Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 8
1.1. Получение пектиновых веществ из корзинок подсолнечника. 8
1.2. Влияние рН — среды и продолжительности гидролиза на выход и качество подсолнечного пектина , 11
1.3. Проблемы очистки пектиновых гидролизатов 17
1.4. Свойства и применение подсолнечного пектина 23
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных исследований 31
2.1. Сбор и подготовка исходного сырья 31
2.2. Характеристика реагентов и рабочих растворов 31
2.3. Гидролиз-экстракция протопектина подсолнечника 32
2.4. Количественные методы анализа функциональных групп пектиновых веществ ...33
2.5. Фотометрическое определение метоксильных групп [73] 34
2.6. Карбазольный метод определения уранидных составляющих пектиновых веществ [74] 35
2.7. Газожидкостная хроматография [75,76] 36
2.8. Определение характеристической вязкости [77] , 37
2.9. Определение степени набухания микрогеля в воде [79] 38
2.10. Метод определения влаги [80] 38
2.11. Определение растворимости [81] 39
2.12. Определение содержания золы [S3] 39
2.13. Количественное определение содержания кальция в пектине [84].. 40
ГЛАВА 3. Результаты и их обсуждение 41
3.1. Влияние кислотности раствора на гидролиз протопектина подсолнечника 41
3.2. Экспериментальные и рассчитанные кинетические параметры последовательной реакции распада протопектина 50
3.3. Каталитическое действие кислоты на распад протопектина 61
3.4. Структурные особенности моносахар идных остатков продуктов распада протопектина 66
Выводы 70
Литература
- Влияние рН — среды и продолжительности гидролиза на выход и качество подсолнечного пектина
- Свойства и применение подсолнечного пектина
- Количественные методы анализа функциональных групп пектиновых веществ
- Экспериментальные и рассчитанные кинетические параметры последовательной реакции распада протопектина
Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка условий проведения гидролиза протопектина (ГШ) растительного сырья представляет собой достаточно сложную проблему, ибо для получения пектиновых веществ (ПВ) с заданными структурными параметрами и определенными физико-химическими свойствами необходимо очень тонкое и согласованное регулирование многочисленных параметров процесса. Знание механизма деградации протопектина под действием кислотных катализаторов способствует оптимизации параметров реакции получения пектина и разработки технологии, приводящей к получению конечного продукта с высоким содержанием звеньев галактуроновой кислоты (ГК). Последнее обстоятельство имеет существенное значение при формировании сетчатой структуры полимера и его гелеобразующих свойств, благодаря которым пектиновые вещества широко используются в пищевой и фармацевтической промышленности.
Одним из главных параметров, приводящих к получению пектиновых веществ с регулируемой молекулярной структурой, является рН раствора. Традиционно считается, что роль кислоты заключается в ее действии в качестве катализатора. В то же время, полученные в лаборатории химии высокомолекулярных соединений Института химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан данные свидетельствуют об изменении рН раствора в процессе гидролиза ПП подсолнечника, на основании которых сделан вывод об участии кислоты, помимо её каталитического действия, в химической реакции. В связи с этим, является актуальным задача более подробного выявления роли кислоты в процессе распада протопектина подсолнечника.
Цель настоящей работы - изучение процесса каталитического распада протопектина подсолнечника и выявление роли кислотности раствора на формирование структуры компонентов реакции.
Для выполнения поставленной цели, были решены следующие задачи:
- изучение каталитического действия соляной кислоты при гидролизе
ПП подсолнечника.
изучение действия кислоты на формирование микроэлементного состава продуктов распада ПП подсолнечника.
изучение моносахаридного состава компонентов гидролиза ПП подсолнечника и формирование линейной и сетчатой структуры ПВ.
Научная новизна работы.
Изучена кинетика формирования моносахаридного состава
полимеров - продуктов каталитического распада ПП подсолнечника.
