Изучение оптических свойств йод-полисахаридов кукурузного крахмала

УДК 664.2.543.

изучение оптических свойств йод-полисахаридов кукурузного крахмала

В.Г. КОСТЕНКО, кандидат технических наук, зав. лабораторией

Г.И. ПОДЗИГУН, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник

Н.Д. ЛУКИН, доктор технических наук, зам. директора Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация

Резюме. Один из важных показателей качества крахмала - содержание амилозы. Оно зависит от сорта и вида исходного сырья, агрохимических и почвенно-климатических условий его выращивания. Содержание амилозы определяет физико-химические свойства крахмала и возможности его использование в различных отраслях промышленности. Селекционеры ведут работы по созданию сортов картофеля, зерновых и зернобобовых культур с повышенным содержанием амилозы в крахмале. Однако использование устаревшей методики колориметрического определения величины этого показателя не обеспечивает получения результатов на уровне современных высокоточных приборов. В работе проведено определение амилозы спектрофотоме-трическим методом в видимой области спектра. Исследовано влияние разных факторов на оптическую плотность растворов йод-полисахаридныхсоединений включения. Оптимальное время экспозиции растворов, при котором происходит насыщение амилозы йодом, 5 минут. Величина водородного показателя в диапазоне рН 6,0-4,5 не оказывает влияния на оптическую плотность йод-амилозных растворов (желателен рН от 5,0 до 5,5). Влияние концентрации йода в растворе исследовали вдиапазоне 0,004-0,2 мг/см3. Проведён трёхфакторный эксперимент по методике латинских квадратов по определению влияния амилозы, йода и калия йодистого на оптическую плотность растворов йод-амилозных и йод-амилопектиновых соединений включения. Йод оказывает значительное влияние на оптическую плотность йод-амилозных соединений включения. Влияние калия йодистого при соотношении KI: I от3 до 8 практически незначительное, небольшое снижение наблюдается при его соотношении до 15. Ключевые слова: крахмал, спектрофотометрия, полисахарид, амилоза, амилопектин, соединения включения, йод-амилоза, оптическая плотность, длина волны.

Для цитирования: Изучение оптических свойств йод-полисахаридов кукурузного крахмала /В.Г. Костенко, Г.И. Под-зигун, Н.Д. Лукин, В.А. Ковалёнок //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. №12. С. 110-112.

Знание содержания амилозы в крахмале необходимо его производителям и потребителям. Существуют различные методы определения величины этого показателя: спектрофотометрический, хроматографический, с применением дифференциальной сканирующей колориметрии, инфракрасной спектрофотометрии, ферментативный и др. Один из достаточно быстрых и простых методов определение амилозы - спектрофотометрический метод в видимой области спектра, суть которого заключается в том, что крахмал и составляющие его полисахариды образуют с йодом соединения включения. Под действием йода водные растворы крахмала и амилозы окрашиваются в синий цвет, амилопектина - в фиолетовый.

Молекула крахмала состоит из двух полисахаридов - амилозы и амилопектина. Они обладают разными физико-химическими свойствами, что обусловливает необходимость изучения каждого компонента и их смесей в разных соотношениях. При этом каждый вид крахмала и его компоненты находят свое применение в различных отраслях экономики. Содержание амилозы в крахмале зависит от сорта и вида исходного сырья, агрохимических

и почвенно-климатических условий его производства. Величина этого показателя определяет физико-химические свойства крахмала. Технология фракционирования крахмала на амилозу и амилопектин сложная и дорогостоящая. Поэтому селекционеры ведут работы по созданию сортов картофеля, зерновых и зернобобовых культур с повышенным содержанием амилозы в крахмале.

Ранее во ВНИИ крахмалопродуктов была разработана методика определения амилозы с использованием фотоколориметра, оснащенного стеклянными светофильтрами [1,

2, 3]. Однако результаты ее применения не соответствуют уровню современных высокоточных приборов.

