ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ГЛЮКОЗЫ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

TECHNOLOGY FOR OBTAINING CRYSTALLINE GLUCOSE FOR THE FOOD AND PHARMACEUTICAL INDUSTRIES

Ludmila Khvorova

doctor. tech. Sciences Head. laboratory of technology of glucose and functional products based on it

Federal research center of food systems. V. M. Gorbatov. Research Institute of starch products

Russia, Moscow region., Lyuberetskiy R-n, p. Kraskovo

АННОТАЦИЯ

Глюкоза является важнейшим продуктом пищевой и фармацевтической промышленности и  относится к продуктам стратегического назначения. В настоящее время потребность здравоохранения и пищевой промышленности России в глюкозе обеспечивается по импорту. Цель статьи анализ особенностей и выбора технологии кристаллизации  глюкозы для организации её отечественного производства. Для получения фармацевтической и пищевой глюкозы рекомендована трехпродуктовая схема с кристаллизацией двух продуктов в ангидридной форме. Для получения лекарственного препарата раствора «Декстроза 5 % + натрия хлорид 0,9 %» предлагается  новая кристаллическая субстанция двойное соединение глюкозы с хлоридом натрия по химическому составу полностью идентичная лекарственному раствору.

Ключевые слова: глюкоза кристаллическая; виды; технологии получения.

Keywords: glucose crystal; species;  of technology for.

Глюкоза является важнейшим продуктом пищевой и фармацевтической промышленности и  относится к продуктам стратегического назначения. Потребность в ней 7 тыс т в год для медицинской и 50 тыс т в год для пищевой промышленности обеспечивается по импорту.

 Разработка технологий получения кристаллической глюкозы   проводится с целью организации её производства  в России.

В фармацевтической  промышленности [1,2] глюкоза используется для приготовления инъекционных и инфузионных растворов, таблеток, производства сорбита, аскорбиновой кислоты, ветеринарных препаратов. Жизненно необходимым является применение  глюкозы в виде растворов при больших потерях крови, сердечной недостаточности, шоке и других тяжелых состояниях организма. 

В  пищевой промышленности  глюкоза  применяется в диетическом и лечебном питании, производстве кондитерских изделий, консервной  промышленности, производстве напитков, мороженого, спортивном питании [3] .

Кристаллическую глюкозу вырабатывают из сиропов, полученных гидролизом крахмала с помощью кислоты или ферментов [4,5]  .

Эффективность глюкозного производства зависит от  оптимальных способов  гидролиза крахмала и соответствующей им технологической схемы кристаллизации глюкозы [6]. Прогрессивные способы гидролиза крахмала кислотно-ферментативный и двойной ферментативный связаны с применением ферментов. Наиболее выгодный способ из них выбирают в зависимости от запланированной номенклатуры получаемых конечных продуктов. Двойной ферментативный гидролиз с применением ферментов на стадиях разжижения и осахаривания крахмала позволяет получать сиропы с высоким глюкозным эквивалентом (ГЭ) до 98 %, является более дорогостоящим и его применение оправданно в случае наиболее полного извлечения  кристаллической  глюкозы из сиропов, и получении нескольких видов продуктов. Для производства пищевой гидратной глюкозы и патоки более рентабельным является кислотно-ферментативный гидролиз крахмала, при котором сиропы имеют ГЭ в пределах  95 %.

В настоящее время в зависимости от температуры и условий кристаллизации в промышленном масштабе получают глюкозу: 

1. глюкозу ангидридную в альфа-форме  влажностью менее 1,0 %, 

2.  глюкозу ангидридную в бета-форме влажностью менее 1,0 %,

3. гидратную влажностью 9 %,

4. глюкозу в виде кристаллического двойного соединения с хлоридом натрия влажностью 4,5 %.

Повышению эффективности технологической схемы производства   глюкозы из сиропов ферментативного гидролиза крахмала способствует активация кристаллизации  глюкозы и возможность  настраивания схемы таким образом, чтобы получать все перечисленные продукты одновременно или по отдельности в зависимости от  их востребованности  у потребителей.

