На правах рукописи ВИНОКУР МИХАИЛ ЛЕОНИДОВИЧ НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

На правах рукописи
ВИНОКУР МИХАИЛ ЛЕОНИДОВИЧ
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПАНЦИРЬСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ОТ РАЗДЕЛКИ
РАКООБРАЗНЫХ ДЛЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ
УГЛЕКИСЛОТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ ЛИПИДНОКАРОТИНОИДНЫХ КОМПЛЕКСОВ
05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных
продуктов и холодильных производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Калининград − 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Калининградский государственный технический университет» (ФГБОУ
ВПО «КГТУ»)
Научный руководитель
доктор технических наук,
старший научный сотрудник,
Андреев Михаил Павлович
Официальные оппоненты:
Фатыхов Юрий Адгамович – доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», заведующий кафедрой пищевых и холодильных машин
Рубцова Татьяна Евгеньевна, кандидат технических наук, ФГУП
«Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства
и океанографии», ведущий научный сотрудник лаборатории аналитического и нормативного обеспечения качества и безопасности
Ведущая организация ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота (ОАО
«Гипрорыбфлот»)»
Защита состоится 14.12.2012 г. в 1700 ч. на заседании диссертационного
совета Д 307.007.01, на базе ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», по адресу: 236022, г. Калининград, Советский проспект, 1, конференцзал (ауд. 255).
Факс: 8 (4012) 91-68-46
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Калининградский государственный технический университет».
Автореферат разослан
11.2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук,
профессор
Великанов Николай Леонидович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одним из направлений эффективного использования водных биологических ресурсов (ВБР), определяемых в
Концепции развития рыбного хозяйства Российской Федерации на период до 2020 г., является обеспечение глубокой и комплексной переработки сырья на базе научно обоснованных ресурсосберегающих технологий
переработки ВБР, в том числе беспозвоночных. В мировом промысле нерыбных объектов ракообразные составляют около трети от общего вылова беспозвоночных. Доминирующее положение среди ракообразных занимают креветки, при переработке которых на пищевую продукцию образуется значительное (от 40 до 60 %) количество панцирьсодержащих
отходов (ПСО).
Липиды ракообразных по сравнению с другими ВБР обладают почти на порядок большей эффективностью в лечении и предотвращении
ишемической болезни, атеросклороза и пр. [Bunea et al., 2004; Ferramosca
et al., 2012]. Рядом отечественных и зарубежных исследователей обнаружены в ракообразных биологически активные вещества – БАВ (в том
числе липиды и каротиноиды), проявляющие широкий спектр биологической активности [Бахолдина, Кривич, 1981; Вендт и др., 1981; КаСАикина, Лобанова, 1981; Ржавская, Макарова, 1989; Cantrell et al., 2003;
Chew, Park, 2004; Konishi et al., 2006; McNulty et al., 2008]. Известны
технологии, обеспечивающие экстракцию липидно-каротиноидных комплексов (ЛКК) из ПСО ракообразных растительными маслами и органическими растворителями (Быков и др., 2001; Chen et al., 1982; ArmentaLopez et al., 1983; Chen et al., 1983; Аrmenta-Lopez et al., 2002; Sachindra
et al., 2005; Holanda et al., 2006; Sachindra et al., 2006]. Однако эти способы обладают рядом недостатков, препятствующих их широкому промышленному освоению.
Более экономичным и экологически безопасным способом выделения как липидов, так и каротиноидов из сырья растительного и животного происхождения является экстракция с использованием сверхкритического углекислого газа в качестве растворителя (СК-СО2 – экстракция)
3
[Yamaguchi et al., 1986; Temelli et al., 1995; Borch-Jensen, Mollerup, 1997;
Dunford et al., 1998].
Вместе с тем данные относительно СК-СО2 – экстракции ЛКК из ракообразных носят отрывочный характер и недостаточны для обоснования
технологического процесса выделения этого продукта из ПСО ракообразных.
Таким образом, актуально проведение дальнейших работ по проблеме
использования ПСО ракообразных в качестве сырья для получения ЛКК
способом сверхкритической углекислотной экстракции (СК-СО2 – экстракции). Это позволит не только расширить сырьевую базу БАД на их основе, но
и разработать более эргономичную и экологичную технологию по сравнению
с традиционными. Исследования по изучаемой теме проводились в рамках
федеральной целевой программы «Научное обеспечение новых технологий
глубокой переработки водных биологических ресурсов» (Госконтракт № 504/09 «Разработка инновационной технологии сверхкритической углекислотной экстракции биологически активных веществ из панцирьсодержащих отходов, в т.ч., антарктического криля»).
Цель исследования. Целью исследования явилось повышение эффективности использования панцирьсодержащих отходов ракообразных путем
