Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Переработка плодов и ягод 10
1.1 Экологические аспекты переработки плодово-ягодных шротов и жомов 10
1.2 Характеристика плодов облепихи, калины, черноплодной рябины, ягод брусники и водяники черной 13
1.3 Переработка в промышленности 15
Глава 2. Экспериментальная часть (объекты, условия и методика исследований) 20
2.1 Методика получения экстрактов густых 20
2.2 Стандартные методики анализа сырья и экстрактов 21
2.3 Методики анализа флавоноидов в экстрактах и сложнорецептурных продуктах 23
2.4 Методики исследования воздействия экстрактов в эксперименте на животных 39
2.4.1 Методика исследования безвредности экстрактов 39
2.4.2 Методы исследования специфической активности 43
Глава 3 Получение экстрактов и пектина из плодово-ягодных шротов и жомов 45
3.1 Шроты и жомы — источники биологически активных веществ 45
3.2 Анализ флавоноидсодержащих экстрактов 48
3.2.1 Качественное и количественное определение 50
3.2.2 Определение флавоноидов в жевательной резинке и бальзаме "Целебный дар Алтая" 58
3.2.3 Определение флавоноидов в экстракте из жома черноплодной рябины 60
3.2.4 Определение флавоноидов в продуктах переработки ягод брусники и водяники черной 62
3.2.5 Определение флавоноидов в алкогольных и безалкогольных бальзамах 64
3.3 Получение экстрактов 69
3.3.1 Получение экстрактов густых из шрота облепихи и шрота калины 70
3.3.2 Получение экстрактов густых из жома черноплодной рябины и жмыха брусники 76
3.4 Состав и физико-химические показатели экстрактов 79
3.4.1 Экстракты из шрота облепихи 79
3.4.2 Экстракт густой из шрота калины 83
3.4.3 Экстракт густой из жома черноплодной рябины 85
3.4.4 Продукты переработки ягод брусники и водяники 87
3.5 Получение пектинов из плодово-ягодных шротов и жомов 90
Глава 4 Технология получения экстрактов в промышленных условиях 93
4.1 Аппаратурно-технологическая схема получения ЭГШО и описание поточности процесса 93
4.2 Особенности оборудования 95
4.3 Аппаратурно-технологическая схема переработки ягод брусники и водяники черной 98
4.4 Экологические аспекты промышленной установки 102
Глава 5 Результаты исследования безвредности и специфической активности промышленных экстрактов 1.03
5.1 Оценка безвредности экстрактов в эксперименте на животных 103
5.1.1 Оценка экстракта густого из шрота облепихи 103
5.1.2 Оценка экстракта густого из шрота калины и экстракта густого из жома черноплодной рябины 108
5.2 Специфическая активность экстрактов густых из шрота облепихи и жома черноплодной рябины
5.2.1 Активность экстракта густого из шрота облепихи 119
5.2.2 Активность экстракта густого из жома черноплодной рябины 127
5.3 Результаты исследований безвредности экстрактов как потенциальных фармпрепаратов 129
5.3.1 Экстракт густой из шрота облепихи 129
5.3.2 Экстракт густой из жома черноплодной рябины 132
5.4. Рекомендации к применению 134
Выводы 136
Библиографический список литературы 138
Приложение 156
- Экологические аспекты переработки плодово-ягодных шротов и жомов
- Методики анализа флавоноидов в экстрактах и сложнорецептурных продуктах
- Шроты и жомы — источники биологически активных веществ
Введение к работе
В современном мире деятельность человеческого общества стала самым мощным средообразующим фактором. Поскольку возможности биосферы ограничены, ее ресурсы, жизненное пространство, все составляющие компоненты тесно взаимосвязаны и взаимозависимы, влияние человека на биосферу, на экосистемы распространилось значительно глубже и начало угрожать региональной и глобальной стабильности. В результате непреднамеренные негативные воздействия человека на биосферу привели к необходимости развития теории взаимодействия природы и общества, а самое главное, — к неотложному решению практических задач экологии. К таким задачам, в первую очередь, относятся: обеспечение экологической безопасности за счет неистощаю ще го (рационального или комплексного) природопользования, разработка экологических основ и правил промышленного производства, выработка механизмов решения экологических проблем [1].
