способ получения стевиозида

Формула изобретения

1. Способ получения стевиозида, включающий водную экстракцию измельченных сухих листьев растения Stevia Rebaudiana В., отделение экстракта от твердого остатка, очистку экстракта ультрафильтрацией, его концентрирование и сушку, отличающийся тем, что перед водной экстракцией измельченные сухие листья растения Stevia Rebaudiana В. подвергают экстракции в течение 5-120 мин сжиженным СО ₂, находящимся в докритическом или сверхкритическом состоянии, при периодическом сбросе давления в экстракторах с последующим восстановлением до его начального значения, а водную экстракцию ведут при температуре 30-90°С в экстракторе роторно-кавитационного типа при индексе кавитации К=0,8-1,9, и отделяют от твердого остатка путем центрифугирования при факторе разделения F _R=100-2000 с последующим сепарированием, при этом ультрафильтрацию проводят при температуре 20-95°С, величине рабочего давления 0,1-2,0 МПа и скорости протока жидкости над мембраной 1,0-8,0 м/с до удаления из экстракта пигментов, белковых и пектиновых веществ с последующей диафильтрацией образовавшегося концентрата с использованием мембран со средним размером пор 25-500 , причем концентрирование экстракта проводят обратным осмосом при температуре 20-95°С, рабочем давлении до 8,0 МПа на мембранах, обладающих 95-99%-ной селективностью по хлориду натрия до содержания стевиозида в полученном экстракте не менее чем 100 мг/л, и экстракт подвергают дополнительной очистке на ионообменных колоннах, после ионообменной очистки осуществляют дополнительное концентрирование очищенного экстракта в тонкопленочном вакуум-выпарном аппарате при температуре 45-95°С до содержания стевиозида в растворе не менее 200 мг/л, и сушку концентрата проводят в распылительных сушилках при температуре 100-160°С до остаточной влажности полученного порошка не более 10%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе проведения экстракции сжиженным CO₂ дополнительно осуществляют ультразвуковую обработку сырья при частоте 16-120 кГц в течение не более 30 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при диафильтрации используют питьевую воду до коэффициента разбавления 10-15.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед водной экстракцией проводят дополнительное измельчение растительного сырья.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пищевой промышленности, а именно к способу получения стевиозида из листьев растения Stevia Rebaudiana В., который может быть использован в пищевой промышленности в качестве подслащивающего вещества.

Известен способ выделения и очистки стевиозида, включающий водную экстракцию листьев Stevia Rebaudiana В. в слабощелочной среде, очистку экстракта колоночной хроматографией с использованием неполярной пористой полимерной смолы, выделение стевиозида элюированием (JP, 55-40596, 1980).

Недостатком способа являются большие энерго- и трудозатраты по восстановлению полимерной смолы.

Известен способ получения стевиозида из растительного сырья, включающий водную экстракцию сухого растительного материала Stevia Rebaudiana В. при температуре 20-65 ° С, удаление примесей путем обработки экстракта Са(ОН) ₂, фильтрацию, ионообменную очистку через колонку с сильнокислой смолой до требуемой чистоты, концентрирование и сушку (ЕР 0302948,1987).

Недостатком способа является сложность и дороговизна технологического процесса.

Наиболее близким к заявленному является способ получения стевиозида, включающий водную экстракцию измельченных сухих листьев растения Stevia Rebaudiana В., отделение экстракта от твердого остатка, очистку экстракта путем ультрафильтрации и его концентрирование (авторское свидетельство СССР №1741737, опубл. 1992).

К недостаткам способа следует отнести потери целевого продукта в процессе его извлечения, а также значительное содержание в нем примесей, представляющих собой пигменты, белковые и пектиновые вещества, которые снижают качественные показатели готового продукта.

