Способ получения моносахаров и их смесей

 

Использование: при получении моносахаров из растительного углеводосодержащего сырья. Сущность изобретения: предлагается проводить гидролиз измельченного углеводосодержащего сырья 0,5 - 5,0%-ным раствором серной кислоты при 95 - 135^oC в течение 1,5 - 3 ч, затем вводить мочевину в соотношении с весом сырья 1:8 - 1:40 по массе, выдерживать при той же температуре 30 - 60 мин, смесь нейтрализовать, охладить, раствор отделить от осадка, очистить, упарить, провести кристаллизацию сахаров этанолом в соотношении 1:1 - 1:2 с упаренным раствором при 10 - 20^oC в течение 2 - 8 ч, кристаллы отделить центрифугированием, промыть этанолом и высушить в вакууме при 20 - 45^oC.

Изобретение относится к получению моносахаров из растительного углеводосодержащего сырья и может быть использовано в их промышленном производстве для пищевой, фармацевтической, косметической и других отраслей промышленности.

В последнее время рядом исследований установлено влияние моносахаров на регулирование иммунной системы организма человека, введение их в пищевой рацион снижает возможность таких заболеваний, как ишемия, подагра, диабет и др. Это обусловливает необходимость промышленного производства моносахаров и их смесей.

Наиболее перспективным является получение этих продуктов из доступного и недорогого растительного сырья. Известно, что в отечественной флоре имеются растения с высоким содержанием полисахаридов, например бобовые плоды, корни солодки, акация гледичия и др.

Известен способ получения галактоманнанов из растительного сырья, содержащего углеводы /В. Д. Шербухин. Галактоманнаны отечественной флоры. Прикладная биохимия и микробиология. Т. 29, 1933, с. 803 813/.

Способ осуществляется экстракцией измельченного сырья кипящим 85%-ным этанолом /40 60 мин/ с последующим осаждением продукта этанолом и отделением осадка центрифугированием. Эта процедура повторяется несколько раз. После этого проводятся очистка осадка реактивом Фелинга, выделение продукта из раствора медного комплекса разбавленной соляной кислотой, обезвоживание этанолом и сушка.

Этот способ не осуществим в промышленных условиях, не обеспечивает выход моносахаров.

Известны способы обработки различного растительного сырья /солома, кора и др. / для кормов животным путем гидролиза измельченного сырья серной кислотой с добавлением катализатора /металлы, мочевина/ с целью повышения в кормах содержания моносахаров /а.с. СССР N 651652, A 23 K 1/12, 1979; а.с. СССР N 1713538, A 23 K 1/12, 23.02.92. Бюл. N 7/.

Однако эти способы не предусматривают получения моносахаров и их смесей в чистом виде для использования в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения Д-маннозы из бобов рожкового дерева /Г.В. Лазурьевский и др. Практические работы по химии природных соединений. М. Высшая школа, 1966, с. 58/.

Способ включает гидролиз измельченного сырья серной кислотой при нагревании на водяной бане в течение 9 ч, охлаждение и отделение гидролизата центрифугированием, нейтрализацию раствора гидроокисью бария, очистку активированным углем при кипячении, фильтрацию в горячем виде и упаривание до получения осадка. Очистка продукта проводится перекристаллизацией ледяной уксусной кислотой и промывкой метанолом и эфиром. Недостатками способа являются сложность и многоступенчатость процесса очистки, трудность осуществления технологии в промышленных условиях, невозможность использования получаемых сахаров в качестве пищевой добавки /из-за использования метанола и эфира/.

Целью изобретения является обеспечение возможности осуществления промышленного производства моносахаров и их смесей из растительного углеводосодержащего сырья для использования в пищевой и фармацевтической промышленности, уменьшение затрат.

Поставленная цель достигается тем, что проводят гидролиз измельченного углеводосодержащего сырья 0,5 5,0%-ным раствором серной кислоты при 95 - 135^oC в течение 1,5 3 ч, затем вводят мочевину в соотношении с весом сырья 1: 8 1:40 по массе, выдерживают при той же температуре 30 60 мин, смесь нейтрализуют, охлаждают, раствор отделяют от осадка, очищают, упаривают, проводят кристаллизацию сахаров этанолом в соотношении 1:1 1:2 с упаренным раствором при 10 20^oC в течение 2 8 ч, кристаллы отделяют центрифугированием, промывают их этанолом и высушивают в вакууме при 20 -45^oC.

По отношению к прототипу изобретение имеет следующие отличительные признаки.

Проведение гидролиза кислотой меньшей концентрации /0,5 5,0%/ при более высокой температуре /95 135^oC/ при сокращении времени до 1,5 3 ч обеспечивает уменьшение тепловых затрат и расхода кислоты.

Введение мочевины увеличивает выход моносахаров и ускоряет процесс гидролиза. При нагревании растительного сырья в растворе серной кислоты происходят разрушение лигнин-целлюлозного комплекса и переход легкогидролизуемых углеводов в кислый раствор. Мочевина катализирует реакцию гидролиза гемицеллюлозы. Раствор мочевины обладает основными свойствами, но его водные растворы имеют нейтральную реакцию. Поэтому проводят нейтрализацию кислого раствора эквимолекулярным раствором щелочи.

Комплекс мочевины с кислотами разлагается выше 152^oC, поэтому в заявляемых температурных интервалах гидролиза не происходит разложения мочевины до углекислого газа и аммиака.