1. Технология получения ангидридной α- глюкозы.

Ангидридная α- глюкоза кристаллизуется при температуре 55-75⁰С в изотермических [7] (при уваривании утфелей в вакуум-аппарате) и  политермических [8,9] условиях (при снижении температуры утфеля в кристаллизаторе).

На рисунке 1 показана схема получения ангидридной глюкозы с кристаллизацией в вакуум-аппарате. Процесс уваривания при получении утфелей продолжается  6-7 ч, затем  утфель с  содержанием  кристаллов 50-55 % центрифугируют. Цикл центрифугирования продолжается 5-6 мин. Сырую глюкозу с влажностью 2,5-3 %  или в высушенном до 0,5 % виде используют для приготовления инъекционных растворов. В кристаллическом виде ангидридная глюкоза  в России реализуется в небольших объемах. Из-за этого  на потребительском рынке создается ошибочное представление  о ней как  о менее востребованной по сравнению с гидратной глюкозой. 

На самом деле ангидридная глюкоза по технологии,  качеству, применению является самым  эффективным продуктом глюкозного производства, с высокой рентабельностью. Она кристаллизуется в 5-6 раз быстрее по сравнению с гидратной глюкозой, при высокой температуре (55-75⁰С), исключающей размножение микробов, имеет самую высокую чистоту, является практически стерильной и относится к фармакопейному стандарту.

Рисунок 1. Технологическая схема получения ангидридной глюкозы

Её как наиболее чистую используют, преимущественно,  для приготовления инъекционных растворов, чаще, не высушивая,  в виде сырых кристаллов, что более выгодно, и (при небольших дополнительных затратах) реализуют в виде  растворов по цене в 15-20 раз дороже по сравнению с кристаллической формой.  Большую прибыль получают крахмало-паточные предприятия, имеющие линии по выработке  инфузионных растворов, и лечебные учреждения при получении инфузионных растворов  в условиях экстемпорального производства.

2. Ангидридная β-глюкоза кристаллизуется при температуре 108-110 ⁰С,  отличается от других видов глюкозы высокой растворимостью. При комнатной температуре при растворении в воде из нее в течение 60 минут образуется раствор высокой концентрации до 65 %. Ангидридная α–глюкоза альфа-глюкоза образует раствор концентрацией 44 %, а гидратная глюкоза – лишь 35 % (рисунок 2).    За высокую растворимость   β-глюкоза  особенно ценится при изготовлении из неё фармацевтических растворов и при использовании в пищевой промышленности.

Глюкозосодержащий пересыщенный раствор для кристаллизации  β - глюкозы при температуре 110 ⁰С имеет концентрацию около 92 %. Внесение затравочных кристаллов глюкозы в этот раствор [10] способствует образованию зародышей бета-глюкозы в течение часа, что сопровождается  помутнением раствора. Наращивание кристаллов затем проводится при медленном понижении температуры до 85 ⁰С в течение 6-8 ч. При этом кристаллы вырастают до технических размеров 1,2-1,5 мм, а концентрация межкристального раствора понижается до 82-85%. Кристаллы в горячем состоянии легко отделяются и отмываются от маточного раствора. Затем высушиваются.

Рисунок 2. Растворимость глюкозы с течением времени (при температуре 20⁰ С) ^____ гидратная глюкоза;  –   –   –  ангидридная α–глюкоза; - - -  ангидридная β–глюкоза.

3. Технология получения гидратной глюкозы

Гидратная глюкоза отличается от ангидридной формой кристаллов и включением в кристаллическую решетку одной молекулы  кристаллизационной воды, что обеспечивает ей  9 % влажность. Гидратная глюкоза имеет одно преимущество перед ангидридной глюкозой  - способность  кристаллизоваться  из растворов, содержащих примеси других углеводов. Однако при этом снижение глюкозного эквивалента растворов до 80 % сопровождается увеличением продолжительности кристаллизации и ухудшением качества глюкозы [11,12].