Настоящее изобретение направлено на повышение степени очистки и снижение потерь стевиозида в процессе его технологической переработки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения стевиозида, включающем водную экстракцию измельченных сухих листьев растения Stevia Rebaudiana В., отделение экстракта от твердого остатка, очистку экстракта ультрофильтрацией, его концентрирование и сушку, предусматривают, что перед водной экстракцией измельченные сухие листья растения Stevia Rebaudiana В. подвергают экстракции в течение 5-120 минут сжиженным CO₂, находящимся в докритическом или сверхкритическом состоянии, при периодическом сбросе давления в экстракторах с последующим восстановлением до его начального значения, а водную экстракцию ведут при температуре 30-90°С в экстракторе роторно-кавитационного типа при индексе кавитации К=0,8-1,9, и отделяют от твердого остатка путем центрифугирования при факторе разделения F_R=100-2000 с последующим сепарированием, при этом ультрафильтрацию проводят при температуре 20-95° С, величине рабочего давления 0,1-2,0 МПа и скорости протока жидкости над мембраной 1,0-8,0 м/с до удаления из экстракта пигментов, белковых и пектиновых веществ с последующей диафильтрацией образовавшегося концентрата, с использованием мембран со средним размером пор 25-500 А, причем концентрирование экстракта проводят обратным осмосом при температуре 20-95° С, рабочем давлении до 8,0 МПа на мембранах, обладающих 95-99%-ной селективностью по хлориду натрия, до содержания стевиозида в полученном экстракте не менее чем 100 мг/л, и экстракт подвергают дополнительной очистке на ионообменных колоннах, после ионнообменной очистки осуществляют дополнительное концентрирование очищенного экстракта в тонкопленочном вакуум-выпарном аппарате при температуре 45-95°С до содержания стевиозида в растворе не менее 200 мг/л, и сушку концентрата проводят в распылительных сушилках при температуре 100-160 °С до остаточной влажности полученного порошка не более 10%.

Кроме того, в процессе проведения экстракции сжиженным СО ₂ дополнительно могут осуществлять ультразвуковую обработку сырья при частоте 16-120 кГц в течение не более 30 минут.

При диафильтрации могут использовать питьевую воду до коэффициента разбавления 10-15.

Перед водной экстракцией можно проводить дополнительное измельчение растительного сырья.

Указанные признаки взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для получения требуемого технического результата.

Способ осуществляют следующим образом.

Сухое растительное сырье, представляющее собой листья растения Stevia Rebaudiana В., направляют в аппарат для измельчения сырья, которое желательно проводить до размера частиц 1,0-2,0 мм с последующей обработкой на вальцах с образованием лепестков толщиной 0,1-0,2 мм.

Затем измельченное сырье взвешивают и загружают в экстрактор. В загруженный экстрактор подают сжиженный СО₂ и начинают процесс экстракции сырья данным экстрагентом в его докритическом (t=0-30°С, Р=3,5-7,2 МПа) либо в сверхкритическом состоянии (t=32-72°С, Р=8,0-40 МПа) состоянии. Процесс экстракции проводят в течение 5-120 минут в зависимости от содержания в исходном растительном сырье эфирных масел, жирных кислот, липоидов и красящих веществ, загрязняющих получаемый целевой продукт - стевиозид. Процесс экстракции ведут с периодическим сбросом давления в экстракторе на один порядок (в 10 раз) с последующим восстановлением первоначального значения давления путем подачи в экстрактор новых порций сжиженного газа.

Подобные пульсации являются неотъемлемой частью процесса. Они позволяют увеличить чистоту целевого продукт и существенно уменьшить продолжительности процесса его получения.

В ходе СO₂-экстракции для повышения ее эффективности возможно осуществление ультразвукового воздействия на растительное сырье. Ультразвуковую обработку проводят, преимущественно, при частоте 16-120 кГц в течение не более 30 минут, что также позволяет увеличить загрязняющий целевой продукт и уменьшить продолжительность процесса.

После завершения СO₂-экстракции очищенное от эфирных масел, жирных кислот, полифенолов, липоидов и ряда других веществ растительное сырье подвергают водной экстракции, которую проводят при температуре 30-90°С и гидромодуле смеси, преимущественно 1:5, в экстрактре роторно-кавитационного типа при индексе кавитации К=0,8-1,9. При необходимости смесь подщелачивают известковым молочком до рН 8,0-9,0. В процессе водной экстракции получают массу с размером частиц твердой фазы 1-100 мкм. В результате кавитационного воздействия происходит разрушение клеточных стенок растительного сырья, что позволяет наиболее полно извлечь целевой продукт.

Для интенсификации процесса водной экстракции возможно дополнительное измельчение растительного сырья, прошедшего СО₂ -экстракцию.

Для грубого разделения полученной массы на твердую и жидкую фракции осуществляют ее центрифугирование при факторе разделения F_R= 100-2000. Фактор разделения выбирают в зависимости от вида центрифуги (ее модели, марки, модификации). Отделенную путем центрифугирования жидкую фракцию подвергают сепарированию для повышения степени ее очистки от содержащихся в ней взвесей.

