Производство витаминов

Раздел: Производство

Естественные источники витамина D2 весьма ограничены.

Известно, что витамин D встречается лишь в некоторых животных и рыбных продуктах (рыбьем жире, печени рыб, сливочном масле, молоке, икре), а также в яичном желтке. Растения, как правило, не содержат витаминов группы D, однако среди стеринов растительных жиров обнаружен провитамин D3 — эргостерин.

Витамином D богаты лишь печеночные жиры рыб. Некоторые из них, например печеночный жир тунца, содержит в 1 г от 40 до 60 тыс. и. е. витамина Da.

В молоке, сливочном масЛе и яйцах содержание витамина D2 ограничено. Например, в 100 г молока содержится всего около 1 и. е. витамина D2, в сливочном масле —• 40—320 и. е. (в зависимости от времени года и качества кормов).

Незначительное содержание витамина D2 в естественных ресурсах заставило научную мысль искать природные источники провитамина D2 — эргостерина.

Дрожжи. В 30-х годах XX в. рядом исследователей было установлено, что хлебопекарные (пекарские) дрожжи являются богатым источником эргостерина. Позднее было установлено, что некоторые микроорганизмы могут служить источником витамина D.

Примерный химический состав дрожжей приведен в  45.

Кроме указанных витаминов, в дрожжах содержатся и другие витамины группы В (В3, В6, Н, Вс, холин, инозит, р-аминобензойная кислота и др.). В получаемых с дрожжевых заводов пекарских дрожжах содержится эргостерина 0,18—0,25% к массе прессованных дрожжей [3].

По данным Ф. Трайниной [4], содержание эргостерина в дрожжах, культивируемых при аэрации на зерновом сусле или выращиваемых на мелассе при соответствующем увеличении количества посевных дрожжей, может быть увеличено до 2%, а по другим данным [5] до 2,3—3,0% к сухому веществу дрожжей. Таким образом, пекарские дрожжи являются сырьем, весьма важным и имеющим промышленное значение.

Мицелий пенициллина. Ранее считали, что наиболее эффективным сырьем для производства эргостерина являются мицелий плесневых грибов Aspergillus niger и Penicillium. Мицелий последнего, по данным К- Пово- лоцкой и Е. Скоробогатовой [6], содержит (на сухое вещество): стеринов 1,2—1,4%, тиамина 26—37 мг и рибофлавина 12—26 мг в 1 кг. Мицелий пенициллиновой промышленности — отход производства — содержал 14,5% сухих веществ и 0,5% стеринов на сухое вещество. В отходах мицелия гриба содержится эргостерина в 2 раза меньше, чем в дрожжах, но стоимость мицелия в 20 раз ниже стоимости дрожжей. Казалось, что этот вид сырья для производства эргостерина является весьма перспективным. Однако впоследствии оказалось, что в связи с изменением технологии производства резко снизилось содержание в мицелии стеринов. Впрочем, этот вопрос требует дополнительного изучения.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ЭРГОСТЕРИНА И КОНЦЕНТРАТОВ

ВИТАМИНА D2 ИЗ ДРОЖЖЕЙ

Витаминный состав дрожжей богат и разнообразен. В них содержится 14 витаминов уже исследованных в той или иной мере. За исключением провитамина эргостерина, растворяющегося в жирах, все остальные витамины, содержащиеся в дрожжах, растворяются в воде. В дрожжах содержатся также фосфолипиды [7, 8], ферменты и нуклеиновые кислоты. Кроме того, дрожжи содержат в своем составе 48—50% белков, которые по аминокислотному составу приближаются к животным белкам и поэтому обладают значительной питательной ценностью.

Следовательно, рациональная технологическая схема переработки дрожжей должна базироваться на процессах, обеспечивающих полное извлечение витаминов, содержащихся в дрожжах, и сохранение дрожжевого белка.