научно обоснованной разработки технологии их подготовки и сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидных комплексов с высокими показателями качества и биологической активности.
Задачи исследования:
- исследовать фракционный и жирнокислотный состав липидов ПСО
северной розовой креветки и определить степень их гидролитической и окислительной порчи в целях оценки ПСО как сырья для производства ЛКК;
- научно обосновать выбор способа обезвоживания ПСО креветки с целью обеспечения высоких показателей качества извлекаемых ЛКК и астаксантина и изучить влияние степени измельчения ПСО креветки на выход
ЛКК и астаксантина при СК-СО2 – экстракции;
- исследовать особенности СК-СО2 – экстракции ЛКК из ПСО креветки в зависимости от термодинамических параметров и присутствия этилового спирта;
- разработать технические условия и технологическую инструкцию на
процесс получения ЛКК из ПСО креветки способом СК-СО2 – экстракции;
4
- дать оценку пищевой ценности ЛКК, извлеченных СК-СО2 – экстракцией из ПСО креветки, и разработать рекомендации по их использованию;
-произвести расчет экономической эффективности от внедрения разработанной технологии.
Научная новизна работы. Впервые научно обосновано использование панцирьсодержащих отходов ракообразных для получения липидно-каротиноидных комплексов с высокими показателями качества и пищевой ценности по технологии сверхкритической углекислотной экстракции, включающей предварительное обезвоживание сырья при низких параметрах вакуума и
температуры.
При значениях равновесной влажности сухих ПСО выход ЛКК из
продукта, полученного при вакуумной сушке, в зависимости от продолжительности экстракции в 1,5-2,0 раза превышал количество экстракта,
полученного из ПСО, подвергнутых конвекционной сушке.
Определена рациональная степень предварительного измельчения
ПСО креветки, обеспечивающая наибольший выход астаксантина при
размере частиц 0,3 – 0,5 мм, в то время как выход ЛКК практически не
зависит от размера частиц сухих отходов в пределах 0,3 – 4,0 мм.
Установлено влияние термодинамических параметров СК-СО2 и содержания в нем этилового спирта (в дозировках от 5 до 20 %) на эффективность извлечения ЛКК, а также определена минимальная концентрация данного сорастворителя позволяющая значительно увеличить выход и повысить
пищевую ценность получаемого экстракта БАВ.
Установлена наибольшая степень извлечения (до 85 – 90 %) ЛКК и
астаксантина на этапе, соответствующем линейной зависимости их выхода от
продолжительности процесса. Определено влияние расхода растворителя на
кинетику СК-СО2 – экстракции ЛКК и астаксантина из ПСО креветки.
Практическая значимость работы и реализация результатов. По
результатам проведенных исследований разработаны и утверждены Технические условия ТУ 9281-220-00472093-2012 «Экстракт липидно-каротиноидного комплекса креветки» и Технологическая инструкция ТИ 9281220-00472093-2012 «Изготовление экстракта липидно-каротиноидного комплекса креветки».
5
Показана возможность комплексной переработки ПСО ракообразных с использованием СК-СО2 – экстракции, позволяющая наряду с получением ЛКК приготавливать из оставшегося обезжиренного продукта
пищевую белково-минерально-хитиновую добавку в одном технологическом процессе. Рассчитана себестоимость продукции, изготовленной в соответствии с разработанной технологией. Изготовлена экспериментальная
партия продукции в ООО «ГОРО-Инжениринг» в г. Ростов на Дону.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Научно обоснованная разработка технологии подготовки панцирьсодержащих отходов и сверхкритической углекислотной экстракции из них липидно-каротиноидных комплексов.
2. Преимущества использования способа сушки ПСО креветки под
низким вакуумом по сравнению с конвекционным и их измельчения до
размера 0,3 – 0,5 мм, обеспечивающего наибольший выход СК-СО2 – экстрагируемого астаксантина.
3. Термодинамические параметры СК-СО2 – экстракции и рациональная концентрация этанола в качестве сорастворителя, способствующие
значительному увеличению выхода липидно-каротиноидных комплексов
(ЛКК), а также содержания в них омега-3 жирных кислот и астаксантина.
4. Рекомендации по использованию СК-СО2 – экстракции для получения ЛКК и хитин-белково-минеральных добавок пищевого назначения в одном технологическом процессе переработки ПСО ракообразных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на VШ-ой Международной научной конференции
«Инновации в науке и образовании – 2010» (Калининград, 2010); VII-ом
международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы
развития» (Москва, 2011); IХ-ой Международной научной конференции
«Инновации в науке и образовании – 2011» (Калининград, 2011); II-ой
Международной научно-практической конференции молодых ученых
«Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса» (Москва, 2011); VШ-ой Международной научно-практической конференции «Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество» (Калининград, 2011).
6
