Инфракрасные спектры свекловичного пектина

УДК 635.11:664.292 ББК 42.22:36.84 Х-25

Хатко З.Н., МГТУ, г. Майкоп ИНФРАКРАСНЫЕ СПЕКТРЫ СВЕКЛОВИЧНОГО ПЕКТИНА

В статье представлены результаты исследования ИК-спектров пленок свекловичного пектина, полученного в результате кислотного гидролиза свекловичного жома. Установлено, что на интенсивность поглощения полос характеристических групп, в частности, карбонилов карбоксильных групп, существенно влияют технологические условия получения пектина. По ИК-спектрам можно судить о структурных изменениях молекулы пектина и о характере влияния балластных веществ на физико-химические свойства пектина.

ИК-спектры пектиновых веществ несут в себе информацию об их составе и строении, чистоте препаратов, абсолютном и относительном количестве функциональных групп и др. Выделенные в мягких условиях из растений пектиновые вещества обычно хорошо растворимы в воде и образуют довольно прочные пленки. Возможность получения некоторых производных ПВ в виде пленок позволяет исследовать их ИК-спектры, не нарушая структуру макромолекулы и без искажения интенсивностей полос.

Объективным критерием биохимической классификации пектиновых веществ следует считать природу их связи в растительной клетке. Относительно природы связей пектиновых веществ в растениях высказаны гипотезы, основанные на реакционной способности функциональных групп пектинов. Это, прежде всего, водородные связи, образуемые гидроксильными и карбоксильными группами. Более прочные карбоксил-карбоксильные взаимодействия с образованием мостиков из поливалентных катионов (обычно Са2+ и Мg2+). И, наконец, эфирные связи с клетчаткой с участием гидроксильных и карбоксильных групп. Имеются данные и о связи пектиновых в клеточной стенке с белками. Для выделения пектиновых веществ из растительной массы необходимо разрушить эти связи. Но если условия выделения будут жесткими, то произойдет разрушение и самой молекулы пектина [1].

Из растений можно выделить три группы пектиновых веществ, отличающихся друг от друга природой связи в растительной клетке:

- ВПВ - пектиновые вещества, связанные механически и посредством водородных связей;

- КПВ - карбоксил-связанные пектиновые вещества, удерживающиеся в клетке благодаря карбоксил-карбоксильным взаимодействиям посредством образования димерных групп и кальциевых мостиков;

- ППВ - протопектин. Природа связей этой части пектиновых веществ достоверно не установлена. Экспериментальные данные не противоречат гипотезе о сложноэфирной связи между ППВ и другими полимерами клетки.

Карбоновые кислоты обычно существуют в виде димеров с очень прочными водородными мостиками между карбонильной и гидроксильной группами двух молекул. Карбонильные полосы поглощения карбоновых кислот (КК) лежат почти в той же спектральной области, что и у кетонов и альдегидов, однако кислоты могут быть идентифицированы путем изучения других областей спектра. Поскольку водородная связь в этих кислотах является чрезвычайно сильной, то и частоты валентных колебаний ОН настолько отличаются от нормальных значений, что становятся характеристическими, поэтому изучение соответствующей спектральной области позволяет установить присутствие карбоновых кислот [2].

Имеются также другие области спектра, при исследовании которых можно получить некоторые данные, хотя и менее надежные чем те, о которых упоминалось раньше. Такими областями являются области вблизи 1400, 1250 и 920 см-1. Происхождение полос здесь неясно. Первые две полосы относятся различными авторами к валентным колебаниям ординарной

связи С-О-. Третья полоса возникает, по-видимому, в результате деформационных колебаний ОН. Данные об этих спектральных областях можно успешно использовать для идентификации КК, особенно если при этом сравнивать полученную интенсивность карбонильного поглощения с его интенсивностью у известных кислот. Кроме того, при изучении частоты С=О можно иногда получить некоторые данные о непосредственном окружении группы СООН.

Присутствие КК легко установить в результате исследования соли или водного раствора кислоты, в котором происходит диссоциация кислот, которая приводит к тому, что оба атома кислорода, связанные с углеродом, становятся равноценными, причем исчезает полоса карбонильного поглощения и появляются две новые полосы вблизи 1550 и 1400 см-1, эти полосы возникают в результате симметричных и антисимметричных колебаний группы СОО. При добавлении минеральных кислот к водным растворам, содержащим диссоциированную карбоновую кислоту, степень диссоциации последней уменьшается и снова появляется полоса карбонового поглощения.