Однако извлечение из дрожжей эргостерина и водорастворимых витаминов связано с большими трудностями, так как витамины прочно связаны с белковой частью дрожжевой клетки. Следовательно, для освобождения витаминов необходимо разрушить белковый комплекс клетки, что может быть достигнуто различными методами.

А. Труфанов и В. Кирсанова [9] экспериментально установили, что часть эргостерина в дрожжах так прочно связана с клеткой, что даже в результате 2-часового гидролиза щелочью при температуре 100° С он не извлекается из дрожжей.

Витамины группы В также находятся в связанном состоянии. Так, например, витамин Bj входит в состав кофермента кокарбоксилазы; витамин В2 является составной частью желтого фермента.

А. Труфанов [10] считает, что процесс освобождения витаминов В4 и В2 наиболее полно протекает при энзиматическом расщеплении дрожжей. Установлено, что при автолизе дрожжей выход эргостерина увеличивается до 30%, а выход тиамина за 6—10 ч автолиза увеличивается в несколько раз.

К- Поволоцкая и Е. Скоробогатова [6] считают, что в условиях автолиза прекращается рост и размножение клеток и наступает процесс их старения с накоплением стеринов. Экспериментально [11] удалось получить большое накопление стеринов в дрожжах на плотных питательных средах при задержке их размножения и роста.

Гидролиз белка может быть также осуществлен путем нагревания и кипячения дрожжей, разведенных и подкисленных молочной или соляной кислотой до рН 5 (М. Мейсель, Ф. Трайнина), под небольшим давлением в автоклаве. При этом методе возможно комплексное использование дрожжей с получением концентрата витаминов группы В, кристаллического эргостерина и белкового кормового средства.

По методу ферментативного гидролиза хлебопекарные дрожжи подвергают автолизу при температуре 45° С. В процессе автолиза фермент, содержащийся в дрожжах, разрушает белковые вещества протоплазмы, освобождая витамины, вх^ящие в их состав.

Автолизированные или гидролизированные дрожжи обрабатывают спиртом для извлечения витаминов группы В и для обеспечения надлежащей фильтруемости дрожжевой массы. Спиртом или другим растворителем экстрагируют стерины, а дрожжевой шрот после отгонки спирта используется как кормовой продукт.

Дрожжевую массу для обезвоживания дрожжевых клеток и коагуляции белка обрабатывают спиртом. Дрожжевые клетки становятся плотными, легко оседают на дно сосуда и хорошо фильтруются.

Из изложенного вытекает, что для максимального извлечения витаминов и использования ценных питательных свойств дрожжевого шрота технологическую схему целесообразно строить следующим образом.

            Для освобождения витаминов, прочно связанных с белково-фермен- тативными комплексами, и увеличения таким образом их выхода, надо подвергать дрожжи гидролизу или автолизу.

            Для обеспечения надлежащей консистенции целесообразно автоли- зированную или гидролизированную дрожжевую массу подвергать обработке спиртом с экстракцией водорастворимых витаминов группы В.

            Для извлечения стеринов и фосфолипидов высушенный дрожжевой шрот следует подвергать повторной обработке спиртом или другим растворителем.

            Полученный после экстракции стеринов белково-дрожжевой шрот после освобождения от спирта должен быть использован для пищевых или кормовых целей, а также для получения нуклеиновых кислот. На  100 изображена технологическая схема по комплексной переработке дрожжей в объеме проверенных методов [1].

ПРОИЗВОДСТВО КОНЦЕНТРАТА ВИТАМИНОВ ГРУППЫ В [1]

Хлебопекарные дрожжи или мицелий пенициллина измельчают в шне- ковом прессе 1 и направляют в автоклав 2, где дрожжевая масса подвергается кислотному гидролизу при температуре 110° С в течение 20—30 мин. К ЮО кг дрожжей добавляют 20 л воды и 10 мл соляной кислоты (плотность 1190 кг!ма). Кислотный гидролиз увеличивает выход эргостерина за счет освобождения эргостерина, связанного с белком. Из автоклава дрожжи поступают в коагулятор 3, снабженный обратным холодильником 4, куда

