Глубокая переработка растительного сырья – наше технологическое будущее

Сегодня в условиях непрекращающегося беспрецедентного экономического и политического давления на Россию со стороны США и их европейских партнеров проблема хранения и глубокой переработки сырья явилась перед страной наиболее остро и требует скорейшего решения. Несмотря на уникальные природные богатства и проводимые правительством мероприятия по импортозамещению, в Россию продолжает поступать  с большими трудностями практически весь набор материалов и ингредиентов (около 80%), необходимых  для пищевой, фармацевтической и косметической отраслей. Вместе с тем, продовольственную безопасность страны нужно повышать и укреплять, используя для этого высокотехнологические средства.       

Россия располагает значительным арсеналом новейших, не востребованных государством и бизнесом, технологий глубокой переработки зерна и другого сельскохозяйственного сырья, позволяющих получать пищевую продукцию с качественно новым набором свойств, сырьевые материалы для синтеза эффективных фармакологических форм и биологически активных добавок, несущих ценное природное начало. Глубокая переработка сельскохозяйственного сырья и отходов предполагает, прежде всего, применение биотехнологических способов и приемов тонких технологий, позволяющих наиболее полно использовать структурные и энергетические ресурсы объектов переработки, активизировать в них массообменные процессы, выделить наиболее активные формы, определяющие и придающие необходимое целевое качество конечной продукции.

Особая роль для глубокой трансформации растительного сырья должна быть отведена процессам массопереноса веществ в условиях повышенных давлений и температур. Речь идет, прежде всего, об экстракционных процессах. Конечно, не о классических процессах в системах жидкость-жидкость, хотя они продолжают широко использоваться в промышленности для разделения веществ. Например, методы фракционной экстракции до сих пор имеют огромное значение для выделения гормонов, витаминов и других сложных биохимических продуктов.

В начале нашего столетия стремительно развивается метод СО₂ – экстракции выделения целевого продукта. Этот метод, с одной стороны, существенно ускоряет массоперенос, с другой – позволяет наиболее полно извлекать целевые компоненты из сырьевых материалов. Экстракты, полученные указанным способом, особенно важны для целебных целей (лечения суставов, позвоночника, восстановление функций сосудов, приведение в здоровое состояние кожного покрова, ногтей, лица, оздоровление организма в целом), для более тонкого регулирования органолептических показателей пищевой продукции за счет внедрения вкусоароматических веществ, выделенных с помощью СО₂ –экстракции из  разрешенного растительного сырья.

По существу любой процесс экстракции заключается в селективном растворении целевого компонента в составе какого-либо объекта и его эвакуации из последнего вместе с растворителем. При этом растворитель или сорастворители могут быть в жидком, газообразном (парообразном) состоянии или в виде сжатого диоксида углерода. СО₂ –экстракция выполняется с помощью неполярной жидкой двуокиси углерода, подаваемой в экстрактор под давлением. При этом различают докритический и сверхкритичесий режимы процесса извлечения. Они условно разграничиваются параметрами температуры, давления и времени. Для докритической СО₂ – экстракции характерны температуры от +5 до +31 ℃  и давления в пределах 4-7 МПа. Сверхкритическая экстракция проводится при более высоких температурах и давлениях (десятки и сотни атмосфер). Эти параметры подбираются в зависимости от поставленной  цели: что именно, какое вещество хотели бы извлечь.  Докритический режим экстракции это мягкое и длительное воздействие на сырье с относительно плавным изменением скорости. Температура выбирается от 5 до 30 ℃   в зависимости от состояния и  состава сырья и давления в пределах 6-7 МПа. Процессом разрушения клеточной структуры сырья можно управлять предварительно гомогенизировав его и затем плавно изменяя величину прилагаемого давления.

Двуокись углерода в сверхкритическом состоянии изменяет свои свойства.  В таком состоянии экстрагент принято называть флюидом. Это наиболее подвижный  экстрагент, проявляющий высокую эффективность извлечения с большим выходом извлекаемого компонента. Таким образом, использование в качестве экстрагента диоксида углерода как в докритическом, так и в сверхкритическом состоянии позволяет существенно расширить ряд препаративных задач по разделению веществ и выделению из сырья компонентов высокого качества.

