Технологии получения пектинов из различных видов сырья

Таким образом, предварительный анализ доступной информации последних лет в области химии, технологии, свойств и применения пектинов позволяет сделать вывод, что исследования в этой области по-прежнему не утратили своей актуальности. Широкие возможности новых высокоинформативных хроматографических методов (ХИО, ВЭЖХ, АОХ), ЯМР, ЯМР ¹³С, масс-спектроскопии, атомной микроскопии, капиллярного электрофореза и других позволили выявить новые, недоступные ранее детали структуры и пространственного строения пектинов и их производных. Исходя из этого можно полагать, что интересы исследователей пектинов по-прежнему сосредоточены на углублении знаний о их строении и физико-химических свойствах.

В новых вариантах способов получения пектинов в зависимости от вида исходного сырья решаются задачи повышения производительности процессов, оптимизации выхода, повышения степени очистки. Задачи получения пектинов с заданным комплексом свойств в зависимости от полидисперсности, молекулярной массы, степени этерификации и очистки решаются даже путем усложнения технологии и использования нетрадиционных средств экстракции, приемов очистки и осаждения, введения механохимической обработки сырья.

Расширился круг исследований физиологической активности пектинов и их производных, новых аспектов их полезного биологического воздействия.

По-видимому, одним из перспективных направлений исследований, наряду с поиском пектиновых веществ в нетрадиционных источниках с новыми элементами строения (состав, конформационные особенности), следует считать химическую модификацию достаточно подробно изученных и доступных пектинов из традиционных источников, проводимую как путем изменения активных функциональных групп, введения комплексно-связанных ионов металлов, кросс-связывания и др., так и путем создания пектиновых полимер-полимерных систем с участием иных полисахаридов, протеинов и т.п. Преимущество подобных подходов заключается в возможности усиления и широкого варьирования медико-биологических, гелеобразующих и других свойств пектиновых веществ.

1.7 Производство пектина

Для производства пектиновых веществ можно использовать любое растительное сырье с высоким содержанием пектина. Ныне перерабатывают четыре основных вида сырья: яблочные выжимки, жом сахарной свеклы, корзинки подсолнечника и корочки цитрусовых. Содержание пектина в данных материалах соответственно 10-15,10-20,15-25 и 20-35%.

Яблочные пектины высоко ценятся производителями кондитерской продукции в мире. Для молочной и консервной промышленности (производство фруктовых соков) используют цитрусовые пектины. Под этим термином понимают различные сорта пектина из плодов цитрусовых. Лучшим качеством обладает пектин из лаймы (разновидность лимона), хорош пектин из лимона, удовлетворителен - из грейпфрута и апельсина. Неудовлетворительные характеристики имеет пектин из мандаринов. Пектины из жома сахарной свеклы применяют для выработки диетических и фармацевтических продуктов, а также для производства изделий технического назначения.

Пектин из корзинок подсолнечника обладает высокой молекулярной массой и низкой степенью этерификации. Как и пектин из сахарной свеклы, он содержит определенное количество ацетильных групп. Ныне пектин из корзинок подсолнечника успешно применяют при выпуске высококачественных кос- метических изделий Пектины, выделенные из одного вида сырья, получили название классических. Для производства продукции с особыми свойствами, разработаны процессы, основанные на переработке комбинированных видов сырья. Так, из смеси яблочных выжимок и корочек цитрусовых можно получить пектин, сочетающий достоинства яблочного и цитрусового.

Современные промышленные технологии позволяют производить классические и комбинированные пектины с заданными свойствами. Для экстракции пектина в установках непрерывного действия используют минеральные кислоты. Максимальный выход пектина с одновременным сохранением его желирующих свойств достигается при оптимальной сбалансированности основных экстракционных параметров: рН гидролизующего агента, температуры и длительности экстракции.

Яблочный пектин обладает высокой степенью этерификации - 75-78%. Для производства низкоэтери-фицированных пектинов концентрированный жидкий экстракт на следующем этапе подвергают деэтерификации или омылению. При этом происходит контролируемое снижение степени этерификациидо требуемой величины, а также гидролиз боковых цепочек пектина, состоящих из нейтральных полисахаридов. Пектин нерастворим в спирте. Это свойство используют для его осаждения из жидкого концентрата. Процесс протекает в установках непрерывного действия. Концентрация используемого спирта влияет на режим осаждения и тем самым на выход и чистоту пектина. После отделения пектинового осадка спирт направляют на дистилляцию. Полученный чистый спирт повторно используют в производстве.

