Спосіб інтенсифікації екстракції

1. Спосіб інтенсифікації екстракції, при якому на суміш сухої рослинної сировини з екстрагентом діють мікрохвильовим електромагнітним випромінюванням, який відрізняється тим, що в якості екстрагента використовують рідку емульсію типу "вода-олія". 37899 тичних вуглеводів, таких як гексан, петролейний ефір, бензин; рослинних масел таких, як соняшникове, соєве, або кісточкове, масло пшеничних зародків і багатьох інших гідрофобних розчинників (див.: Муравьев И.А. Те хнология лекарств. – М.: Медицина, 1971). При цьому із рослинної сировини переважно вилучають комплекс ліпофільних речовин. Наприклад, за А.с. СРСР № 1573575 МКВ5 А61К35/78, 11.08.88, для екстракції рослинної сировини застосовують пентан, що обмежує асортимент вилучаємих речовин гідрофобними сполученнями. Також відомо застосування як засобу інтенсифікації екстракції надкритичних рідин, що являють собою динамічно мікрогетерогенні системи. Хоча в таких системах відсутні справжні поверхні розділу між фазами і вони є суттєво однорідними, наявність значних градієнтів фізичних параметрів у мікрообластях екстракційного середовища значно посилює ефективність екстракції. Так, за патентом США № 5547673, МКВ6 А61К035/78, 20.08.96, для екстракції подрібненого насіння кабаку застосовують надкритичну вуглекислоту при тиску 80-150 бар. Також за патентом США № 5006337, МКВ6 А61К035/78; А61К007/06, 09.04.91, рослинну сировину, а саме залишкове зерно ячменю після завершення процесу отримання солоду у пивоварінні, екстрагують вуглекислотою або закисом азоту, рідкими або у надкритичному стані, при тиску від 75бар до 600бар. При цьому із рослинної сировини вилучають або, переважно, комплекс гідрофобних, або, переважно, комплекс гідрофільних речовин, залежно від фазового стану екстрагента - у вигляді рідини або надкритичної рідини, що залежить від конкретних значень режимних параметрів процесу - тиску і температури, які можна змінювати безперервно по мірі перебігу процесу. Попутно вилучають і дифільні речовини. Проте, до недоліку застосування надкритичних рідин слід віднести проведення процесу при високому тиску і необхідність у складному обладнанні. Відомо ряд способів інтенсифікації екстракції шляхом впливу на суміш сировини і екстрагента різних силових полів. Так, відомо спосіб інтенсифікації екстракції шляхом створення в екстракційному середовищі механічних коливань, наприклад, з використанням високообертових лопатей, вібраторів і інших, описаних у книзі: Г.І. Молчанова (Интенсивная обработка лекарственного сырья. - М.: Медицина, 1981. - С. 52-54). Також за А.с. СРСР № 1750686, МКВ5 А61К35/78, 30.07.92, інтенсифікації екстракції сухої рослинної сировини, а саме, обліпихи, рослинною олією досягають одночасним впливом на суміш сировини з екстрагентом інтенсивного перемішування, тепла і акустичних коливань ультразвукового діапазону. Відсутність в описі винаходу прикладів конкретного виконання не дозволяє оцінити досягнутої е фективності інтенсифікації процесу. Проте, як слідує із наведеної у опису формули і як відомо із рівня техніки, висока акустична потужність випромінювача є причиною звукохімічних реакцій у матеріалі, підданому обробці, що призводить до руйнування БАР, зниження ефективності використання сировини і одержання низькоякісного цільового продукту. Крім того, інтенсифікація екстракції впливом полів механічних сил може бути застосована тільки у випадку застосування малов'язких екстрагентів. Відомо застосування в якості засобу інтенсифікації екстракції дії на екстракційну суміш електромагнітного поля. Так, відомо застосування НВЧполя для виділення алкалоїдів, поліфенолів і інших БАР із сухої рослинної сировини, як це описано у книзі Г.І. Молчанова (Интенсивная обработка лекарственного сырья. - М.: Медицина, 1981. - С. 144). За патентом Росії № 2029559, МКВ6 А61К35/78, С11В9/02, В01D11/02, 27.02.95, відомо використання як засобу інтенсифікації екстракції НВЧ-поля для нагрівання суміші сировини і екстрагента, яким є рідина і гази, що містяться у вихідній рослинній сировині. Даний спосіб може бути застосований тільки до свіжої рослинної сировини природної вологості, тобто іншого типу сировини. При цьому, асортимент речовин, які можуть бути вилучені із сировини, обмежується комплексом летючих і гідрофільних речовин. Найбільш близьким аналогом - прототипом є спосіб інтенсифікації екстракції за патентом США № 5458897, МКВ6 A23L001/00, надрукованому 17.10.95, за яким на суміш сухої рослинної сировини з екстрагентом діють мікрохвильовим