Как было указано выше, докритическая (субкритическая) СО₂ – экстракция реализуется в более щадящих условиях, что делает процесс универсальным применительно к  широкой гамме исследуемых материалов. Напротив, сверхкритические СО₂ – экстракционные технологии отличаются высокой диффузионной способностью флюида, имеющего высокую селективность извлечения, высокий выход извлекаемых компонентов, отсутствие следов растворителя в готовом продукте. Этот способ наиболее энергоемок и применим к ограниченным видам сырья. Его нужно использовать в соответствии с целесообразностью поставленной задачи.

В настоящее время интерес к получению новых продуктов из растений в качестве медицинских (целебных), косметологических и  питательных веществ возрастает. К примеру, эфирное масло, полученное гидродистилляцией и полученное экстракцией сверхкритической жидкостью, существенно отличаются по содержанию фенолов, флавоноидов. Антиоксидантная активность таких экстрактов отличается в два и более раза. И так практически по многим экстрактам.  

Сравнение эффективности технологий докритических и свехкритических СО₂ – экстракций вопрос сам по себе не корректный. Подобный вопрос может быть поставлен к совершенно конкретной задаче. Каждая технология имеет свои сильные стороны, которые нужно учитывать применительно к объекту. И в том и другом случае растворителем (экстрагентом) служит неполярный диоксид углерода, который в сжиженном виде может находиться как в до-, так и в сверхкритическом состоянии. В сверхкритическом состоянии диоксид углерода ведет себя и как жидкость и как газ.  Это состояние характеризуется как «флюид». При таком состоянии возможно извлечение неполярных соединений с молекулярной массой до 2000 дальтон. Однако очень часто флюид не требуется для извлечения соединений, молекулярная масса которых  значительно ниже 2000 дальтон. То есть, в этом случае важнее оказывается для экстрагирования определенных соединений мягкий докритический процесс с жидким диоксидом. Таким образом, флюид целесообразно использовать для извлечения тяжелых высокомолекулярных соединений. Кроме этого, принимается во внимание то обстоятельство, что повышенные давления и температуры негативно влияют на сохранность извлекаемых веществ. В этих условиях большая вероятность создание среды, в которой продукты термического распада и нативные вещества вступают в химические реакции, выделяют неприятный запах, сообщают несвойственный привкус. Хотя сверхкритическая экстракция дает более грязный продукт, тем не менее, она протекает быстрее. И здесь, опять-таки, надо взвешивать, что важнее: скорость, количество или чистота продукта.

Исходя из указанного выше, характерная область использования докритической СО₂ – экстракции это выпуск универсальных продуктов, близких по своему составу к натуральным, не содержащим посторонних примесей. Такие продукты (докритические экстракты) могут быть использованы без доработки в пищевой, косметической, фармацевтической, парфюмерной отраслях, в производстве БАДов и функционального питания.

Вместе с тем, при контролируемом процессе сверхкритической СО₂ –экстракции можно достигнуть выхода не менее чистой готовой продукции за более короткое время с наименьшими энергетическими и материальными издержками. Проблемы рециркулирования жидкости после переработки имеют технологическое решение и воплощены в конструкции оборудования сверхкритической СО₂ – экстракции. Диапазон промышленного применения флюидной СО₂ – экстракции постоянно расширяется, и теперь этот способ можно надежно использовать при экстракции биоактивных молекул из лекарственных растений, выделении алкалоидов, липидов из разных микроорганизмов, для удаления липидов из гликозидов и белков, их рекуперации, для экстракции витаминов и других биологически активных веществ, очистки различных активных веществ, например, удаления пестицидов из растительных экстрактов и многое другое.

ООО «Стоик» предпринимает усилия для развития одного из направлений своей деятельности: производство СО₂ – экстрактов. Предполагается запуск цеха в 2022 году. В 2023 году это будет одно из ведущих предприятий России по выпуску СО₂ – экстрактов для различных отраслей промышленности.