Таким образом, идентификация КК на основании изучения ИК-спектров обычно достаточно надежна, а иногда можно получить дополнителные данные, касающиеся окружения карбоксильной группы (таблица 1).

Таблица 1 - Спектральные области карбоновых кислот [3]

Наименование Частота, см-1

Валентные колебания свободной группы ОН карбоксила 3560-3500

Валентные колебания связанной группы ОН карбоксила 2700-2500

Колебания С = О: насыщенные алифатические кислоты а - галогензамещенные алифатические кислоты а,Р - ненасыщенные кислоты ароматические кислоты кислоты, имеющие внутреннюю водородную связь 1725-1700

Валентные колебания С-О или деформационные колебания ОН 1440-1395

Деформационные

//° - С о 1610-1550

Прогрессия полос твердых жирных кислот 1350-1180

Примечание. Все приводимые данные относятся к образцам, исследованным в твердом и жидком состоянии.

Частоты валентных колебаний ОН карбоксильной группы кислот были изучены довольно подробно в связи с наблюдавшимися для них аномалиями, состоящими в том, что кислоты в твердом состоянии не обнаруживают полос поглощения ни свободной, ни связанной группы ОН. Некоторые жирные кислоты были использованы в виде паров при различных температурах и в виде растворов в растворителях. Показано, что если полоса валентных колебаний ОН мономеров расположены вблизи 3550 см1, то для димеров имеется широкая область поглощения со многими под максимумами между 3000 и 2500 см-1. Аналогичные изменения происходят и в области поглощения карбонила. Димеры являются довольно прочными, и даже в относительно разбавленном растворе в четыреххлористом углероде и в виде паров при низких температурах кислоты имеют полосы, соответствующие как мономерам, так и димерам.

Исследования очень большого ряда кислот показали, что поглощение, связанное с колебаниями ОН, проявляются в виде широкой полосы с рядом более мелких пиков в интервале 3000.. .2500 см-1. В большинстве случаев главный пик наблюдается около 3000 см-1, а главная побочная полоса - около 2650 см-1. Хотя обычно эти полосы перекрываются в какой-то степени с полосами ОН, те не менее, общая картина весьма характерна. Димеризацией хорошо

можно объяснить сильное смещение частоты ОН, но только ею нельзя объяснить появление сателлитов и большой ширины поглощения. Высказывалось предположение, что фундаментальной частоте валентных колебаний ОН сопутствует ряд дополнительных частот, обусловленных взаимосвязью этих колебаний с более низкочастотными колебаниями димеров, которые сопровождаются растяжением по водородной связи. Согласно другой точки зрения: широкая полоса рассматривается как результат наложения ряда отдельных пиков, обусловленных водородными связями различной силы. Третьи утверждают, что все наблюдаемые в этой области частот пики можно удовлетворительно объяснить, если принять, что они представляют собой составные полосы низкочастотных колебаний, включая колебания группы СООН, и что интенсивность повышается за счет резонанса Ферми с основными колебаниями ОН.

Молекула пектина содержит звенья галактуроновой кислоты в неионизированной форме в виде метилового эфира. Все гидроксильные и карбоксильные группы образуют единую систему водородных связей. Наиболее прочную связь образуют ионизированные кислые группы. Неионизированные карбоксилы взаимодействуют между собой по типу димеров карбоновых кислот. В образцах пектина подавляющая масса метильных групп - сложноэфирные.

При исследовании ИК-спектров в области 400-4000 см-1 пленок пектинов различной степени очистки обнаружено, что полосы в области 1000-1200 см-1 не зависят от способа получения пектиновых веществ и могут служить для их идентификации. При этом, наличие пиранозного цикла подтверждается частотами полос поглощения в ИК-спектре при 1025 и 1080 см-1 (кольцевые колебания пираноз и колебания С-О. Полоса 1435 см-1 связана с -ОСН3 группами. Полоса 1740 см-1 отнесена к свободным и этерифицированным карбоксилам.

В спектрах всех производных пектиновых веществ полоса средней силы при 960±15 см1 меняет свое положение в зависимости от состояния карбоксильной группы и не изменяется при деградации образцов. Интенсивная широкая ассимитричная полоса в районе 3460 см-1 и плечом 3300 см-1 гидроксильных групп пектиновых веществ, которые по сравнению с гидроксильными группами воды смещены в низкочастотную область. Это объясняется участием гидроксилов в системе Н-связей.

