Влияние моносахаридного состава на растворимость фракций пектиновых веществ

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2G10, том 53, №5___________________________________

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

УДК 547.458.88

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

ВЛИЯНИЕ МОНОСАХАРИДНОГО СОСТАВА НА РАСТВОРИМОСТЬ ФРАКЦИЙ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

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

Проведено фракционирование пектиновых веществ (ПВ), полученных из корзинок подсолнечника (КП), выжимок яблок (ЯП) и кожуры апельсина (ЦП) в водно-спиртовой среде при изменении объемного содержания этанола до 20%. Показано, что по мере увеличенния содержания воды в составе растворителя выделяются фракции с высоким содержанием звеньев галактуроновой кислоты (ГК) и степенью этерификации (СЭ) на фоне возрастающей массовой доли соответствующих образцов. На основании полученных данных сделан вывод о возможности получения высококачественных пектинов путем включения фракционирования на стадии очистки раствора гидролизата.

Ключевые слова: пектиновые вещества - галактуроновая кислота - этерификация галактуроновой кислоты - набухание пектиновых веществ - разбавленные растворы - фракционирование.

Изучение химической и молекулярной неоднородности ПВ, полученных из различных источников растительного сырья, путем разделения их на более узкие фракции, распределения моносаха-ридного состава и молекулярной массы соответствующих полимеров, может дать ценную информацию о структуре протопектина и способах связывания полимерных цепей [1-4]. Результаты этих исследований могут быть использованы при разработке новых способов получения ПВ, приводящих к формированию привитых и линейных полимерных цепей с заданным моносахаридным составом и однородной молекулярной структурой. Эти исследования позволяют адаптировать технологию получения ПВ для их использования в различных отраслях производства, в частности в пищевой и фармацевтической промышленности.

В предыдущей работе [5] нами был изучен моносахаридный состав фракций ПВ, выделенных путем дробного растворения в системе «вода-этанол» во всей области их объемного соотношения. Было отмечено, что основное изменение структурных и молекулярных параметров изученных объектов происходит в области изменения объемного соотношения этанола от нуля до 20%. В связи с этим целью настоящего исследования явилось фракционирование ПВ при изменении соотношения растворителей, изучение химических и молекулярных параметров полученных фракций ПВ.

Объектами исследования были: яблочный пектин (ЯП) (выделенный из красных яблок, Му-минабад, Таджикистан, урожай 2007 г.), апельсиновый пектин (ЦП) (из смеси альбедо и кожуры, Турция, урожай 2006 г.) и пектин корзинок подсолнечника (КП) (из корзинок подсолнечника, урожай 2006 г.). Пектины характеризировались по содержанию звеньев галактуроновой кислоты, степени этерификации, а также по остатку нейтральных сахаров [4].

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

Высушенные образцы ПВ зовали для их фракционирования. Для этого из образцов массой 5-7 г тельно экстрагировали фракции ПВ сью «вода-этанол» с различным соот-шением. Растворы концентрировали до необходимого объема, соответствующие фракции выделяли путем осаждения кратным объемом этанола, высушивали и определяли для каждой фракции выход, структурные и молекулярные параметры.

На рис. 1 приводятся значения растворимости фракций ПВ, выделенных при последовательной дробной экстракции смесью «вода-этанол» при содержании последнего до 20%. Как видно, в этом случае растворимость выделенных фракций при увеличении содержания этанола (до 20%) в системе уменьшалась прямолинейно.

Изменение растворимости ПВ в системе «вода-этанол» может быть обусловлено несколькими причинами. Прежде всего предполагается, что при фракционировании с увеличением содержания этанола в системе растворителей происходит растворение фракций ПВ, имеющих более низкую молекулярную массу. Полученные ранее результаты [3] подтверждают правомочность такого предположения. Другим важнейшим параметром, влияющим на растворимость ПВ в системе «вода-этанол», является содержание остатков ГК во фракциях ПВ и степень этерификации звеньев ГК, а также содержание остатков нейтральных сахаров [5]. Влияние последних параметров, по-видимому, проявляется в результате изменения гидрофобно-гидрофильного баланса. Наконец, очень важным параметром, влияющим на растворимость фракций ПВ, является структура (сетчатая, привитая или линейная) полимерной цепочки, обуславливающая формы макромолекул в растворе и взаимодействие сегментов макромолекул между собой и молекулами растворителей. Комплексное проявление всех этих факторов можно объединить под названием «композиционная неоднородность», что обуславливает растворимость фракций ПВ в выбранной системе растворителей.

На рис. 2 приводится содержание остатков ГК во фракциях ПВ, полученных в указанной области изменения соотношения растворителей. Рассматривая результаты, представленные в работе [5] и данные рис. 1 и 2, можно заключить, что во фракциях ПВ, выделенных при возрастающей доле этанола в растворителе, содержание звеньев ГК уменьшалось, причем наиболее резкое снижение общего содержания звеньев ГК происходило при изменении содержания этанола в растворителе до 50%. При увеличении содержания спирта в растворителе более 50% содержание звеньев ГК снижа-

Рис. 1. Выход фракции ПВ, полученной из различных источников растительного сырья, при фракционировании дробным растворением в системе «вода-этанол» при изменении содержания этанола до 20%.

