OBTAINING PECTIN FROM BEET PULP

Риянова Э.Э.¹, Кострюкова Н.В.²

¹ORCID: 0000-0003-2954-5525, Магистрант 2-го года обучения, ФГБОУ ВО Уфимский государственный авиационный технический университет, ²ORCID: 0000-0001-5251-1054, Кандидат химических наук, доцент кафедры «Безопасность производства и промышленная экология», ФГБОУ ВО Уфимский государственный авиационный технический университет

ПОЛУЧЕНИЕ ПЕКТИНА ИЗ СВЕКЛОВИЧНОГО ЖОМА

Аннотация

Приведены результаты проведения экстракции пектина из свекловичного жома – отхода сахарного производства. Оптимизированы условия проведения экстракции с целью получения наибольшего выхода пектина. Разработана блок-схема получения пектина из свекловичного жома с выходом пектина 21…29%. Производство пектина позволит отказаться от импорта данного продукта из-за рубежа, а также снизить негативное воздействие сахарных заводов на окружающую среду. Разработанная схема является экологически безопасной.

Ключевые слова: свекловичный жом, пектин, экстракция, лимонная кислота, пеллеты.

Riyanova E.E.¹, Kostriukova N.V.²

¹ORCID: 0000-0003-2954-5525, Master's Degree Student of 2^nd year, FSBEI of Higher Education Ufa State Aviation Technical University, ²ORCID: 0000-0001-5251-1054, PhD in Chemistry, Associate Professor of “Safety of Production and Industrial Ecology” Department, FSBEI of Higher Education Ufa State Aviation Technical University

OBTAINING PECTIN FROM BEET PULP

Abstract

The paper contains the results of pectin extraction from beet pulp – the waste of sugar production. The conditions of performing extraction are optimized in order to obtain greater yield of pectin. We have developed the block diagram of obtaining pectin from beet pulp with a pectin yield of 21...29%. Obtaining pectin will allow refusing from import of this product from abroad, as well as reducing negative impact of sugar plants on the environment. The article offers an environmentally safe scheme.

Keywords: beet pulp, pectin, extraction, citric acid, pellets.

Введение

Пектин, являющийся естественным полисахаридом, в последние годы приобретает все большее значение. Учеными и потребителями отмечается польза натурального пектина, благодаря его биоразлагаемости. В течение многих лет он успешно используется в пищевой промышленности в качестве загустителя, гелеобразующего агента и коллоидного стабилизатора. Пектин также обладает уникальными свойствами, которые позволяют использовать его в качестве формы для захвата и/или доставки различных лекарственных веществ, белков и клеток [1].

Пектин является сложным гетерополимером, который является составляющим межклеточного вещества клеточной стенки растения (рисунок 1). Они обычно включают в себя сложный метиловый эфир пектина, де-этерифицированные пектиновые кислоты и ее соли, и пектаты. Как и большинство других растительных полисахаридов, пектиновые вещества являются полидисперсными в составе и молекулярном размере, указывающее на то, что они неоднородны в отношении как химической структуры, так и молекулярной массы [2].

Рис. 1 – Состав клеточной стенки растения [3]

 

В основном, в промышленном масштабе пектины извлекаются из побочных продуктов производства фруктовых соков (яблочные выжимки и кожура цитрусовых). Экстракцию проводят в кислых условиях, чтобы получить высокометоксилированные пектины и низкометоксилированные пектины. В пищевой промышленности высокометоксилированный пектины широко используются в качестве гелеобразующих агентов при производстве джемов, мармеладов, желе и кондитерских изделий, тогда как низкометоксилированные пектины часто используются в качестве стабилизаторов в подкисленных молочных напитках, включая кисломолочные продукты и смеси фруктового сока и молока [4].

В Российской Федерации существует значительный спрос на пектин. Однако, в России отсутствует собственное производство пектина с 1992 года. Весь пектин, представленный на российском рынке, является импортным.

