ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАКЦИИ СОЛОДКОВОГО КОРНЯ
А.С. Рыбальченко, В.П. Голицын, Л.Ф. Комарова
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, Барнаул (Россия)

Представлены результаты исследований экстракции солодкового корня. Цель работы – определение оптимальной начальной концентрации натриевой щелочи в экстрагенте, изучение кинетики вакуумно-импульсной экстракции. Определено влияние гидроксида натрия в растворителе на протекание процесса экстракции, установлена его оптимальная величина, исследована кинетика вакуумно-импульсной экстракции.

Введение
Солодковый корень используется в медицинской практике со времен глубокой древности. Препараты солодкового корня применяются в качестве отхаркивающего, мягчительного, противовоспалительного средства при заболеваниях дыхательных путей, как противоядие при отравлении мясом и грибами, при лечении язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, как легкое слабительное. Некоторые компоненты солодки с успехом применяют при лечении кожных заболеваний, так как они проявляют иммуностимулирующее действие [1]. Есть информация об успехах в лечении вирусных инфекций, в частности гепатитов и СПИДа.

Биологически активными компонентами солодкового корня являются тритерпеновые гликозиды (важнейший из них – глицирризиновая кислота), содержание которых может достигать 25% от массы сухого материала, разнообразные фенольные соединения, на долю которых приходится 3–5%, а также углеводы. Общее содержание экстрактивных веществ может достигать 40%.
Солодку используют в табачной и пищевой промышленностях [2], в технических целях – как пенообразующее средство [3], в легкой промышленности – для дубления кожи, получения достаточно прочных красящих веществ, а также при производстве косметических изделий.
Переработка солодки в СССР основывалась на получении густого и сухого экстракта. Существовало несколько центров по добыче корня и два перерабатывающих завода – в Уральске и Чарджоу, но вследствие распада СССР Россия лишилась солодковоперерабатывающих предприятий, несмотря на имеющиеся сырьевые ресурсы. Поэтому остро возникает проблема создания базы по переработке солодкового корня и разработке более эффективных технологий.
Классическая технология экстракции корня солодки [4] заключается в процессе бимацирации 0,25% водным раствором аммиака с модулем 1 : 5 в течение 48 ч, второй раз – с троекратным количеством в течение 24 ч. Аммиак необходим для перевода имеющейся в корне свободной глицирризиновой кислоты (плохо растворимой в воде) в легкорастворимую аммонийную соль.
В условиях специализированных солодковых заводов вытяжка получается при помощи батареи диффузоров, работающих по принципу противотока. Извлечение проводится горячей водой.
Существует оригинальный способ производства экстракта солодкового корня без его предварительного измельчения. Куски корней и корневищ солодки замачивают в 1,0 % водном растворе аммиака и оставляют набухать на 2 суток. Набухший корень подвергают пятикратному вальцеванию через металлические вальцы с последовательно уменьшающимся расстоянием между валками (15; 8,4; 1,5; 0,5 мм). В отжатый сок, масса которого всего на 20 – 25 % больше массы исходного сырья, переходит до 80 % экстрактивных веществ (ЭВ), содержавшихся в исходном сырье. Такую высокую концентрацию извлеченных веществ трудно получить другими известными способами экстракции.
Недостатком данных технологий является малый выход экстракта в пересчете на теоретическое содержание ЭВ, большая длительность и энергоемкость процесса.
В последнее время все более широкое применение находят вакуумно-импульсные технологии переработки растительного сырья, в т.ч. и солодкового корня. Эта технология позволяет получать достаточно концентрированные экстракты за короткий срок с наименьшими затратами сырья и энергии. [5]

В основу принципа действия вакуумно-импульсной экстракции [6] положена предварительная дегазация сырья под вакуумом, его пропитка экстрагентом под атмосферным давлением, периодическое прогревание с последующим импульсным вакуумированием до остаточного давления, равного давлению пара растворителя при данной температуре, и соединением с атмосферным давлением. В результате импульсного вакуумирования происходит вскипание растворителя в порах материала, а образующийся пар выталкивает насыщенный целевым компонентом экстрагент в объем мисцелы. Затем, при соединении с атмосферой, свежие порции растворителя поступают в поры материала. Вышеописанную последовательность действий повторяют необходимое количество раз.
Использование аммиака в данной технологии вызывает определенные сложности, так как он, являясь агресивной средой, при вакуумировании будет улетучиваться и отрицательно воздействовать на насосы, внутреннюю поверхность трубопроводов, ресиверов. Кроме того, недопустимы и неизбежные выбросы его в окружающую среду. Поэтому было принято решение о замене раствора аммиака на гидроксид натрия, который не подвержен испарению.
Цель работы – определение оптимальной начальной концентрации натриевой щелочи в экстрагенте при экстракции корня солодки, изучение кинетики вакуумно-импульсной экстракции при данном содержании щелочи.

Экспериментальная часть
Определение оптимальной концентрации щелочи в экстрагенте Эксперимент проводили на лабораторной установке. В трехгорлую колбу, снабженную обратным холодильником, термометром и пробкой, помещали навеску дробленого корня солодки и заливали пятикратным по массе количеством экстрагента. Экстрагентом служили водные растворы гидроксида натрия с начальными концентрациями 0; 0,25; 0,50; 1,00 % масс. Смесь доводили до кипения и кипятили до достижения равновесия, отбирая с определенной периодичностью из колбы пробы, для определения рН- фактора и содержания ЭВ рефрактометрическим способом. Рефрактометрия проводилась на лабораторном рефрактометре УРЛ- II модель 1, откалиброванном по стандартным растворам, приготовленным из сухого экстракта корня солодки.

