Введение к работе
Актуальность темы. Научно-технические проблемы выделения и переработки белка в новые лицевые продукты выдвигают на первый план задачу изучения поведения белка в водных средах в присутствии других компонентов пищи и, прежде всего, полисахаридов. Структура и свойства систеи, содержащих белки и полисахариды в значительной хере определяются характеров взаимодействия этих биополимеров, их совместииосты» в растворе. Актуальность исследования термодинамической совместимости белков и полисахаридов обусловлена также необ -ходимостью разработки для безотходных технологий новых принципов концентрирования разбавленных растворов и дисперсий белков.
Фазовое расслоение (переход из однофазного в двухфазное состояние) систеи вода-белок-полисахарид является одной из главных осо -бенностей такого рода систеи и может быть обусловлено двумя типаии процессов, первый из которых основан на явлении термодинамической несовместимости белков и полисахаридов, а второй - на образовании нерастворимых белково-гюлисахаридных комплексов.
До недавнего времени достаточно широко были исследованы условия несовместимости, фазовые равновесия, а также влияния на них основных физико-химических факторов (рН, ионной силы, температуры и т.п.) в смесях водных растворов, содержащих глобулярные белки к полисахариды. Однако, сведения о влиянии направленного регулирования структуры макромолекул полисахаридов (изменение концентрации функциональных групп, характера распределения их по цепи и т.д.) на термодинамическую совместимость их с белками, имеющими неупорядоченную конформацию, ограничены. К белкаи такого рода'относятся желатина и казеин, широко используемые в пищевой промышленности. В связи с этим представлялось необходииыи систематически исследовать влияние локальных изменений структуры иакромолекул полисахаридов на термодинамическую совместимость и фазовые равновесия в системах вода-белок-полисахарид, содержащих белки с неупорядоченной конформацией.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом основных научно-исследовательских работ ИПВ РАН по теие "Термодинамические свойства растворов белков" (й Гос.per.01.86.C0Q54).
Целью работы было изучение влияния строения полисахаридноtt макромолекулы (природы и концентрации функциональных групп, характера распределения их по цепи и т.д.) на термодинамическую совме-
стамость и фазовые равновесия в модельных системах, садержааих в качестве белкового компонента желатину в молекулярно-дисперсном (при 40С) и коллоидно-дисперсном состоянии (при 18С). Объектами исследования били выбраны полисахариды различной природа, изучение Еоторых представляет научный я практический интерес. Анионные полисахариды лкяейлой структур;! - пздтины31, различающиеся степеныз эте-рифякацаа и характером распределения слодноэфирных групп, альгияа-ты* с ррлэтяка содерлпяпеа блоков каниурозовой-гулуроновой и гулу-poHci;aij?'. кронами кислот, карбопсикетялцеллшоза^ разной степени замыцзкз-'г гндроксильяых групп ангидропяранознсй едашшу (кокцеатро-ции ьарбоксшатндышх групп) и неиокные полисахарида линейкой (ме-тилцеллюдоза) и разветвленной (декстран) структуры с различными молекулярными кассами.
Задача работа состояла также з изучении Егикіш? на фазовые равновесия в растворах саесеЁ келатины к исследопанїщх полисахаридов вагнайших флзако-хаьшескиг факторов (рН, ионной силы, температуры), спрздоляащах совместимость биопокикерол и характерных для начальных стадий процесса ецдзлэния белг.оз из растворов и суспензий, а такге церерас'огян белков в смесях с другими белками и полисахаридами.
Нптчь'ал. новизна. Впервые исследовано влияяиз структурных особенностей лолзсахарпдой (пргроды л коздантрацка функциональных групп, характера расдределзЕня их но цэпя, блочного состадо) на их терладиЕа&ЕгеесЕзэд совмзстшость с келатиной, находящейся в состоянии статгстичзсЕого г^'б^ь (при 40*С) г сштрагьнсм агрегированном состояния (прз ІВС). Установлено, *їто условия носовиестикости (рН, ионная сила) зависят от исногчшшх сеоиств полисахаридов (знионнве или неаонные) и не зависят от состояния молекул дедатины в растворе.