В связи с этим цель исследований - изучение факторов, влияющих на свойства йод-полисахаридных (амилозных, амилопектиновых, крахмальных) соединений и уточнение методики определения амилозы спектрофотометрическим методом с использованием современных приборов.

Условия, материалы и методы. При определении содержания амилозы спектрофотометрическим методом используют методы одноволновой [4], двухволновой [1, 2,

3, 5, 6] и трехволновой [7] спектрофотометрии.

Амилоза имеет спиралеобразную конфигурацию как в свободном состоянии, так и в соединениях с йодом. Считается, что синюю окраску вызывает катион йода 1+. По мнению некоторых исследователей, положительный ион йода 1+ находится во всех окрашенных соединениях этого элемента, возможно в разных соотношениях [8]. Синее окрашивание появляется у спиралей с 30-35 глю-козными остатками, в канале которых может поместиться приблизительно 14 атомов йода. Пространственное соответствие компонентов играет роль химической реакционной способности. Две молекулы могут сближаться до такого расстояния (вандерваальсового), на котором их электронные сферы будут только соприкасаться, но не проникать одна в другую. Система валентных связей каждой молекулы при этом остается неизменной.

В исследованиях использовали крахмал кукурузный по ГОСТ 32159-2013. Амилозу получали с использованием бутанола-1 (чда), изоамилового спирта (чда), этанола (чда) согласно [7]. Осаждение амилозы и амилопектина проводили на центрифуге лабораторной пробирочной ОС-6М (5500 об/мин, 15 мин). Оптическую плотность измеряли с использованием сканирующего спектрофотометра СФ-2000 в диапазоне 200-800 нм.

Первоначально приготавливали исходные растворы амилозы, амилопектина и йода концентрацией 1 мг/см3. Для этого взвешивали в стаканчике 100 мг безводной амилозы, приливали 20 см3 0,1-молярного раствора NaOH, помещали в термостат при 70 оС, охлаждали, подкисляли уксусной кислотой (1,5 см3) до рН 5,3, переносили в мерную колбу вместимостью 100 см3 и доводили до метки. Аналогично готовили исследуемые растворы амилопектина. Для приготовления растворов йода взвешивали 100 мг йода и 1250 мг йодистого калия, переносили в мерную колбу вместимостью 100 см3, растворяли в дистиллированной воде и доводили до метки. При этом 1 см3 раствора содержал 1 мг йода и 12,5 мг йодистого калия.

Для приготовления исследуемых растворов амилозы и амилопектина брали 8 мерных колб вместимостью 100 см3. В них помещали соответственно 0,5; 2,0; 3,5; 5,0; 6,5; 8,0 и 9,5 см3 амилозы или амилопектина и разбавляли дистиллированной водой. При этом их процентное содер-

Таблица 1. Зависимость оптической плотности D растворов амилозы и амилопектина (по 0,1 мг/см3) при 580 нм от времени экспозиции и концентрации йода

Йод, мг/

см3

Продолжительность экспозиции, мин

10

15

20

25

Иод-амилозные соединения включения

0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

1,303 1,383 1,466 1,505 1,511

1,296 1,349 1,461 1,499 1,497

1,234 1,2 1,449 1,492 1,454

0,934 0,764 1,445 1,484 1,434

0,871 0,634 1,440 1,479 1,266

0,799 0,609 1,436 1,473 1,151

Йод-амилопектиновые соединения включения

0,2 0,03 0,04 0,05 0,06

0,656 0,660 0,758 0,845 0,916

0,608 0,601 0,692 0,776 0,871

0,589 0,562 0,639 0,751 0,829

0,572 0,552 0,622 0,743 0,803

0,553 0,535 0,611 0,736 0,795

0,544 0,527 0,605 0,733 0,782

Наименование

Амилоза Амилопектин

1,296 0,608

жание в каждой колбе вместимостью 100 см3 составляло 5; 20; 35; 50; 65; 80 и 95 %. В каждую колбу, в зависимости от поставленной задачи, добавляли необходимое количество исходного раствора йода в йодистом калии концентрацией 1 мг/см3 (0,7; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0; 13,0; 16,0; 19,0; 22,0 см3) для образования соединения йод-полисахарид и доводили дистиллированной водой до метки. Таким образом, исследуемые растворы содержали от 0,005 до 0,095 мг/см3 полисахарида (5-95%) и 0,007-0,22 мг/см3 йода.