________________________2010, том 53, №5

лось до величины более чем 20%, и тически последние фракции, составляющие основную массу балластных веществ (БВ), нельзя назвать ПВ.

На рис. 2 также, видно, что уменьшение количества остатков ГК во фракциях проявлялось более четко и выявлялось влияние природы исходного растительного сырья. Действительно, среди выбранных объектов исследований во всех фракциях наибольшее количество звеньев ГК имелось у ЯП и наименьшее - в пектине КП. Так, например, при увеличении содержания спирта в системе до 15% содержание звеньев ГК изменялось в ЯП от 65 до 55%, в ЦП -от 60 до 45% и в пектине КП - от 63 до 40%, причем для первых двух пектинов значение данного параметра во всей области изменения соотношения растворителей снижалось до 50% и 40%, соответственно.

На рис. 3 приводится изменение степени этерификации (СЭ) ГК во фракции ПВ. Видно, что с возрастанием содержания спирта в системе в первую очередь выделялись ПВ с меньшими значениями этерифицированных остатков ГК. Исходя из этого, можно предполагать, что при фракционировании ПВ в выбранной системе происходило не только разделение по молекулярной массе, но и по структуре.

Как видно из рис. 1-3, при последовательном снижении доли этанола в системе растворителей в конце фракционирования можно получить ПВ с очень высоким содержанием остатков ГК и степенью этерификации, т.е. высококачественные ПВ.

Рис. 2. Содержание звеньев ГК во фракциях различных ПВ, полученных при дробном растворении в системе «вода-этанол» при изменении содержания этанола до 20%.

Рис. 3. Степень этерификации звеньев ГК во фракциях различных ПВ, полученных при дробном растворении в системе «вода-этанол» в области изменения содержания этанола до 20%.

Как уже отмечалось выше, изменение моносахаридного состава выделяемых фракций, как правило, влияет на их гидрофобно-гидрофильный баланс при растворении в воде или водноспиртовой среде. Для выявления этого фактора была изучена набухаемость выделенных фракций в воде. Как известно, первой стадией растворения любого полимера, в том числе ПВ как представителя природного полимера, является набухание. Важно, что смешивание ПВ с водой осуществляется медленно и его промежуточные стадии легко фиксируются. В данном случае набухание ПВ в воде осуществлялось до достижения равновесного значения. Образцы ПВ с исходной массой т0 набухали в воде до достижения равновесного значения и, удалив межфазную воду путем центрифугирования в специальных пробирках, снабженных стеклянными сетками, фиксировали массу (т) набухшего ПВ. Степень набухания ^) ПВ определяли по формуле: S = (т-шо)/шо.

На рис. 4 приводятся результаты фракционирования ПВ, выделенных при различном содержании этанола. Как видно, для фракций ПВ, выделенных при высоком содержании этанола в системе, величина 8 имела наименьшее значение. Для фракций ПВ, выделенных с возрастающим содержанием воды в системе, набухаемость росла, и её величина принимала максимальное значение при контакте с чистой водой, а величина S в этом случае была почти на порядок выше первоначальной величины. Причина такого резкого изменения степени набухания от состава растворителей, скорее всего, связана с изменением моносахаридного состава выделенных фракций и возрастанием гидрофобности образцов, как следствие снижения остатков ГК и её СЭ. Так, например, для фракции ПВ, выделенной при 20 % содержании этанола, как содержание ГК, так и степень их этерификации для всех видов ПВ

имели минимальное значение, что связано с наличием в их составе остатков нейтральных сахаров, усиливающих гидро-фобность этой фракции. Для фракций, выделенных при большем содержании воды, в результате возрастания остатков ГК и степени их этерификации постепенно увеличивалось гидрофильность, величина которой достигала максимального значения для фракции, выделенной в 100 % объёма воды.

У(Н20), %об.

60 50 40 30 20 10 0

У(С2И5ОН), %об.

Рис. 4. Степень набухания фракций ПВ, выделенных при различном соотношении «вода-этанол»,

Таблица

Зависимость S от У^С^^ОН) и величина ^2) для различных ПВ

ПВ Уравнение R2

ЯП S = 0.0ШV((H2O))2 - 0.9719V(H2O) + 27.302 0.9943

КП S= 0.015V((H2O))2 - 1.5555V(H2O) + 46.466 0.9914

ЦП S = 0.0119V((H2O))2 - 1.1283V(H2O) + 30.640 0.9706

Зависимость степени набухания фракций от объемной доли воды в теме растворителей достаточно хорошо описывается корреляционным

нием второй степени при величине эффициента корреляции ^2), близкой к единице (табл.). Из табл. видно, что для фракций различных пектинов, ных при 100 % - ом содержании воды, четко проявлялось влияние природы различных пектинов. Наибольшая пень набухания ^ = 46,5 г/г) достигалась для пектина КП, а для ЦП и ЯП эта величина принимала значение 30.6 и 27.3 г/г, соответственно. Снижение чений данного параметра для двух следних пектинов, по сравнению с тином КП, по-видимому, связано с наличием в их макромолекулах боковых ответвлений, в состав которых в ном входят остатки нейтральных сахаров [1], что в определенной степени может снижать гидрофиль-ность этих пектинов в воде и, как следствие этого, понижение степени набухания.