Лабораторный контроль и стандартизация.

В зависимости от области применения пектины стандартизуют по гелеобразующим свойствам. Желаемого результата можно достигнуть добавляя к пектину сахар, нейтральные соединения и/или буферные вещества, а также смешивая чистые сорта пектина. Для стандартизации используют метод США-CAT (USA-SAG). Для точного измерения способности пектинов образовывать гели, а также для определения внутренней прочности геля к разрыву используют метод Люерса и прибор "Хербстрайт-Пектинометр. Модель Марк-3". В лаборатории контролируют качество полученного продукта (степень этерификации, молекулярная масса, содержание D-галактуроновой кислоты и т.д.), а также соответствие пектина критериям чистоты законодательства о пищевых добавках, европейским нормам, положениям Объединенного комитета Всемирной организации здравоохранения и Продовольственной и сельскохозяйственной организации (WHO/РАО).

При отгонке спирта, использованного для осаждения пектина, получают сахаристые вещества, органические кислоты, красители и аро-матизаторы. Они имеют вид фруктовых экстрактов, которые можно применять в пищевой промышленности в качестве стабилизирующих, красящих и подслащивающих веществ. Яблочные экстракты можно использовать для получения питьевого и технического спирта. Депектинизированные выжимки сушат и гранулируют. Благодаря высокому содержанию питательных веществ они идут на корм скоту [16]

1.8 Применение пектиновых веществ

Кондитерские изделия. На сегодняшний день огромное разнообразие кондитерских изделий предоставляет неограниченные возможности для применения пектина. Высокоэтерифицированный пектин успешно применяют для производства мармелада, желейных начинок, сбивных кондитерских изделий, таких как зефир, пастила, сбивные конфетные массы. Для производства мармеладной продукции и желейных конфет можно использовать высокоэтерифицированные яблочные WEJ-5 или яблочно-цитрусовые или цитрусовые пектины (очень медленной садки), яблочные или яблочно-цитрусовые пектины (медленной садки) [17].

Для производства зефира возможно применение различных типов высокоэтерифицированных пектинов, обеспечивающих разную скорость студнеобразования, что немаловажно при выборе типа пектина в зависимости от имеющегося в наличии оборудования и технологических особенностей производства. Для производства зефира и сбивных изделий можно использовать высокоэтерифицированные яблочные WEJ-1 или яблочно-цитрусовые WECJ-1 пектины (средней садки), яблочные WEJ-2 или яблочно-цитрусовые WECJ-2 пектины (медленной садки). Рекомендуемая дозировка пектина в сбивные и желейные кондитерские изделия находятся в пределах 1,0-1,8 %.

Возможно применение низкоэтерифицированных пектинов, желирующих без кислоты, в производстве мармелада и желейных начинок с нейтральными вкусами (например, с ароматизаторами мяты, корицы, рома).

Джемы и конфитюры. Роль пектина заключается в развитии структуры джема, которая сохраняется без изменений при транспортировке готовой продукции, в усилении аромата и в подавлении синерезиса, а также в компенсации недостатка природного пектина в диабетических джемах. В процессе производства джема пектин должен обеспечить равномерное распределение частиц фруктов в массе с того самого момента, когда механическое перемешивание закончено, т.е. пектин желирует массу сразу после ее розлива. Для джемов с высоким содержанием сухих веществ можно использовать высокоэтерифицированные яблочные или яблочно-цитрусовые пектины (очень медленной садки), яблочные или яблочно-цитрусовые пектины (медленной садки). Рекомендуемая дозировка пектина в джемах и желейных изделиях находятся в пределах 0,1 - 0,5 %.

Традиционная область использования низкоэтерифицированного пектина - это джемы с содержанием сухих веществ ниже 55%, которые ограничивают использование высокоэтерифицированного пектина.

Тип низкоэтерифицированного пектина выбирается с учетом

содержания сухих веществ, кислотности среды, в которой будет использован продукт. Для джемов с содержанием сухих веществ 40-55 % можно использовать амидированные низкоэтерифицированные пектины яблочный 1 или яблочно-цитрусовый , а для джемов с содержанием сухих веществ 30-50 % амидированные низкоэтерифицированные пектины яблочный или яблочно-цитрусовый. Рекомендуемая дозировка пектина в джемы и конфитюры 0,4-0,9 % в зависимости от желаемых вкусовых характеристик.

