Молекулярные и конформационные характеристики пектиновых веществ

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ___________________________________2010, том 53, №2________________________________

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 547.458.88

Академик АН Республики Таджикистан Д.Х.Халиков, Б.С.Рахматов, Х.Х.Авлоев,

З.К.Мухидинов

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан

На основании измерения характеристической вязкости и молекулярной массы пектиновых веществ из корзинки подсолнечника, яблок и цитрусовых (апельсин) было получено уравнение Марка-Куна-Хаувинга. Рассчитанная константа говорит о том, что структура макромолекул изученных пектинов имеет жесткоцепной характер.

Ключевые слова: пектиновые вещества - характеристическая вязкость - молекулярная масса -разбавленные растворы - фракционирование - жидкостная хроматография.

Пектиновые вещества (ПВ), получаемые при кислотном гидролизе протопектина растительных клеток, по своей природе являются высокомолекулярными ионогенными природными привитыми сополимерами. В зависимости от технологии получения не только изменяется молекулярная масса, но и степень ионизации, моносахаридный состав, степень прививки и другие параметры ПВ, что способствует получению как молекулярной, так и структурной неоднородности целевого продукта. Композиционная неоднородность ПВ в значительной степени затрудняет получение информации о молекулярной структуре ПВ - молекулярной массе (ММ), молекулярной массе распределения (ММР) и гибкости полимерных цепей. Поэтому этому вопросу посвящены немногочисленные публикации и данные различных авторов не совпадают [1]. Исходя из этого, целью настоящей работы явилось изучение гидродинамических свойств ПВ в разбавленном растворе и выявление взаимосвязи молекулярной и структурной неоднородности пектинов, полученных из различных источников растительного сырья.

Объектами исследования были: яблочный пектин (ЯП) (выделенный из красных яблок, Му-минабад, Республика Таджикистан, урожай 2007 г.), апельсиновый (ЦП) (из смеси альбедо и кожуры, Турция, урожай 2006 г.) и пектин корзинок подсолнечника (ПКП) (из корзинок подсолнечника, урожай 2006 г.), Пектины характеризировались по содержанию звеньев галактуроновой кислоты [2], степени этерификации [3], а также по остатку нейтральных сахаров. Перед определением характеристической вязкости ПВ обрабатывали смесью 70%-ного водного этанола, концентрированной НС1 и воды в соотношении 14:3.6:2.4 в течение суток при комнатной температуре. Затем промывали 70%-ным этанолом до отрицательной реакции на CI- ионы, 96%-ным этанолом и высушивали под вакуумом при температуре 40.. ,60°С.

Адрес для корреспонденции: Халиков Джурабай Халикович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул.Айни, 299/2, Институт химии АНРТ. E-mail: dkhalikov@rambler.ru

Характеристическую вязкость пектинов определяли путем измерения времени течения растворов различных концентраций в вискозиметре Уббелоде. В качестве растворителя использовали 1%-раствор NaC1. Время течения растворителя 54.9 сек при 25°C. Среднемассовую молекулярную массу (Mw) определяли методом эксклюзионной жидкостной хроматографии (ЭЖХ), описанной в работе [4]. В зависимости от вязкости раствора пектина высушенный образец растворяли в 0.05М NaNO3 до конечной концентрации 1 или 2 мг/мл, центрифугировали при 20000 g в течение 30 мин. Элюент и растворы пектинов фильтровали через 0.45 мм-мембранный фильтр (Millipore Millex - HN). Раствор в количестве 0.1-0.2 мл автоматически вводится в хроматограф. Измерения проводились трижды. Скорость потока элюента - 0.8 мл/мин. Система подачи растворителя состоит из двухканального вакуумного дегазатора, насоса высокого давления (Waters 1515 Isocratic Pump) и автоинжектора (717 plus Auto injector, Waters). Для разделения пектинов использовали две эксклюзионные колонки, содержащие PL-Aquagel 0H60 и PL-Aquagel 0H40 в серии, которые находились при температуре 30°C в термостате. Молекулярную массу пектинов определяли одновременно путем обработки электронного сигнала, полученного от детекторов, с помощью программного обеспечения ASTRA 5.3.4.13 (Wyatt Technology) и Breez (Waters). Изменение коэффициента преломления в зависимости от концентрации полимера dn/dc в 0.05M NaNO3, равное 0.130, было взято из работы [5]. Значения Mw были получены на ЭЖХ с использованием универсальной калибровки. ЭЖХ колонки калибровались с использованием молекулярных стандартов Пуллулана (Showa Denko K.K., Japan). ПВ фракционировали методом дробного растворения в системе растворителей - смеси спирта и воды [6].