Полученный по разработанной технологии экстракт липидно-каротиноидного комплекса был отмечен дипломом победителя смотра-конкурса «Современный рыбный продукт» на II-ой Международной рыбохозяйственной выставке INTERFISH (Москва, 2010).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано
7 печатных работ, в том числе 2 – в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России, и подана заявка на получение патента «Способ получения
липидно-каротиноидных комплексов» регистрационный № 2012118961.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, включающих обзор литературы, методическую часть (объекты, материалы и методики постановки экспериментов, методы исследования), экспериментальную часть, расчет экономической эффективности внедрения новой технологии, выводов и списка литературы. Работа изложена
на 163 страницах, содержит 30 таблиц, 24 рисунка и 5 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, определена цель исследования и намечены пути ее достижения, сформулированы научная
новизна, основные положения, выносимые на защиту, показана практическая значимость работы.
В первой главе «Анализ научных и практических разработок
по использованию панцирьсодержащих отходов ракообразных и других видов биологического сырья для получения липидно-каротиноидных компонентов (обзор литературы)» приведены сведения о панцирьсодержащих отходах ракообразных как сырьевом ресурсе для получения липидно-каротиноидных компонентов при их комплексной переработке, а также изложены современные представления о способах извлечения липидно-каротиноидных компонентов из сырья животного и
растительного происхождения, обладающих значительной биологической активностью.
Во второй главе «Объекты и материалы. Методы постановки
экспериментов и проведения исследования» приведены сведения о
7
характеристиках используемых в эксперименте ПСО, а также методах их
технологической обработки и физико-химических анализов
Объектом исследования являлась северная креветка Pandalus borealis. Материалом служили ПСО (панцирь и головогрудь) от разделки
варено-мороженой креветки.
Сушку ПСО проводили инфракрасным излучением при низком вакууме (в гипобарометрической среде) на опытно-промышленной установке ТА-1 (давление 1,33 х 10-3 – 2,66 х 10-3 МПа и температура 12-22оС) и на
специальной конвекционной установке в потоке воздуха, подогретого до
температуры 70оС.
Сверхкритическую углекислотную экстракцию липидно-каротиноидных комплексов из ПСО креветки проводили на установке УСВЭ-33
фирмы ООО «ГОРО-Инжениринг» при давлениях 14-40 МПа и критической температуре 31оС и выше.
Влажность сухих и сырых ПСО определяли по ГОСТ 7636-85. Липиды из них экстрагировали по методу Фолча (Folch et al., 1957), кислотное число липидов устанавливали по ГОСТ Р 52110, перекисное число –
по ГОСТ 5693. Анализ жирно-кислотного состава липидов проводили
методом газожидкостной хроматографии на приборе «Variav 3400». Содержание астаксантина определяли по оптической плотности на спектрофотометре СФ-46 при длине волны 472 нм с использованием гексана в
качестве растворителя. Фракционный состав липидов устанавливали методом тонкослойной хроматографии.
При статистической обработке результатов исследований и построении графических зависимостей использована стандартная программа
StatSoft 5.5.
Третья глава «Обоснование технологических параметров подготовки панцирьсодержащих отходов от разделки ракообразных и сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидных
комплексов» посвящена оценке гидролитической и окислительной порчи липидов ПСО креветки, исследованию влияния на выход и состав
ЛКК способа предварительного обезвоживания, а также степени измельчения сырья, термодинамических параметров давления и температуры
сверхкритического углекислого газа в качестве растворителя, продолжи8
тельности СК-СО2-экстракции, количества используемого полярного сорастворителя − этилового спирта.
Установлено, что для различных партий ПСО креветки значения
кислотного числа составляли 1,2 – 1,8 мг КОН на 1 г липидов, перекисного числа – 1,5 – 2,6 ммоль акт. О на 1 кг липидов, тиобарбитурового
числа – 0,9 – 1,9 мг малонового альдегида на 1 кг липидов (таблица 1).
Анализ результатов определения тиобарбитурового и перекисного
чисел липидов ПСО указывает на незначительный уровень происходящих в них окислительных процессов. Это свидетельствует о возможности получения качественного экстракта липидов из ПСО креветки с достаточно продолжительным сроком хранения.
При этом возможно исключение дополнительных операций рафинации и дезодорирования, уменьшающие выход продукта и удорожающие
процесс. Полученные данные кислотных чисел также подтвердили низкое
содержание свободных жирных кислот, характерное для начальной стадии
протекания процесса липолиза жиров ракообразных [Saether, 1976].
Таблица 1 - Характеристика степени гидролитической и окислительной порчи
липидов, выделенных из ПСО креветки
Номер
образца
креветки
Перекисное
число, ммоль
акт. О на 1 кг
липидов
1
Продолжительность хранения
до анализа, при
-18оС, мес.
5
Кислотное
Тиобарбичисло, мг КОН туровое число, мг
на 1 г липидов
МА на 1 кг
липидов
1,50 ± 0,03
1,23 ± 0,07
0,92 ± 0,07