Термостабильные фруктовые начинки. Термостабильная фруктовая начинка должна обладать важным качественными свойствами: высокая температура плавления, устойчивость к механическим воздействиям, хорошая способность к перекачиванию и дозированию, способность сохранять аппетитный внешний вид после выпечки. Для производства термостабильных наполнителей с высоким содержанием сухих веществ можно использовать высокоэтерифицированные пектины яблочный или яблочно-цитрусовый или цитрусовый .

Фруктовые наполнители для йогурта. Низкоэтерифицированные пектины применяют в производстве фруктовых наполнителей для йогурта, в которых пектины образуют мягкую желированную структуру, достаточно плотную для равномерного распределения фруктовых частиц. Пектин, особенно в сочетании с другими растительными камедями, препятствует переносу цвета фруктового наполнителя на молочную фазу готового продукта. Для производства наполнителя для йогурта с содержанием сухих веществ 25-35 % можно использовать амидированные низкоэтерифицированные пектины яблочный или яблочно-цитрусовый.

Фруктовые соки и напитки. Для производства напитков применяют различное фруктовое сырье и соковые концентраты. Природный пектин и сахар обеспечивают вкусовое восприятие сока. Недостаточное их содержание сразу сказывается на вкусовых качествах фруктового сока и напитков. Пектин придает напиткам полноту вкуса и насыщенность. Желирующие свойства пектина позволяют получить однородный продукт без оседания мякоти.

Пектины нейтральны во вкусовом отношении, они поддерживают в напитке натуральный аромат используемого фруктового сырья. Для производства фруктовых соков и напитков можно применять высокоэтерифицированные пектины яблочный WEJ-3 или яблочно-цитрусовый WECJ-3. Низкие дозировки дополнительно вводимого пектина идеальным образом компенсируют потерю полноты вкуса. Рекомендуемая дозировка пектина в напитки 0,02-0,25 % в зависимости от желаемых вкусовых характеристик.

Применение пектинов в производстве хлебопекарных изделий. Установлено, что внесение в тесто пектинов влияет на биологические, коллоидные и микробиологические процессы приготовления теста. При внесении в тесто пектинов повышается его начальная кислотность, снижается рН. Процесс брожения в тесте идет более активно. Активацию процесса брожения связывают с внесением сахаров вместе с пектином. Кроме того, установлено, что содержание пектина в готовом хлебе уменьшается в сравнении с исходным количеством, внесенным в тесто. Это свидетельствует о том, что при брожении теста происходит дезагрегация биополимера и что она осуществляется с образованием моносахаридов, способствующих активации процесса брожения. Московским государственным университетом пищевых производств проведены интересные исследования влияния яблочного пектина на качество пшеничного хлеба и пряников. Для опытов тесто готовили безопарным способом. Яблочный пектин вносили взамен муки в количестве 0,05-2,0% массы муки. Результаты свидетельствуют о том, что качество хлеба с добавлением пектина по органолептическим, физико-химическим показателям, а также по удельному объему хлеба и показателям структурно-механических свойств мякиша выше по сравнению с продуктом без добавления пектина[ 8].

Наибольший удельный объем наблюдали при добавлении 0,1% пектина - он увеличился на 6,1% по сравнению с удельным объемом хлеба без пектина. При дозировке пектина свыше 0,3% массы муки удельный объем хлеба уменьшался по сравнению с хлебом, имеющим меньшее количество пектина, однако он оставался выше, чем у хлеба без пектина, на 3,1 - 4,6% [ 3 ].

Уменьшение удельного объема и снижение остальных показателей качества хлеба по мере увеличения дозировки пектина с 0,3 до 2,0% обусловлено способностью последнего связывать воду, что оказывает влияние на влажность теста и качества хлеба.

Экспериментальные данные и их математическая обработка позволили установить оптимальную дозировку яблочного пектина при производстве хлеба из пшеничной муки.

Установлено также влияние степени этерификации пектина на качество хлеба из пшеничной муки. Наиболее высокие показатели при одинаковых дозировках пектина имел хлеб с добавлением низкоэтерифицированного пектина [7 ].

Удельный объем хлеба с добавлением низкоэтерифицированного яблочного пектина в количестве 0,05 - 0,1% возрос на 19,6 - 25,5%, а с добавлением тех же дозировок высокоэтерифицированного пектина - на 13,7 - 19,2% по сравнению с хлебом без пектина [16].