Установлено, что действие кислотности среды на протекание гидролиза ПП
представляет собой комбинацию ряда параллельно протекающих процессов,
включающих как каталитические реакции, так и извлечение ионов металлов
из сетчатого полимера, с образованием полисахаридов с линейной и
разветвленной структурами.
Получены экспериментальные данные, указывающие на важную роль ионов кальция в стабилизации структур ПП и продуктов его гидролиза; извлечение этих ионов из структуры сетчатых полимеров приводит к автокаталитическому распаду цепей по связям, образованным остатками галактуроновой кислоты и нейтральных Сахаров. Продемонстрировано, что совокупность этих процессов приводит к обогащению конечных продуктов звеньями этерефицированных ГК, являющейся важной при формировании желеобразующих свойств.
Показано, что экстремальный характер выходов МГ при различных рН обусловлен распадом связей галактуроновой кислоты и нейтральных Сахаров. по последовательной реакции: ПП-МГ-ПВ. Впервые продемонстрировано наличие нескольких максимумов на кривых выхода МГ
от продолжительности гидролиза, обусловленных неоднородной структурой сетчатых полимеров - ПП и МГ.
Основываясь на кинетике последовательной реакции, по экспериментальным и рассчитанным данным выходов МГ и продолжительности реакции в областях максимумов, методом последовательного приближения, была найдена величина r=k2/ki и рассчитаны соответствующие значения кажущихся констант распада связей, образованных остатками Gal A, Rha, Ага, Xyl, Man, Gal, Glc в ПП (ki) и МГ (кг). Обнаружено, что численное значение г, во всех областях изученных рН раствора, для ГК и Rha ниже единицы, в то время как для других остатков нейтральных моносахаридов больше единицы, что свидетельствует об обогащении состава МГ и ПВ звеньями GalA и Rha в результате интенсивного распада остатков нейтральных Сахаров.
Практическая значимость работы. Демонстрация возможности управления физико-химическими параметрами реакции распада протопектина подсолнечника и оптимизации параметров технологического процесса получения сетчатых и линейных полимеров, на основе доступного природного объекта, расширяют круг веществ для создания новых полимерных гидрогелей и желеобразующих агентов, которые могут найти применения в различных областях народного хозяйства в качестве макромолекулярных терапевтических средств, сорбентов, коагулирующих средств и т.д.
Влияние рН — среды и продолжительности гидролиза на выход и качество подсолнечного пектина
Качество получаемого пектина и его выход зависят также от вида исходного сырья, очистки, условий хранения и т.д. Немаловажную роль играют продолжительность и параметры гидролиз - экстракции протопектина: гидромодуль, температура и рН — среда. Рассмотрению воздействия продолжительности гидролиза и рН - среды на выход и качество пектина нужно уделить особое внимание.
Условиям гидролиз-экстракции пектинов различного происхождения посвящен ряд работ.
В производстве пектин в основном экстрагируется из растительного материала при помощи разбавленных растворов кислот при рН 2 [22]. Полученные таким образом пектиновые вещества характеризуются относительно высокой степенью чистоты и содержат остатки полигалактуроновой кислоты в пределах 70 - 80%, степень этерификации достигает величины более 70%. Также эти пектины обладают высокой степенью желеобразования.
В работе [23] предложен способ экстрагирования пектина из корзинок подсолнечника соляной кислотой при рН = 2,2. При этом выход конечного продукта составляет 22%, чистота - 88%, степень этерификации - 69,2% и гелеобразующая способность - 205 ТБ (171 SAG). Показатели качества в данном случае находятся в промежуточном интервале между параметрами яблочного и айвового пектинов, но выход подсолнечного пектина превышает выходы указанных объектов почти в два раза.
В работе [24] показано, что при экстракции корзинок подсолнечника соляной кислотой при рН 2, выход конечного продукта снижается до 12%, но чистота и прочность геля возрастает до 95% и 310 ТБ соответственно.
Пектины, полученные из корзинок подсолнечника путем экстракции соляной кислотой, образуют гели высокой прочности [25]. Но, при снижении значения рН — среды 2,7, прочность геля значительно уменьшается. Показано, что если при данных условиях экстракцию проводить в присутствии Na — тетрафосфата или Na - гексаметофосфата, прочность геля остается неизменной.