Современная переработка масличного и сокового плодово-ягодного сырья в России не соответствует экологическим требованиям XXI века — эволюции производств к чистым технологиям [2]. Масла и соки являются лишь частью плодово-ягодного сырья, потребность в которых человек испытывает круглый год при сложившейся структуре однообразного питания, характеризующегося снижением потребления ценных в биологическом отношении пищевых продуктов и увеличением потребления хлебопродуктов и картофеля. В тоже время отходы переработки — плодово-ягодные шроты и жомы, содержащие биологически активные вещества (витамины, микроэлементы и т.д.), недостаток которых и приводит развитию иммунодефицитных состояний, — как правило, не используются.
Актуальность. Плоды и ягоды являются общепризнанными источниками флавоноидов, дефицит которых испытывает население России при неполноценном питании. Высокая биологическая активность флавоноидов обусловлена наличием антиоксидантпых свойств и, как следствие, широким
спектром фармакологического действия, в том числе капилляроукрепляю-щим (Р-активным) действием.
Отходы плодово-ягодной переработки — шроты и жомы — в ряду потенциальных источников Р-активных флавоноидов занимают одно из ведущих мест в связи с их доступностью и отсутствием вторичной переработки.
Для выделения из растительного сырья БАВ, включая Р-активные фла-воноиды, рекомендуются экстрагенты; ацетон, хлороформ, изопропапол, дихлорэтан и их смеси, вредное воздействие которых па окружающие экосистемы препятствует реализации технологии в промышленных масштабах.
Несмотря на богатые ресурсы возобновляемого плодово-ягодного сырья в Алтайском крае и Горном Алтае и наличие действующих предприятий-переработчиков, в частности, в г. Бийске, не проводилось исследований но разработке промышленных экологически безопасных способов получения флавоноидов из отходов переработки плодов и ягод облепихи, калины, черноплодной рябины, брусники. Данное направление работы соответствует основным направлениям Экологической доктрины Российской Федерации, включающей рациональное использование растительного сырья, внедрение экологически чистых технологий, первоочередное решение проблем региональной экологии [1]. В связи с этим исследования по разработке способов получения флавоноидсодержащих экстрактов, изучение состава и свойств являются актуальными и своевременными и проводятся впервые.
Исследования по переработке брусники и водяники, произрастающих в Корякском автономном округе, выполнены по Указу Президента РФ № 2163 от 16.12.93.
Цель исследований.
Получить биологически активные экстракты из отходов плодово-ягодной переработки, которые, с одной стороны, являются необходимыми для человека компонентами функциональных продуктов питания (нутрицев-тиками), с другой стороны, являются логическим завершением рациональной переработки плодов и ягод.
Задачи исследований.
Разработать способ извлечения и промышленную технологию получения биологически активных экстрактов из отходов плодово-ягодной переработки, обеспечивающую предотвращение загрязнения природной среды и минимизацию воздействия производства на окружающие экосистемы;
Изучить состав экстрактов и их физико-химические свойства;
Исследовать безвредность экстрактов и их специфическую активность в качестве перспективных фармацевтических препаратов;
Разработать экологически безопасную методику экспресс-контроля качества экстрактов и сложнорецептурных продуктов, содержащих флаво-ноиды.
Научная новизна.
Впервые в России разработан экологически безопасный способ получения биологически активных экстрактов из плодово-ягодных отходов: экстракта густого из шрота облепихи (ЭГШО), экстракта густого из шрота калины (ЭГШК), экстракта густого из жома черноплодной рябины (ЭГЖЧ), экстракта густого из жмыха брусники (ЭГЖБ). Разработан способ промышленной переработки ягод водяники черной. Предложенное технологическое решение обеспечивает предотвращение загрязнения природной среды.
Изучен состав полученных экстрактов и продуктов переработки водяники черной, исследованы физико-химические свойства новых продуктов. Установлена безвредность промышленных образцов ЭГШО, ЭГШК, ЭГЖЧ. Исследована специфическая активность экстрактов, обусловленная наличием флавон ои до в.
Практическая значимость.