Способ внесения сырья существенно влияет на качество хлеба. Для определения оптимальной технологии тесто готовили на густой и жидкой опаре. Низкоэтерифицированный пектин вносили в оптимальной дозировке как в опару, так и в тесто. В обоих случаях качество хлеба улучшалось. Однако показатели качества хлеба при внесении пектина в опару были выше, чем при внесении его в тесто.

Благодаря своим особым физико-химическим свойствам пектин влияет на срок сохранения свежести хлеба. О черствении хлеба судили по изменению структурно-механических свойств мякиша из пшеничной муки через 4, 18, 24 ч хранения. Изменение в процессе хранения показателей структурно-механических свойств мякиша хлеба с добавлением пектина в количестве 0,05 - 1,0% массы муки свидетельствует о том, что хлеб с добавлением пектина черствеет в 1,04 - 1,9 раза медленнее хлеба без пектина, что чрезвычайно важно для увеличения срока реализации хлебопекарных изделий [ 5 ].

Исследовали влияние яблочных пектинов со степенью этерификации 59-64, 76-78 и 38-44 % на качества заварных пряников. Тесто готовили по рецептуре массовых сортов заварных пряников типа "Северные". Пектин в количестве 0,05; 0,07; 0,1 и 0,2% вносили в заварку и в тесто взамен муки [ 12].

Добавление высокоэтерифицированного и низкоэтерифицированного яблочных пектинов как в заварку, так и в тесто улучшает качество пряников, о чем свидетельствует увеличение набухаемости и отношения H/D, а также снижение плотности пряников. Наилучшее качество имели пряники с добавлением низкоэтерифицированного яблочного пектина в количестве 0,1% массы муки. Установлено, что внесение пектина в заварку улучшает качество пряников в большей степени, чем внесение его в тесто. Так, например, величина набухаемости пряников с добавлением 0,1% пектина в заварку увеличивалось на 40%, а в тесто - на 25% по сравнению с набухаемостью пряников без пектина. Объясняется это строением и свойствами низкоэтерифицированного пектина. При этом внесение пектина в заварку обеспечивает лучшие условия для взаимодействия муки с пектином.

Скорость черствения пряников определяли как по изменению набухаемости пряников, так и по изменению свободной связанной влаги через 1, 2, 3, 5, 10, 15 и 30 сут. хранения. Установлено, что добавление в оптимальной дозировке низкоэтерифицированного яблочного пектина в заварку снижает скорость черствения в 2,9 раза, а в тесто - в 1,7 раза [ 18 ].

Применение пектинов в фармацевтике

Пектины извлекают из естественного растительного сырья практически в неизменном виде, при этом сохраняются все физиологически ценные свойства. Пектины как растворимые пищевые волокна благотворно влияют на состояние здоровья человека. Для производства фармацевтических продуктов можно использовать высокоэтерифицированные пектины яблочный или яблочно-цитрусовый.

- в профилактических целях при работе с отравляющими веществами;

- при лечении лучевой болезни;

В профилактических целях при работе в горнодобывающей отрасли;

- при заболевании органов пищеварения;

- при лечении диарейных инфекций;

- при полиартритах;

- при лечении сахарного диабета;

- при лечении гемофилии, при заживлении ран и ожогов;

- при лечении язв желудка, простатита и профилактике рака толстой кишки;

- в качестве составной структурирующей части лекарственных препаратов фармацевтике.

Для технических целей:

- производство D-галактуроновой кислоты;

- в геологии используется в качестве пектинового клея при бурении;

- в текстильной промышленности при отделке тканей;

- в литейном производстве в качестве добавки в формовочные смеси, благодаря чему достигается более высокая точность отливок;

- в металлообрабатывающей промышленности при закалке деталей;

- в полиграфии при закреплении печатных материал

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Инфракрасная спектроскопия

Спектроскопия - это наука о взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, которое даёт информацию о самом веществе, атомах и молекулах, составляющих вещество, о его строении и свойствах. Спектроскопия использует весь диапазон электромагнитного излучения, включая гамма - лучи, рентгеновские лучи, инфракрасные лучи, видимые и ультрафиолетовые лучи, микроволновое излучение и радиочастоты.

Метод абсорбционной спектроскопии основан на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.

В зависимости от объекта исследования спектроскопия подразделяется на атомную и молекулярную.

Атомная спектроскопия изучает строение и свойства атомов, молекулярная - строение и свойства молекул. Методом спектроскопии является спектральный анализ. В спектральных методах анализа используется способность атомов и молекул поглощать и испускать электромагнитное излучение.

