Технология комплексной глубокой переработки сырья биологического происхождения на основе многостадийного фракционирования

Современные наиболее эффективные технологии переработки сырья биологического происхождения и производства высококачественных полупродуктов для различных отраслей промышленности составляют такие методы заготовки, хранения и переработки исходного сырья, которые максимально сохраняют его молекулярную структуру, витаминный и минеральный состав [1,4]. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют криогенные технологии, при реализации которых перерабатываемое сырье находится при низких температурах и в среде инертных газов [3,5]. При этом ингибируются окисление, денатурация и диссоциация наиболее важных молекулярных активных комплексов исходного сырья.

Возможность создания таких технологий комплексной глубокой переработки сырья биологического происхождения основывается на многостадийном фракционировании и теории тепломассообмена, термодинамике сублимационных процессов, кинетике экстракции, гидродинамике течения неньютоновских жидкостей, криобиологии, супромолекулярной химии и других научных дисциплинах. Концепция разработки этапов переработки сырья и выбора конкретных технологических процессов формируется на основе системного анализа сырьевых источников как объектов переработки и вариаций состава и качественных показателей получаемых фракций как целевого продукта (рис. 1).

Согласно предложенному подходу на основе технологических характеристик сырьевых источников (I) и прогнозируемых к производству фракций (II) разрабатывается и осуществляется на основе системного синтеза и анализа всех процессов технологии моделирование основных и вспомогательных процессов фракционирования (III). Затем экспериментальным путем проверяются полученные качественные и количественные результаты моделирования (IV). Выбор направления оптимизации и развития исследуемых процессов на основе анализа данных (I) и (II) этапов ложится в основу разработки методов анализа, математической обработки данных, способов исследования, методик расчета и проектирования (V), наличие и совокупность которых приводит к возможности создания конкретной технологии (VI) и ее аппаратурного оформления комплексной глубокой переработки для любого вида сырья биологического происхождения.

На основе вышеизложенного подхода предложена технология переработки многостадийным фракционированием плаценты свиной с целью получения комплексов низкомолекулярных и высокомолекулярных гидрофильных и липофильных фракций. При этом выявлены четыре закономерности, на которых базируется сама возможность создания таких технологий. Эти закономерности можно сформулировать в следующем виде.

А 5 й В

Разительного прош хождения

Семеня Плоды

.Шитьл Стебли ___

Водоросли

л 5

Формация

Жеевотного происхождения

Стволовые к лимс

Мышечная ткань

Железы

£ §

I В*

Косметология

Парфюмерия

ВАДЫ

ХиМИЧеСКОГО прснЕСхаждентЕЯ и бЕСотнтеоя

Растворы

^ Гногоь.оьЕпонентньЕе с nt гемы Змульсш:

Концентр аты Полуфабрикаты

VI

Пищевые конц?нт| аты

Технология перер яоотки

Ан Л JUD характер EEC TIER Еволу^лориклтов |гл|»одужт№ пер ер до ет кн

jOB0KTaj№KLMrn^^

Техно л on счет к ее? плр аметр ы

Кач-ные пкол-ньве характеристики продуктов

UL

С ЕЕСтемньпЕ анализ исеенто? ХТС

Ь 1идели1 ив Ля* се о t ноы идх технологических процессов

К [од елЕ ф or антЕе в с помог я тель ног о

___________Ефоцегга___________

IVM

Выбор нлправ ления р ляшпш

I

V

Рпр абэтка гредтте Kiel! ее А

МлтемАТЕтчегкая обработкам мод*.'Еиров лине

Ря>р аботкя методов ЛНЛЛЕПаП П])Е1бо|!ОВ

Рафлиатка новых mot об«в еге следов анЕСЯ ее о бор удов лелея

Модернизация и сепдлнш

■>кте| 1 ментального зеща

Рис.1. Схема стратегии анализа процессов и разработки технологии комплексной переработки биологического сырья посредством многостадийного фракционирования

• 1)    Сохранение нативных свойств сырьевых источников биологического происхождения и продуктов, получаемых в результате их переработки, возможно только в условиях низких температур (не выше физиологической) и в средах инертных газов и жидкостей (хладонов, азота, подготовленной воды).