Несомненное практическое значение имеет разработка экологически безопасной промышленной технологии получения биологически активных экстрактов из отходов плодово-ягодной переработки и продуктов переработки водяники черной. Предложенный способ получения соответствует современным требованиям "чистых технологий": в качестве сырья используются
промышленные плодово-ягодные отходы, в качестве экстрагента — экологически безопасный водный спирт, обороты экстрагента и воды насосов технологически зациклованы. Данный способ получения экстрактов относится к практическим решениям нутрициологии (экологии человека) и не требует значительных затрат, являясь универсальным и комплексным при переработке плодов и ягод.
На основании результатов исследований состава и свойств экстрактов даны рекомендации по использованию экстрактов в качестве нутрицевтиков и перспективных фармацевтических препаратов.
Разработанная методика экспресс-определения флавоноидов применима не только для пофазного контроля и качества экстрактов, но и для идентификации сложнорецепурных продуктов, содержащих флавоноиды.
На защиту выносится.
Экологически безопасный способ получения биологически активных экстрактов из отходов плодово-ягодной переработки.
Результаты определения состава и физико-химических свойств экстрактов из плодово-ягодных отходов и продуктов переработки водяники черной.
Результаты исследования воздействия экстрактов в эксперименте на животных.
Промышленная технология получения ЭГШО, ЭГШК, ЭГЖЧ, ЭГЖВ и продуктов переработки водяники черной.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на научной конференции, посвященной 50-летию кафедры фармацевтической химии СМУ (Томск, 1993), на II Российском национальном конгрессе "Человек и лекарство" ( Москва, 1995), Международном симпозиуме "Биологически активные добавки — нутрицевтики — и их использование с профилактической и лечебной целью при наиболее распространенных заболеваниях" (Тюмень, 1995), Второй международной научно-практической конференции "Проблемы охраны здоровья и социальные аспекты освоения газовых и неф-
тяных месторождений в арктических регионах" (Надым, 1995), Всероссийском конгрессе "Технологические и экономические аспекты обеспечения качества продукции и услуг в торговле и общественном питании" (Кемерово, 2003), Всероссийских семинарах "Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья" (Барнаул, 2002) и (Барнаул, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, 5 тезисов, 2 доклада, получено 3 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Федеральный Научно-Производствснный Центр "Алтай" (ФГУП "ФНПЦ "Алтай") и в Институте проблем химико-энергетических технологий Сибирского Отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН).
Диссертация изложена на 156 страницах, состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части (описания объектов, условий и методик исследований), трех глав обсуждения результатов исследований, выводов, библиографического списка литературы (178 ссылок), содержит 45 таблиц и 23 рисунка.
В исследованиях, проводимых автором, принимали участие сотрудники Института питания РАМН (г, Москва) и Сибирского государственного медицинского университета (г. Томск). Автор выражает им свою благодарность.
Экологические аспекты переработки плодово-ягодных шротов и жомов
Развитие современной промышленности, сопровождающееся расширяющимся использованием биосферы и ее ресурсов, приводит к возрастающему вмешательству человека в материальные процессы, протекающие на планете. Связанные с этим планируемые и осознанные изменения материального состава окружающей среды направлены на улучшение условий жизни человека в техническом и социально-экономическом аспектах.
К сожалению, в процессе развития технологии опасность непреднамеренных побочных воздействий на человека, живую и неживую природу была оставлена без внимания. Частично это можно объяснить непрогрессивным мнением о неограниченных способностях природы компенсировать воздействие человека. Сегодня нельзя исключать непредвиденные воздействия активной деятельности человека на легко ранимые области экосферы [3—5].
Имеющиеся в настоящее время аналитические методы и приборы позволяют выявить локальные концентрации химических веществ, попадающих в окружающую среду, и предпринять необходимые меры для снижения их содержания, в отдельных случаях для полного исключения. В глобальном масштабе снижение содержания химических веществ связано с большими затратами и, как правило, до определенного порога безопасности [б]. Поэтому при внедрении прогрессивной технологии необходимо предусматривать применение таких химических материалов или продуктов, глобальное накопление которых не будет приводить к вредным последствиям для всей экосферы, частью которой является и человек. Выработка критериев для такого отбора химических веществ является одной из задач экологической химии [1].