електромагнітним випромінюванням. За прототипом як екстрагент застосовують різні рідини та їх суміші низької в'язкості, які являють собою однорідні системи, що характеризуються відносною радіопрозорістю. Внаслідок цього при використанні за способом прототипу в якості сировини сухого рослинного матеріалу тривалість процесу екстракції значно збільшується через низьку швидкість тепловиділення в об'ємі екстракційного середовища завдяки радіопрозорості і слабкому поглинанню енергії електромагнітного випромінювання як екстрагентом, так і сухою рослинною сировиною. Низька ефективність використання енергії електромагнітного поля за прототипом знижує економічні показники використання НВЧ-пристроїв, які мають високі показники амортизації. З іншого боку, діелектричні характеристики і сухої рослинної сировини і екстрагента мають до того ж значення ще й близькі за величиною. Внаслідок цього виключається участь у процесі екстракції явищ тепломасопереносу, обумовлених зростанням градієнтів температури при дії НВЧвипромінювання на екстракційну суміш. Це робить неможливим поширення способу за прототипом на екстрагенти, що мають відносно високу в'язкість, такі, наприклад, як різні види рослинної олії тощо. Таким чином, головними недоліками способу за прототипом при використанні сухо ї рослинної сировини є низька ефективність застосування НВЧ-випромінювання, висока тривалість екстракції, зниження економічних показників використання обладнання, обмеження асортименту, екстрагентів. В основу винаходу поставлена задача створення способу інтенсифікації екстракції сухої рослинної сировини, у якому використання нового екстрагента та форм його виконання у поєднанні із застосуванням НВЧ-поля, нові умови їх застосування дозволяють підвищити ступінь інтенсифікації процесу екстракції як за тривалістю, так і за асортиментом БАР. 2 37899 Поставлену задачу вирішено тим, що в способі інтенсифікації екстракції, при якому на суміш сухої рослинної сировини з екстрагентом діють мікрохвильовим електромагнітним випромінюванням, як екстрагент використовують рідку емульсію типу "вода в олії". Дисперсійне середовище емульсії утворене рослинною олією або їх сумішшю, а дисперсна фаза утворена водою або водними розчинами. При цьому температура кипіння дисперсійного середовища перевищує температур у кипіння дисперсної фази. Суху рослинну сировину попередньо подрібнюють до розмірів частинок не більш 0,1 мм. Для запобігання злипанню частинок сировини його попередньо замочують в рослинній олії або їх суміші. Дію електромагнітного НВЧвипромінювання здійснюють при частоті випромінювання 2450 МГц і потужності не менш за 500 Вт. Суть винаходу полягає в тому, що, на відміну від прототипу, інтенсифікації екстракції досягають спільним використанням мікрохвильового електромагнітного випромінювання і екстрагента, яким є емульсія типа "вода-олїя", що дозволяє створити в дисперсійному середовищі розподілені центри тепловиділення, розміщені за межами частинок сировини, що екстрагується, а саме, краплинки радіопоглинаючої дисперсної фази. У винаходах за патентами США № 4680314 МКВ6 А61К31/07; А61К031/355, надрукованому 14.07.87, та № 5378369 МКВ6 B01D061/16, 3.01.95, при екстракції b-каротину із одноклітинної водорості як екстрагент застосовують рослинну олію, яку змішують з біомасою живих клітин водорості, суспендованих у воді, а суміш нагрівають традиційним способом. При цьому утворюється емульсія, у масляну фазу якої і дифундує b-каротин, а гідрофільні речовини залишаються у водній фазі. Таким чином, за даним способом використовується свіжа сировина, а емульсія виконує роль екстрагента і не є засобом інтенсифікації процесу. Також при одержанні термостійких пряних приправ для випікання за патентом США № 5902622; МКВ6 A23L1/2/8; 1/221; 1/222, 11.05.99, способом екстракції різних видів рослинної сировини як екстрагент застосовують суміш їстивної олії, води і емульгатора, або емульсію типа "олія у воді". При цьому, нагрів екстракційної суміші здійснюють традиційним способом, із чого слідує, що протягом усього часу екстракції в об'ємі екстракційного середовища ніде не утворюються градієнти температури на поверхні розділу фаз. Екстракцію ведуть дискретним протипотічним методом для досягнення більш повного аромату смакових якостей приправи. За даним способом емульсія "олія-вода" є необхідним елементом технологічного процесу, а саме, виконує традиційну функцію екстрагента, застосування якого вирішує задачу створення асортименту вилучених із сировини речовин, що й забезпечує повноту