2
4
1,83 ± 0,05
1,62 ± 0,05
1,05 ± 0,06
3
6
2,62 ± 0,08
1,85 ± 0,06
1,90 ± 0,07
4
6
5
4
2,43 ± 0,04
1,70 ± 0,05
1,54 ± 0,05
1,35 ± 0,07
1,15 ± 0,07
1,04 ± 0,05
С целью научного обоснования выбора рационального способа и
продолжительности предварительного обезвоживания сырья проведено
сравнение качества липидов ПСО, полученных способами сушки при
низком вакууме (давление 1,33х10-3 – 2,66х10-3 МПа и температура 129
22 оС), и конвекционным способом по установленному Niamnuy (2007)
рациональному режиму при T = 70оС (таблица 2).
Таблица 2 – Характеристика гидролитической и окислительной порчи липидов,
выделенных из ПСО, высушенных различными способами
Показатель
Перекисное число,
ммоль акт. О2 на 1 кг
липидов
Свежее сырье
Сухие ПСО
Высушенные конвекВысушенные
ционным способом
под вакуумом
2,43 ± 0,04
3,42 ± 0,03
2,54 ± 0,05
Кислотное число, мг
КОН на 1 г липидов
1,54 ± 0,06
0,98 ± 0,07
1,53 ± 0,07
Тиобарбитуровое число,
мг малонового
альдегида на 1 кг
липидов
1,15 ± 0,05
1,72 ± 0,07
1,28 ± 0,07
Сравнительный анализ показателей качества сухих ПСО, полученных в разных условиях, подтвердил, что качество липидов сырья и ПСО
креветки после вакуумной сушки практически не отличается, что, в значительной степени, обусловлено низкими параметрами температуры (1222оС) и давления сушки (концентрация кислорода в камере вакуумного
сушильного аппарата в 40-70 раз ниже содержания кислорода в атмосферном воздухе. После конвективной сушки значения перекисного и тиобарбитурового чисел липидов ПСО увеличиваются в 2,0 и 1,5 раза, соответственно, по сравнению с сырьем. Наличие окислительной деструкции
липидов в таких образцах обусловлено как температурным фактором,
так и интенсивным воздействием кислорода воздуха.
При исследовании влияния способа предварительной сушки ПСО
до равновесной влажности (10-12%) на выход ЛКК, установлено, что их
количество при продолжительности экстракции 4-5 минут было наибольшим (при экстракции давление 30 МПа и температура 31 оС) (рисунок 1).
10
Рисунок 1 – Влияние способа предварительного обезвоживания на
эффективность СК-СО2 – экстракции ЛКК
При этом из образцов вакуумной сушки извлекалось в 1,5 – 2,0 раза больше экстракта, чем из сырья после конвекционной сушки. По мнению некоторых авторов это связано с понижением проницаемости клеточных мембран из-за частичной окислительной полимеризации их структурных липидов [Yamaguchi et al., 1986; Rodriguez et al., 2008].
Выход ЛКК из фракций сухих ПСО с различной степенью измельчения (0,3; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0 мм) не отличается, в то время как
выход астаксантина зависит от размера частиц сухих ПСО (рисунки 2 и 3)
Выход акстаксантина из образцов сухих ПСО, состоящих из частиц размеров менее 1 мм, резко увеличивается, что, вероятно, обусловлено разрушением структуры глаза креветки, содержащего большое количество указанного пигмента. Заметное увеличение выхода астаксантина
наблюдается с повышением степени измельчения до 0,3-0,5 мм. Дальнейшее измельчение не приводит к улучшению указанного эффекта. Данные, представленные на рисунках 4 и 5, показывают, что во всем интервале давлений, соответствующих высоким значениям коэффициентов сепарации липидов с низкой молекулярной массой, в том числе свободных
жирных кислот и продуктов их окисления [Lucas et al., 2002], наблюдается значительный рост выхода ЛКК с увеличением значения давления, а
общее количество перекисей, экстрагируемых при 20 и 22 МПа, находится
11
практически на одном уровне. С учетом этого увеличение давления свыше
20 МПа с целью снижения перекисного числа липидов сухих ПСО является нецелесообразным.
Выход астаксантина, мкг на 1 г
сухих ПСО
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
60
< 0,3 мм
< 2,0 мм
Время экстракции, мин
Степень измельчения:
< 0,5 мм
< 2,5 мм
120
< 1,0 мм
< 3,0 мм
< 1,5 мм
< 4,0 мм
Выход астаксантина, мкг на 1 г сухих
ПСО
Рисунок 2 - Выход астаксантина на разных этапах экстракции чистым СК-СО2
в зависимости от размеров частиц
30
25
20
15
10
5
0
75
120
Время экстракции, мин
Степень измельчения:
< 0,3 мм
< 2,0 мм
< 0,5 мм
< 2,5 мм
< 1,0 мм
< 3,0 мм
< 1,5 мм
< 4.0 мм
Рисунок 3 – Влияние размера частиц на выход астаксантина при экстракции
смесью СК-СО2 с этанолом (10 % к массе смеси).
12
Выход перекисей, ммоль
на 100 г сухих ПСО
Выход ЛКК, г на 100 г
сухих ПСО
2
1,5
1
0,5
0
14
16
18
20
22
Давление СК-СО2, МПа
6
5
4
3
2
1
0
14
16
18
20
22
Давление СК-СО2, МПа
Рисунок 4 – Выход ЛКК из ПСО при
температуре 50оС
Рисунок 5 – Выход перекисей из
ПСО при температуре 50оС
Проведен эксперимент по экстракции ЛКК в соответствии с
выбранной матрицей значений варьируемых факторов, соответствующей
рототабельному униформ-плану (таблица 3).
Таблица 3 - Результаты регрессионного анализа по установлению зависимости
выхода целевых продуктов от давления и температуры
Выход Содержание Уравнение, характеризующее зависимость Коэффицелевого этилового
выхода целевого компонента от давления и
циент
продукта спирта в СКтемпературы
детермин
СО2 , %
ации
20,89
2
ЛКК (в г
0
Y