В настоящее время проводятся интенсивные исследования химических продуктов, использующихся в пищевых добавках, лекарственных прспаратах, косметических средствах. Эти вещества представляют собой лишь часть всех производящихся химических продуктов. Изучение воздействия даже этих интенсивно исследуемых веществ требует значительных усилий. Но реальная ситуация намного сложнее. Во-первых, как правило, химические продукты поступают в продажу в качестве сложной смеси, во-вторых, продукт одной фирмы является сырьем для производства другой фирмы. Поэтому, хотя в процессе производства такие вещества находятся под контролем, и на предприятиях-изготовителях соблюдаются промышлешю-санитариые нормы и правила, использование этих веществ потребителями часто не поддается контролю [7].
Такая ситуация требует постановки и решения следующих экологических задач.
1. Требования рационального (безотходного) природопользования.
2. Организации систем и принципов прогнозирования свойств химических продуктов, оказывающих вредное действие на экосферу (экотоксиколо-гия).
3. Внедрения в производство новых продуктов для человека с осознанием опасности непреднамеренных побочных воздействий на человека и экосферу (экология человека).
Знание взаимосвязи поставленных задач и стремление их разрешить являются необходимыми предпосылками для разработки экологически безвредных технологических процессов (экотех пологи я) [2, 8].
На основании вышесказанного можно заключить, что переработка плодово-ягодных шротов и жомов имеет выраженные экологические аспекты.
Во-первых, сами шроты и жомы являются отходами переработки дикорастущих и культурных плодов и ягод. Их доля составляет 10...50% от массы свежего сырья. Это значит, что от переработки каждой тонны свежих плодов предприятие получает 100...500 кг материала (жома) с влажностью 40%, склонного к быстрой порче и непригодного даже для скармливания скоту. Неудивительно, что выброс на рельеф шротов и жомов является самым распространснным "решением" проблемы дальнейшего использования. Следовательно, такая деятельность человека противоречит требованию рационального природопользования — одной из концепций экологической химии.
Во-вторых, переработка шротов и жомов должна быть экологически безопасной, то есть исключать использование высокотоксичпых растворителей, быть максимально механизированной и выполняться в герметичном оборудовании. В данном случае концепция экологически безопасных технологий [6] трансформируется в выбор экологически безопасного экстрагента при переработке шротов и жомов, при этом существующие предельно-допустимые концентрации химического вещества в воздухе, воде и готовом продукте умеренно высоки и позволяют организовать производство. В частности известно, что многие блестящие разработки синтетических лекарственных средств не реализованы в промышленности в связи с использованием высокотоксичных растворителей.
Методики анализа флавоноидов в экстрактах и сложнорецептурных продуктах
В мерную колбу вместимостью 25 мл, предварительно взвешенную, переносят с помощью пипетки аликвоту анализируемого экстракта равную 1 мл и вновь взвешивают. В колбу с помощью пинетки добавляют 4 мл 5%-го раствора хлорида алюминия. Для приготовления раствора сравнения во вторую колбу вместимостью 25 мл с помощью пипетки переносят аликвоту (1 мл) анализируемого экстракта, после чего объем обеих колб доводят до метки 60%-м спиртом и оставляют на 30 мин. В случае помутнения растворов их фильтруют через бумажные фильтры в чистые стаканы.
Оптическую плотность измеряют в интервале 400...600 нм па длине волны максимума поглощения в кюветах с толщиной поглощающего слоя 1 см в рабочую кювету помещают раствор с добавленным хлоридом алюминия, в кювету сравнения — раствор сравнения. Если максимум поглощения расположен в области 400...420 нм, в качестве стандарта используют ГСО рутина.
Для построения калибровочного графика зависимости оптической плотности от количества рутина в растворе точную навеску ГСО рутина около 0,05 г количественно переносят в мерную колбу вместимостью 50 см3, прибавляют отмеренные 40 мл 60%-го водного спирта, нагревают до 50...60С до растворения рутина, затем охлаждают до комнатной температуры и доводят до метки 60%-м спиртом.
Для приготовления комплекса с хлоридом алюминия в мерные колбы А и Б вместимостью 25 мл переносят по аликвоте раствора рутина и обрабатывают аналогично указанному выше, получая при этом раствор с комплексом и раствор сравнения. Используют аликвоты раствора рутина, мл: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2. При этом количество рутина в 25 мл спектрофотометрируе-мого раствора равно соответственно, г х 103: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2.
Измеряют оптическую плотность при длине волны 415 им в кювете с толщиной поглощающего слоя 1 см; в рабочую кювету помещают раствор А, в кювету сравнения — раствор Б [98].
