Технология промышленного получения пищевых красителей

Третье прессование. Практически установлено, что двойная обработка сырья на агрегате терке-прессе не обеспечивает полного извлечения каротина из сырья. Потери каротина в жоме при этом составляют около 20% к введенному каротину. Применение третьего цикла обработки путем промывки жома II и третьего прессования его увеличивает выход каротина на 4-5%. В связи с этим в технологической схеме предусмотрено направление жома II насосом 14’’ в терку 10’’ и пресс 11’’ для отжатия сока III.

Получение сухого белкового коагулята. Метод основан на коагуляции растительных белковых веществ, содержащихся в соке и адсорбции каротина выделяемым белковым осадком. Для этой цели насосом14 сок I, II и III подают в трубчатые подогреватели 17, где его нагревают до 70-75 С. После нагрева сок направляют в отстойник 19, а затем часть чистого сока спускают в сборник 39, откуда его направляют на выправку, а часть сока с белковым коагулятом насосом 14 перекачивают в фильтр-пресс 20.

Фильтрация. Для фильтрации применяют фильтр-прессы закрытого типа, рамы и плиты которых изготовлены из нержавеющей стали. После выделения белка сок должен содержать каротина не более 1,0мг%. Сок поступает в сборник 21, откуда он далее поступает в вакуум-вальцовую сушилку 22. Задержка белкового осадка во влажном виде не допускается.

Сушка коагулята. Влажный коагулят, содержащий  15-20% сухих веществ, поступает в вакуум-вальцовую сушилку 22, где процесс сушки протекает под вакуумом на барабанах в течение 15-20 сек. Не допускается хранение высушенного коагулята в вакуум-шкафе сушилки более 2 ч. Сухой коагулят должен содержать не более 15% влаги.

Экстракция каротина маслом. На эффективность экстракции каротина влияет дисперсность коагулята: чем мельче частицы белкового осадка, тем больше их суммарная поверхность и тем скорее протекает процесс экстракции. Сухая пленка, полученная из вакуум- вальцовой сушилки, легко измельчается.  Для измельчения сухого коагулята применяют диабазовые или гранитные вальцы 23. Каротин извлекают из белого коагулята маслом в экстракционной батарее, состоящей из 8-10 диффузоров 24 с калоризаторами при них. Батарея работает по принципу противотока. Измельченный белковый коагулят загружают в диффузоры.  Температура в диффузорах должна быть 70 С.

Выход каротина в масляных мисцеллах составляет около 94%, потери в шроте 5% и неопределенные потери около 1%.

Более высокие потери каротина получаются при использовании менее  эффективного метода настаивания белкового коагулята маслом в экстракторах с механическими мешалками. При этом методе применяют трехкратное настаивание при температуре 60-65 С. Первое настаивание производят  двойным к массе коагулята количеством мисцеллы II , содержащей 1,2-1,5 мг/мл каротина; в результате настаивания в течение 40 мин получают мисцеллу I с содержанием каротина 2 мг/мл. Мисцеллу I выделяют либо фильтрацией на фильтр- персе, либо в центрифуге. Шрот подвергают настаиванию двойным количеством мисцеллы III , содержащей 0,8 мг/мл каротина, в течение 40 мин при температуре 65-70 С.

Третье настаивание производят рафининрованным маслом.

Выход каротина в мисцеллах  при методе настаивания составляет 88-92% к введенному  с белковым коагулятом.

Масляную мисцеллу, получаемую диффузионным методом, в сборнике 25 фильтруют через фильтр-пресс 26.

При загрузке диффузора шрот вместе с маслом спускают на центрифугу 27 для отделения масла, возвращаемого  в сборник масла 28. Шрот из центрифуги направляют для отжатия масла  в гидравлический пресс 29. Отжатое  масло поступает из пресса в сборник 30, откуда его насосом перекачивают в общий сборник масла 28.

Купажирование мисцелл. Для получения масляного концентрата, содержащего 2 мг/мл каротина, производят купаж мисцелл с повышенной и пониженной концентрацией каротина (сборники 31 и 32) в аппарат-сместителе 33, откуда насосом перекачивают концентрат в сборник 34. (7)

2.1.2. Использование отходов производства.