В спектрофотометрии принято проводить измерения относительно растворов сравнения, содержащих используемые реактивы, или относительно воды. Растворы йода в области спектра 500-800 нм прозрачны, не имеют пиков, как и вода. Значения оптической плотности спектрофотоме-трируемых растворов относительно раствора йода немного меньше, чем воды. В связи с этим, поскольку

растворы йода не стабильны из-за его высокой летучести, измерения проводили относительно воды, как стабильного в оптическом отношении вещества.

Оптическую плотность йод-амилозных растворов измеряли при длинах волн 530, 580, 600, 720 нм. Математическую обработку данных осуществляли с использованием программного обеспечения прибора, по программе Statistika-10, Table Kurve 2D.

результаты и обсуждение. При постоянной известной концентрации вводимого йода окраска йод-полисахаридного комплекса будет зависеть от таких факторов, как продолжительность реакции, водородный показатель, концентрация йода, калия йодистого и полисахарида в растворе, степени полимеризации последнего, ботанического вида сырья, механической, химической или физико-химической модификации полисахарида, присутствия примесей [7, 9].

В литературе имеются сообщения о необходимости выдерживания йод-крахмальных растворов перед спектрофотометрированием в течение 5-30 мин и более для завершении реакции и развития окраски [1, 7, 9, 10]. В наших опытах оптическая плотность йод-полисахаридного раствора изменялась в зависимости от продолжительности экспозиции (от 1 до 25 мин) и содержания йода в растворе (от 0,007 до 0,22 мг/см3). С увеличением продолжительности экспозиции до 25 мин при концентрации йода 0,02-0,03 мг/см3 оптическая плотность растворов снижалась почти в 2 раза, при концентрации йода 0,04-0,06 мг/см3 - в меньшей степени (табл. 1).

При экспозиции 5 мин оптическая плотность йод-амилозных растворов снижалась на 0,4-1,0 %. Исследования показали, что реакция образования соединений включения происходят быстро [9]. Поэтому увеличивать ее продолжительность нет никакой необходимости.

Отношение йода к крахмалу меняется в широких пределах. Считается, что йодистый крахмал представляет собой твердый раствор йод-йодида калия в крахмале с непостоянными соотношениями компонентов. В системе «крахмал - Н20 - К13» крахмал очень энергично адсорбирует 1-3, а I-, К1 и К13 - значительно слабее [8].

На образование йод-полисахаридного комплекса оказывает влияние величина водородного показателя [7, 9]. В наших опытах в интервале рН от 4,5 до 6,0 (наиболее предпочтительно от 5,0 до 5,5) величина оптической плотности для различных растворов полисахаридов концентрацией от 0,005 до 0,1 мг/см3 практически не изменялась.

Один из факторов, определяющих величину оптической плотности растворов йод-полисахаридных соединений, -концентрация йода в растворе. Изучение влияния концентрации йода от 4.10-3 до 2.10-1 мг/см3 с разным шагом от 0,01 до 0,04 мг/см3 в зависимости от поставленной задачи показало, что при очень малом количестве йода в растворе снижается оптическая плотность, как йод-амилозных, так и йод-амилопектиновых комплексов (табл. 2). С одной стороны, уменьшение оптической плотности йод-амилопектиновых комплексов желательно, чтобы ослабить их влияние на оптическую плотность йод-амилозных соединений. С другой, необходимо вносить такое количество йода, которого будет достаточно для полного насыщения полисахарида йодом. Таблица 2. Зависимость оптической плотности растворов амилозы и амилопектина от концентрации йода

Концентрация йода, мг/см3

1,469 0,692

1,498 0,778

1,499 0,871

1,502 0,880

1,506 0,900

1,508 0,930

1,514 0,968

1,535 1,038

При повышении концентрации йода с0,007до 0,04 мг/см3 происходило резкое увеличение оптической плотности растворов, а устойчивое полное насыщение амилозы обеспечивало доведение ее до 0,05 мг/см3. Дальнейшее повышение концентрации йода практически не влияло на оптическую плотность йод-амилозы, тогда как в растворе амилопектина она продолжала увеличиваться.