Калибровочный график зависимости оптической плотности (А) от количества рутина в спектр о фотометр ируемом растворе (с) имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат.
Массовую долю суммы флавонолов в исследуемых экстрактах в пересчете на рутин в мг/100 г (X) вычисляют по формуле: где: с — количество рутина в анализируемой аликвоте экстракта, соответствующее измеренной оптической плотности по калибровочному графику, г/25 мл; V,, — фактор разбавления (если такое проводилось); 105 — коэффициент пересчета в мг/100 г; m — масса экстракта, г.
Аналогично проводят определение при расположении максимума поглощения в области 421...435 им. В качестве стандартного образца используют ГСО кверцетина.
За результат измерений принимают среднее арифметическое из двух параллельных определений, округляемых до целых. Допустимое расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 10 мг/100 г в диапазоне от 0 до 100 мг/100 г, 20 мг/100 г в диапазоне от 100 до 500 мг/100 г.
Шроты и жомы — источники биологически активных веществ
После удаления соковой составляющей плодов и ягод в жомах остаются клетчатка, гемицеллюлоза, лигнин, белок, содержание суммы которых достигает 70% в пересчете на абсолютно сухое сырье. Аналогичная ситуация происходит с масличными культурами: после удаления масличной фракции шроты содержат нерастворимые углеводы и белок в количестве 50...80% в зависимости от вида культуры.
Более ценной частью жомов и шротов являются низкомолекулярные соединения: дубильные вещества, сахара, органические кислоты, состав и соотношение которых определяет вкусовые свойства плодов и ягод. В меньшей концентрации (до 10%) содержатся еще более ценные вещества, обладающие биологической активностью. Среди них, в первую очередь, полифенольные соединения, затем — пектиновые вещества, витамины, макро- и микроэлементы. Ниже приведены примеры использования плодов облепихи и черноплодной рябины.
Идея безотходной или комплексной переработки плодов облепихи достаточно подробно обсуждена в литературе, но не реализована до сих пор в промышленности. Основная причина в том, что максимальный выход и высокое качество продукта можно получить при условии пренебрежения другими продуктами. Например, традиционная технология переработки облепихи предусматривает ферментацию или частичное закисание плодов для более полного отделения масла от мякоти, в этом случае сок характеризуется низкими органолептическими показателями и находит применение только в производстве алкогольных напитков. Другой пример — переработка плодов с целью получения великолепного облепихового сока с мякотью — фактически исключает возможность получения масла из обедненного жома.
Из представленных результатов следует, что, в зависимости от ситуации на рынке, предприятие предпочитает производить или сок с мякотью, или масло. Новое направление переработки — плоды мороженые — появилось благодаря наличию мощных морозильных камер, позволяющих хранить и торговать мороженой облепихой вплоть до нового урожая, причем спрос на мороженую ягоду связан с возможностью переработки мороженых плодов в течение всего года на сок или на масло. В любом случае шрот облепихи либо идет на выброс на рельеф, либо на скармливание птице.
Описанное в литературе использование частично обезжиренного шрота в производстве кондитерских, хлебобулочных, макаронных и мясных изделий с целью обогащения их пищевыми волокнами, витаминами, минералами, не находит широкого применения, хотя при этом одновременно сокращается расход дорогостоящих компонентов,. Частично, это связано с ухудшением органолептических свойств продуктов, что приводит к снижению спроса на данную продукцию несмотря на обоснованную пользу нововведенного компонента. Главная причина в том, что не полностью обезжиренный шрот характеризуется высокими показателями окислительной порчи (кислотное и перекисное числа превышают 10 мг/100г и 10 ммоль ( /2(Х)/кг соответственно) и коротким сроком хранения.
Более перспективным направлением можно считать использование шрота в качестве источника полифенольных соединений, обладающих ка-пилляроукрепляющей или Р-витаминной активностью.
В настоящее время выращивание черноплодной рябины в Сибири и Алтайском крае имеет промышленные объемы. Поскольку сбор плодов черноплодной рябины продолжителен (с момента созревания до первого снега) и нетрудоемок, а урожай характеризуется длительным сроком хранения (30...40 дней), плоды черноплодной рябины являются доступным и дешевым сырьем для перерабатывающих заводов.