Инфракрасная спектроскопия - раздел спектроскопии, который включает в себя получение и изучение инфракрасных спектров. Инфракрасная спектроскопия занимается, главным образом, изучением молекулярных спектров испускания, поглощения и отражения, так как в инфракрасной области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Инфракрасная спектроскопия является такой же специфической характеристикой, как отпечатки пальцев человека. По спектрам вещество может быть идентифицировано, если его спектр известен. Метод инфракрасной спектроскопии позволяет определить состояние воды в минерале, характер изоморфных примесей, степень структурной упорядоченности, отнесение минералов к определённому структурному типу и др.

Основные характеристики электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение имеет следующие основные параметры: длина волны л, частота н или волновое число и соответствующая им энергия излучения Е.

Длина волны есть расстояние, которое проходит волна за время одного периода.

Основными единицами измерения длин волн в УФ и видимой области служат нанометры (1нм = 10^-9 м), в ИК-области - микрометры (1 мкм = 10^-6 м). Длина волны зависит от показателя преломления среды, в которой распространяется излучение.

Скорость распространения излучения в различных средах различна, поэтому для характеристики определённого участка спектра используют частоты или волновые числа, которые не зависят от среды.

Частота излучения n есть число колебаний в одну секунду; она равна отношению скорости распространения излучения (скорости света с) к длине волны

Частота измеряется в обратных секундах с^-1 или герцах (1Гц = с^-1 ).

Волновое число показывает, какое число длин волн приходится на 1 см пути излучения в вакууме и определяется соотношением. Размерность волновых чисел - см^-1. Волновое число связано с частотой излучения:, где с - скорость света в вакууме (с ? 3Ч 10⁸ м/с).

Таблица 3.1

Длины волн электромагнитного излучения

Вид излучения	Диапазон длин волн
Гамма-излучение	10-2 нм
Рентгеновское	10-2 - 1 нм
Ультрафиолетовое	5-400 нм
Видимое	400-750 нм
Инфракрасное	760 нм - 300 мкм
Микроволновое	300 мкм - 300 мм
Радиоволны	От 300 мм до нескольких километров

Энергия излучения , где h - постоянная Планка (h = 6,62Ч10^-31 ДжЧс.). Набор длин волн (или частот) представляет собой спектр излучения. Деление электромагнитного спектра на ряд областей (табл. 1.1) не является резким и связано, главным образом, со способом получения и регистрации излучения различных длин волн (или частот) и с использованием различных оптических материалов.

Метод ИК-спектроскопии

Оптические спектры молекул получаются при изменении трех видов внутренней энергии молекул: энергии электронов; энергии колебания атомов в молекуле относительно некоторого положения равновесия; энергии вращения всей молекулы, подобно волчку, вокруг своей собственной оси, то есть

Е=Е_эл+Е_к+Е_вр.

Каждому из этих видов внутренней энергии для молекул данного вещества соответствует свой набор энергетических уровней. Расстояние между уровнями, их количество и относительное расположение полностью определяется строением молекул вещества.

Возбуждая тот или иной вид внутренней энергии молекул, получают молекулярные спектры: вращательные; колебательные; электронные.

Для возбуждения вращательного спектра нужна небольшая энергия-0,005 - 0,025 эВ, для колебания атомов в молекуле - 0,05 - 0,5 эВ, для возбуждения электронных спектров - 5 - 10 эВ. Однако в чистом виде не удается получить электронные и колебательные спектры. Одновременно с возбуждением колебаний атомов изменяется и скорость вращения всей молекулы. Поэтому спектр получается колебательно-вращательным.

Анализ по молекулярным спектрам поглощения основан на использовании закона Бугера-Ламберта-Бера.

Для получения спектров поглощения надо на вещество направить излучение, необходимое для возбуждения того или иного вида внутренней энергии.

Возбуждение электронных спектров осуществляется ультрафиолетовым и видимым излучением, колебательные спектры требуют квантов ИК-излучения, вращательные - квантов микроволнового излучения или дальнего ИК-излучения.

В методе ИК-спектроскопии наиболее широкое распространение получило исследование ИК-спектров поглощения, возникающих при прохождении ИК-излучения через вещество. Каждое вещество имеет свой колебательный спектр. Число полос поглощения в спектре, ширина, форма, интенсивность определяются структурой и химическим составом вещества. Это дает возможность по ИК-спектрам проводить качественный и количественный анализы вещества во всех агрегатных состояниях.