Полученный после сепарирования экстракт стевиозида подвергают очистке ультрафильтрацией, которую проводят при температуре 20-95°С, величине рабочего давления 0,1-2,0 МПа и скорости протока жидкости над мембраной 1,0-8,0 м/с до удаления из экстракта 90-95% пигментов, белковых и пектиновых веществ. С целью снижения потерь стевиозида в ходе технологической обработки сразу же после завершения ультрафильтрации мембранную установку переключают в режим диафильрации, при этом в ее контур добавляют свежие порции питьевой воды. Параметры процесса диафильтрации аналогичны параметрам процесса ультрафильтрации. Коэффициент разбавления при диафильтрации равен 10-15. Использование диафильтрации позволяет повысить выход стевиозида в 2,0-2,5 раза.

Для проведении процесса ультрафильтрации и диафильтрации используют мембраны со средним размером пор 25-500 .

Широкие пределы параметров ультра- и диафильтрации определены в зависимости от типа мембран, их материала и вида подложки. Так, при температуре 20°С для ультра- и диафильтрации используют мембраны УАМ -20П, тогда как при температуре 95°С - УПМ-20.

Несмотря на то, что стевиозид - вещество не термолабильное, повышение температуры до 95°С обусловлено существенным увеличением производительности процесса.

Поскольку в процессе диафильтрации общий объем очищенного экстракта возрастает, проводят процесс его концентрирования до содержания стевиозида в нем не менее чем 100 мг/л.

Концентрирование осуществляют с помощью процесса обратного осмоса при температуре 20-95°С, рабочем давлении до 8,0 МПа при помощи мембран, преимушенственно МГА-95П-Т, обладающих 95-99%-ной селективностью по хлориду натрия.

Окончательную очистку концентрированного экстракта проводят на ионообменных колоннах до содержания в экстракте не менее 90% стевиозида.

Для более эффективной очистки экстракт очищают путем его последовательного пропускания через ионообменные колонны, заполненные вначале сильными анионо- и катионообменными материалами, а затем слабыми катионо- и анионообменными материалами.

Данная терминология обычно используется в промышленности. Для специалиста-практика она является идентифицируемой. Вместе с тем, для приведения ее в соответствие с общепринятой в технической литературе под сильными анионо- и катионообменными материалами следует понимать сильноосновные аниониты и сильнокислотные катиониты, а под слабыми катионо- и анионообменными материалами - слабокислотные катиониты и слабоосновные аниониты.

В качестве слабокислотных катионообменных материалов используют, преимущественно, амберлитовую смолу IRC-50, в качестве сильнокислотных катионообменных материалов - IR-120. В качестве сильноосновных анионообменных материалов используют, преимущественно, амберлитовую смолу IRA-410, а в качестве слабоосновных - IRA-458.

Процесс ионообменной очистки ведут до получения экстракта, содержащего не менее 90% стевиозида. Ионообменная очистка позволяет удалить из экстракта свободные аминокислоты, витамины, минеральные примеси.

Очищенный на ионообменных колонках экстракт дополнительно концентрируют до содержания стевиозида в растворе не менее 200 мг/л в тонкопленочном вакуум-выпарном аппарате при температуре 45-95°С, что позволяет снизить деструкцию стевиозида в процессе его распылительной сушки, а также нагрузку на сушильные установки.

Сушку концентрата проводят на распылительных сушилках при температуре носителя, преимущественно воздуха, 100-160°С. Распылительная сушка позволяет снизить деструкцию целевого продукта. Сушку ведут до остаточной влажности готового продукта не более 10%.

Образующийся на стадии диафильтрации побочный продукт - пигментно-углеводный концентрат, содержащий практически весь исходный комплекс витаминов, минеральных и белковых веществ листьев растения Stevia Rebaudiana В., обладает высокими пищевыми и биологически-активными свойствами и может быть использован в натуральном или высушенном виде при производстве ряда продуктов питания традиционного или лечебно-профилактического назначения, а также при производстве БАД.

Способ поясняется следующими примерами его осуществления.

Пример 1.

Сухое растительное сырье, представляющее собой листья растения Stevia Rebaudiana В., направляют в приемный бункер аппарата для измельчения сырья, которое желательно проводить до размера частиц 1,0-2,0 мм с последующей обработкой на вальцах, с образованием лепестков толщиной 0,1-0,2 мм.

Затем измельченное сырье в количестве 100 кг загружают в экстрактор в кассетах из нержавеющей сетки. В загруженный экстрактор подают сжиженный СO₂ в количестве 900 кг и начинают обработку сырья данным экстрагентом при следующих технологических параметрах процесса: t=20°С, Р=5,7 МПа. Обработку проводят в течение 60 минут, скорость сброса давления для осуществления пульсационных взрывов - 2,0 МПа/мин. Остаточное давление в экстракторе 0,3 МПа, периодичность сброса мисцеллы в ресивер - один раз в 5 минут.

