Гидродинамические свойства пектинових веществ при различных температурах

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2010, том 53, №6__________________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.127:661.183.123.2

Академик АН Республики Таджикистан Д.Х.Халиков, Х.Х.Авлоев, З.К.Мухидинов, М.Т.Норова,

Б.С.Рахматов, А.С.Насриддинов

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕКТИНОВИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

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

Изучено влияние температуры на характеристическую вязкость [ц] пектиновых веществ (ПВ), полученных из апельсина, яблок и корзинок подсолнечника, в диапазоне температуры 20... 60°C. Показано, что во всех случаях значение [ц] с ростом величины Т снижается, что, по-видимому, связано с дегидратацией остатков сахаров в макромолекуле ПВ и снижением удельного объема полимерного клубка в разбавленном растворе с ростом температуры. Оценка константы Хаггинса (К’) по уравнению tfyc/C=[n]+K’[nfC ( где цуд и [ц] - удельная и характеристическая вязкость, С - концентрация) показала, что её величина во всех случаях больше 0.5, что свидетельствует о плохом качестве растворителя, преимущественном взаимодействии сегментов макромолекул между собой, по сравнению с молекулами растворителя, и усилении этого эффекта с ростом температуры. Рассчитана кажущаяся энергия активации процесса вязкого течения разбавленных растворов (Ea), величина которых близка к аналогичным данным, полученным для раствора полисахарида DD хитоза-на.

Ключевые слова: пектиновые вещества - характеристическая вязкость - разбавленный раствор -молекулярная масса - галактуроновая кислота.

Одним из параметров, определяющих размеры и форму макромолекул пектиновых веществ (ПВ) в разбавленном растворе, является характеристическая вязкость [п]. Однако данные по этому вопросу в литературе немногочисленны, что связано с трудностью получения надежных экспериментальных данных в связи с композиционной неоднородностью ПВ [1-3]. В работе [4] нами проведено измерение величины [п] при температуре 25°С для ряда ПВ. В то же время изучение температурной зависимости характеристической вязкости от температуры может дать ценную информацию о кон-формационных изменениях полимерной цепочки под воздействием различных факторов, обусловленных взаимодействием сегментов полимерной цепочки с окружающими их молекулами растворителя и гидратирующей способностью остатков сахаров в макромолекуле ПВ. В связи с этим целью настоящей работы явилась оценка молекулярной массы и изучение температурной зависимости характеристической вязкости для пектинов, полученных из различных источников растительного сырья.

В качестве объектов исследования, были использованы высокометилированный (ВМ) яблочный пектин (ЯП) (красные яблоки из Муминабада, Таджикистан, сентябрьский урожай 2007 г.),

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

апельсиновый (ЦП) (смесь альбедо и кожуры, из Турции, урожай 2006 г.) и подсолнечный (КП) (из корзинок подсолнечника, урожай 2006 г.), предварительно обработанные 2М раствором NaCl), а также коммерческий низкометилованный (НМ)-цитрусовый пектин (ЦПнм) (GENUE  LM-12 CG), любезно предоставленный нам компанией СР Kelco США (Wilmington DE). Пектины характеризирова-лись по содержанию галактуроновой кислоты (ГК) [5], степени этерификации (СЭ) [6] и молекулярной массе (ММ). Перед определением характеристической вязкости ПВ обрабатывали смесью 70%-ного водного С2Н5ОН, 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 в вакууме при температуре 40.. ,60°С.

Для определения характеристической вязкости [п] к навеске пектина добавляли рассчитанные количества 1%-ного раствора NaC1 и перемешивали на магнитной мешалке. Небольшое количество нерастворимых остатков и микрогеля отделяли центрифугированием при 20000 g, высушивали и учитывали при расчете концентрации раствора. Измерения времени течения растворов различной концентрации (от 0.10 до 0.06 г/дл) проводили в вискозиметре Уббелоде (время течения растворителя 54.97 сек при 25°C) при различных температурах. Температуру растворов контролировали с помощью термостата (Masterline Model 70H, Forma Scientific, USA) с точностью 0.1°C . Время течения для каждого образца измерялось трижды. По полученным данным рассчитывали приведенные вязкости (Ппр=Пуд/С) в зависимости от концентрации раствора (С) и путем экстраполяции величины ппр к нулевой концентрации определяли значение [п].