Качественный анализ

Для проведения качественного анализа проб по инфракрасным спектрам необходимо провести интерпретацию инфракрасного спектра. При этом необходимо сочетание экспериментальных данных с теоретическим расчетом. Изучение инфракрасных спектров веществ в настоящее время проводится двумя методами: выявлением характеристических частот и сравнением спектров сложных веществ со спектрами индивидуальных соединений.

Метод характеристических частот.

Молекулы, имеющие одни и те же химические группы, часто имеют одинаковые частоты в спектре. Эти частоты называют характеристическими.

Расшифровка инфракрасного спектра производится следующим образом: идентификацию полос поглощения начинают с наиболее сильных и высокочастотных полос в области валентных колебаний ОН-связи. По таблицам характеристических частот полосу поглощения относят к колебанию конкретной связи. Наличие той или иной связи подтверждают деформационной полосой поглощения, относящейся к данной связи.

Метод сравнения.

Идентификация неизвестного соединения по инфракрасному спектру осуществляется сравнением его спектра с эталонными спектрами. Для этого необходима обширная картотека эталонных спектров; при этом важнейшим фактором является стандартность условий их регистрации. В настоящее время имеются многочисленные атласы органических и неорганических соединений.

Идентификация веществ по инфракрасному спектру является полностью достоверной только при точном совпадении изучаемого спектра со спектром эталона по положению (частоте), форме и относительной интенсивности всех полос, то есть всей спектральной кривой.

ИК спектры образцов снимали на ИК-фурье спектрометре фирмы "Perkin-Elmer", модель 2000, в таблетках ттт( 5мг вещества на 200 мгттт ) Таблетку получают прессованием на прессформе, число сканирований-50.

2.2 Вискозиметрический метод определения содержание пектина

Метод основан на гидролизе пектина ферментным препаратом и определении степени его расщепления по величине снижения вязкости.

Сухой вискозиметр Освальда с диаметром капилляра 0.8 мм помещают в водяную баню с температурой 30 ⁰С. Пипеткой вводят в него 10 см³ 1%-ного раствора пектина. Через 5 мин вводят необходимое количество дистиллированной воды. Общий обьем реакционной смеси в вискозиметре должен быть равен 15 см³.

В большинстве случаев при анализе активных препаратов на определение берут растворы с таким разбавлением, что вязкость их практически не отличается от вязкости воды.

Контрольное определение вязкости проводят в том же вискозиметре, что и опытное. Можно использовать и другой вискозиметр, но в этом случае водное число прибора не должно отличаться от опытного более чем на 0,5 с.

Водное число вискозиметра, взятое для исследований при температуре 30⁰С, составляет 30-40с.

Степень гидролиза пектина, определяемую по величине снижения вязкости В (в %), рассчитывают по формуле В=(t_н-t)100/(t_к-t_n), где t_н -время истечения контрольного раствора пектина с водой, с: t- время истечения опытного раствора (после пектолиза), с: t_n -время истечения воды, с.

2.3 Метод определения вязкости

Приборы для измерения вязкости называют вискозиметрами. Обычно используют капиллярные вискозиметры. Наиболее распространенные капиллярные вискозиметры применяют для определения вязкости неструктурированных и слабоструктурированных жидкостей. Основным элементом этих вискозиметров является капилляр. Определение вязкости проводят путем измерения времени t течения жидкости от метки a до метки b. Напряжение деформации может задаваться извне путем присоединения штуцера к моностату, в котором создается давление (или разрежение) Р_м. Жидкость может вытекать также под действием гидростатического давления:

P_г = rgh, (2.4.73)

где r - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, h - среднее расстояние между уровнями жидкости в резервуарах А и В.

Вязкость рассчитывают по уравнению Пуазейля:

, (2.4.74)

где V - объем жидкости, вытекающей из капилляра за время t; P - давление, под действием которого жидкость течет; r - радиус капилляра; l - длина капилляра.

В капиллярном вискозиметре объем жидкости в резервуаре всегда постоянный, поэтому уравнение (2.4.74) приводят к виду

, (2.4.75)

где K - постоянная вискозиметра, которую находят при использовании стандартной ньютоновской жидкости.

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Выделение пектиновых веществ из виноградных и яблочных выжимок

Пектиновые вещества входят в состав клеточной стенки сурединных пластинок, цитоплазмы растительных клеток. Они присутствуют практически во всех высших растениях. Выполняя, благодаря своим специфическим свойствам, ряд важных функций (регулировка водного режима тканей, транспорт водного тока и другие), участвуют в процессах растяжения клеточных стенок.

