. Стоимость пищевого пектина составляет 25-35 долларов США за 1 кг, медицинского в зависимости от чистоты - 60-120 долларов США. При этом средняя кондитерская фабрика потребляет около 10 т продукта в месяц [1].

Свекловичный пектин обладает высоким защитным (протекторным) действием, т.е. способностью выводить из организма ядовитые вещества и радионуклиды.

За счет наличия в пектиновых веществах свободных карбоксильных групп галактуроно-вой кислоты в желудочно-кишечном тракте связываются ионы тяжёлых металлов и радионуклиды с последующим образованием нерастворимых комплексов (пектинаты, пектаты), которые выводятся из организма [2].

Пектин обладает свойством сорбировать и выводить из организма микроорганизмы и выделяемые ими токсины, а также другие ксенобиотики, способные накапливаться в организме: холестерин, желчные кислоты и другие.

В Российской Федерации ценным источником пектина является свекловичный жом (отход свеклосахарного производства), так как другие виды пектинсодержащего сырья не могут конкурировать с ним по низкой стоимости и имеющимся ресурсам [3].

Предлагавшиеся ранее способы производства пектина были громоздкими, с низким уровнем аппаратурно-технологического оформления и значительными затратами реагентов, не обеспечивали благоприятных условий труда, создавали значительные экологические проблемы.

Классическая технология получения пектина из растительного сырья, или как еще ее называют «кислотно-спиртовая», состоит из следующих основных этапов: подготовка сырья, гидролиз растительной массы, коагуляция пектина этиловым спиртом или солями металлов, последующая промывка коагулята спиртом, сушка пектина, его помол, просеивание через сита, стандартизация и упаковка.

Для выделения пектина из растительных тканей применяли горячую воду, растворы кислот, щавелевокислый и лимоннокислый аммоний, полифосфаты. Свойства извлеченного пектина зависят не только от методов экстрагирования, но и от состояния сырья.

Основными факторами, влияющими на процесс гидролиза, являются: скорость набухания растительной ткани и проникновения кислоты в клетку, концентрация кислоты в экстрагенте, температура процесса и его продолжительность.

Взаимодействие перечисленных факторов достаточно сложно. Приведенные факторы на различных стадиях процесса могут оказывать разное влияние и в итоге скорость и направление гидролиза могут различаться. В частности, увеличение температуры интенсифицирует многие стадии процесса (набухание и проникновение кислоты в растительную клетку для расщепления протопектина), при этом способствует разрушению и деполимеризации пектиновой молекулы, что значительно ухудшает качество получаемого пектина.

В производстве пектина для более полного его извлечения из прогидролизованной пектинсодержащей массы применяют прессование, экстрагирование в системе больших соотношений «твердое тело-экстрагент», прямоточно-противоточный способ и комбинацию указанных процессов и способов.

После центрифугирования и фильтрования для удаления твердых частиц из экстракта, его сгущают на установке вакуум-выпаривания.

Для перевода пектина из раствора в сгущенный экстракт используется спирт этиловый с массовой долей 95 %. Полученный осадок пектина несколько раз промывается спиртом для его очистки от балластных примесей и ионов кислоты, использованной в процессе гидролиза. После каждой промывки осажденный пектин отделяется от спирта, прессуется и сушится. Разбавленный и загрязненный в процессе осаждения и промывки спирт нейтрализуется, очищается и возвращается в производство.

Данная технология требует также установки энергоёмкого отделения ректификации спирта для его регенерации и возвращение в производственный цикл.

Полученный осадок пектина подвергается сушке на барабанной сушилке до получения хлопьев пектина. Барабанная сушилка коагулята малоэффективна, сложна, энергоемка, трудна в эксплуатации. После сушки проводится помол пектина, его стандартизация и упаковка.

Такая технология не позволяет получать из одного сырья и пектин, и ПВ, так как в их основе лежало использование минеральных кислот. Агрессивные технологические среды, создаваемые для получения пектина (рН 0,8-1,2) исключали выделение ПВ, ввиду термохимической деградации последних. При получении же ПВ, напротив, мягкие условия экстракции не позволяли выделять пектин, хотя какое-то его количество терялось в промывных водах.