Свойства пектиновых веществ существенно зависят от содержания уронидной части и ее состояния [4]. Карбоксильные группы пектиновых веществ могут быть свободными, прометилированными или связанными с ионами металлов. От степени этерификации карбоксильных групп и замещения их атома водорода на металл в значительной мере зависит растворимость пектиновых веществ в воде. Способность к связыванию ионов металлов при прочих равных условиях определяется количеством свободных карбоксильных групп.

Цель работы заключалась в исследовании влияния условий выделения пектина из пектинового экстракта, а также степени очистки пектина от балластных веществ на содержание свободных карбоксильных групп в пектине. Нами проведено ИК-спектроскопическое исследование пленок свекловичного пектина, полученного в результате кислотного гидролиза сухого свекловичного жома, осажденного из пектинового экстракта при значениях рН 0,7.. .9,1; обработанного ионообменными смолами при соотношении ионитов 0,6.. .2,8; с последующей спиртовой очисткой сухого пектина [5]. Полученные пленки прописывались на спектрофотометре SPECORD. В ИК-спектрах свекловичного пектина нами исследовалась полоса поглощения свободных карбоксильных групп. Изменение количества свободных СООН-групп в пектиновых веществах в сравнении с количеством СООН-групп, связанных с металл-ионами (такими как кальций), можно определить, так как полосы поглощения свободных карбоксилов проявляются в области 1700-1800см-1, а ионизированных групп при 1650 см-1 [6]. Коэффициент удельного содержания карбонилов карбоксильных групп в молекуле пектина рассчитывался как отношение поглощения при длине 1745 см-1 (колебания карбонилов карбоксильных групп) к поглощению при длине 2940.2960 см-1 (колебания СН2 -групп).

Полученные в результате эксперимента ИК-спектры пленок свекловичного пектина представлены на рисунке 1.

7.

1№ всю ал* а*# чк-1

V

д -*

V

9 ^.

м А

є (\ и ^—"4*- .

V и***-

] ] , шс г«о гкг

Рис. 1. ИК-спектры пленок свекловичного пектина.

1-4: пектин осажден из пектинового экстракта при различных значениях рН ((1) 0,7; (2) 1,0; (3) 1,4; (4) 2,0; (5) 2,8; (6) 3,3; (7) 3,9; (8) 4,4; (9) 5,0; (10) 6,0; (11) 7,0; (12) 8,3; (13) 9,1). 5-7: пектин осажден из пектинового экстракта при различных значениях рН и очищен в сухом виде этиловым спиртом ((1) 0,7; (2) 5,0; (6) 3,3; (7) 4,4; (8) 1,4; (9) 3,9). 8: пектин осажден из пектинового экстракта, обработанного катонитом (1) с последующей спиртовой очисткой в сухом виде; (2) без спиртовой очистки.

9-11: пектин осажден после кипячения (1) 0,17 ч; (2) 0,33 ч.; (3) 0,5 ч.

Из рисунка 1 видно, что при исследовании ИК-спектров пектиновых веществ полосы в области 1000... 1200см-1 не зависят от способа получения. Наличие пиранозного цикла подтверждается частотами полос поглощения в ИК-спектре при 1025 и 1080см-1 . Сопоставление ИК-спектров (1-4) показывает, что в зависимости от рН пектинового экстракта изменяется интенсивность поглощения исследуемых образцов пектина. Особенно отчетливо эта зависимость проявляется в области 1740 см-1. При осаждении пектина из пектинового экстракта вместе с ним соосаждаются балластные вещества, загрязняющие целевой продукт и существенно снижающие его физико-химические свойства. Их общее количество и химический состав зависят от вида и способа подготовки пектиносодержащего сырья, условий извлечения и осаждения пектина, а также очистки на разных этапах технологической схемы.

Анализ ИК-спектров (5-7) показал, что при спиртовой очистке порошка пектина увеличивается интенсивность всех полос поглощения. Это связано с тем, что содержащиеся в пектине балластные вещества связаны с ним не только химической связью, но и механически перемешаны. Они делают свободные карбоксильные группы стерически недоступными для образования комплексов с тяжелыми металлами. Спиртовая очистка пектина способствует удалению спирторастворимой части балластных веществ. Ионообменная обработка пектинового экстракта (8) повышает интенсивность полосы 1740 см-1 .