Одной из главных причин, тормозивших развитие производства пектина, являлось отсутствие экологически безопасной технологии по комплексной переработке вторичных сырьевых ресурсов. Традиционная технология предусматривает применение химически агрессивных сред, что обусловливает высокие требования по коррозионной стойкости основного технологического оборудования, его взрыво- и пожаробезопасности [5].

В связи с этим, на сегодняшний день возобновление производства пектина на территории Российской Федерации является актуальной темой.

Материалы и методы исследования

В рамках научной стажировки в Университете г. Салерно (Италия, Università degli studi di Salerno) в лабораториях Химической и Пищевой Технологии (Ingegneria Chimica e Alimentare) кафедры Промышленной инженерии (Departimento di Ingegneria Industriale DIIN) проведены исследования по определению характеристик свекловичного жома, получению пектина из свекловичного жома и определению характеристик полученного пектина.

Сырой свекловичный жом предоставлен в конце октября 2016 года Сельскохозяйственным кооперативом производителей свеклы (Cooperativa Produttori Bieticoli Cooperativa Agricola – COPROB), расположенным в коммуне Минербио провинции Болонья региона Эмилия-Романья на севере Италии. В работе [6] изложены результаты исследования характеристик предоставленного свекловичного жома.

В ходе исследования оптимизированы условия извлечения пектина, ниже представлен порядок проведения экстракции с наивысшим выходом пектина.

Сырой свекловичный жом высушен при температуре 60°C в течение 16 часов в конвективной сушилке B80FSV/E6L3 Termax Norway, затем измельчен с помощью ножевой мельницы Grindomix GM 300 (размеры частиц <1 мкм, <1мм). Высушенный и измельченный свекловичный жом (0.400…1.000 мм) растворен в лимонной кислоте (20%-ный раствор) в соотношении твердой и жидкой составляющих 1:30. С помощью 20%-ного раствора соляной кислоты HCl достигнуто значение рН = 1.5. Проведена экстракция пектина путем нагревания раствора в термованне FALC в течение 4 часов при 90°C. После охлаждения и дальнейшего фильтрования, к экстрактному раствору добавлен 95%-ный раствор этанола (в соотношении 1:3) для того, чтобы выделить пектин. Далее осуществлено осаждение пектина в центрифуге ALC PK 110, использованный этанол извлечен и отправлен на рекуперацию путем дистилляции. Осажденный пектин высушен при температуре 50°C в течение трех часов в конвективной сушилке B80FSV/E6L3 Termax Norway.

Выход пектина рассчитан по следующей формуле:

Y_пектин = m_{высушенный пектин} / m_{высушенный свекловичный жом},

где m_{высушенный пектин} – масса полученного высушенного пектина, г;

m_{высушенный свекловичный жом} – масса использованного для экстракции высушенного свекловичного жома, г.

Результаты и их обсуждение

Проведен литературный обзор исследований по получению пектина из свекловичного жома и других отходов. Отмечено, что наибольший выход пектина с использованием в качестве экстрагента органической кислоты наблюдается при следующих условиях: рH=1.0…2.0, t = 80…90 °С. В работе проведено четыре экстракции, в ходе которых оптимизированы условия извлечения пектина из свекловичного жома.

После первой экстракции с выходом 2.54±0.05% влажного пектина, отмечена необходимость измельчения свекловичного жома до размеров частиц <400 мкм, а также понижения значения рН с 2.0 до 1.5.

После второй экстракции с выходом 2.64±0.05% высушенного пектина, предложено использовать термованну с целью равномерного процесса нагревания, провести центрифугирование для осаждения пектина после взаимодействия с этанолом, а также использовать свекловичный жом с размером частиц <1 мм.

Рис. 2 – Блок-схема разработанного способа получения пектина из свекловичного жома

 

Выход высушенного пектина в ходе третьей экстракции составил 21.95±0.05%. Сделан вывод о том, что условия проведения экстракции являются оптимальными.