Изучение кинетики вакуумно-импульсной экстракции
Эксперимент проводили на пилотной установке. Предварительно дробленое сырье массой 10 кг помещали в экстрактор, где оно проходило стадию подготовки (нагревалось до температуры 60оС и дегазировалось под вакуумом). Параллельно готовили экстрагент – к дистиллированной воде добавляли гидроксид натрия, подогревали до 60°С и дегазировали под вакуумом. Концентрация щелочи в экстрагенте составляла 0,50 % масс., что соответствует оптимальной концентрации, определенной на лабораторной установке. После подготовки экстрагент массой 50 кг перекачивали в экстрактор и начинали вакуумно-импульсную экстракцию. В течение процесса поддерживали температуру 60°С, контролировали концентрацию ЭВ. Вакуумные импульсы при экстракции производили с периодичностью 10 мин (9 мин. вакуум и 1 мин. атмосферное давление). Процесс экстракции вели до достижения равновесной концентрации экстрагируемых веществ в экстракте.

Обсуждение результатов
Максимально возможная концентрация ЭВ в экстракте рассчитывается на основании содержания кстрактивных веществ в сырье и соотношения сырья и экстрагента (содержание экстрактивных веществ в сырье составляет 34%, модуль экстракции 1 : 5).
Кинетика экстракции солодкового корня в зависимости от концентрации гидроксида натрия (Сщ) в экстрагенте Время экстрагирования, мин Концентрация экстрактивных веществ в экстракте, %

Анализ экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке, показывает, что увеличение начальной концентрации щелочи в экстрагенте (в изученном диапазоне) позволяет увеличивать выход экстрактивных веществ, но до определенного предела. При начальной концентрации щелочи в экстрагенте больше 0,50 % равновесная концентрация практически перестает изменяться.
Но независимо от этого с увеличением концентрации щелочи увеличивается скорость процесса на начальной стадии.

Это можно объяснить изменением поверхностных свойств растворителя.
Также необходимо отметить, что при начальной концентрации щелочи больше 0,50% конечный экстракт имеет нежелательно высокую щелочную реакцию. Поэтому оптимальная концентрация гидроксида натрия в экстрагенте составляет 0,50%.
Анализ данных вакуумно-импульсной экстракции, показывает, что время достижения равновесной концентрации экстрактивных веществ в экстракте при данных условиях составляет два часа, что значительно меньше времени классической экстракции.
В общем случае скорость экстракции лимитируется скоростью самой медленной стадии – молекулярной диффузии. Ее можно поделить на две стадии: диффузию из глубины куска к его поверхности (внутренняя диффузия) и от поверхности материала в объем раствора [8].
По мере пропитки материала и растворения целевых компонентов доступная для взаимодействия с растворителем поверхность извлекаемого компонента перемещается вглубь пор твердого материала, что приводит к падению скорости экстракции. Указанный процесс характерен для простой экстракции, в этом случае кинетические кривые экстракции имеют логарифмическую зависимость.
При ведении экстракции в вакуумно-импульсном режиме насыщенный целевым компонентом раствор внутри капилляров периодически заменяется на менее концентрированный из общего объема смеси. При этом имеет место только диффузия от поверхности растворяющегося вещества в объем внутри капилляров, что обеспечивает постоянный градиент концентраций и, следовательно, постоянную скорость диффузии.
Сказанное подтверждается экспериментальными данными. Для вакуумно-импульсной экстракции при вышеприведенных условиях ведения процесса и степени недоизвлечения Е≤26% зависимость E от времени t линейная и описывается уравнением:
Е= -0,3.
t+35. (3)
0,04
0,08
0,12
0,16
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20
Концентрация щелочи, %
V, %/мин
Зависимость начальной скорости экстракции от концентрации щелочи в экстрагенте при постоянных температуре и давлении

Выводы
1. При исследовании процесса экстракции корня солодки выявлено, что с увеличением концентрации гидроксида натрия в экстрагенте увеличиваются скорость процесса экстракции на начальной стадии, а также выход экстрактивных веществ.
2. Оптимальная начальная концентрация гидроксида натрия в экстрагенте составляет 0,5% масс.3. Время экстракции солодкового корня при температуре 60°С, концентрации щелочи 0,5% масс. и импульсном режиме с циклом 10 мин не превышает двух часов, что значительно меньше времени классической экстракции.

Список литературы
1. Волынский Б.Г., Бендер К.И. и др. Лекарственные растения в научной и народной медицине. Саратов, 1978. 360 с.
2. Дубченко Л.Г., Козьяков А.С., Кривенко В.В. Пряно-ароматические и пряно-вкусовые растения: Справочник, Киев, 1989. 304 с.
3. Ушбаев К.У., Курамысова И.И., Аксенова В.Ф. Целебные травы. Изд 2-е, перераб. и доп., Алма-Ата, 1979. 240 с.
4. Муравьев И.А. Технология лекарств. Изд. 3-е, перераб. и доп. Т. 1. М., 1980. 704 с.
5. Рыбальченко А.С. Ресурсо- и энергосбережение с применением вакуумно-импульсных технологий / Тезисы VI Всерос. студ. НПК с Межд. участием «Безопасность XXI», Новый взгляд на проблемы безопасности в XXI веке. Иркутск, 2001. Т. 1. С. 161–162.
6. Патент РФ №2163827. Способ экстрагирования материалов / Абрамов Я.К., Голицын В.П., Молокеев В.А., Сидоров С.И., Малютин В.Е., Борисов С.И., Белоус В.К. 2001.
7. Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов. Л., 1983. 256 с.
8. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд 9-е. М, 1973. 750 с.