Согласно современным представлениям пектин имеет линейную структуру. Основой пектиновых веществ является молекулярная цепь из остатков Д - галактуроновой кислоты, имеющих пиранозную конфигурацию и соединенных 1,4 - б- гликозидной связью (28,50,51).

Многоплановый спектр, свойств присущий пектину обуславливает его широкое применение в медицинской и пищевой промышленности. Наиболее перспективно его использование при производстве изделий лечебно-профилактического назначения. Производство пектина основано на использовании яблочных выжимок и свекловичного жома. В нашу задачу входило исследование виноградных и яблочных выжимок, являющегося вторичным сырьем промышленной переработки плодов на сок и вино, в качестве источника пищевого пектина.

Физико-химические свойства пектина, его дальнейшее применение зависят от качества используемого растительного сырья, условий экстракций пектина из этого сырья, также от баланса функциональных групп.

Для выделения пектиновых веществ из виноградной выжимки 50 г измельченного сырья, просеянного через сито №2, экстрагировали смесью 0,5%-ных растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония (1:1) дважды (500 и 300мл) при температуре 85⁰ (водяная баня), экстракты объединяли, упаривали, диализовывали в проточной воде, центрифугировали (10мин, 6000 об/мин), снова упаривали и осаждали спиртом. Выпавший осадок отделили центрифугированием (6000 об/мин, 10мин), высушивали спиртом, выход: 2,1г (4,2%).

Для в ыделение пектиновых веществ из яблочных выжимок также 50 г нарезанного сырья замачивали 200мл воды в течение суток, затем прибавили 200 мл смеси 1% растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония; взятых в соотношении 1:1, и экстрагировали на водяной бане при 85^o C в течение 1,5-2час. Затем экстракт отделелили и остаток сырья последовательно экстрагировали смесью 0.5%-ных растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония (1:1) в тех же условиях, дважды; экстрагента брали 300 и 300мл. Эстракты объединяли, упаривали, диализовали против проточной воды (2 суток), центрифугировали, упаривали, доводили объем до 80 мл и осаждали спиртом (1:5), т.е. 400мл осадок отделили фильтрованием, высушивали спиртом; выход-1,87г (3,74%)

3.2 Гидролиз пектиновых веществ

0,1г ПВ гидролизовали 4мл 2 н Н₂SO₄, 24 часа при 100⁰ в запаянной ампуле. Затем ампулу вскрывали, содержимое переносили в стакан и нейтролизовали BaCO₃, затем раствор отфильтрировали и деионизировали катионитом КУ-2(Н+), гидролизат упаривали и анализировали бумажной хромотографией нисходящим методом. Бумага-Filtrak-FN-18. Для хромотографии использовали систему бутанол-1-пиридин-вода (6:4:3). Время хромотографирования-18 час. Хроматограмму по истечении данного времени высушивали, опрыскивали проявителем анилин-фталат кислый, высушивали и проявляли в сушильном шкафу при 110⁰С.

В составе виноградных пектиновых веществ обнаружили следующие моносахариды: уроновые кислоты, галактозу, глюкозу, ксилозу и арабинозу, рамнозу; глюкоза, ксилоза находятся в назначительных количествах.Бумажных хромотографиях определили следующие моносахариды. Моносахаридный состав ПВ яблочных выжимок представлен уроновыми кислотами, галактозой, глюкозой, арабинозой, ксилозой и рамнозой. Ксилоза и рамноза находится в незначительных количествах.

Рис. 3.2.1. Бумажная хромотограмма гидролизатов яблочного (I) и виноградного (II) ПВ.

Контроль: Известные моносахариды: галактуроновая кислота , глюкуроновая кислота, галактоза, глюкоза, арабиноза, ксилоза, рамноза.

3.3 Определение титрометрических показателей ПВ

Для определения степень этрификации проводится определения тирометрических показателей пектиновых веществ.

Свободные корбоксильные группы-Кс 0,1г ПВ смачивали спиртом (воизбежание комковании), прибавили 20мл воды нагревали при 40 до полного растворения, перемешивали, выдерживали 2 часа и титровали 0,1н раствором NaOH(индикатор-фенол-фталеин) до слабо-розовой окраски. Содержание свободных корбоксильных групп-Кс вычислили по формуле:

a-количество -0,1н NaOH, израсходованное на титрование (1мл NaOH соответствует 0,0045г корбоксильных групп)р-навеска пектина, г =0,1г

а =1мл

-Этерифицированные корбоксильные группы Кэ определили следующим образом к пробе, нейтрализованной при определении Кс, добавляют пипеткой точно 5мл 0,1н NaOH, закрывают пробкой и оставляют на 2часа при комнатной температуре для омыления метоксилированных групп. Затем вносили точно 5мл 0,1н НСI и ее избыток оттитровывали 0,1н раствором NaOH.