2
,
1
9
9
6

0
,
1
5
0
1
T

0
,
2
1
5
7
PT

0
,
0
0
1
5

0
,
0
0
3
4
P
на 1 кг
2
2 0,94
5
Y

2
,
5
4
6
1

0
,
1
8
5
5
T

0
,
2
8
8
2
PT

0
,
0
0
1
9

0
,
0
0
4
6
P
сухих
2 0,92
2
10
ПСО)
Y

4
,
0
0
1
9
0
,
2
4
9
4
T

0
,
3
2
6
4
PT

0
,
0
0
2
6

0
,
0
0
5
2
P
15
Астаксантин
(в мг на
1 кг
сухих
ПСО)
0
5
10
15
2
2
0,95
Y

3
,
3
2
0
6

0
,
2
3
1
7
T

0
,
3
4
4
5
PT

0
,
0
0
2
4

0
,
0
0
5
5
P
2
2
0,87
Y


8
4
,
9
5
7
3
1
,
4
3
7
4
T

4
,
1
3
7
8
P

0
,
0
1
6
0
T

0
,
0
5
9
6
P
2
2
0,88
2
2
0,89
Y


1
2
8
,
4
5
4
0

2
,
3
3
6
0
TP
5
,
8
5
0
0
0
,
0
2
6
0
T

0
,
0
8
4
0
P
Y


1
3
5
,
2
6
1
2

1
,
8
5
9
1
T
7
,
2
2
8
0
P

0
,
0
2
1
3
T

0
,
1
0
5
0
P
Y


1
6
1
,
3
7
3
0

2
,
9
7
7
0
T
7
,
2
6
5
0
P

0
,
0
3
2
0
T

0
,
1
0
8
0
P0,83
2
2
Проведена экстракция ЛКК из сухих ПСО с преобладающим размером частиц 0,3-0,5 мм с использованием СК–СО2 и смесей СК–СО2 с
13
этиловым спиртом (в различных концентрациях) в интервале давлений
20 – 40 МПа и температур 40 – 60оС. Удельный расход растворителя
соответствовал 10 кг СО2/ ч на 1кг сухих ПСО. Продолжительность экстракции составляла 2,5 часа, по истечении которой извлечение ЛКК
почти полностью прекращалось. Графически обсуждаемые зависимости
представлены в виде поверхностей (рисунки 6, 7).
Выход ЛКК, г на 100 г сухих
ПСО
2,5
2
1,5
1
0,5
40
0
40
Тем
пер
35
30
45
ат у
р
25
50
а, о
С
55
60
20
,М
ие
ен
Па
вл
Да
Рисунок 6 – Зависимость выхода ЛКК от температуры и давления СК-СО2
Высокие значения коэффициентов детерминации свидетельствуют
о том, что все уравнения обеспечивают хорошее приближение к экспериментальным данным как по астаксантину так и ЛКК. Знаки при соответствующих коэффициентах во всех полученных математических моделях
не зависят от содержания этилового спирта в СК-СО2. Это указывает на
отсутствие влияния давления и температуры на процесс экстракции ЛКК
при различных концентрациях сорастворителя.
Максимальный выход астаксантина (17,6 мг на 1 г сухих ПСО)
при использовании чистого СО2 может быть получен при параметрах
давления 35,3 МПа и температуры 47,5оС. При температуре 40оС и давлении 20 МПа удается извлечь 29,8 % астаксантина и 84,9 % ЛКК от их
максимально экстрагируемого количества.
14
Рисунок 7 – Зависимость выхода астаксантина от температуры и давления СК-СО2
Это, в свою очередь, дает возможность повысить концентрацию астаксантина при поэтапном проведении процесса, включающем предварительную экстракцию преимущественно ЛКК при невысоких значениях
давления и температуры.
Зависимости выхода астаксантина от концентрации этилового спирта
при фиксированных значениях температуры и давления в целом схожие.
Из анализа данных таблицы 4 следует, что суммарное содержание
эйкозапентаеновой и докозогексаеновой кислот (ЭПК и ДГК) возрастало
с величением концентрации этилового спирта. Вероятно, это обусловлено повышением растворимости фракции фосфолипидов, содержащих
значительное количество указанных кислот, за счет применения полярного сорастворителя. Использование спирта с СК-СО2 в качестве сорастворителя позволяет значительно увеличить выход ЛКК по сравнению с
чистым СК-СО2 лишь при его добавлении в количестве до 10 %.
При концентрациях спирта выше 10 % не происходит существенного повышения выхода ЛКК, а также суммарного содержания в нем эйкозапентаеновой и докозогексаеновой кислот.
15
Таблица 4 – Зависимость выхода целевых продуктов от концентрации этилового
спирта в СК-СО2 (Р = 30 МПа и Т = 50 оС)
Содержание
этанола в
СК-СО2 в %
Выход ЛКК
(в г на 100 г
сухих ПСО)
Выход астаксантина
(в мкг на 1 г
сухих ПСО)
Содержание
астаксантина
(в мкг на 1 г
экстракта)
Суммарное
содержание
ЭПК и ДГК,
в%
0
1,98 ± 0,03
17,50 ± 0,04
883,8
11,2
5
2,62 ± 0,08
23,45 ± 0,05
895,0
15,9
10
3,15 ± 0,06
28,30 ± 0,05
901,5
20,4
15
3,26 ± 0,06
30,10 ± 0,06
923,4
21,2
Таким образом, сверхкритическую углекислотную экстракцию можно рекомендовать как способ, позволяющий регулировать состав экстрактов ЛКК, получаемого из ПСО, в т.ч. повышать концентрацию в нем