йсея-здогзна фазоше равноЕесия для ряда смесей водных раство-роз аеж-скы и полисахаридов. Определены критические параметры рьс-cj-osRi'T v. пострлсян фазовые диагразша систем. Показано, что xapsn-тернкід: особ-азкестями фаговдх диаграмм данного типа систеи етл-пгт-ся нявгааз величина порога расслоения (1-і?) и слабая аспиыетргя.. Такай г-лгитааа порога расслоения свидетельствует о бояэе ьизеоё
COEbk MIUSQU-i аО2«аХіірИД02 S »ЄЛаХЛНОЙ, EO СраВІїеЗІЗ С ИХ CUMKSC-
иоюса;». . тгл<'У?"яр8нхй белками, гарактерЕЗувдаквся ьгааыта:, >ьл
желатина, исключенным объемом. Слабая асимметрия фазовых диаграил свидетельствует о небольших различиях в относительной степени концентрирования белка и полисахарида в фазах, а также об относительно более шеокой гндрофипьностп 'елатини по сравнению с глобулярними балками.
Установлено, что совместимость желатины с анионными полисахаридами увеличивается с повышением степени этерифнкацпа и локальной концентрации сложноэфпрных групп в молекуле пектина, с возрастанием содержания смешанных блоков (маннуроноЕал-гулуроновая кислот) в молекуле альгината л с ростом концентрации карбоксиметильных групп (степени замещения) в молекуле карбоксамотнлцеллюлозы. Совместимость исследованных биополимеров определяется в основном зонной силой и в меньшей степени рН, температурой а концентрацией макромоле-кулярных компонентов. Совместимость желатины с непонннымл полясаха-ридаил растет при переходе от линейной метилцеллюлозы к разветвленному декстрану и от желатины в .агрегированном состоянии (18С) к желатине, находящейся в состоянии статистического клубка (40С), и уменьшается пропорционально изменению молекулярной массы полисахарида в степени 0,5.
На примере смесей водных растворов желатины и анионного полисахарида (пектина) и желатины и неионного полисахарида (декстрана) изучено влияние характера межмолекулярных взаимодействий типа белок-полисахарид, белок-растворитель, полисахарид-растворитель на термодинамическую совместимость и фазовые равновесия. Показано, что совместимость биополимеров, вероятно; обусловлена образованием между ншп слабых комплексов, которые могут быть разрушены при повышении концентрации соли ц температуры системы, в то время как термодинамическая несовместимость в основном обусловлена эффектом исключенного объема, определяемого размером д формой макромолекул, а также различием полимеров в сродства к растворителю.
Изучено влияние степени этерификации пектина на его совместимость с белками обезжиренного молока. Установлено, что с повышением степени этерификации пектина его совместимость с белками обезжиренного молока возрастает аналогично тому, как ото имеет место для смесей водных растворов желатины и пектина. Предположено, что увеличение совместимости в этих системах при возрастании степени этерификации пектина может быть обусловлено образованием слабых растворимых белково-полисахарлдннх комплексов, стабиллзироЕан;:::х еодс-родннми связями.
Изучено влияние ряда физико-химических факторов на совмести-
мость полисахаридов с желатиной, а также с белками молока.
Установленные в результате исследований закономерности позволяют расширить представление о поведении белков в составе иного -компонентных систем и природе совиестииости биополииеров.
Практическая ценность работы. Результаты исследований позволили разработать подходы к регулированию совиестииости анионных и неионных полисахаридов линейной і разветвленной структуры с молеку-лярно-дисперсной (при *»0С) и коллоидно-дисперсной (при 1ВС) желатиной, а также белками обезжирзвного молола. Выявлен ряд практически важных физико-химических аспектов концентрирования белков обезжи -репного иолока анионными полисахаридами. На основе данных по фазовый равновесиях в системах вода-белки обезжиренного ыолока-карбо-ксииетилцеллюлоза разработан процесс концентрирования белков иолока, прошедший стадии опытной апробации в НПО "Пир" (г.Москва).
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на коллокви-yuax лаборатории новых форм пищи ИНЭОС РАН, на научных сешшарах в Институте органической химии и биохимии АН Словакии и Институте химии АН Словакии (Г.Братислава) в 1989,1990 гг. Отдельные результаты работы были представлены на конференции "Химия шщевых веществ. Свойства и использование биополимеров в пищевых продуктах" (май, 1990 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 5 публикациях, получено одно авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор
литературы, экспериментальную часть, выводы, список цитированной
литературы (169 ссылок). Она изложена на страницах машинопис-
ного тексте, включает 9 таблиц и 61 рисунок.