Авторами [26] были проведены исследования воздействия изменения значений рН — среды от 1,5 до 7,0 на выход и желирующие способности подсолнечного пектина. Гидролиз проводился при помощи соляной и щавелевой кислот, продолжительность составляла 20 минут, гидромодуль -1:20, температура - 100С. Самый высокий выход пектина - 19,5% наблюдался при экстракции раствором щавелевой кислоты при рН = 3,3. Экстракция раствором соляной кислоты при рН = 1,5 привела к снижению выхода конечного продукта до 15,1%, хотя качество пектина при этом было выше, чем в первом случае. Худшие показатели были у пектина, полученного при экстракции со значением рН- среды = 7,0.
Максимальное количество ПВ из корзинок подсолнечника было получено путем экстракции лимонной кислотой. Суммарный выход конечного продукта при этом составил 35,8 - 37,2%. Гидролиз проводился при помощи соляной кислоты ( с концентрацией 0,4%, гидромодуле 1:20, продолжительности процесса 1,5 часа при 80С ) и лимонной кислоты (с концентрацией 0,5%, продолжительности 20 часов при 5С и продолжительности 1,5 часа при 80С ) [28].
В работе [29] показано, что хорошие физико - химические показатели и выход пектина из корзинок подсолнечника достигаются при следующих условиях гидролиз - экстракции: концентрации соляной кислоты 0,4%, гидромодуле 1: (15 -16), температуре 80С и продолжительности 1-1,5 часа. Осаждение ПВ из экстракта осуществляют хлористым алюминием. Выход готового продукта при этом достигает 24,0 - 35,7%. Содержание галактуроновой кислоты составляет 70 — 73 %, метоксильных групп - 5 - 6%, влажность - 10 -14%.
Данные, полученные в работе [27], доказывают, что при продолжительности экстракции 160 минут с уменьшением величины рН с 2,45 до 1,32 скорость гидролиза протопектина яблок значительно возрастает с 8% до 24%.
В отличии от вышеперечисленных способов кислотного гидролиза, количество работ, посвященных получению ПВ с помощью основания, крайне ограничено. Так, авторы работы [30] провели полную экстракцию пектина подсолнечника при помощи 0,1н раствора NaOH и температуре 20С.
Свыше 90% ПВ корзинок подсолнечника может быть выделено в мягких условиях, исключающих гидролиз сложноэфирных групп[31]. Это доказывает, что протопектин располагается в растительных тканях в виде сетчатых полимеров, где межмолекулярные связи осуществляются с помощью водородной и ионной связей металлов.
Наряду с традиционной кислотной экстракцией для получения пектина, в последнее время нашла широкое применение солевая экстракция. Солевую экстракцию ПВ из корзинок подсолнечника проводят при различной концентрации экстрагента, продолжительности гидролиза и при разной температуре.
Авторами работы [23] разработан продуктивный метод экстрагирования пектина из стеблей и корзинок подсолнечника разбавленными растворами оксалатов и полифосфатов. Последующее осаждение при этом способе проводится 55% спиртовым раствором при рН = 1-2.
Свойства и применение подсолнечного пектина
Практическое использование пектиновых веществ основывается на определенном сочетании молекулярных и структурных параметров макромолекул, содержании и составе сопутствующих веществ. Получение высококачественных пектиновых веществ и улучшение соответствующих параметров конечного продукта требует точного осуществления отдельных технологических процессов во всех цепочках производства - гидролиз растительного сырья, очистка раствора гидролизата, выделение конечного продукта из раствора, хранение и т.д. При этом, как параметры производства, так и качество самого пектина зависят от источника сырья, сорта растения, степени зрелости и т.д. Учитывая все вышеперечисленное, становится ясно, насколько сложным является осуществление этих процессов без изменения параметров конечного продукта. Некоторые публикации по этому вопросу представлены ниже.