Кристаллизация сахаров в упаренном растворе с этанолом в соотношении с раствором 1:1 1:2 обеспечивает повышение чистоты и выхода готового продукта, пригодного для пищевых добавок.

Отделение кристаллов центрифугированием повышает выход готового продукта, промывка этанолом сохраняет пищевые свойства, высушивание в вакууме - сохраняет чистоту и структурные свойства моносахаров.

Возможность практического осуществления изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения.

Пример 1. Измельченные плоды бобовых массой 100 кг помещают в реакционную емкость объемом 1 м³, приливают 500 кг раствора 0,5%-ной серной кислоты по массе, нагревают сухим паром до температуры 135^oC, тщательно перемешивают и выдерживают в течение 1,5 ч. По истечении 1,5 ч гидролиза в смесь вводят 2,5 кг мочевины, тщательно перемешивают и выдерживают 30 мин при той же температуре, а по истечении 30 мин вводят 40 л насыщенного раствора с 5 кг гидроокиси бария, охлаждают реакционную смесь, тщательно перемешивают в течение 2 ч, проверяют pH среды, которая должна быть в пределах 5,5 6,5.

Нейтрализованный раствор отделяют от осадка на центрифуге, очищают активированным углем, упаривают с помощью вакуумного испарителя на 2/3 объема при температуре 60 70^oC и вводят 1:1 к упаренному раствору 96^o этиловый спирт для осаждения сахаров в растворе. После выдерживания раствора с кристаллами сахаров при температуре 20^oC в течение 8 ч полученные кристаллы отделяют центрифугированием при 3000 13000 об/мин, промывают их 96^o этиловым спиртом и осадок высушивают под глубоким вакуумом при температуре 45^oC.

Выход моносахаров составляет 20% Пример 2. Получение моносахаров проводят аналогично примеру 1, за исключением того, что гидролизу подвергают измельченную шелуху от гречневой крупы, гидролиз проводят 5%-ной серной кислотой при 100^oC в течение 2 ч, добавляют 12,5 кг мочевины и выдерживают 40 мин, кристаллизацию ведут при соотношении упаренного раствора и этилового спирта 1:2 при 15^oC в течение 6 ч и сушат при 25^oC. Выход моносахаров составил 15% Пример 3. Получение моносахаров проводят аналогично примеру 1, за исключением того, что гидролизу подвергают измельченные корни солодки, гидролиз проводят 2%-ной серной кислотой при 95^oC в течение 3 ч, добавляют 10 кг мочевины и выдерживают 60 мин, кристаллизацию ведут при соотношении упаренного раствора и этилового спирта 1:1,5 при 20^oC в течение 2 ч и сушат при 45^oC. Выход моносахаров составил 5% Пример 4. Получение моносахаров проводят аналогично примеру 1, за исключением того, что гидролизу подвергают измельченные плоды гледичии трехколючковой /акация гледичия/, гидролиз проводят 1%-ной серной кислотой при 120^oC в течение 2,5 ч, добавляют 10 кг мочевины и выдерживают 45 мин, кристаллизацию ведут при соотношении упаренного раствора и этилового спирта 1:2 при 15^oC в течение 6 ч и сушат при 20^oC. Выход моносахаров составил 15% Как показали экспериментальные данные, при снижении концентрации серной кислоты, температуры и времени гидролиза ниже заявленных пределов не происходит разрушения лигнин-целлюлозного комплекса, превышение же заявляемых пределов нецелесообразно и приведет к увеличению тепловых затрат и расхода кислоты.

Внесение мочевины ранее чем за 1,5 ч в реакционную среду не приводит к каталитическому эффекту, так как еще недостаточно разрушен лигнин-целлюлозный комплекс кислотой.

Внесение мочевины после 3 ч в реакционную смесь приводит к излишнему расходу энергии и разложению арабинозы, маннозы и некоторых других лабильных сахаров.

Выдерживание реакционной смеси с мочевиной менее 30 мин приводит к меньшему накоплению простых сахаров, что подтверждает недостаточную каталитическую активность мочевины.

Выдерживание реакционной смеси с мочевиной более 60 мин приводит к декструкции сахаров, в результате чего накапливаются пентозы, а не гексозы и продукты взаимодействия сахаров с мочевиной гликозилмочевина, галактозилмочевина и др.

В заявляемых пределах соотношения мочевины и сухих веществ наблюдается наибольшая каталитическая активность мочевины, при запредельных значениях выход сахаров снижается.

При снижении количества этилового спирта, времени выдержки ниже заявляемых пределов кристаллизации сахаров не происходит, превышение же заявляемых параметров нецелесообразно.

Таким образом, изобретение практически осуществимо, его использование позволит организовать промышленное производство моносахаров для пищевых и фармацевтических добавок из недорогого и доступного сырья.

Формула изобретения

Способ получения моносахаров и их смесей из растительного углеводосодержащего сырья, включающий гидролиз измельченного сырья серной кислотой, нейтрализацию гидролизата, отделение осадка, очистку раствора, упаривание, кристаллизацию сахаров и их промывку, отличающийся тем, что гидролиз проводят 0,5 5,0%-ным раствором кислоты при 95 135^oС в течение 1,5 3,0 ч, затем вводят мочевину в соотношении с сырьем 1 8 40 по массе, выдерживают при той же температуре 30 60 мин, охлаждают, а кристаллизацию сахаров осуществляют с этанолом в соотношении с упаренным раствором сахаров 1 1 2 при 10 20^oС в течение 2 8 ч, кристаллы отделяют центрифугированием, промывают этанолом и высушивают в вакууме при 20 45^oС.