вводят на каждые 100 кг дрожжей 85 л спирта с доведением крепости раствора до 50°. В коагуляторе массу выдерживают 40—50 мин при интенсивном перемешивании и температуре 75—78° С. При этом происходит коагуляция белковых веществ, облегчающая процесс фильтрации, и экстракции водорастворимых витаминов. После этого массу переводят в аппарат- охладитель 5, где ее охлаждают до 10° С и затем фильтруют через барабанный вакуум-фильтр 6. Фильтрат поступает в сборник 7, а из него в вакуум-перегонный аппарат 8 с поверхностным конденсатором 9. Конденсат спирта направляют в сборник спирта-дистиллята 10, а из него на ректификацию. После отгонки спирта и части воды в вакуум-перегонном аппарате остается ^кидкий концентрат витаминов группы В с содержанием 50% сухих веществ. Концентрат направляют в сборник 11, затем в разливочный прибор 12 и на расфасовочном конвейере 13 разливают в флаконы.

Белковый остаток с вакуум-фильтра 6 поступает в дистилляционный аппарат 14 для отгонки спирта.

После отгонки спирта белковый осадок поступает в бункер 15, а из него в вальцовую сушилку 16, где дрожжи высушивают — содержание влаги в дрожжах не должно превышать 2%.

Полученную лепешку измельчают в дробилке 17 в муку, которая поступает на дальнейшую переработку.

ПРОИЗВОДСТВО КОНЦЕНТРАТА ВИТАМИНА Da [1]

Получение эргостерина-сырца. В экстракторе 18 с обратным холодильником дрожжевую муку подвергают обработке трехкратным количеством (к массе дрожжевой муки) спирта-ректификата при температуре 78° С. Затем дрожжи отфильтровывают в друк-фильтре 19. Первый экстракт поступает в сборник 20, а осадок — во второй экстрактор 21, где его снова обрабатывают трехкратным количеством спирта. Белковый осадок отфильтровывают на друк-фильтре 22. Второй экстракт также поступает в сборник 20. Из последнего — оба экстракта переходят в вакуум-перегонный аппарат 23, где спирт отгоняют под вакуумом.

Спирт после отгонки направляют в сборник 24, откуда он поступает на ректификацию. Фильтрат упаривают до содержания 70% сухих веществ. Из 100 кг сухих дрожжей получают 20—25 кг липидного концентрата.

В вакуум-аппарат вводят 45%-ный раствор едкого натра в количестве 6 кг на 100 кг дрожжевой муки и омыляют жиры. Омыленный раствор эргостерина подвергают кристаллизации при 0° в аппарате-кристаллизаторе 25. Выделяющиеся кристаллы эргостерина-сырца отфильтровывают на нутч-фильтре 26 и направляют на перекристаллизацию. Межкристальный спиртовой раствор поступает в вакуум-перегонный аппарат 27 для отгонки спирта. Остающийся в перегонном аппарате щелочной раствор является отходом производства. Спирт-отгон из конденсатора 28 поступает в сборник 29, а отсюда направляется на ректификацию. Белковую массу из друк- фильтра 22 направляют в дистиллятор 30, где ее разбавляют водой в количестве, равном удвоенной массе осадка. Затем отгоняют спирт и направляют его в сборник 31. Белковая масса из дистиллятора после нейтрализации поступает в бункер 32, затем в вальцовую сушилку 33, дробилку 34 и далее на расфасовку.