• 2)    На основе термодинамических характеристик фракций в условиях равновесного состояния параметров процессов ниже тройной точки осуществляется сублимационное фракционирование и концентрирование, сублимационное обезвоживание, десублимацион-ное фракционирование и концентрирование, конденсационное фракционирование решают задачи выделения многокомпонентных гидрофильных комплексов или отдельных их компонентов, например растворителей или низко-кипящих фракций.

• 3)    Теоретические и практические данные, подтверждающие, что после извлечения из сырья биологического происхождения гидрофильных фракций с параметрами состояния ниже тройной точки (т.е. низкокипящих фракций), позволяют беспрепятственно и высокоэффективно из сложной биологической системы извлечь липофильные комплексы или их фракции методом экстрагирования сжиженными хлорфторсодержащими углеводородами. Они в силу своих теплофизических и гидродинамических свойств позволяют реализовывать в процессе как экстракции так и регенерации, на основе комплекса своих уникальных свойств относительно высокой плотности,

экстрактивной способности, низкой вязкости и низкой температуры кипения, что особенно важно для высокой степени регенерации.

• 4)    Экстракционное извлечение в условиях первой закономерности становится возможным и базируется на приобретаемых свойствах сложной многокомпонентной системы биологических комплексов после извлечения липофильных фракций, при помощи полярных экстрагентов. Позволяет извлекать гидрофильные комплексы и фракции, в том числе и высокомолекулярных соединений, например, при помощи водных растворов в условиях УЗ интенсификации, что высокоэффективно и реализуется в условиях сохранения нативных свойств .

В общем виде (рис. 2) один из вариантов предлагаемой технологии криофракционирования свиной плаценты включает в себя следующие основные этапы: подготовка сырья, криозамораживание и криопомол; сублимационное фракционирование замороженного измельченного сырья; десублимационное фракционирование и концентрирование жидкофазного компонента; экстракционное извлечение из твердофазного компонента липофильной фракции сжиженными газами; низкотемпературное экстракционное извлечение из твердофазного компонента гидрофильной фракции водными растворами.

Рис. 2. Схема технологического процесса многостадийного фракционирования биологического сырья (плаценты свиной)

Технологические этапы подготовки сырья, криозамораживания и криопомола достаточно хорошо изучены, являются общими и приемлемыми для подавляющего большинства сырьевых источников, используемых в пищевой и фармацевтической промышленности, с той лишь особенностью, что при их реализации необходимо соблюдение условий первой закономерности комплексного фракционирования.

Один из важнейших этапов технологии -сублимационное фракционирование. Проведенные исследования [4,7] подтвердили возможность разделения сублимируемых из замороженных биологических систем молекулярных потоков и показали результаты, которые демонстрируют сложность биохимического состава водных фракций, выделяемых из биообъектов в режиме криосублимационного фракционирования. Фактически эти результаты дают основу не только не имеющим альтернативы технологиям выделения фракций с молекулярной массой до 300 молекулярных единиц из натурального биологического сырья, но и новому экспериментальному направлению по разделению этих фракций на уникальные компоненты.

Тот факт, что подобные низкомолекулярные водные фракции нельзя в настоящее время получить другими известными методами, ставит этот подход в разряд уникальных криобиологических технологий. В целом данное направление может стать в ближайшее время одним из актуальных разделов современной криобиологии, а получаемые в его рамках продукты -основой для фармацевтических и косметических препаратов нового поколения.

Для повышения концентрации биологически активных веществ может быть использован метод сублимационного фракционирования (рис.3).