астаксантина и омега-3 кислот.
Оценка влияния расхода растворителя на кинетику экстракции ЛКК
по режиму, определяемому значениями давления и температуры 30 МПа и
50оС, показала, что расход растворителя составлял: 5, 10, 15, 20 кг СО2 /ч на
1 кг сухих ПСО. Экстракцию при каждом отдельном режиме производили
до практически полного прекращения извлечения целевых компонентов.
Полученные результаты показали, что при расходе растворителя 5
и 10 кг СО2/ч на 1 кг сухих ПСО в течение первых 75 минут наблюдается
линейный характер зависимости выхода ЛКК от длительности экстракции. В ходе дальнейшей экстракции наблюдается снижение скорости процесса. При расходе растворителя 15 кг СО2 /ч на 1кг сухих ПСО и 20 кг
СО2/ч на 1кг сухих ПСО, линейная зависимость возможна лишь в первые
30 минут. На основе полученной закономерности в дальнейшем проводили эксперименты при расходе растворителя 5 и 10 кг СО2/ч на 1кг сухих
ПСО. Результаты аппроксимировались в соответствии с уравнением 1.
Y=kt
(1)
Y – выход целевого компонента; k – линейный коэффициент; t –
продолжительность экстракции.
16
В таблице 5 представлены значения линейного коэффициента k, а также коэффициентов детерминации R уравнения (1), полученных в результате
аппроксимации данных за различное время от начала процесса экстракции.
Таблица 5 - Результаты регрессионного анализа кинетики экстракции ЛКК из
сухих ПСО
Доля
Длительность
Расход
Коэффициент k, Коэффициент
этилового экстракции, мин. растворителя,
мкг/мин
детерминации,
спирта, %
кг СО2 / ч на 1
R
кг сухих ПСО
0
60
75
90
10
60
75
90
0
60
75
90
10
60
75
90
5
10
5
10
5
0,014
0,027
0,014
0,024
0,014
0,98
0,98
0,98
0,95
0,98
10
5
10
5
0,017
0,018
0,036
0,018
0,91
0,98
0,98
0,98
10
5
10
10
5
10
5
10
0,036
0,017
0,035
0,230
0,120
0,230
0,120
0,210
0,98
0,98
0,95
0,98
0,98
0,98
0,98
0,95
5
0,120
0,98
10
5
10
5
0,190
0,190
0,380
0,190
0,91
0,98
0,98
0,98
10
5
10
0,380
0,190
0,360
0,98
0,98
0,95
17
Для чистого СК-СО2 после 75 минут, а для смеси СК-СО2 с этанолом
после 90 минут экстракции происходит уменьшение коэффициентов
детерминации. Это свидетельствует об усилении влияния внутренней диффузии на выход ЛКК. Факт ослабления внешней диффузии также следует из
уменьшения с течением времени соотношения между значениями коэффициента k для расхода растворителя 10 и 5 кг СО2/ч на 1кг сухих ПСО.
Характер кинетики экстракции астаксантина аналогичен установленному для ЛКК. Это свидетельствует о невозможности использования
фактора времени для проведения селективного фракционирования в целях увеличения концентрации БАВ.
Из анализа данных таблицы 6 следует, что более 90 % как ЛКК, так и
астаксантина извлекается в течение первых 75 и 90 минут экстракции при
использовании чистого СК-СО2 и его смеси с этанолом, соответственно.
Таблица 6 – Степень извлечения ЛКК и астаксантина при различной продолжительности их экстракции и расходе растворителя 10 кг СО2/ ч на 1 кг сухих ПСО
Концентрация
сорастворителя,
%
Длительность
экстракции,
мин
0
60
75
90
60
75
90
10
Степень извле- Степень извлечения
чения астаксанЛКК, в % к колитина, в % к коли- честву, извлекаемочеству, извлекаемо- му в течение 2,5 ч
му в течение 2,5 ч
80,2
91,1
92,5
72,8
84,5
92,7
81,8
90,9
93,2
73,9
83,6
90,5
Четвертая глава «Разработка технологической схемы
приготовления экстракта ЛКК и ее применение при комплексной
переработке ПСО креветки» включает описание технологических
операций разрабатываемой технологии и перспективные направления
комплексной переработки ПСО ракообразных с использованием СКСО2 экстракции.
18
С учетом результатов экспериментальных исследований разработана технология получения ЛКК из предварительно обезвоженного сырья.
Обезвоживание ПСО ракообразных рекомендовано производить способом
вакуумной сушки при давлении 5-20 мм. рт. ст. Последующее измельчение высушенных ПСО должно обеспечивать получение частиц не более