Перекристаллизация эргостерина-сырца. Эргостерин-сырец подвергают аффинации в аппарате 35 спиртом крепостью 65% (весовых) в количестве 10 кг на 1 кг сырца. Аффинированную массу направляют в друк-фильтр 36. Отфильтрованные аффинированные кристаллы эргостерина направляют на перекристаллизацию в аппарат 37 в спирто-бензольном растворе, состоящем из 80 частей спирта и 20 частей бензола. Маточный раствор, получающийся при аффинации, поступает в сборник 38, а затем в перегонный аппарат 39 для отгонки спирта. Из перегонного аппарата спирт-отгон

попадает в сборник 40, а из последнего — в сборник 65а и в ректификационную колонку 64. Раствор эргостерина в спирто-бензольной смеси из аппарата 37 направляют в кристаллизатор 41 и нутч-фильтр 42. Кристаллы эргостерина I после промывания высушиваются в вакуум-сушилке 43 (температура плавления должна быть не ниже 160° С). Маточник кристаллизации I поступает в сборник 44, а затем в вакуум-перегонный аппарат 45 для отгонки спирто-бензольного растворителя, который собирают в приемнике 46.

Сгущенный маточник подвергают кристаллизации в аппарате 47. Кристаллы эргостерина II отделяют от маточника II на нутч-фильтре 48.

Эргостерин II направляют на аффинацию совместно с эргостерином- сырщж. Маточник II из нутч-фильтра 48 поступает в сборник 49, а из него в вакуум-аппарат 50. Отгонный спирт направляют в сборник 51, откуда он через сборник 46а поступает на повторное использование.

Облучение эргостерина и получение концентрата витамина D2. Ряд исследований показывает, что в эфирном растворе процесс активации эргостерина протекает не т^к интенсивно, как в спирте. Если в последнем максимум активации наступает через 30—40 мин, то в среде эфира через 150—- 200 мин, что позволяет избежать переоблучения раствора. Это особенно важно для производства кристаллического эргокальциферола, так как продукты переоблучения эргостерина удерживают эр го кальциферол в растворе [5, 12], препятствуя его кристаллизации. Сухой эргостерин I подвергают облучению в растворе серного эфира. Предполагают, что эргостерин вначале изомеризуется в прекальциферол, который при нагревании переходит в эргокальциферол и частично в люмистерин (см. стр. 300). В реактор 52 из сушилки поступает эргостерин, а из сборника 53 — эфир. Полученный раствор фильтруют через друк-фильтр 54, фильтрат через мерник 55 подают в сборник 56, откуда он непрерывно течет через облучающие аппараты 57. Облученный раствор переходит в сборник 58, затем в перегонный аппарат 59 для отгонки эфира и выделения непрореагировавшего эргостерина, который отфильтровывают в друк-фильтре 60 и передают на перекристаллизацию. Этот эргостерин должен быть перекристаллизован вследствие низкой чистоты (80—90%). Фильтрат стандартизуют по активности маслом в смесителе 61, фильтруют через нутч-фильтр 62 в сборник 63, откуда направляют на расфасовку.

Эргостерин (провитамин D2). Эмпирическая формула эргостерина С28Н440. Молекулярная масса гидрата С28Н440-Н20 — 414,648, а безводного — 396,632. Кислород в молекулу эргостерина входит в виде гидро- ксильной группы, следовательно, эргостерин является высокомолекулярным спиртом, который с кислотами может образовать эфиры.

Таким образом, молекула эргостерина состоит из четырех колец. В первом кольце имеется спиртовая группа, во втором — две конъюгированные двойные связи; к четвертому кольцу присоединена боковая цепь из 9 углеродных атомов. Являясь ненасыщенным соединением (3 двойные связи), эргостерин легко окисляется и темнеет в присутствии света и кислорода воздуха даже при обычной температуре.

Форма кристаллов эргостерина зависит от рода растворителя: из 95%-но- го алкоголя он кристаллизуется в виде бесцветных листочков, из хлороформа, эфира, ацетона — в виде красивых игл. Крупные кристаллы могут быть получены при кристаллизации из смеси эфир-ацетон в отношении 1:3 [13].

Присутствие небольшого количества воды в смесях бензин-спирт или этилацетат-спирт способствует росту кристаллов эргостерина [14].