Для подтверждения полученных результатов проведена четвертая экстракция при тех же условиях, что и в третьей экстракции, при этом выход высушенного пектина составил 29.72±0.05%.

На рисунке 2 представлена блок-схема разработанного способа получения пектина из свекловичного жома, предусматривающий получение высушенного пектина, а также использование отходов от экстракции пектина для получения биотоплива (пеллет). В данном способе этанол подвергается восстановлению путем дистилляции.

Выводы

В данной работе оптимизированы условия экстракции пектина из отхода сахарного производства – свекловичного жома. Разработанный способ получения пектина позволяет получить пектин с выходом, равным 20…30%, что соответствует данным из литературных источников. В работе отмечено, что отходы от экстракции пектина возможно использовать для получения биотоплива (пеллет) путем их торрефикации.

Разработанный способ отличается экологичностью и безотходностью, так как в экстракции использованы отходы сахарного завода, а в качестве экстрагента – слабая и дешевая кислота, которую можно получить из отходов лимонов. Также этанол, который используется для выделения пектина, можно восстанавливать дистилляцией, а отходы от экстракции пектина использовать для получения биотоплива (пеллет).

Список литературы / References

1. Pornsak S. Chemistry of Pectin and Its Pharmaceutical Uses: A Review [Electronic resource]. URL: http://www.journal.su.ac.th/index.php/suij/article/viewFile/48/48 (Access date: 20.03.2017).
2. Arantzazu V. Natural Pectin Polysaccharides as Edible Coatings / Arantzazu V., Nuria B., Alfonso J. and María Carmen G. // Coatings. – 2015. - №5 (4). – P. 865 – 886.
3. All about fiber [Electronic resource]. URL: http://www.precisionnutrition.com/all-about-fibre (Access date: 19.03.2017).
4. Agata Z. Extraction of Green Labeled Pectins and Pectic Oligosaccharides from Plant Byproducts / Agata Z., Marie-Helene B., Hanna K., Johanna B., Jean-Francois T., Estelle B. // Agricultural and food chemistry. – 2008. – №56. – P. 8926 – 8935.
5. Донченко Л. В. Пектин: основные свойства, производство и применение / Л. В. Донченко, Г. Г. Фирсов – М.: ДеЛи принт, 2007. – 276 с.
6. Риянова Э. Э. Физико-химический анализ свекловичного жома / Э. Э. Риянова, Н. В. Кострюкова [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. 2017. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1488193767 (Дата обращения: 30.03.2017).

 Список литературы на английском языке / References in English

1. Pornsak S. Chemistry of Pectin and Its Pharmaceutical Uses: A Review [Electronic resource]. URL: http://www.journal.su.ac.th/index.php/suij/article/viewFile/48/48 (Access date: 20.03.2017).
2. Arantzazu V. Natural Pectin Polysaccharides as Edible Coatings / Arantzazu V., Nuria B., Alfonso J. and María Carmen G. // Coatings. – 2015. - №5 (4). – P. 865 – 886.
3. All about fiber [Electronic resource]. URL: http://www.precisionnutrition.com/all-about-fibre (Access date: 19.03.2017).
4. Agata Z. Extraction of Green Labeled Pectins and Pectic Oligosaccharides from Plant Byproducts / Agata Z., Marie-Helene B., Hanna K., Johanna B., Jean-Francois T., Estelle B. // Agricultural and food chemistry. – 2008. – №56. – P. 8926 – 8935.
5. Dochenko L. V. Pectin: osnovnye sboystva, proizvodstvo i primenenie [Pectin: main properties, production and application] / Donchenko L. V., G. G. Firsov. – Moscow: DeLi print, 2007. – 276 p. [in Russian]
6. Riianova E.E. Fiziko-chimicheskiy analiz sveklovichnogo ghoma [Physic-chemical aanalysis of sugar beet pulp] / E. E. Riianova, N. V. Kostryukova [Electronic resource] // SCI-ARTICLE.RU. 2017. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1488193767 (Access date:03.2017).