Влияние продолжительности процесса на выход и параметры яблочного пектина при быстрой экстракции

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2010, том 53, №8__________________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 541.127:661.183.123.2

З.К.Мухидинов, Р.М.Горшкова, М.В.Валиев, С.Халикова, А.С.Насриддинов, академик АН Республики Таджикистан Д.Х.Халиков, М.Л.Фишман

ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА НА ВЫХОД И ПАРАМЕТРЫ ЯБЛОЧНОГО ПЕКТИНА ПРИ БЫСТРОЙ ЭКСТРАКЦИИ

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

Восточный региональный центр Госдепартамента США по сельскому хозяйству,

Филадельфия,США

Исследовано влияние продолжительности процесса быстрой экстракции на распад протопектина выжимок яблок. Показано поэтапное превращение высокомолекулярных агрегированных макромолекул в образцы с узким молекулярно-массовым распределением, обогащенных звеньями га-лактуроновой кислоты, что дает дополнительную информацию о строении макромолекулы яблочного протопектина.

Ключевые слова: яблочные выжимки - протопектин - микрогель - пектиновые вещества - олигосахариды - быстрая экстракция.

Традиционно общая схема получения пектина включает кислотный гидролиз растительного сырья, отделение экстракта и осаждение раствора этанолом в трехкратном соотношении. В процессе гидролиза пектина растительный материал, как правило, подвергается длительной обработке (1-5 ч) при низких значениях рН среды 1.2-1.8 и температуре 80...90°С. Данная продолжительность процесса приводит к энергетическим затратам, которые, в свою очередь, резко повышают себестоимость пектина, а длительный контакт макромолекул с кислой средой ухудшает качество целевого продукта. Для решения данных проблем нами, совместно с коллаборатором из США, был разработан метод быстрой экстракции, при котором процесс протекает за короткий промежуток времени в мягких условиях, то есть при рН 2.0[1].

В данной работе приводятся результаты изучения влияния продолжительности процесса быстрой гидролиз-экстракции протопектина (I III) на примере яблочных выжимок на основные характеристики продуктов его распада.

Быструю гидролиз-экстракцию IIII растительного сырья паром проводили при температуре 120°С, давлении 0.152 МПа, рН 2.0, гидромодуле 1 : 20, варьируя продолжительность процесса от трех до десяти мин [2]. Растворы-гидролизаты отделяли от клетчатки (КС), а полученный экстракт разделяли на три фракции, условно названные: микрогель (МГ), пектиновые вещества ЩВ) и олигосахариды (ОС) [3].

Содержание звеньев галактуроновой кислоты (ГК) в пектиновых веществах и степень этери-фикации карбоксильных групп ГК (СЭ) определяли методами, описанными в работах [4,5] соответст-

Адрес для корреспонденции: Мухидинов Зайниддин Камарович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: zainy@mail.ru

венно. Среднемассовая (Mw), среднечисленная (Mn) молекулярная масса (ММ), z-среднее ММ (Mz) и показатель полидисперсности (Mw/Mn) были определены методом эксклюзионной жидкостной хроматографии (ЭЖХ) с помощью программного обеспечения ASTRA 5.3.4.13 (Wyatt Technology) и Breez (Waters) [6]. ЭЖХ колонки калибровали с использованием молекулярных стандартов Пуллула-на (Showa Denko K.K., Japan).

Для исследования в качестве сырья использовали выжимки яблок сорта Графенштейнское красное (ЯВГ) из Муминобадского района Республики Таджикистан. Перед проведением гидролиз-экстракции выжимки трижды промывали проточной водой для удаления низкомолекулярных веществ и сахаров.

Данные табл. 1 показывают, что при увеличении продолжительности процесса быстрой экстракции от трех до десяти мин распад ПП закономерно увеличивался. Также при этом наблюдалось пропорциональное снижение выхода клеточной стенки.

Таблица 1

Значения выходов продуктов распада IIII и физико-химические параметры пектиновых веществ ЯВГ, полученных методом быстрой экстракции (120°С, t=3-10 мин) и разработанным ранее методом

(85°С, t=60 мин).

Время, мин Выход, % Параметры ПВ, %

МГ ПВ ОС распад ПП КС ГК СЭ

3 3.40 21.50 27.60 52.50 47.00 68.20 54.35

5 2.60 23.60 28.00 54.20 45.40 70.00 52.17

7 1.00 26.30 29.10 56.40 43.20 72.00 50.55

10 0.80 26.80 30.60 58.20 41.30 74.00 50.55

60 3.60 14.25 24.65 42.50 57.50 70.00 52.00

В численных выходах фракций протопектина ЯВГ наблюдалась следующая закономерность: выход МГ, в начале процесса практически равный аналогичному значению, полученному при разработанном ранее методе, закономерно снижался с ростом продолжительности процесса экстракции, практически стремясь к нулю (рис. 1). В то же время при минимальной продолжительности процесса экстракции выход пектиновых веществ, полученных методом быстрой гидролиз-экстракции, превышал аналогичный показатель на 7%. Дальнейшее увеличение продолжительности гидролиз-экстракции приводило к возрастанию выхода как ПВ, так и ОС. Оптимальные численные значения выхода данных фракций достигались при 7-10-минутной продолжительности процесса.

Основными показателями, определяющими качество пектина, являются содержание звеньев галактуроновой кислоты, степени ее этерификации и молекулярная масса. Перед определением вышеназванных параметров образцы были очищены от балластных веществ (БВ) - сопутствующих компонентов клеточной стенки (низкомолекулярных фракций, красителей, жировосковых веществ и т.д.), которые экстрагируются в процессе гидролиза-экстракции и осаждаются вместе с пектиновыми веществами.