Корзинки подсолнечника являются богатым и доступным источником пектиновых веществ. С 1га подсолнечного поля можно получить около 180 кг пектина, что в три раза больше, чем в случае использования той же площади под яблони [51]. Содержание пектина в подсолнечникезависит от сорта растения. В период созревания семян, содержание пектина в листьях, стеблях и очищенном водой сырье, соответственно, составляет: 19,7; 5,4 и 16,0. В корзинках четырех сортов количество пектина изменялось с 15 до 24%, в стеблях - с 4 до 7%. Для подсолнечника Helianthus anmras содержание пектина в корзинке, прицветнике, шейке и стебле были соответственно равны: 19; 11,7 и 45%.
Корзинки подсолнечника заготавливают в сезонный период из расчета годовой потребности в пектине. По содержанию пектиновых веществ наиболее ценны сорта подсолнечника с крупными корзинками. Необходимо отметить, что качество пектина напрямую зависит от качества исходного сырья. Так, пектин, полученный из плохо сохраненных и заплесневевших корзинок подсолнечника, обладает низкой студнеобразующей способностью [52]. Если корзинки подсолнечника хорошо сохранены, то решающим для качества полученного пектина являются метод экстракции и способ очистки пектинового коагулянта.
Подсолнечный пектин наряду с другими пектинами может применяться как в пищевой промышленности в качестве структурообразователя, так и в медицине служить сорбентом при удалении из организма тяжелых элементов, некоторых эндогенных токсинов и радионуклеидов. Эти свойства напрямую зависят от молекулярной массы и степени этерификации, которые являются первопричиной конформационных и комплексообразующих свойств ПВ [7, 8, 11]. Известно, что при изменении степени этерификации происходит резкое изменение конформации пектиновых макромолекул, которое отражается на комплексообразующих свойствах [53-55].
В соответствии с номенклатурой пектиновых веществ, разработанной Комитетом Американского химического общества по степени этерификации они подразделяются на Н - пектины - высокоэтерифицированные со степенью этерификации более 50% и L - пектины со степенью этерификации менее 50%. Н и L - пектины производятся по единой технологической и аппоратурной схеме с отличием только на стадии гидролиза по режиму его проведения при различных рН, температуре и продолжительности реакции.
В зависимости от содержания метоксилированных карбоксильных групп более и менее 55%, различают высокометилированные пектины ( ВМ) и низкометилированные (НМ) соответственно [8], Для ВМ - пектинов характерна высокая гелеобразующая способность, обусловленная дегидратирующими свойствами данных пектинов в растворах, содержащих сахар [56]. НМ - пектины являются гидратирующей системой, что обусловливает их низкую способность к студнеобразованию. Образование геля становится возможным для НМ пектинов в присутствии ионов кальция, который способен образовать межмолекулярные связи с карбоксильной группой D-галактуроновых звеньев [57].
Пектиновые вещества, полученные из подсолнечника относятся к НМ -пектинам. Высокое содержание ацетильных групп отражается на желирующих свойствах подсолнечного пектина. В то время как для пектинов иного происхождения значение рН для студнеобразования составляет 3,1 -3,4, для подсолнечного пектина это 1,4 - 1,9. Необходимо отметить, что проблемы гелеобразования пектиновых веществ связаны с особенностями структуры их растворов, как на молекулярном, так и на надмолекулярном уровне
Количественные методы анализа функциональных групп пектиновых веществ
Для проведения экспериментов были использованы соляная и серная кислоты марки (хч), гидроксид натрия (ч.д.а.), гидроксид аммония (хч), трилон Б (фиксонал), метанол (хч), этанол (ректификат) и изопропанол (хч). Растворы соляной кислоты с определенным значением рН, приготовили путем разведения концентрированной кислоты с водой, рН раствора устанавливали на рН-метре. Стандартные растворы солянной кислоты, гидроксида натрия и трилона Б готовили из соответствующих фиксоналов.