В литературе отмечают, что в области 600-650 нм светопоглощение раствора йод-амилозы примерно в 10 раз больше, чем у йод-амилопектинового раствора той же концентрации [2]. По нашим данным, оптическая плотность йод-амилопектиновых растворов только на 50-30% меньше, чем у йод-амилозных, в зависимости от введённого количества йода, и ослабить действие йод-амилопектинового комплекса не удаётся.

При измерении оптической плотности растворов йод-амилозы при длине волны 580-600 нм коэффициент корреляции экспериментальных и расчетных величин был низким.

В области 720-800 нм нисходящие ветви спектральных кривых имели зависимость, близкую к линейной. Обработка результатов измерения с использованием программы Statistica-10 показала их хорошую точность и сходимость (табл. 3).

Таким образом, зависимость оптической плотности при D720 от содержания амилозы, йода и калия йодистого в исследуемом растворе при коэффициенте корреляции R=0,987 можно представить в виде следующего уравнения: D720 = 0,038 - 0,000249  К2 - 0,6683  I + 8,502  Ат + + (2,07453  К  Ат

Таблица 3. Значения коэффициентов регрессии и их уровень значимости p (при D720), Я =0,987

Наименование Коэффициент регрессии Уровень значимости

Свободный член 0,038068 0,117536

уравнения

KJd (Q)* -0,000249 0,181476

Jd(L) -0,668323 0,161695

Am (L) 8,501724 0,000000

KJd*Am (L) 0,074525 0,114380

*KJd - калий йодистый; Jd - йод; Ат - амилоза; Q - квадратичная зависимость; L - линейная зависимость.

Из уравнения следует, что основное влияние на оптическую плотность раствора оказывает концентрация амилозы.

Следующий по значимости компонент - йод. Зависимость оптической плотности от концентрации йода в растворе линейная. Она зависит от мольного соотношения калия йодистого к йоду (см. рисунок). При величине этого показателя равной 4 по мере повышения концентрации йода с 0,04 до 0,1 мг/см3 оптическая плотность йодных растворов амилозы снижается (см. рисунок, кривая 1); при соотношении 15 - возрастает (см. рисунок, кривая 3); при соотношении 9 - не изменяется (см. рисунок, кривая 2). Следует отметить, что установленные изменения незначительны - в третьем, четвёртом десятичном знаке.

Калий йодистый, вопреки данным [9], в наших экспериментах оказывал небольшое влияние на величину оптической плотности. При содержании йода 0,04 мг/см3 и 0,07 мг/см3 оптическая плотность йодных растворов амилозы плавно возрастала до молярного соотношения равного 9, а затем плавно снижалась. При содержании

йода 0,1 мг/см3 оптическая плотность растворов возрастала по мере увеличения молярных соотношений йодистого калия. При этом численные значения изменялись также в третьем десятичном знаке после запятой.

Рисунок. Зависимость оптической плотности растворов йод-амилозы при длине волны 720 нм от концентрации йода при содержании амилозы 20 % и различном мольном соотношения йодида калия к йоду: 1 - 4; 2 - 9; 3 - 15.

Выводы. Йод-полисахаридные растворы достаточно выдерживать перед спектрофотометрией не более 5 минут.

Зависимость оптической плотности от концентрации йода в растворе линейная. Максимальная величина этого показателя у йод-амилозных растворов достигается при концентрации йода 0,07 мг/см3.

Калий йодистый оказывает незначительное влияние на величину оптической плотности растворов йод-амилозы при нелинейной зависимости. Наиболее приемлемо использование соотношения йодистого калия к йоду равное 9.

Литература.