Рис. 3. Схема технологического процесса сублимационного фракционирования

Главной особенностью десублимацион-ного фракционирования (рис. 4) является возможность получения нескольких различных по концентрации легколетучих биоактивных веществ фракций десублимированных паров. Достигается это за счет использования последовательной цепочки десублиматоров с различной температурой криоэлементов. Таким образом, повысить концентрацию легколетучих веществ в десублимате возможно с долей процента до 10 - 15 % и более. Основу технологии десублимационного фракционирования и концентрирования биоматериалов составляет предположение о том, что газовая фаза над замороженным биообъектом представляет собой сложную композицию из молекул разной природы: воды, аминокислот, эфиров, витаминов, минеральных веществ, фрагментов сложных

Рис. 4. Схема технологического процесса десубли-мационного фракционирования и концентрирования биологического сырья

Поскольку эти вещества являются, как правило, термолабильными, то верхний температурный предел для них ограничен 20 -50 °С.

В свою очередь, эта кинетика при заданном виде биологического объекта определяет состав и количество остальных фракций в газовой фазе, состоящих, как правило, из частиц с молекулярной массой до 300 молекулярных единиц.

Это связано с тем, что удержать осаждаемые на холодной поверхности десублиматора молекулы можно только в том случае, если они достаточно быстро переходят в твердофазное состояние. Если же мигрирующие по охлажденной поверхности десублиматора молекулы объединяются в жидкие микрофазы, вероятность их удержания резко уменьшается. Если химический состав и фазовая диаграмма подвергающегося сублимационному фракционированию сырья таковы, что он вплоть до температур - 50-80 °С содержит жидкие микрофазы, то аналогичные по химическому составу жидкие микрофазы будут возникать и на поверхностях десублиматора. Это означает, что для удержания содержащихся в них молекул на поверхности десублиматора температуру последних надо понижать до температуры стеклования жидких микрофаз.

Испаряющиеся из замороженного сырья молекулы воды и ультралетучих молекулярных фрагментов осаждаются на внешних поверхностях криогенных панелей, расположенных в каскаде десублиматоров.

Рис. 5. Схема технологического процесса экстракционного извлечения липофильной фракции сжиженными газами

В соответствии с третьей основной закономерностью концепции фракционирования следующей стадией технологии является экстрагирование липофильных фракций сжиженными газами (рис. 5) [6]. Хромотографиче- ский анализ состава полученного в ходе экспериментальных исследований процесса экстракционного извлечения сжиженными газами липофильной фракции из плаценты свиной позволил выявить высококачественные комплексы, содержащие: этерифицированные и неэтерифицированные жирные кислоты 20 -22 %, триглицириды 24-26 %, моноглицириды 10-15 %, фосфолипиды 33-35 %, эфиры холестерина, стерины. Особый интерес при этом представляют фосфолипиды (рис. 6).

Рис.6. Процентное содержание фосфолипидов в экстрагированной липофильной фракции плаценты

Завершающей стадией предлагаемой технологии является экстракционное извлечение гидрофильной фракции (рис.7).

Рис.7. Схема технологического процесса экстракционного извлечение гидрофильной фракции

Скрининг биологически активных веществ с заданными свойствами на основе гидрофильной фракции плаценты, как показали исследования методом тонкослойной хроматографии [2], позволяет получать комплексы, в состав которых входят: цистеиновая, аспарги-новая и глютаминовая кислоты; микроэлементы: медь, цинк, марганец, железо; сложный аминокислотный комплекс (рис.8).

Фармацевтически ценные комплексы, полученные методом экстракционного извлечение гидрофильной фракции, могут служить основой для создания уникальных продуктов питания, лечебных препаратов, средств гигиены и косметики.

Рис. 8. Процентное содержание компонентов в полученной гидрофильной фракции плаценты

Разрабатываемые таким способом технологии комплексной глубокой переработки различных видов сырья биологического происхождения позволяют получить принципиально новые биологические комплексы в условиях максимального сохранения их нативных свойств.