Среднемассовая ММ (Mw) была определена методом эксклюзионной жидкостной хроматографии (ЭЖХ), описанной в работе [7] и модифицированной в нашей лаборатории [8]. 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. Молекулярная масса пектинов определялась 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 [7]. Значения Mw были получены на ЭЖХ с использованием универсальной калибровки. ЭЖХ колонки калибровались с использованием молекулярных стандартов Пуллулана (Showa Denko K.K., Japan).

Основные характеристики пектинов, полученных из различных источников, приведены в

табл.1.

Таблица 1

Основная характеристика пектинов полученных из различных источников

Пектиновые вещества ГК,% СЭ%% Ым>*10ъ (МУЛС) Rg, nm [П], дл/г

ЯП 64.8 55.8 137.0 28.8 0.81

ЦП 77.7 70.7 257.0 33.8 1.64

КП 69.6 48.5 95.4 22.6 1.07

ЦПнм 69.0 31.0 212.7* 1.5

* Mw получены методом ВЭЖХРМ с детектором по рефрактометрии и вискозиметрии, используя универсальную калибровочную кривую.

На рис.1 представлена зависимость величины [п] от температуры для различных пектинов, где видно, что при увеличении температуры от 10 до 50°С значения [п] для всех образцов падают, причем для ЯП ход изменения величины [п] выражен более резко, чем для остальных пектинов (рис.1). Уменьшение величины [п] от температуры может быть связано с рядом причин. В частности, по аналогии с декстраном, как показал Ногучи [6], увеличение температуры может привести к уменьшению количества водородных связей, образованных остатками глюкозы, и снижению содержания гидратной воды, что может привести к сокращению удельного объема и, следовательно, к уменьшению величины [п].

Сс

Рис.1. Зависимость величины [п] от температуры для ЦП(1), КП(2), ЦПнм [3], ЯП(4).

Другая причина уменьшения величины [п] может быть связана с изменением химической структуры отдельных участков пектиновых макромолекул. Наконец, уменьшение величины [п] с ростом температуры может быть связано с природой использованного растворителя, а именно с ухудшением его качества с ростом температуры, которое имеет место для системы с низкой критической температурой растворения (НКТР). В рамках настоящей статьи сделать окончательное суждение по этим вопросам не представляется возможным и требуется постановка отдельных исследований. Не-

которые предварительные заключения относительно качества растворителя можно сделать путем анализа изменения константы Хаггинса от температуры

Пуд/с=и+к’и2с

Константа Хаггинса (К’) отражает качество растворителя и рассматривается как показатель взаимодействия сегментов макромолекул между собой и с молекулами растворителя. В хороших растворителях величина К’ = 0.2-0.3, а в плохих К’ >0.5.

На рис. 2 показано воздействие температуры на величину К’, где видно, что для всех изучаемых пектинов, кроме трех точек, экспериментальные данные находятся в области К’ >0.5, что говорит о плохом качестве выбранного растворителя и преимущественном взаимодействии сегментов макромолекул между собой, чем между ними и молекулами растворителя.

Рис. 2. Зависимость величины К’ от температуры для ЦП(1), КП(2), ЦПнм[3], ЯП(4).

1/Т.103

2,90 3,00 3,10 3,20 3,30 3,40 3,50

На рис. 3 приводится зависимость Ln[ц] от обратного значения абсолютной температуры (1/Т). Соответствующие корреляционные уравнения, наряду с коэффициентом корреляции ^2) и энергией активации Еа для изученных пектинов, представлены в табл. 2. Из таблицы видно, что величины R2 находятся в пределах 0.88-0.95, что свидетельствует об отклонении отдельных экспериментальных точек от найденных корреляционных уравнений, по-видимому, как следствие изменения первичных структур ПВ под действием температуры. Если этот факт не принимать во внимание, найденные значения энергии активации принимают величины, представленные в табл. 2.

Полученные значения Еа согласуются со значениями Еа, полученными для 75 и 91% DD хито-зана в 0.2 М уксусной кислоте: 1.5 х 107 и 2.5 х 107 Дж/кмол, соответственно [9].