После этого очищенный шрот подвергают водной экстракции, которую проводят при температуре 60°С в экстракторе роторно-кавитационного типа, при индексе кавитации К= 0,8, гидромодуле смеси 1:5 и рН 8,5. Процесс ведут в течение 45 минут.

Для отделения полученного экстракта от твердой фазы осуществляют центрифугирование пульпы при факторе разделения F_R=1000, а затем сепарирование отделенного экстракта с целью удаления большинства взвешенных веществ.

Экстракт стевиозида затем подвергают очистке ультрафильтрацией, которую проводят при температуре 40°С, величине рабочего давления 0,2 МПа и скорости протока жидкости 3,0 м/с над мембраной УПМ -10. Сконцентрировав первоначальный объем экстракта в 10 раз, ультрафильтрационную установку переключают в режим диафильтрации, которую проводят при температуре 20-95°С, величине рабочего давления 0,1-2,0 МПа и скорости протока жидкости на мембраной 1,0-8,0 м/с, при этом процесс ведут питьевой водой до коэффициента разбавления 10-15.

При этом в ее контур добавляют свежие порции питьевой воды до первоначального объема раствора. Для проведения процесса ультрафильтрации и диафильтрации используют мембраны со средним размером пор 25-500 . Поскольку в процессе диафильтрации общий объем очищенного экстракта возрастает, проводят его концентрирование с помощью обратного осмоса на мембранах марки ОПМ-КМ при температуре 40°С и рабочем давлении 5,0 МПа до содержания в нем стевиозида 150 мг/л.

Окончательную очистку концентрированного экстракта проводят при температуре 55°С на ионообменных колоннах вначале с сильными анионо- (IRA-410) и катионообменными (IR-120) материалами, а затем со слабыми катионо- (IRC-50) и анионообменными (IRA- 458) материалами до содержания в экстракте 90% стевиозида.

Полученный экстракт дополнительно концентрируют до содержания стевиозида в растворе 250 мг/л в тонкопленочном вакуум-выпарном аппарате при температуре 60°С.

Сушку концентрата проводят на распылительных сушилках при температуре воздуха на входе 140°С, а на выходе 80°С.

Конечным продуктом процесса является сухой порошок стевиозида с влажностью 8,0%, желтовато-белого цвета, чистотой 90%, степенью сладости по отношению к сахарозе 1:250.

Пример 2.

Пример осуществляют в соответствии с примером 1, за исключением того, что количество сырья составляет 20 кг, при этом количество жидкого оксида углерода - 400 кг.

Кроме того, процесс углекислотной экстракции осуществляют при сверхкритическом состоянии экстрагента, при этом при проведении процесса наряду с пульсатором, дополнительно используют ультразвуковой генератор. После пропитки растворителем резкий сброс давления осуществляют со скоростью 6,0 МПа/мин. Параметры процесса экстракции: температура 60°С, давление 20 МПа, длительность - 30 минут, периодичность сброса мисцеллы - один раз в 6 минут. Частота колебаний ультразвука 100 кГц, время обработки сырья ультразвуком - 25 минут.

Процесс водной экстракции проводят при гидромодуле смеси 1:8, температуре 55°С, рН 8,2, при индексе кавитации К= 1,9 в течение 30 минут. Центрифугирование осуществляют при факторе разделения F_R=1800.

Ультрафильтрацию проводят при температуре 50°С, величине рабочего давления 0,5 МПа и скорости протока жидкости 4,0 м/с над мембраной БТУ-ПСА-5.

Переключение в режим диафильтрации проводят после уменьшения первоначального объема экстракта в 11 раз.

Концентрирование проводят на мембранах марки ОФМ-КМ при температуре 45°С и рабочем давлении 5,0 МПа до содержания на них стевиозида 200 мг/л.

Окончательную очистку концентрированного экстракта проводят при температуре 55°С на ионообменных колоннах вначале с сильными анионо- (IRA-410) и катионообменными (IR-120) материалами, а затем со слабыми катионо- (IRC-50) и анионообменными (IRA- 458) материалами до содержания в экстракте 93,5% стевиозида.

Полученный экстракт с чистотой 93,5% дополнительно концентрируют до содержания в нем стевиозида 300 мг/л в тонкопленочном вакуум-выпарном аппарате при температуре 60°С.

Сушку концентрата проводят на распылительных сушилках при температуре воздуха на входе 130°С, а на выходе 75°С.

Конечным продуктом процесса является сухой порошок стевиозида с влажностью 10%, белого цвета, чистотой 93,5%, степенью сладости по отношению к сахарозе 1:280.