0,3-0,5 мм. Экстракцию ЛКК предлагается осуществлять в два этапа. На
первом этапе для извлечения ЛКК с низким содержанием омега-3 кислот и
астаксантина процесс осуществляется при давлении 20 МПа чистым СКСО2. На втором этапе используется смесь СК-СО2 с этиловым спиртом эту
операцию проводят при давлении 30 МПа и температуре 50оС. В этих
условиях экстрагируется ЛКК с высоким содержанием основных омега-3
кислот, фосфолипидов и астаксантина. (табл. 7). Полученный ЛКК может
быть использован для получения БАД с близким к крилевому жиру
содержанием основных групп биологически активных веществ.
Таблица 7 - Сравнительная характеристика показателей пищевой ценности ЛКК
Показатели пищевой ценности
ЛКК
Содержание астаксантина (в мкг на 1 г экстракта)
Нормативный
уровень показателей
для крилевого жира*
> 110
Содержание омега-3 кислот, в г на 100 г экстракта
> 30,0
32,7
Содержание фосфолипидов, в г на 100 г экстракта
> 40,0
38,7
90,1
* Реестр БАД № 77.99.11.3.У.1200.3.10)
Из расчета экономической эффективности от внедрения технологии липидно-каротиноидного комплекса креветки следует, что даже при
довольно низкой норме доходности проект будет полностью окупаться
на втором году реализации.
ВЫВОДЫ
1. Научно обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования панцирьсодержащих отходов ракообразных, содержащих биологически активные компоненты (фосфолипиды, каротиноиды, поли19
ненасыщенные жирные кислоты и др.) и отличающихся низкой степенью
происходящих в них гидролитических и окислительных процессов, для производства экстрактов липидно-каротиноидных комплексов по разработанной
технологии подготовки данного вида сырья и сверхкритической углекислотной экстракции целевого продукта с высокими показателями качества и биологической активности.
2. Установлено, что способ сушки при низком вакууме (давление
1,33х10-3 – 2,66х10-3 МПа и температура продукта 12-22оС) является более
предпочтительным по сравнению с конвективной сушкой при температуре 50
– 70оС с точки зрения сохранения качества липидов и повышения эффективности сверхкритической углекислотной экстракции. Выход экстракта липидно-каротиноидных комплексов из сухих панцирьсодержащих отходов,
полученных при вакуумной сушке, в зависимости от продолжительности
экстракции в 1,5 – 2,0 раза превышает количество экстракта, получаемого из сырья, подвергнутого конвекционной сушке.
3. В целях обеспечения максимальной эффективности последующей сверхкритической углекислотной экстракции астаксантина величина
при предварительном измельчении сухих панцирьсодержащих отходов
не должна превышать 0,3 – 0,5 мм, в то время как выход липидно-каротиноидных комплексов не зависит от размера частиц сухих панцирьсодержащих отходов в пределах 0,3 – 4,0 мм.
4. Установлено, что с целью снижения перекисного числа липидов
сухих панцирьсодержащих отходов следует проводить сверхкритическую углекислотную экстракцию при давлениях 20 - 22 МПа, однако при
этом температура не оказывает влияния на процесс селективного извлечения перекисей из панцирьсодержащих отходов креветки.
5. С использованием методов математического моделирования эксперимента установлена возможность повышения концентрации астаксантина и
омега-3 жирных кислот в получаемом экстракте за счет варьирования таких
факторов как температура, давление и содержание полярного сорастворителя
(этилового спирта).
6. Использование этилового спирта в сверхкритической углекислотной экстракции в качестве сорастворителя в количестве до 10 % по сравнению с экстракцией без добавления этилового спирта значительно увеличи20
вает выход липидно-каротиноидного комплекса и суммарное содержание в
целевом продукте эйкозапентаеновой и докозогексаеновой кислот.
7. Установлено, что более 80 % липидно-каротиноидных комплексов и акстаксантина извлекается в период экстракции, определяемый линейной зависимостью выхода извлекаемых компонентов от продолжительности процесса.