Таблица 1

Параметры уравнения Хаггинса* и критерии разбавленности растворов пектина КП

V^^OH), % Сь г/дл С2, г/дл Сэ, г/дл С4, г/дл С5, г/дл М, дл/г K'*[n]2 R2 K' 1/М, г/дл

Исх. 0.225 0.180 0.135 0.090 0.045 1.724 2.564 0.9982 0.863 0.580

0 0.230 0.184 0.138 0.092 0.046 1.871 3.958 0.9955 1.131 0.535

10 0.240 0.192 0.144 0.096 0.047 1.672 4.943 0.9967 1.768 0.598

20 0.243 0.194 0.145 0.097 0.048 1.292 3.308 0.9883 1.981 0.774

30 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 1.021 2.121 0.9561 2.035 0.980

40 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050 0.846 0.669 0.9343 0.935 1.183

50 0.243 0.194 0.145 0.097 0.048 0.449 0.460 0.9491 2.284 2.229

60 0.243 0.194 0.145 0.097 0.048 0.113 0.278 0.9314 21.849 8.865

Уравнение Хаггинса: пуд/С=[п]+К'*[п]2*С.

Одним из основных условий измерения характеристической вязкости является критерий разбавленности растворов. В табл. 1 в качестве примера для ПКП представлена область концентрации, где проводилось измерение времени течения растворов в сравнении с обратным значением характеристической вязкости и параметров уравнения Хаггинса, а также параметрами корреляционного уравнения прямой линии и коэффициентами корреляции. Как видно из табл. 1, во всех случаях зависимость приведенной вязкости (пуд/С) от концентрации раствора (С) достаточно хорошо укладывается на прямую линию при коэффициенте корреляции ^2), близким к единице. Данный коэффициент снижается до 0.93 (табл.1) в области низкого значения характеристической вязкости ([п]). Из представленных данных видно, что во всей области концентрации величина 1/[п]>>С, что свидетельству-

ет о разбавленности раствора во всей области измерения времени течения соответствующих жидкостей. Аналогичные данные были получены и для ЯП, и ЦП. Другим критерием растворения полимера является взаимодействие макромолекул в данном растворителе. Как видно из табл. 1, а также результатов, полученных для других исследованных пектинов (ЯП и ЦП), константа Хаггинса во всех случаях К'>>0.5, что говорит о «плохом» качестве растворителя (1% раствор №С1), то есть о взаимодействии ПВ с растворителем, несмотря на отмеченный выше критерий раздробленности их

до уровня отдельных макромолекул.

Согласно представлению о характеристической вязкости, величина [п] для раствора полимера в любом растворителе связана с ММ согласно уравнению Мар-ка-Куна-Хаувинка в виде [п]=КМа. На основании измерения величины [п] и ММ для различных фракций пектинов, полученных путем дробного растворения в системе вода-этанол по уравнению Lg[n] = LgK+аLgM, были рассчитаны величины К и а (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость Lg[п] от LgM для различных пектинов.

Таблица 2

Параметры уравнения Марка-Куна-Хаувинга для различных пектинов*

Пектины [п], дл/г М^10"3, дал К-104 а Я2

КП 1.72 155.10 32.10 0.51 0.7773

ЯП 3.29 159.00 0.18 0.99 0.9380

ЦП 3.75 179.20 0.01 1.25 0.9011

Растворитель для измерения вязкости 1% №С1, при 25°С.

Эти параметры, наряду со значением коэффициента корреляции и величины [п] и ММ для исходных пектинов, приведены в табл. 2. Несмотря на некоторую разбросанность экспериментальных точек зависимость Lg[n] от LgM укладывается в прямолинейную зависимость, описываемую уравнениями прямой линии при коэффициенте корреляции ^2) больше 0.9 только в двух последних случаях. Если принимать во внимание результаты структурных исследований, представленных нами в работе [6], то в данном эксперименте соотношения моносахаридных остатков для различных фракций одного и того же ПВ не совпадают между собой, то есть они представляют фактически разные вещества, отличающиеся не только по ММ, но и первичной структурой основных цепей полимера. Эти противоречия в определенной степени снимаются, если принимать во внимание не только процентное содержание звеньев галактуроновой кислоты и её степень этерификации, но и мольное соотношение. В табл. 3 в качестве примера приводится соотношение свободных (К(СГК)) и этирифициро-ванных (К(ЭГК)) остатков ГК во фракциях ЦП, выделенных при различных соотношениях этилового спирта и воды. Из табл. 3 видно, что, несмотря на резкое снижение остатков ГК во фракциях ЦП, величины К(СГК), кроме первой и последней точек, близки между собой. Аналогичная ситуация на-

блюдается и для величин К(ЭГК). Исходя из этого, можно считать те фракции ПВ близкими по структуре, которые совпадают между собой по всему набору моносахаридных остатков, и те, которые близки по величине К(СГК). Действительно, если из наборов экспериментальных точек выбрать те, которые достаточно близки между собой по величинам К(СГК), то корреляция между Lg[n] и LgM достаточно хорошая (рис. 2). Как видно из табл. 4, величина Я2 для всех изученных пектинов близка к единице.