Целью работы является совершенствование режимов получения пектина из свекловичного жома с использованием в качестве экстрагента электрохимически активированной (ЭХА) воды. Применение такого способа позволяет смягчить процесс гидролиза-экстрагирования, что способствует не только повышению выхода и качества пектина, но и дает возможность дальнейшей переработки сырья на ПВ.

Принципиальная схема получения пектина и пищевых волокон из растительного сырья представлена на рисунке.

В результате проведенных исследований разработаны режимы проведения процесса гидролиза-экстрагирования пектина из растительного сырья (таблица 1).

Т а б л и ц а 1 Режимы получения пектина из растительного сырья

Сырье для получения пектина	Разработанный режим получения пектина
	рН	Температура, °С	Продолжительность, мин	Гидромодуль
Свекловичный жом	2,5	65	90	1:8

Экспериментально установлено, что при рН ЭХА воды более 2,5 не обеспечивается требуемая степень гидролиза, при этом выход пектина снижается, так как в значительной степени экстрагируется растворенный пектин, содержащийся в исходном сырье. Значение рН ЭХА воды ниже 2,5 не только увеличивает энергозатраты на получение анолита с таким рН, но создает очень жесткие условия гидролиза. Такое сильное кислотное воздействие способствует деградации молекул и резкому снижению качества пектина. При этом разрушается структура капиллярно-пористого тела, что увеличивает содержание балластных по отношению к пектину веществ в экстракте и ухудшает чистоту целевого продукта, также затрудняется разделение гидролизной массы.

При продолжительности обработки от 60 до 90 минут переход пектина в экстракт интенсифицируется, а при дальнейшем увеличении выход снижается и разрушается структура частиц свекловичного жома. Это приводит к резкому ухудшению условий отделения жидкой фазы в процессе фильтрования, также повышается переход балластных веществ и цветность получаемого пектина.

При увеличении температуры на стадии гидролиза-экстрагирования до 65 °С происходит активация пектиновых молекул: в жидкой фазе повышается концентрация пектиновых веществ, а также выход (до 18,65 % на активной воде), чистота пектина, содержание карбоксильных групп и степень этерификации. При температуре ниже 65 °С число активных молекул меньше и скорость химического превращения протопектина незначительна. В интервале от 70 до 75 °С движущая сила процесса увеличивается, однако получаемый пектин имеет невысокое качество. Повышением температуры более 75 °С приводит к термической деградация пектина, снижению проницаемости клетки и замедлению экстрагирования растворимого пектина, что уменьшает выход пектина и значительно ухудшает его качество.

При гидромодуле менее 1:6 гидролизующая смесь имеет высокую вязкость и получается твердая кашеобразная масса, нет свободного перемешивания, и экстрагирование пектиновых веществ усложняется, выход пектина при этом снижается. Повышение гидромодуля от 1:7 до 1:10 незначительно влияет на качественные показатели, однако при этом в технологическом цикле возрастает расход химических реагентов, спирта, тепла и электроэнергии и других вспомогательных материалов, что приведет к большим затратам при производстве пектина. Увеличение гидромодуля более 1:8 не увеличивает выход пектина, при этом количество стоков возрастает.

Измельчение растительного сырья в стружку

Водный раствор

Промывание растительной массы

Прессование растительной массы

Рисунок 1. Схема получения пектина и пищевых волокон из растительного сырья

Использование в качестве гидролизующего агента ЭХА воды позволяет получить пектин высокого качества. Выход пектина по сравнению с классической схемой повышается более чем на 18-20 % [5] (таблица 2).

Пектин из свекловичного жома отличается высоким содержанием свободных карбоксильных групп (7,0 %), возможно его использование как комплексообразователя в лечебно-профилактическом питании.

Таким образом, показана возможность и целесообразность получения пектина и пищевых волокон из предлагаемого растительного сырья с использованием в качестве экстрагента ЭХА воды. Такая технология отвечает требованиям экологической безопасности производства, носит инновационный характер, способствует решению проблемы комплексного использования растительного сырья и появлению на рынке функциональных ингредиентов и биологически активных добавок отечественных недорогих препаратов комплексного назначения

Т а б л и ц а 2

Свойства и выход полученного пектина

Сырье для получения пектина	Свойства полученных пектинов				Выход пектина, %
	К с , %	К е , %	Степень этерификации, %	Полигалактуроновая кислота, %
Свекловичный жом	7,0	8,4	51	72	18,8

К с – количество свободных карбоксильных групп в молекуле пектина;