Для кислотного гидролиза протопектина (ПП) подсолнечника использовали очищенные вышеуказанным способом корзинки подсолнечника. Экстракцию проводили при помощи солянноЙ кислоты, варьируя значения рН и продолжительность процесса, температуре 85 С и гидромодуле 1: 20 [70].
Экстрагирований раствор гидролизата после охлаждения и нейтрализации аммиаком до рН = 3,5 разделили на три фракции путем центрифугирования водонабухаюших компонентов, осаждением водорастворимых высокомолекулярных соединений спиртом и выделением водно-спирторастворимых остатков, отгоняя растворители на роторном испарителе. Полученные фракции условно были названы микрогель (МГ), пектиновые вещества (ПВ) и олигосахариды (ОС).
Получение МГ. После завершения процесса гидролиз экстракции, раствор пропустили через тканевый фильтр (полиамид), остаток трижды промыли водой и после высушивания определили массу. Раствор гидролизата нейтрализовали при помощи аммиака до рН = 3,5 и МГ отделили от раствора, центрифугированием в течении 30 минут , при скорости ротора 7000 об/мин. Полученный осадок отделяли и промывали 70% спиртом до отрицательной реакции на ионы хлора, затем 96% спиртом и эфиром, после чего высушивали при 55 - 60 С в сушильном шкафу.
Получение ПВ. Высокомолекулярные компоненты, оставшиеся в растворе -гидролизата после центрифугирования, осаждали добавлением трехкратного объема 96 %-го изопропанола. Осадок отделяли путем центрифугирования, промывали и сушили способом, использовавшимся для МГ. Мембранная очистка ПВ [71]. Наряду с методом осаждения, для получения ПВ был использован метод диа- и ультрафильтрации с помощью мембраны УПМ-100 на лабораторной ячейке при давлении 0,16 Мпа, с последующей лиофилизацией очищенных растворов ПВ.
Получение ОС. Олигосахариды (низкомолекулярные сахара- моно и олигосахариды). получали из оставшегося водно-спиртового раствора или мембранного пермеата (раствор проникшего через мембрану ), после мембранной очистки и концентрирования ПВ., последовательной перегонкой спирта и воды на роторном испарителе при 60 С . При этом остаток достигает состояния густой консистенции. Далее осадок высушивали в сушильном шкафу при температуре 75-80 С.
Определение свободных карбоксильных групп [72]. Навеску (около ОД г ) высушенного образца смачивали 96%-ным этанолом (5 мл), добавляли 100 мл НгО и перемешивали на магнитной мешалке до полного растворения вещества (1,5-2,0 часа ). После фильтрации раствора взяли аликвоту (10-20 мл ) и титровали 0501 н раствором гидроксида натрия потенциометрически до рН 7,5 .Содержание свободных гидроксильных групп (К,. ) рассчитывали по формуле: где q- масса очищенного пектина, содержащаяся в аликвоте ( 1мл ОД и раствора NaOH соответствует 0,0045 г карбоксильных групп).
Определение этерифиццрованных карбоксильных групп[72] К оттитрованному раствору приливали точно 5 мл ОД н раствора гидроксида натрия, плотно закрыли и оставили на два часа при 20-40С для полного омыления. Избыток щелочи оттитровывали ОД н раствором НС1 также потенциометрический до резкого скачка рН. Паралельно проводился холостой опыт. Содержание этерифицированных карбоксильных групп (Кэ) рассчитывали по формуле: где V нсг объем раствора HCI нормальности N , израсходованного на титрование холостого опыта, V Hci-объем раствора HCI, израсходованного на титрование пробы , q- масса ПВ, г, содержащегося в аликвоте. Наряду с этими методами определения функциональных групп, также были использованы традиционные методы определения карбоксильной и сложноэфирной групп. Сущность этих методов заключается в проведении вышеуказанных анализов на отдельных навесках фракций и расчета количества сложноэфирной группы по разности между общей и свободной карбоксильной группой.