 

В масляный концентрат каротина переходит лишь незначительное количество жирорастворимых веществ (десятые  доли процента сырья). По существу вся  морковь переходит в полупродукты, являющиеся отходами производства. К ним относятся жом, сок и масляный шрот. Жом представляет собой ценный корм, содержащий основные питательные вещества моркови и около 10 мг% каротина. Однако при большой производительности завода жом не всегда может быть использован для вскармливания животным в день его получения. Поэтому возникает необходимость силосования или сушки жома. В последнем случае жом насосом подается в сборник 35, а из него в вальцовую сушилку 36. Сухой жом смешивают с патокой в шнековом сместителе 37 и брикетируют в прессе 38.

Сок I содержит около 6-8%, а сок II и III 2-3% экстрактивных веществ. Последние преимущественно состоят из сахаров и элементов золы. Морковный сок можно использовать по четырем направлениям:

 

1. Упаривание в морковную или тыквенную патоку;
2. Переработка на дрожжи;
3. Переработка на спирт;
4. Использование в качестве питательной среды для биосинтеза антибиотиков и витаминов В12 и И2.

 

В первом случае сок после  отстойника 19, фильтр-пресса 20 и сборника 21 насосом 14 подают в сборник 39, а из него в трехкорпусный выпарной аппарат 40, где его упаривают в патоку, содержащую 70% сухих веществ. Патоку из третьего корпуса выпарного аппарата выкачивают в сборник 41, из которого разливают в бочки 42. Патока в бочках может быть направлена на спиртовые заводы для переработки на спирт. Из 1 т сахара, содержащегося в патоке, можно получить 62 дал спирта.

Шрот является ценным питательным  продуктом для животных и может  быть использован для витаминизации  кормов. Содержание каротина в шроте  составляет 10-15 мг%. (7)

2.1.3 Перспективы развития

 

Интересные исследования в области усовершенствования технологии производства каротина из моркови были проведены Б. Савиновым и его учениками. Исходя из факта локализации каротина на хромопластах, им было предложено заменить процесс прессования мезги моркови процессом вымывания пластид из клеток интенсивным перемешиванием мезги с водой в суспензионном экстракторе. Им же был разработан метод получения масляных концентратов каротина из влажного белкового коагулята путем применения центробежного смесителя. Разработан метод получения каротина из моркови и тыквы методом термической коагуляции белков в клетке, изучены вопросы экстракции каротина в многочленной батарее. (3)

2. 2 Микробиологический синтез

2.2.1 Культуры продуцентов

 

Среди хемотрофов для получения  каротиноидов используют дрожжи Rhodotorula gracilis, R. rubra, Rhodosporidium diobova-tum, среди актиномицетов -Act. chrestomycetes var. aurantioide-us, Act. chrysomallus var. Carotinoides, микобактерии й-(Mycobacterium phlei, M. carotenum). Также  все шире в тех же целях используют мицелиальные грибы и дрожжи. Как продуценты каротиноидов представляют также интерес бактерии и водоросли. Грибы имеют большое значение как продуценты различных биологически активных веществ для пищевой промышленности, медицины, сельского хозяйства и других отраслей. Во время биосинтеза каротина микроорганизмами, он накапливается в клетках продуцента. Собственные жиры грибу Blakeslea trispora составляют до 60% всей биомассы, что способствует растворению каротина в процессе накопления мицелия гриба. Это соответственно повышает его доступность для усвоения, например при скармливании кормового препарата микробиологического каротина животным. (8)

2.2.2 Культура Blakeslea trispora

Культурально-морфологические  свойства:       
ТКСТ (+) форма имеет хорошо развитый воздушный мицелий от серовато-желтого до желтого цвета, отмечается интенсивная споруляция, субстратный мицелий от серовато-желтого до желтого цвета. 
ТКСТ (-) форма имеет развитый воздушный мицелий желтоватого цвета, спорообразование менее выражено, чем у (+) половой формы, субстратный мицелий плотный, имеет интенсивный цвет от желтого до оранжевого.

Оптимальная агаризованная  среда: сусло-агар. При совместном выращивании (+) и (-) форм на агаре образуется широкая контактная зона (3 - 3,5 см) интенсивного цвета от оранжевого до оранжево-малинового ( без зоны образования зигоспор, которые дают "дикие" штаммы).

Оптимальная температура  выращивания: 26-28 °С.