По другим показателям - технологии, качеству, затратам на производство и его аппаратурное оформление - глюкоза гидратная значительно уступает ангидридной глюкозе, что показано в Таблице, и  имеет ряд существенных недостатков в сравнении с ней:

-  низкая скорость кристаллизации, в 6-7 раз ниже по сравнению с ангидридной, удлиняет процесс кристаллизации до 2-4 суток и требует больших объемов кристаллизаторов;

- температурный режим кристаллизации в интервале  45 - 25⁰С является благоприятным для размножения микрофлоры,  приводит к высокой  микробной обсемененности глюкозы и ухудшению её качества, и принуждает к частой трудоёмкой санитарной обработке кристаллизаторов и снижению их производительности;

- несовершенный способ «заводки» кристаллов требует внесения полного количества затравочных  кристаллов, что на 35-40 % увеличивает потребность  в объемах кристаллизаторов;

- механически непрочные  пластинки кристаллов гидратной глюкозы подвержены разрушению при высокой вязкости утфелей и сильному уплотнению при центрифугировании. Из-за чего ухудшаются условия отделения и промывки кристаллов от межкристального раствора,  понижается качество и выход глюкозы.

Таблица.

 Сравнительные технико-экономические показатели технологии ангидридной и гидратной глюкозы

Для достижения максимального извлечения глюкозы из сиропа и получения фармацевтической и пищевой глюкозы рекомендуется трехпродуктовая технологическая схема с кристаллизацией двух продуктов в ангидридной форме  [ 13 ].

4. Технология получения двойного соединение глюкозы с хлоридом натрия.

Большой интерес для пищевой и фармацевтической промышленности представляет новый вид быстро кристаллизующейся  глюкозы  в виде двойного соединения (ДС) с хлоридом натрия [14].  Химический состав кристаллов двойного соединения отвечает формуле – (С₆Н₁₂О₆)₂^.NaCl^.H₂O и идентичен  с химическим  составом  лекарственного препарата «Декстроза 5 % + натрия хлорид 0,9 %».  ДС быстро кристаллизуются в виде крупных четко оформленных кристаллов из глюкозных растворов, содержащих до 20 % хлористого натрия. Процесс кристаллизации проводится без затравки при перемешивании и снижении температуры от 65 до 25 ⁰С в течение 5-6 ч. Технология получения кристаллического ДС представлена в  работе [15].    

Готовый продукт - двойное соединение глюкозы с хлоридом  натрия представляет собой быстрорастворимый в воде порошок белого или желтоватого цвета и   характеризуется ниже приведенными  показателями:

М.м. 432,44 Да;  удельное вращение плоскости поляризации первоначальное 113^о, равновесное 52,9^о; общую микробиологическую чистоту менее 100 КоЕ/г (по грибам в пределах 10); содержание влаги не более 4,3 %;  содержание хлористого натрия 14-16 %; при  взаимодействии с водой легко растворяется.

Продукт не имеет аналогов в мире, позволяет обеспечить им не только Россию в порядке импортозамещения инъекционных растворов, но и  является  перспективным объектом для экспорта взамен растворов. Он рекомендован в качестве фармацевтической субстанции для приготовления лекарственного раствора, а также для использования в других отраслях хозяйственной деятельности [16].

ДС с высоким экономическим эффектом можно применять и в пищевой промышленности: хлебопечении, изготовлении кондитерских изделий, напитков, в качестве консерванта при получении плодово-ягодных консервов, варенья, соков, засолке мясных и рыбных изделий.

В ветеринарии препарат рекомендуется  для получения  инъекционных растворов для парентерального питания больных и ослабленных животных; в качестве добавки в пойло  при  желудочно-кишечных расстройствах у животных, ослабленных новорожденных телят, поросят и другого молодняка. В спортивной медицине рекомендуется в качестве энергетического и восполняющего потери влаги средства при  интенсивных физических нагрузках [17].  