8. Разработаны и утверждены технические условия и технологическая
инструкция на процесс получения экстракта липидно-каротиноидного комплекса из панцирьсодержащих отходов варено-мороженой креветки способом
сверхкритической углекислотной экстракции.
9. Оценка экономической эффективности от внедрения технологии
получения экстракта липидно-каротиноидного комплекса показала, что
при комплексной переработке панцирьсодержащих отходов инвестиционный проект его производства будет полностью окупаться на втором
году реализации.
10. Показано, что в состав белково-минерально-хитинового комплекса, остающегося после сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидных комплексов, входят два вида функциональных ингредиентов: пищевые волокна (хитин и неусваиваемый белок – хитин-белковый
комплекс) и минеральные вещества, количество которых при внесении в
фаршевые системы, близко по физиологическому действию к нерастворимым пищевым волокнам, вследствие чего белково-минерально-хитиновый
комплекс можно рассматривать, как перспективное сырье для создания
пищевых функциональных формованных продуктов широко потребления.
Основное содержание диссертации опубликовано
следующих работах:
Публикации в изданиях из перечня ВАК Минобрнауки России:
1 Винокур М. Л., Андреев М.П. Зависимость выхода и состава липидно-каротиноидного комплекса из отходов ракообразных от параметров углекислотной экстракции // Хранение и переработка сельхозсырья.
– 2011. – № 10. – С. 22 – 24.
2 Винокур М. Л., Андреев М.П. Исследование кинетики сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидных комплек21
сов из панцирьсодержащих отходов ракообразных // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 2. - С. 37-39.
Работы, опубликованные в других изданиях:
3 Винокур М. Л. Обоснование способа обезвоживания панцирьсодержащих отходов ракообразных при подготовке сырья в технологии
сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидных
комплексов // Известия КГТУ. – 2012. № 25. - С. 75-78.
4 Андреев М.П., Винокур М.Л. Использование сверхкритической
углекислотной экстракции для повышения концентрации каротиноидов в
экстракте липидно-каротиноидных комплексов из панцирьсодержащих
отходов ракообразных // Труды IX международной конференции, «Инновации в науке и образовании-2011», Калининград, 18 – 20 октября, 2011 г.
– Калининград, 2011. – С. 243 – 245.
5 Андреев М.П., Винокур М.Л. Исследование процесса селективного удаления перекисей из отходов креветки с использованием сверхкритической СО2 – экстракции // Материалы VII московского международного конгресса, «Биотехнология: состояние и перспективы развития»,
Москва, – 21 – 25 марта, 2011 г. – М., 2011. – С. 244 – 245.
6 Винокур М.Л. Использование сверхкритической СО2 – экстракции для получения биологически активных веществ липоидной природы
из панцирьсодержащих отходов креветки // Материалы конференции,
«Пищевая и морская биотехнология», Светлогорск, – 1 – 2 июля, 2011 г.
– М., 2011. – С. 18 – 19.
7 Винокур М.Л. Исследование влияния способов предварительной обработки панцирьсодержащих отходов ракообразных на эффективность сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидных комплексов // Материалы VIII международной научно-практической конференции
«Производство рыбной продукции: проблемы, новые технологии, качество»,
Светлогорск, – 6 – 9 сентября, 2011 г. – Калининград, 2011. – С. 176 – 179.
8 Винокур М.Л. Изучение влияния предварительного высушивания
панцирьсодержащих отходов ракообразных на эффективность сверхкритической углекислотной экстракции липидно-каротиноидного комплекса
// Материалы II научно-практической конференции молодых ученых
22
«Современные проблемы и перспективы рыбохозяйственного комплекса», Москва , – 17 – 18 ноября, 2011 г. – М., 2011. – С. 187 – 190.
Заказ 337
Объем 1 п.л.
Подписано в печать 06.11.2012 г.
Тираж 100 экз.
Формат 60x84 1/16
Бесплатно
АтлантНИРО, 236022, Калининград, ул. Дм. Донского, 5
23