Температура плавления эргостерина зависит от степени гидратации кристаллов. Тщательно перекристаллизованное вещество, содержащее 1,5

молекулы кристаллизационной воды, имеет температуру плавления 166°С [15].

Получение обезвоженных препаратов весьма затруднено. Их температура плавления колеблется от 168 до 183° С. Растворы эргостерина дают разные углы вращения плоскости поляризации в зависимости от растворителя [ай> = 132° — в 2%-ном растворе хлороформа; 94° — в эфире; 125° — в бензоле; 93° — в абсолютном этиловом спирте; 92° — в ацетоне. При глубоком вакууме (остаточное давление 0,4 мм рт. ст.) эргостерин перегоняется без разложения при температуре 250° С. Окислители (галоиды, КМп04 и др.) разрушают эргостерин. В воде эргостерин нерастворим, в органических растворителях (хлороформе, дихлорэтане, эфире) растворяется хорошо.

Эргостерин обладает способностью сильно поглощать ультрафиолетовые лучи с абсорбционным максимумом при длине волны 263, 271, 282 и 293,5 нм в этиловом спирте ( 101). Молекулярный коэффициент эк- стинкции при 282 нм=\\ 500, теплота сгорания 1 г — 9,950 кал, плотность 1040 кг!м3 [121.

Эргостерин легко окисляется, в особенности в растворе под влиянием тепла и света, при этом кристаллы желтеют и температура их плавления снижается. Отмечено [16], что обезвоженные кристаллы быстрее окисляются, чем гидратные. Эргостерин рекомендуется сохранять в условиях вакуума или в инертном газе. Экспериментально установлено, что эргостерин можно полностью сохранить в герметически укупоренной таре, заполненной инертным газом, при хранении на холоде (0°) и в темноте.

Эргостерин нерастворим в воде, но присутствие 0,2% воды в этилаце-' тате увеличивает его растворимость. Слабые коллоидные растворы эргостерина могут быть приготовлены при добавлении ацетона, при применении ультразвука или при помощи других диспергирующих факторов. Наилучшие коллоидные растворы могут быть получены при растворении натриевых, калиевых и аммониевых солей сложных эфиров эргостерина, как, например, моноэргостеринового эфира фталевой, янтарной кислот [17, 18]. Устойчивость эргостерина в различных растворителях различна. В спирте эргостерин может сохраняться несколько недель в темноте. Пиридин разрушает эргостерин [16]. В дихлорэтане эргостерин нестоек вследствие присутствия НС1.

ПОЛУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРАТА ВИТАМИНА D2 В ВИДЕ СУХИХ ОБЛУЧЕННЫХ

ДРОЖЖЕЙ [19]

Способ заключается в следующем. Сырье, содержащее эргостерин (например, дрожжи), размешивают с водой до легкотекучей консистенции смеси (содержание дрожжей в водной суспензии 5%). После этого смесь подвергают облучению ультрафиолетовым светом в любом центробежном пленочном аппарате или аппарате, работающем на принципе падающей пленки. Облученные дрожжи высушивают на вакуум-вальцовой сушилке. При данном методе значительно повышается витаминная активность дрожжей 10—15 тыс. и. е. в 1 г вместо 1,0—1,5 тыс. и. е. в 1 г, получаемых при облучении сухих измельченных дрожжей на конвейере [19—22].

Это обусловлено, по-видимому, двумя причинами: набуханием дрожжевых клеток в водной суспензии, способствующим утончению клеточной оболочки и облегчающим проникновение ультрафиолетовых лучей внутрь клетки; достаточной дисперсностью дрожжевой массы в водной среде, облегчающей контакт ее с ультрафиолетовым светом.

Идентификация фосфолипидов и выделение их из хлебопекарских дрожжей. Совместно с Н. Богословским и Е. Кузнецовой исследовали фосфо- липиды хлебопекарских дрожжей. Фосфолипиды выделяли осаждением ацетоном из раствора липидного остатка дрожжей в хлороформе [8]. Выход фосфолипидов составляет 3,3% от липидного остатка. Для идентификации фосфолипиды хроматографически разделяют в тонком слое кремневой кислоты [23]. Идентификацию производили по характерным цветным реакциям с молибденовой синью [24] и 0,5%-ньм раствором нингидрина в 95%-ном изопропиловом спирте.