Продуктивность  штамма: (кг целевого продукта, произведенного на единицу геометрического объема ферментера (м3) в единицу времени) составляет 0,032-0,041 кг/м³/час. Массовая доля бета-каротина (%) - 6,0-9,0. (9)

В. trispara интересно в практическом отношении не только потому, что  это один из самых активных продуцентов  бета-каротина, но и потому, что с  помощью этого организма можно  получать и другие каротиноиды (7-каротин, ликопин, а-каротин), также имеющие практическое применение.(10)

2.2.3 Технология производства микробиологического синтеза бета-каротина

Технологический процесс  получения биомассы бета-каротина осуществляют по следующей схеме:

Рис.2.2 Принципиальная схема  производства бета-каротина микробиологическим путем

 

Для получения бета-каротина с помощью В. trispora используют сложные  по составу среды, например кукурузно-соевую, содержащую растительные масла, керосин, поверхностно-активные вещества и некоторые специальные стимуляторы. В качестве стимуляторов синтеза каротина используют бета-ионон, который можно заменить более дешевой цитрусовой пульпой и цитрусовой мелассой. Как заменители бета-ионона используют также изопреновые димеры или тримеры, а также циклогексан, цикло-гексанон и их триметилпроизводные, среди которых наиболее эффективен 2,6,6-триметил-1-ацетилциклогексан (ТАЦ). Активаторами каротиногенеза у В. trispora могут быть также альфа-пирролидон, сукцинимид, нембутал и изониазид. Добавление этих активаторов, особенно последнего, на фоне действия бета-ионона или ТАЦ позволяет значительно увеличить выход каротиноидов. Стимуляторы добавляются к культуре продуцента после окончания периода интенсивного роста биомассы.

Глубинное культивирование  на жидких питательных средах является промышленным способом получения биомассы Blakeslea trispora. Состав питательной среды влияет на ход биосинтетических процессов в клетках микроорганизмов, а следовательно и на химический состав конечной биомассы и соответственно биотехнологических продуктов, которые производятся на ее основе. (9,10)

Процесс синтеза является периодическим— с выводом продукта в конце процесса.

Процесс получения бета-каротина при использовании гриба В. trispora многостадиен. Согласно одному из способов сначала выращивают на сусло-агаровой среде отдельно (+)- и (-)-штаммы гриба.

Следующая  стадия — совместное выращивание разнополых штаммов  в ферментере при 260 C и достаточно интенсивной аэрации.

Третья стадия выращивания  — внесение в большой ферментер  смешанной культуры В. trlspora и инкубация  в течение б—7 сут при той  же температуре и аэрации.

Используя соответствующие  стимуляторы, можно не только значительно увеличить выход бета-каротина, но и изменить состав каротиноидов у В. trispora. Под влиянием некоторых производных пиридина (2-аминопиридина, 4-аминопиридина) вместо бета-каротина преобладающим пигментом становится ликопин, выход которого может составлять более 60 % от всех каротиноидов, синтезированных В. trispora. При добавлении 4-аминопиридина наряду с ликопином образуется бета -каротин, причем оба каротиноида синтезируются почти в равных количествах. (9,10,11)

2.2.4 Перспективы развития

 

Существующие исследования направлены на получение новых высокопроизводительных пар штаммов культуры гриба Blakeslea trispora и на разработку новых, относительно дешевых и простых питательных  сред, которые  увеличивали бы выход  каротина. Показано, например, что синтез каротиноидов у В. trispora можно увеличить почти в семь раз, если источником углерода в среде будет целлобиоза. Для удешевления производства с этой целью можно использовать отходы, остающиеся при производстве целлюлозных материалов. На таких средах В. trispora синтезирует кроме бета-каротина еще и такой практически важный фермент, как глюкозидаза. Получение одновременно двух ценных продуктов значительно удешевляет производство бета-каротина.  
(10,12)

Перспективными также  являются некоторые фототрофные  бактерии, у которых в зависимости  от интенсивности света можно  регулировать выход каротиноидов. Биомассу пурпурных бактерий, богатую каротиноидами, в Японии используют в качестве добавок  в рацион кур, что способствует более  интенсивному окрашиванию желтка. (8)

2.2.5 Экологические аспекты

 

Технология получения  микробиологических каротиноидов является экологически чистой, из-за отсутствия вредных выбросов и применения неагрессивных  химических веществ. Исходным сырьем в  микробиологическом производстве появляются доступные и не ценные побочные, промежуточные продукты и отходы крахмало-паточного производства, мукомольной, консервной, масляной и мясомолочной промышленности. Поэтому, микробиологический синтез каротиноидов является единственным целесообразным путем промышленного  синтеза данных пигментов. (8,12)

 

 

 

3. Мировые производители бета-каротина

 

Объем мирового рынка бета-каротин  оценивается приблизительно в 200 млн  евро, из них только на Европейский  рынок приходится по разным оценкам  от 80–130 млн евро.