Таблица 2

Корреляционные уравнения зависимости ln[n] от 1/T, величин R2 и Ea, для ПВ

Пектины Корреляционные уравнения R2 Ea 10-/ Дж/

ЦП ln [п] = 0.8347*1/T - 2.826 0.9458 0.69

ЦПнм ln [п] = 0.8094*1/T - 2.933 0.8822 0.67

КП ln [п] = 1.6109*1/T - 6.057 0.9278 1.34

ЯП ln [п] = 1.7310*1/T - 6.381 0.9384 1.44

Таким образом, полученные экспериментальные данные по температурной зависимости характеристической вязкости являются общими для пектинов, полученных из различных источников растительного сырья. Падение величины [п] с ростом температуры связано с дегидратацией остатков сахаров в макромолекуле ПВ и снижением удельного объема полимерного клубка в разбавленном растворе. Оценка константы Хаггинса (К’) показала, что её величина во всех случаях больше 0.5, что свидетельствует о плохом качестве растворителя и о преимущественном взаимодействии сегментов макромолекул между собой, по сравнению с молекулами растворителя, и усилении этого эффекта с ростом температуры.

Поступило 30.04.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Berth G., Anger H.,Linow F. - Nahrung, 1977, bd.21 (10), рр.939-950.

2. Рахматов Б.С.,Авлоев Х.Х., Мухидинов З.К. и др. - ДАН РТ, 2010, т.53, №4, с.

3. Рахматов Б.С., Авлоев Х.Х., Халиков Д.Х. - АН РТ, 2010, т.53, №3, с. 206-210.

4. Халиков Д.Х., Рахматов Б.С., и др.- ДАН РТ, 2010, т.53, №2, с.126-130.

5. Filisetti-cozzi T.M., Carpita N.C. - Anal. Biochem.1991, 197, рр.157-162

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

7. Fishman M.L., Chau H.K. et.al. - Food Chem., 2001, 49, рр. 4494-4501.

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

9. Wang W., Xu D. - Int J. Biol Macromol., 1994, №16, pp.149-152,

4,-Х.Холицов, ^ДАвлоев, З.^-Му^идинов, М.Т.Норова, Б.С.Рахдоатов, Л.С.Hасриддинов

ХGСИЯТ^GИ ГИДРGДИHAMИKИИ MGДДA^GИ ПЕКТИНИ ДAР ^AРGРAТX,GИ ryHGryH

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон

Таъсири харорат ба часпакии характеристикии [п] моддахои пектинии аз афлесун, себ ва са-бадчаи офтобпараст гирифташуда дар хароратхои 20.. ,60°С омухта шуд. Нишон дода шудааст, ки дар хама холатхо кимати [п] бо баландшавии хдрорат паст мешавад. Ин вобаста аст ба он, ки дар махлулхои сероб бо баланд шудани харорат, бокимондахои кандхо моддахои пектинй дегидрататсия шуда хачми хоси лундаи полимер хурд мешавад. Доимии дар макромолекулаи Хаггинс (K’) дар муо-дилаи пхос/С=[п]+К’[п]2С нишон медихад, ки кимати он дар хама холатхо аз 0.5 калон аст ва он аз бад будани сифати халкунанда далолат медихад, бахамтаъсиркунии кисмхои макромолекула бештар аст, нисбат ба молекулаи халкунанда ва ин таъсир бо баланд шудани харорат пурзур мешавад.

Энергияи фаъолшавии тахминии (Еа) протсесси чоришавии махлулхои сероб хисоб карда шудааст, ки он ба нитичахои гирифташудаи барои махлули полисахариди ДД хитозан наздик аст. Калима^ои калиди: моддахои пектини - часпакии характеристики - махлули сероб - массаи молекуляри - кислотаи галактурон.

D.Kh.Khalikov, Kh.Kh. Avloev, Z.K. Muhidinov, M.T. Norova, B.C. Rahmatov A.S. Nasriddinov HYDRODYNAMICAL PROPERTIES OF PECTIN SUBSTANCES AT VARIOUS

TEMPERATURES

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan

The influence of temperature on characteristic viscosity of pectin substances (PS) that received from orange, apples and sunflowers in a range of temperature 20-60°C was studied. Is shown, that in all cases mean of [n] during increasing of Т is reduced, that, apparently, is connected with degradation of sugars residues in macromolecule of PS and reduction of specific volume of polymeric ball in the diluted solution. An estimation of Huggins constant (K') on the equation nsv/C=[n]+K'[n]2C, (n sv [n]-specific characteristic of viscosity, C-concentration) showed, that it size in all cases more than 0.5 testifies to bad quality of the solvent, primary interaction of segments of macromolecule among themselves, in comparison with molecules of the solvent, and strengthening of this effect with temperature increase. Energy of activation of viscous diluted solutions (Ea) that size is close to the similar data received for a solution of polysaccharide DD chito-san is calculated.

Key words: pectin substances - characteristic viscosity - the diluted solution - molecular weight - galactu-ronic acid.