Таблица 4

Параметры уравнения Марка-Куна-Хаувинга и средние значения СКГ в ПВ

ПВ 1Ч(СГК)ср. К*10-6 а Я2

КП 40.87±1.70 8.06 1.022 0.9800

ЯП 42.43±2.37 4.21 1.127 0.9896

ЦП 54.22±3.15 3.68 1.147 0.9926

Приведенные экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что формирование молекулярной структуры и, прежде всего, конформация макромолекул ПВ, по-видимому, обуславливается наличием остатков ГК и имеющихся в них свободных (неэтерефицированных) ионогенных карбоксильных групп. Именно наличие этих групп придает макромолекулам ПВ достаточную жесткость, то есть соответствующие

клубки становятся протекаемыми для рас-

Рис. 2. Зависимость LgГ'n] от LgM для различных пекти- г>.<-

ы-и ь « ^ творителя. Об этом свидетельствует вели-

нов во фракциях с близкими значениями ^СГК).

чина а в уравнении Марка-Куна-Хаувинга, которая для всех изученных объектов укладывается в области 1-1.5 (табл. 4). Из рис. 2 также видно, что прямые зависимости величин Lg[n] и LgM являются параллельными и с возрастанием средней величины СГК (табл. 4) располагаются при более высоких значениях оси ординат и одинаковых значениях ММ. Это также свидетельствует об исключительной роли поли-электролитного эффекта, который не подавляется даже при измерении характеристической вязкости в солевом растворе.

Таким образом, несмотря на сложность получения однородной фракции различной ММ, изучение молекулярных и конформационных характеристик ПВ становится возможным, если принимать во внимание наличие кислотной группы в составе моносахаридных остатков полимерной цепи и возможность сохранения постоянного значения этого параметра при изменении молекулярной массы. Используя такой подход для различных пектинов, получены экспериментальные уравнения Марка-Куна-Хаувинга и сделан вывод о жесткоцепном строении макромолекул для изученных пектинов корзинки подсолнечника, яблок и цитрусовых.

Поступило 11.01.2010 г.

!одМ\м

ЛИТЕРАТУРА

1. Халиков Д.Х., Мухиддинов З.К. - Химия природ. соедин., 2004, №2, с.118-142.

2. Filisetti-cozzi T.M., Carpita N.C. - Anal. Biochem .1991, v.197, pp.157-162

3. CP Kelco Control methods. Determination of pectin DE, 2001, p.3.

4. Мухидинов З.К., Fishman M.L. и др. - Хим. ж. Казахстана, 2008, спец. вып. 21, с. 60-65.

5. Fishman M.L., Chau H.K. et.al. - J. Agric. Food Chem., 2001, v.49, pp. 4494-4501.

6. Рахматов Б.С., Авлоев Х.Х., Халиков Д.Х. - ДАН РТ, 2010, т.53, № , с.

Ч,.Х.Холицов, Б.С.Рахматов, Х.Х.Авлоев, З.К.Мухиддинов ХАРАКТЕРИСТИКАИ МОЛЕКУЛЯРЙ ВА КОНФОРМАТСИОНИИ

МОДДА^ОИ ПЕКТИНЙ

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмхои Цум^урии Тоцикистон

Дар асоси чен кардани часпакии характеристик ва массаи молекулярии моддах,ои пек-тинии сабатчаи офтобпараст, себ, ситрусй (афлесун), муодилаи Марк-Кун-Хаувинг тартиб дода шуд. ^имати доимии ин муодила нишон медихад, ки сохти макромолекулаи моддахои пектинй каишии баланд дошта, барои хдлкунанда (махдули 1% NaCl) лундах,ои гузаронида мебошад. Калима^ои калиди: моддахои пектинй - хосияти часпакй - массаи молекулавй - маулули суюц -фраксия - хроматографияи маулулй.

D.Kh.Khalikov, B.S.Rahmatov, Kh.Kh.Avloev, Z.K.Muhidinov MOLAR MASS AND CONFORMATIONAL CHARACTERISTICS

OF PECTIN SUBSTANCES

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan The Mark-Houwiuk (MH) plot has been analyzed using intrinsic viscosity and molar mass of pectin substances from sunflower, apple and citrus. The value of M-H exponent showing pectin molecules accept rigid conformation and permeability for studied pectin.

Key words: pectinaceous substances (PS) - characteristic viscosity - molecular weight - the diluted solutions - fractionation - a liquid chromatography.