п р о до л жите Л Ь НО СТЬ,

Рис. 1. Выход МГ (1), ПВ (2) и ОС (3) в зависимости от продолжительности процесса гидролиз-экстракции.

Влияние времени гидролиза на молекулярные параметры ПВ представлены в табл.2. Высокий показатель полидисперсности и высокое значение Mw образцов, полученных при трехминутной экстракции, показывают, что макромолекулы пектиновых веществ сильно агрегированы. С увеличением продолжительности процесса быстрой экстракции молекулярная масса, показатель полидисперсности, а также значение Mz ПВ закономерно снижались, что подтверждает динамику превращения агрегатов в процессе гидролиза.

Таблица 2

Молекулярно-массовые характеристики ПВ ЯВГ

Время гидролиза, мин Т, С° Mw.e-3, Ш Mw/Mn Mz.e-3, Ш АГ, %

3 120 560.0 11.50 7736 31.5

5 120 370.0 8.00 7310 7.5

10 120 190.0 6.70 3806 15.0

60 85 134.0 3.8 1133 23.15

Дифференциальные кривые молекулярно-массового распределения (ММР) ПВ ЯВГ более наглядно демонстрируют процесс трансформации макромолекулы пектина в зависимости от увеличения продолжительности процесса гидролиз-экстракции (рис. 2).

Как видно, в начале процесса пектиновые вещества имели широкое ММР. Но с увеличением продолжительности гидролиза высокомолекулярные агрегаты постепенно превращались в образцы с узким молекулярно-массовым распределением. Дальнейшее увеличение продолжительности процесса до 10 мин приводило к образованию молекул с бимодальным распределением, что свидетельствует о структурной неоднородности пектиновых макромолекул.

Если низкая температура и длительная продолжительность процесса приводили к получению низкомолекулярных пектиновых веществ с узким молекулярно-массовым распределением, то воздействие высокой температуры и давления метода быстрой экстракции даже за короткий промежуток времени оказывали более сильный эффект на распад протопектина ЯВГ.

molar mass

Рис. 2. Дифференциальные кривые молекулярно-массового распределения ПВ ЯВ Г, полученных разработанным ранее методом (1) и методом быстрой экстракции (2 - t= 3 мин, 3 - t=5 мин, 4 - t=10 мин).

Таким образом, полученные результаты продемонстрировали, что метод быстрой гидролиз-экстракции позволяет увеличить выход целевых продуктов и оптимизировать их качество. В процессе быстрой экстракции происходит обогащение пектиновых веществ звеньями галактуроновой кислоты и превращение агрегатов в отдельные макромолекулы. Применение данного метода в производстве пектина уменьшает время и затраты на технологические процессы, снижая себестоимость продукта.

Работа выполнена при финансовой поддержке партнерского проекта Международного научно-технического центра Т-1419.

Поступило 14.06.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горшкова Р.М., Мухидинов З.К. и др. - Известия вузов Российской Федерации, 2010, т. 53, № 6, с. 87-90.

2. Мухидинов З.К., Горшкова Р.М. и др. Патент РТ № 290, 2009.

3. Халиков Д.Х., Мухидинов З.К., Авлоев Х.Х. - ДАН РТ, 1996, т. 39, № 11-12, с. 76-80.

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

5. CP Ке1со Control methods - March 7, 2001, p. 3.

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

ЗД.Мухидинов, Р.М.Горшкова, М.В.Валиев, С.Холицова, А.С.Насриддинов, Ч,.Х.Холицов,

М.Л.Фишман*

ТАЬСИРИ ВАЦТ ДАР ЭКСТРАКСИЯИ ЗУДТАР БА МИЦДОР ВА НИШОНДОД^ОИ ПЕКТИНИ СЕБЙ

Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон, *Маркази шаркци илмй-тадкцкртии Департаменти давлатии ИМА оиди хоцагии кцшлок,

Филаделфия, ИМА

Оиди таьсири давомнокии раванд хднгоми гидролизи зудгузаранда дар чудо намудани протопектини афшурдаи себ тадкикот гузаронида шуд. Зина ба зина табдилебии макромолекулами агрегатсияшуда ба намунах,ои хоси вазнй-молекулавии борик дошта, ки аз х,алках,ои кислотаи галактуронй ганигардонидашуда нишон дода шудааст, ки маьлумоти ило-вагиеро оиди сохти макромолекулами протопектини себ медихдд.

Калима^ои калиди: афшурдаи себ - протопектин - микрогел - маводи пектини - олигосахаридуо -жстраксияи зудтар.

Z.R.Muhidinov, RM.Gorshkova, M.V.Valiev, S.Khalikova, A.S.Nasriddinov, D.Kh.Khalikov,

M.L.Fishman*

INFLUENCE OF PROCESS DURATION ON MAIN CHARACTERISTICS OF APPLE PECTIN AT FLASH EXTRACTION METHOD

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

*Eastern Regional Research Center ARS USDA, USA

Influence of hydrolysis duration on the apple protopectin degradation at the flash extraction method has been studied. Influence of process duration lead to dissolution of high molecular aggregates into smaller molecules with narrow molar mass distribution enriched with galacturonic acid units, which provides useful information for the production of low cost pectin.

Key words: apple pomace - protopectin - microgel - pectin substances - oligosaccharides - flash extraction.