Количественное содержание отдельных фракций фосфолипидов определяли по фосфору (метод Беверидже [25]). Идентифицированы следующие фосфолипиды, в % от общего содержания: фосфатидилэтаноламин — 41,0, фосфатидилинозит — 15,0, фосфатидилхолин — 22,0.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

            Ш н а й д м а н Л. О. Производство витаминов. М., Пищепромиздат, 1958, с. 174.

            Г и в а р т о в с к и й Р. В., П л е в а к о Е. А. Технология дрожжевого производства. М., Пищепромиздат, 1943, 253с.

            Т а т ь' я н и н А. Р. Производство витамина D, М., Пищепромиздат, 1943, 62с.

            Т р а й н и н а Ф. Л. Накопление эргостерола в расах дрожжей при различных условиях их культивирования. — В сб.: «Витамины в теории и практике», Л., Пищепромиздат, 1937, т. 2, вып. 1, с. 53—62.

            Rosenberg H., Encyclopedia of Chemical Technology U. S., 1955, 14, 828.

            Поволоцкая К. Л., Скоробогатова Е. П. Витаминные и ферментативные свойства мицелия Pemcillium. — «Биохимия», 1947, т. 12, вып. 3, с. 268— 275 с ил.

            Богословский Н. А. Синтетические исследования в области фосфатидов. Автореф. кандид. дисс., М., 1962.

            F о 1 i с h J., Lees М. и др. J. Biol. Chem., 1957, 226, 497.

            ТруфановА. В., Кирсанова В. А. Содержание эргостерина в дрожжах при автолизе.— «Биохимия», 1939, т. 4, вып. 4, с. 377—380. То же, 1940, т. 5, с. 234.

            Т р у ф а н о в А. В. Одновременное получение из дрожжей эргостерина, рибофлавина и аневрина. — В сб.: «Труды Всесоюзной конференции по витаминам», М., Пищепромиздат, 1940, с. 141—143.

И.Проскуряков Н. И., Попова Е. М., Осипов Ф. М. К определению и содержанию эргостерина в различных дрожжах. —«Биохимия», 1938, т. 3, вып. 3, с. 397—400.

            S е b г е 1 1 W., Harris R., The Vitamins, Acad. Press., 1954, 2, 132.

            В i 1 1 s С., Пат. США 1775548, 9/IX 1930.

            С a r 1 s о n W., Пат США 2167272, 25/VII, 1939.

            Rosenberg R., Chemistry and Physiology of the Vitamins, 1942, 57.

            Collow R., Biochem. J., 1931, 25, 79.

            E merson H., Heyl F., J. Am. Chem. Soc., 1930, 52, 2015.

            Hoffmann-La Roche, Немецкий пат. 495450, 30/VI, 1927.

            Канчух Ш. Ф. Авт. свидет., № 85886, 26/IX 1949; Бюлл. изобрет., 1950, № 8, с. 50.

            Шнайдман Л. О. Производство витаминов из животного и растительного сырья. М., Пищепромиздат, 1950.

            В а д и м о в~ В. Электрификация сельского хозяйства. 1931, № 5, 6, 9, 11; 1932, № 8; 1933, № 4.

            М а ц к о С. Н. — «Бродильная промышленность», 1932, 10.

            S k i р s к i V., Peterson R., Barclay M, Biochem. J, 1964, 90, 374.

            D i t m e r J., Lester R., J. Lipid Res., 1964, 5, 126.

            Beveridge, Johnson, Canad., J. Res. E., 1949, 27, 159.

            Ж Д а и- П у ш к и н С. — «Микробиология», 1955, т. 24, 5, с. 545.