Исследование интенсивности поглощения полос позволило рассчитать коэффициент удельного содержания карбонилов карбоксильных веществ в молекуле пектина в зависимости от различных технологических условий (таблица 2, 3). Как видно из таблиц, коэффициент удельного содержания карбонилов карбоксильных веществ изменяется от 0,6 до 1,7 в зависимости от рН осаждения и от 1,2 до 1,6 в зависимости от степени обработки ионообменными смолами.

Таблица 2 - Влияние рН пектинового экстракта при осаждении пектина на коэффициент (К) удельного содержания карбонилов карбоксильных веществ

Показания рН пектинового экстракта п ри осаждении пектина

0,7 1,0 1,4 2,0 2,8 3,3 4,0 4,4 5,0 6,0 7,1 8,3 9,1

К 1,6 1,2 1,5 1,2 1,1 1,2 1,7 1,5 1,7 1,7 0,6 1,1 1,1

Таблица 3 - Влияние ионообменной обработки пектинового экстракта на коэффициент (К) удельного содержания карбонилов карбоксильных веществ

Показания Уд. расход катионита Коэффициент соотношения анионита к катиониту

0,031 0,047 0,063 0,63 0,83 1,0 1,25 1,33 1,38 1,83 2,0 2,75

К 1,5 1,2 1,2 1,5 1,2 1,6 1,2 1,2 1,2 1,3 1,2 1,3

Изменения носят колебательный характер и согласуются с ранее полученными данными по комплексообразующей и студнеобразующей способности пектина в иссле-

дуемых точках [7]. Комплексообразующая способность пектина максимальна при коэффициенте соотношения удельных расходов ионитов 1,38 и по СООН-группам происходит выравнивание линий на этом участке 1,38.2,75. Установлено, что при обработке пектинового экстракта ионообменными смолами при соотношении удельных расходов ионитов 1,0...2,5 удельное содержание карбоксильных карбоксильных групп в молекуле пектина не изменяется. Спиртовая очистка сухого пектина способствует увеличению удельного содержания карбонилов карбоксильных групп в молекуле пектина.

Характер изменения удельного содержания карбонилов карбоксильных групп в молекулах неочищенного и очищенного пектина объясняет изменение комплексообразующей способности пектинов: чем больше содержание карбонилов карбоксильных групп в молекуле пектина, тем больше комплексообразующая способность пектина. Полученные данные свидетельствуют о нелинейности этой зависимости.

Анализ ИК-спектров (9-11) пектина, полученного в результате нейтрализации пектинового экстракта 25 %-ным раствором аммиака от рН 0,75 до 3,60 и кипячения в течение 0,5 ч, показывает, что происходит значительное уменьшение интенсивности всех полос поглощения, что связано с изменением химического состава и увеличением содержания балластных веществ в пектине. Вместе с тем, пектиновые вещества в пектиновом экстракте показали термостабильность, содержание карбонилов карбоксильных групп и комплексообразующая способность пектина снижаются незначительно.

Таким образом, по результатам ИК-спектров можно судить о структурных изменениях молекулы пектина в зависимости от различных технологических условий и о характере влияния балластных веществ на физико-химические свойства пектина.

Литература

1. Филиппов М.П. Инфракрасные спектры пектиновых веществ. - Кишинев: Штиинца. - 1978. - 76с.

2. Филиппов М.П. Природа связи в растительной ткани, строение и инфракрасные спектры как основа классификации пектиновых веществ. Автореф. дис. доктора. хим. наук. - Одесса.- 1990. - 36 с.

3. Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. Перевод с англ. В.М. Акимова, Ю.А. Пентина, Э.Г. Тетерина. Под редакцией к.х.н. Ю.А. Пентина. Изд-во иностр. лит-ры. М.:1963, 590 с.

4. Донченко Л.В. Технология пектина и пектинопродуктов / Учеб. Пособ. М.: ДеЛи, 2000. - 255с.

5. Пектин. Методы контроля в пектиновом прозводстве / Карпович Н.С., Донченко Л.В., Нелина В.В. и др.: Урожай, 1989. -88с.

6. Филиппов М.П. ИК-спектроскопическое определение карбоксильных групп в пектиновых веществах // Журнал аналитической химии. - 1973.Т.28. - Вып.5. - С. 1030-1031.

7. Хатко З.Н. Влияние рН процесса осаждения свекловичного пектина на показатели его качества/ЗН. Хатко, Л.В. Донченко//Известия вузов. Пищевая технология.- 1999.- С.22-23.