аромату і смаку цільового продукту, проте не є засобом інтенсифікації екстракції. У способі за винаходом центри тепловиділення, що розміщені за межами частинок сировини, інтенсифікують екстракцію внаслідок турбулізації міжфазних поверхонь за рахунок розподіленої гідродинамічної дії з боку дисперсної фази на дисперсійне середовище і суспендовані в дисперсійному середовищі частинки сировини. При цьому відбувається зростання концентраційних градієнтів біля поверхонь розділу "вода-олія" і "сировинаекстрагент", активізується масоперенос як через поверхню розділу фаз "дисперсійне середовище дисперсна фаза", так і через поверхню "екстрагент - частинка сировини". Завдяки розміщенню центрів тепловиділення за межами частинок сировини, вони не тільки інтенсифікують процес екстракції, але й сприяють збереженню БАР, вилучених із сировини. Спосіб здійснюється таким чином. Будь яку подрібнену суху рослинну сировину, окремо або у будь-якій потрібній комбінації з розмірами частинок, наприклад, не більш за 0,1 мм, змішують в одному підходящому співвідношенні мас з емульсією типу "вода-олія" необхідної кратності, яку виготовляють будь яким відомим способом, і що має бажану температуру. Таким чином, формують екстракційне середовище, яке являє собою потрійну гетерофазну систему "вода - олія - тверді частинки сировини". При використанні деяких видів сировини такої, наприклад, як високобілкові зародки пшениці, для запобігання злипання частинок сировини доцільно попередньо змішати з рослинною олією - олійною фазою емульсії. Як рослинна олія можуть бути використані соняшникова, соєва, оливкова, кукурудзяна, персикова олії та інші масла, а також їх суміші, а як дисперсна фаза - вода або водні розчини. Вибір виду олії, дисперсної фази, способу приготування і кратності емульсії, а також вибір співвідношення мас екстрагента і сухої рослинної сировини не пов'язані принципово з суттю інтенсифікації процесу одержання олійного екстракту під дією НВЧ-поля і визначається природою сировини та вимогами до цільового продукту. Експериментально встановлено, що достатнім є вибір співвідношення мас сировина/екстрагент в межах (1:1)-(1:10). Співвідношення мас менш, ніж 1:1 утр уднює відокремлення твердих частинок проекстрагованої сировини після екстракції, а співвідношення більш 1:10 призводить до невиправданих витрат екстрагента. Вибір температури емульсії і суміші визначається бажаною тривалістю процесу, але також і залежить від природи, сировини і вимог щодо якості цільового продукту. Суміш вибраної сировини і екстрагента ретельно перемішують будь-яким відомим способом і вкладають в посуд із радіопрозорого матеріалу, що не поглинає НВЧ-випромінювання, наприклад скляний. Процес ведуть в НВЧ-пристроях при безперервному підвищенні температури вказаної суміші під впливом НВЧ-поля частотою 2450 МГц і потужністю не менш ніж 500 Вт. За рахунок розподіленої гідродинамічної дії з боку дисперсної фази на дисперсійне середовище і суспендовані у дисперсійному середовищі частинки рослинної сировини, зростання концентраційних градієнтів у міжфазних поверхонь досягається активізація масопереносу. Таким чином, за даним способом інтенсифікація екстракції досягається при ефективному поєднанні процесів конвективного і дифузного масопереносу. При цьому полегшується вихід в екстрагент високомолекулярних дифільних речовин, наприклад, ліпопротеідів у нативному стані, молекули яких розміщаються на межі розділу фаз "вода-олія", що сприяє їх збереженню. В свою чергу, процес розміщення дифільних мо 3 37899 лекул на межі фаз "вода-олія" призводить до збільшення дисперсності емульсії і сприяє прискоренню процесу екстракції завдяки збільшенню площі вказаної міжфазної поверхні. Одночасно відбувається екстракція гідрофільних речовин у водну фазу і ліпофільних речовин - у олійну фазу, відповідно. Дію НВЧ-поля на екстракційне середовище зупиняють при досягненні моменту закипання дисперсної водної фази, як більш легкокиплячого компонента вказаного середовища. Після завершення процесу суміш о холоджують до бажаної температури. Перед охолоджуванням суміш можна піддати короткочасному інтенсивному перемішуванню. Далі, після екстракції із потрійної гетерофазної суміші, відомими способами, наприклад, центрифугуванням, відокремлюють готовий олійний екстракт, додатково одержуючи і водну фазу з розчиненими в ній екстрактивними гідрофільними речовинами та залишок нерозчинних частинок вихідної сировини. Винахід ілюструється прикладами конкретної реалізації способу. Приклад 1. Готують емульсію "вода-олія" змішуванням 50 мл дистильованої води і 50 мл рафінованої оливкової олії, попередньо розігрітої до 60°С, суміш інтенсивно перемішують на лабораторній мішалці при 3600 об/хв протягом 3 хв. Далі змішують 30 г сухого порошку коріння валеріани лікарської із 100 мл отриманої вищевказаним способом емульсії в співвідношенні 3:10, і піддають інтенсивному перемішуванню на лабораторній мішалці при 2400 об/хв протягом 3 хв. Отриману трифазну суміш у скляному посуді поміщають в пристрій НВЧ і піддають дії НВЧ-випромінювання частотою 2450 МГц потужністю 900 Вт. НВЧобробку суміші припиняють при спінюванні суміші через 1,5 хв. Далі суміш швидко охолоджують до 20°С, руйнують центрифугуванням при 10000 об/хв протягом 5 хв і одержують олійний екстракт валеріани лікарської, водний екстракт із розчиненими речовинами та нерозчинний залишок частинок сировини. На весь процес отримання екстракту потрібно, таким чином, 6,5 хв, а 6,0 хв йде на підготовчі операції. Приклад 2. Готують емульсію "вода-олія" змішуванням 50 мл дистильованої води і 50 мл рафінованої оливкової олії, попередньо розігрітої до 60°С, суміш інтенсивно перемішують на лабораторній мішалці при 3600 об/хв протягом 3 хв. Далі змішують 30 г сухого порошку цвіту ромашки аптечної із 100 мл отриманої вищевказаним способом емульсії в співвідношенні 5:10, і піддають інтенсивному перемішуванню на лабораторній мішалці при 2400 об/хв на протязі 10 хв. при температурі 60°С. Отриману трифазну суміш у скляному посуді поміщають в пристрій НВЧ і піддають дії НВЧвипромінювання частотою 2450 МГц потужністю 900 Вт. НВЧ-обробку суміші припиняють при спінюванні суміші через 4,0 хв. Далі суміш ще раз перемішують при 1200 об/хв, але без нагрівання і повільно охолоджують при цьому до 20°С, далі трифазну систему руйнують центрифугуванням при 10000 об/хв протягом 5 хв і одержують олійний екстракт ромашки аптечної, водний екстракт та нерозчинний залишок частинок сировини. Процес отримання екстракту займає, таким чином, 9,0 хв, а 13 хв йде на підготовчі операції. Приклад 3. Готують емульсію "вода-олія" змішуванням 20 мл дистильованої води і 80 мл рафінованої соняшникової олії, суміш інтенсивно перемішують лабораторною мішалкою при 2400 об/хв протягом 2 хв. Змішують 10 г сухого порошку перцю жагучого із 100 мл отриманої емульсії у співвідношенні 1:10, і піддають інтенсивному перемішуванню на лабораторній мішалці при 2400 об/хв протягом 1 хв. Отриману трьохфазну екстракційну суміш "вода - олія - суспензійні частинки сировини" у скляному посуді поміщають у пристрій НВЧ і піддають дії НВЧ-випромінювання частотою 2450 МГц та потужністю 700 Вт. НВЧ-обробку зупиняють при спінюванні суміші через 2,5 хв, температура якої при цьому становить 100°С. Далі суміш швидко охолоджують до 50°С, збільшують об'ємну частку рідкої дисперсної фази додаванням 50 мл дистильованої води і перемішують 1 хв при 300 об/хв для обернення фаз, отриману суміш центрифугують протягом 5 хв при 10000 об/хв і відокремлюють цільовий продукт - масляний екстракт перцю жагучого, водний екстракт перцю жагучого та залишок твердих нерозчинних частинок проекстрагованої сировини. На весь процес отримання екстракту потрібно, таким чином, 7,5 хв, а 3 хв йде на підготовчі операції. Приклад 4. Готують емульсію "вода-олія" змішуванням 70 мл дистильованої води і 30 мл рафінованої соняшникової олії, суміш інтенсивно перемішують лабораторною мішалкою при 2400 об/хв протягом 5 хв. Змішують 30 г сухи х плодів шипшини, подрібнених до розміру часток приблизно 0,1 мм, із 100 мл отриманої емульсії у співвідношенні 3:10, і піддають інтенсивному перемішуванню на лабораторній мішалці при 2400 об/хв протягом 3 хв. Отриману трьохфазну суміш "вода масло - суспензійні частинки сировини" у скляному посуді поміщають у пристрій НВЧ і піддають дії НВЧ-випромінювання частотою 2450 МГц та потужністю 500 Вт. НВЧ-обробку зупиняють при спінюванні суміші через 6 хв, температура якої при цьому становить 94°С. Далі суміш швидко охолоджують до 30°С, і центрифугують протягом 5 хв при 10000 об/хв і відокремлюють цільовий продукт олійний екстракт плодів шипшини, водний екстракт плодів шипшини та залишок твердих нерозчинних частинок проекстрагованої сировини На весь процес отримання екстракту потрібно, таким чином, 11 хв, а 8 хв йде на підготовчі операції. Наведені приклади реалізації винаходу не вичерпують усіх варіантів, можливі і інші видозміни в межах втілення і без обходу головного винахідницького замислу. 4 37899 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5