Список литературы:

1. Хворова Л.С. Технология производства фармакопейной  и пищевой глюкозы.// Пищевая промышленность. – 2008. – №6. – С. 56.
2. Андреев Н.Р., Хворова Л.С. Новый пищевой продукт, лекарственное средство, ветеринарный препарат. // Вестник российской сельскохозяйственной науки. – 2013. –№ 6. – С.73.
3. Андреев Н.Р., Хворова Л.С., Фонин В.С. Новый продукт для спортсменов – глюкозно-витаминная помадка. //Пищевая промышленность. – 2011. – №6. – С.40-41.
4. Хворова Л.С. Кристаллизация глюкозы из сиропов кислотно-ферментативного гидролиза крахмала.// Пищевая промышленность. – 2008. – № 8. – С. 52-55.
5. Хворова Л.С. Условия кристаллизации гидратной глюкозы из сиропов, полученных с применением ферментов. // Хранение и переработка сельхозсырья. –2008. – № 6. – С. 48-49.
6. Хворова Л.С. Анализ технологических схем кристаллизации глюкозы.//В сборнике: Сборник докладов IV Международной конференции-выставки "Высокоэффективные пищевые технологии, методы и средства для их реализации".– 2006. – С. 145-147.
7. Хворова Л.С., Лукин  Н.Д.  Селезнева О.Н. Способ получения кристаллической ангидридной глюкозы. Патент на изобретение RUS 2521510 29.12.2012.
8. Андреев Н.Р., Хворова Л.С.  Селезнева О.С. Кристаллизация ангидридной глюкозы  в политермических условиях. //Хранение и переработка сельхозсырья. – 2014. – № 1. – С.13-14.
9. Фиданко Сталиянов Сретенов. Метод кристаллизации ангидридной глюкозы. A.с. № 15472, Болгария, Заявл.. 07.05.70, Опубл.. 03.05.74.
10. Андреев Н.Р., Хворова Л.С., Золотухина Н.И. Кинетика зародышеобразования при изотермической кристаллизации ангидридной глюкозы. //Сахар. – 2010. – № 12. – С, 55-58.
11. Хворова Л.С., Андреев Н.Р., Лукин Н.Д., Лапидус Т.В., Нюнина Н.Н. Способ получения глюкозы. Патент на изобретение RUS 2314251 18.07.2006.
12. Хворова Л.С., Андреев Н.Р.,  Лукин  Н.Д.  Способ кристаллизации гидратной глюкозы. Патент на изобретение RUS 2336308 28.06. 2007.
13. Хворова Л.С. Трёхпродуктовая технологическая схема получения глюкозы с кристаллизацией двух продуктов в ангидридной форме.// Пищевая промышленность. – 2017. – №9. – С.44-46.
14. Хворова Л.С., Андреев Н.Р. Фармацевтическая субстанция и способ её получения. Патент на изобретение RUS 2546286   07.06.2013. Андреев Н.Р., Хворова Л.С.
15.  Новая фармацевтическая субстанция  для получения раствора «Декстроза 5% + натрия хлорид 0,9 %». //Фармация. – 2014. – № 2. –  С. 38-40
16. Хворова Л.С., Лукин  Н.Д., Лукин Д.Н..  Инновационные технологии получения фармакопейной кристаллической глюкозы   для организации её производства в России.// Журнал научных статей Здоровье и образование в ХХ1 веке. –2017. – Т.19. – № 3.– С. 128-131.
17. Хворова Л.С., Колпакова В.В. Иммуностимулирующий и энергетический продукт для спортсменов. // В сборнике: Современные тенденции развития теории и практики физической культуры, спорта и туризма.Материалы Всероссийской с международным участием научно-практической конференции. Министерство  спорта Российской Федерации; ФГБОУ ВД «Московская Государственная академия физической культуры»; Союз биатлонистов России. – 2017. – С. 274-280.