Таким образом, полученные экспериментальные данные могут быть основой при разработке новой технологии получения ПВ путем включения дополнительной стадии при очистке раствора гидролизата. Для более полного понимания сути данной разработки представим результаты взаимосвязи выходов фракции с содержанием в них остатков ГК и степени их метоксилирования. На рис. 5 и 6 приведена зависимость выхода фракции ПВ от содержания в них остатков ГК и СЭ ГК. При расчете на долю фракций выход ПВ, при отсутствии этанола в системе растворителей, принимается за 100%. Как видно (рис. 5 и 6) зависимость доли фракций (ф) возрастала с увеличением содержания остатков ГК и СЭ ГК. Отмеченная зависимость описывается экспоненциальным законом, хотя экспериментальные точки недостаточно хорошо ложатся на линии тренда. Коэффициенты корреляции ^2) во всех случаях укладывались в пределах 0.8-0.9.

го

-8-

с;

о

с!

ГК, %

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

Рис.5. Зависимость доли фракции (ф) от содержания остатков ГК во фракциях ПВ, выделенных из различных источников растительного сырья.

С технологической точки зрения важно, чтобы основная масса ПВ, держащих остатки ГК более 50% и имеющих степень метоксилирования не менее 60%, достигла величины не менее 80% от общего количества выделяемых фракций. Эти ПВ можно отнести к высококачественному целевому продукту. Оставшиеся ПВ можно отнести к «хвостам», хотя они также имеют соответствующие области применения. Это дает основание для разработки способа получения высококачественного пектина путем отделения основной массы ПВ от «хвостов».

Рис.6. Зависимость доли фракции (ф) от содержания остатков Таким образом гоучение связи

этерифицированных ГК во фракциях ПВ, выделенных из растворимости ПВ в смеси «вода-

различных источников растительного сырья. этанол» с их структурными и молеку-

лярными параметрами дает ценную информацию относительно проявления их полезных свойств, а также позволяет разработать технологию получения высококачественного целевого продукта путем включения дополнительной стадии очистки раствора гидролизата.

Поступило 4.03.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Оводов С. Ю. - Биоорганическая химия, 2009, т. 35, №3, с.293-310.

2. Ogawa K.,Yui T. et al. - Carbohydr.Res., 1997, v.300 (1), pp.41-45

3. CP Ке1со Control methods. Determination of pectin DE, 2001, p.3.

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

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

Ч,.Х.Холицов, Б.С.Рахматов, Х.Х.Авлоев

ТАЪСИРИ ТАРКИБИ МОНОСАХАРИД^О БА ^АЛШАВАНДАГИИ ФРАКСИЯХ,ОИ МОДДА^ОИ ПЕКТИНЙ

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

Дар системаи обу спирт, ки х,иссаи хдчмии спирт то 20%-ро ташкил медихдд, моддах,ои пектинии аз сабадчаи офтобпараст, магзу-пусти себ ва пусти афлесун гирифташуда ба фраксиях,о чудо карда шуд. Нишон дода шудааст, ки бо афзудани микдори об дар таркиби сис-

СЭ ГК, %

тема, дар баробари зиёд чудо шyдани хиссаи массаи намунаи фраксияхо дар онхо микдори ки-слотаи галактyронат ва дарачаи эфирии он зиёд мешавад. Дар асоси натичахои ба даст омада хулоса баровардан мумкин аст, ки бо илова намyдани зинаи ба фраксия чудокунй дар протсесси тоза кардани махлули гидролизй пектини баландсифат хосил кардан имкон дорад.

Калима^ои калиди: модда^ои пектини - кислотаи галактуронат - эфиронидани кислотаи галак-туронат - варамкунии модда^ои пектини- махлули серобкардашуда - фраксионидан.

D.Kh.Khalikov, B.S.Rahmatov, Kh.Kh.Avloev INFLUENCE OF MONOSACCHARIDE COMPOSITION ON SOLUBILITY OF PECTIN SUBSTANCES FRACTION

V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan The fractionating of pectin substances of sunflowers, apples and orange were received in water- alcohol solution in changing of alcohol volume content up to 20 %. Is shown, that on increasing of water contents in structure of the solvent the fraction with the high contents of galacturonic acid parts (GA) and degree of esterification (ED) on a background of a growing mass in appropriate samples are allocated. On the basis of the received data was made the conclusion about production ability of high-quality pectin, by inclusion of fractionation at a stage of purification of hydrolizate.

Key words: pectin substances - galacturonic acid - esterification of galacturonic acid - swelling of pectin substances - diluted solutions - fractionation.