1. Деулин В.И. Новый принцип колориметрического определения амилозы// Сахарная промышленность. 1974. №12. С. 50-54.

2. Способ определения содержания амилозы в полисахариде / В.И.Деулин // А.с. СССР № 425105. Заявл. 17.03.1972, опубл. 10.9.1974. Бюлл. №15.

3. Способ определения содержания амилозы в полисахариде / В.И.Деулин // А.с. СССР № 455277. Заявл. 26.06.1972, опубл. 30.12.1974. Бюлл. №48

4. McCready R., Hassid W. The separation and quantitative estimation of amylase and amylopectin in potato starch //J.Am. Chem. Soc. 1963. 65. 1154-1157.

5. Murdoch K.A. The amilose-iodine complex//Carbohydr.Res. 1992. 233. 161-174.

6. Hovenkampf Hermelink J., Vries J., Adams R. Rapid estimation of amilose/amilopectin ratio insmallamounts of tuber and leaf of the potato // Potato Res. 1988. 37. 241-246.

7. Jin Peng Wang, Yin Li, Yao Qi Tian, Xue MingXu, XueXia Ji, Xu Cao, ZhengYu Jin. A novel triple-wavelength colorimetric method for measureing amylase and amylopectin contents// Starke. 2010. №10. Р. 508-516.

8. Мохнач В.О. Соединения включения йода с высокополимерами, их антимикробные и лечебные свойства. М.-Л.: Издательство Академии наук СССР, 1962. 178 с.

9. Рихтер М., Августат З., Ширбаум Ф. Избранные методы исследования крахмала. М.: Пищевая промышленность, 1975. 183 с.

10. Крамер Ф. Соединения включения. М.: Иностранная литература, 1958. 169 с.

11. International standard ISO 6647-1, Rice-Determination of amylose content- Part- 1: Reference method.

INVESTIGATION OF OPTICAL PROPERTIES OF YODOPOLYSACCHARIDE OF CORN STARCH

V.G. Kostenko, G.I. Podzigun, N.D. Lukin

All-Russian Research Institute of Starch Products, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation

Summary. The content of amylose is one of the main characteristics of starch quality. It depends on a variety and type of the row material, agrochemical and soil and climatic conditions of its growing. Amylose content defines physical and chemical properties of starch and possibilities of its use in various industries. Breeders work on the development of varieties of potato, grain and legume crops with the increased amylose content in starch. However, the use of the outdated technique of colorimetric determination of the value of this indicator does not correspond to the results received by the modern high-precision devices. The determination of amylose content is carried out by a spectrum-photometric method in the visible spectrum. The influence of different factors on an optical density of iodopolysaccharide compound solutions is investigated. The optimum exposure time for solutions, at which there is a saturation of amylose with iodine, is five minutes. The value of hydrogen ion concentration within the pH range of 6.0-4.5 does not influence the optical density of iodoamylose solutions (pH from 5.0 to 5.5 is desirable). The influence of iodine concentration in solution was investigated within the range of 0.004-0.2 mg/cm3. Iodine greatly affects the optical density of iodoamylose compounds of inclusions. The influence of potassium iodide at KI : I ratio from 3 to 8 is insignificant; the slight decrease is observed at its ratio up to 15. It was carried out a three-factorial experiment by the technique of Latin squares to determine the influence of amylose, iodine, potassium iodide on the optical density of solutions of iodoamylose and iodine-amylopectin compounds of inclusions. Keywords: starch, spectrum-photometry, polysaccharide, amylose, amylopectin, compounds of inclusions, iodoamylose, optical density, wavelength.

Author Details: V.G. Kostenko, Cand. Sc. (Tech.), head of laboratory (e-mail: vniik@arrisp.ru); G.I. Podzigun, Cand. Sc. (Chem.), leading research fellow; N.D. Lukin, D. Sc. (Tech.), deputy director.

For citation: Kostenko V.G., Podzigun G.I., Lukin N.D. Investigation of Optical Properties of Yodopolysaccharide of Corn Starch. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2016. V.30. No. 12. Pp. 110-112 (in Russ.).