Экспериментальные и рассчитанные кинетические параметры последовательной реакции распада протопектина
Приведенные данные свидетельствует о том, что в начале наблюдается ускоренный распад связей Rha, вероятно находящихся в качестве остатков в боковых цепях рамногалактуронана. Затем, темп распада этого остатка несколько снижается и, далее, вообще прекращается. Обогащение состава МГ остатками Rha, при последующей продолжительности гидролиза, очевидно, происходит за счет более ускоренного распада других остатков нейтральных моносахаридов. Состав микрогеля в конце гидролиза, по-видимому, также незначительно обогащается и остатками Xyl и Man. Таким образом, изучение кинетики реакции гидролиза ПП, анализ фракционного состава и их моносахаридных составляющих, а также расчет кинетических параметров реакции, на основе представления о последовательности превращения сетчатого полимера в привитой и линейный, позволили разработать научную основу регулирования структуры МГ и ПВ, путем подбора величины рН раствора и продолжительности процесса.
Каталитическое действие кислоты на распад протопектина Анализ данных табл. 2-4 показывает, что, несмотря на высокую информативность полученных результатов, не наблюдается четкой закономерности изменения соответствующих параметров, с ростом исходного значения рНо раствора.
Это не связано с подбором величины г, поскольку разность между значениями максимума выхода МГ, найденного экспериментально и рассчитанного, отличаются между собой на незначительные величины (10"5-10"6 единиц). По-видимому, как величина г, так и численные значения констант к] и к2 не характеризуют конкретные реакции, а отражают некую усредненную величину параметров многочисленных реакций.
Следует подчеркнуть, что главная причина заключается в изменении рН в процессе реакции (Рис. 10). На рис. 10 видно, что во всех случаях происходит резкое увеличение рН раствора вначале процесса и монотонный рост при последующем увеличении времени гидролиза. Фактически процесс гидролиза в зависимости от его продолжительности происходит при изменяющейся величине рН. При этом независимо от исходного значения рНо, с течением времени его величина может совпадать или находится в близлежащей области.
Одной из причин возрастания значения рН раствора в процессе гидролиза может быть расход кислоты для извлечения ионов кальция из ПП, которое иллюстрируется уравнением:
Для подтверждения данного предположения экспериментальные данные обрабатывали на основании уравнения необратимой реакции 2-го порядка. Необходимые значения концентраций ионов кальция Сх(Са) в соответствующих компонентах реакции были рассчитаны по формуле (3.6) и представлены в табл. -выход соответствующих фракций, %; юЛСа). содержание ионов кальция в продуктах гидролиза (ТТЛ, МГ, ПВ и ОС) в данный момент времени, %; С О -содержание протопектина в остатке клеточной стенки, %; Э(Са) -эквивалентная масса ионов кальция, г/экв; Е -величина гидромодуля. На основании данных табл. 6 были рассчитаны соответствующие константы скорости гидролиза, представленные на рис.11. Видно, что величина констант для всех компонентов гидролизата достаточно резко уменьшается вначале процесса, а затем стабилизируется вокруг постоянной величины (например, для МГ). Изменение величин констант можно объяснить на основании изменений структуры соответствующих образцов, происходящих под действием каталитических реакций и экстракции ионов кальция.
Соотношение величин констант свидетельствует о замедленной скорости выделения ионов кальция из МГ, что обуславливает значительное накопление микрогеля в ходе реакции.
Таким образом, представленные в настоящей работе экспериментальные данные указывают на важную роль ионов кальция в стабилизации различных структур компонентов гидролиза ПП и возможности регулирования процесса, путём селективного удаления ионов кальция.
![Хемилюминесценция синглетного кислорода и его димоля (1O2)2 в реакциях пероксидов. Влияние 1,4-диазобицикло [2,2,2]октана на излучательные свойства (1O2)2](/i/i/4586/215021.png "Хемилюминесценция синглетного кислорода и его димоля (1O2)2 в реакциях пероксидов. Влияние 1,4-диазобицикло [2,2,2]октана на излучательные свойства (1O2)2 Мальцев Дмитрий Валентинович")