Количество 0,1н NaOH, затраченное на второе титрование соответствовало количеству этерифицированных СООН в исследуемой пробе.

В-количество 0,1н NaOH, необходимое для второго титрования,

Р-навеска ПВ,г.

В=1.25мл; Р=0,1г

Общее количество корбоксильных групп (Ко) равно сумме свободных и этерифицирован-ных групп: Ко=Кс+Кэ=4,5+5,62=10,12 %Степень этерифицикации (Ст.Э.или л) показывает количество этерифицированных корбоксильных групп в % от всех корбоксильных групп:

3.4 Определение показателя вязкости

Растворы пектиновых веществ отличаются значительной вязкостью.Это является важным показателем, так как между вязкостью и желирующей способностью пектина существует определенная зависимость. Также вязкость пектиновых растворов зависит от молекулярной массы пектиновых веществ.

0,1 пектина (яблочного и виноградного ) растворили в 10 мл воды при слабом нагревании.

ПВ виноградных выжимок быстро растворяется в воде. ПВ-яблочных выжимок медленно растворяется в воде с образованием густого раствора.

Вязкость ПВ измеряли в вискозиметре Освальда с Д=0,73

Время прохождения воды в вискозиметре равно 35' (35сек).

1% раствор ПВ виноградных выжимок протекает за 55 сек.

1% раствор ПВ яблочных выжимок был настолько густой, что использовали концентрацию раствора равную 0,5%- протекании проходит за 11'35 (11мин, 35сек) или 695 сек.

Относительную вязкость растворов ПВ вычисляли по формуле:



t₁ -время прохождения растворителя, т.е. воды

t₂-время протекания раствора ПВ

для 1% раствора ПВ - виноградных выжимок

для 0,5% раствора ПВ яблочных выжимок

Из полученных данных видно,что ПВ яблочных выжимок имеют высокий показатель относительной вязкости при сравнении с таковым ПВ виноградных выжимок.

3.5 ИК-спектроскопия

Пектиновые вещества, выделенные из растений, имеют основную цеп, в состоящую из остатков Д-галактуроновой кислоты, соединенных б-1>4 гликозидными связами. Боковые цепи состоят из нейтральных моносахаридов. Часть гидроксильных групп в ПВ может быть ацетилирована, а корбоксильные группы - этерифицированы метиловым спиртом. Благодаря такому разнообразию группировок ИК-спектры пектиновых веществ довольно сложны.

Рассматриваем в данном случае спектр ИК ПВ яблочных и виноградных выжимок, которые представляют собой кислую соль частично метилированной пектовой кислоты с боковыми цепями-нейтральными моносахаридами. В таком виде ПВ экстрагируются из растительных объектов. Проанализируем характерные для них полосы поглошения ИК спектрах ПВ виноградных выжимок по мере уменьшения частоты.

В ПВ виноградных выжимок интенсивная полоса с максимумом в районе 3360 см^-1 показывает наличие валентных колебаний гидроксильных групп (рис1).

Рис.3.5.1. ИК-спектр ПВ виноградных выжимок

Полоса средней интенсивности в области 2932 см^-1 показывает наличие валентных колебаний СН групп ПВ. Интенсивность этой полосы характеризует метилирование корбоксильной группы.

В отличие от нейтральных полисахаридов для ПВ характерны интенсивные полосы, соответствующие валентным колебаниям корбонилов корбоксильных групп (С=О).

Полосы колебаний ионизированного корбоксила находятся в области 1611 и 1418см^-1 ,что характерно для всех солей ПВ. В зависимости от природы иона металла, заместившего водород в корбоксильной группе, их положение в спектре меняется.

При метилировании корбоксила появляются слабые по интенсивности полосы 1441 и 1367 см^-1 . В интервале 1200-1400 см^-1 лежит группа мало интенсивных полос. Особенна стабильна частота 1331 см^-1 , природа которой связана с деформационными колебаниями гидроксильных групп пиранозных циклов.

Группа интенсивных полос на участке спектра ПВ 1046-1237 см^-1 относится к валентным колебаниям (С-С) и (С-О) пиранозных циклов и (С-О-С) эфирных мостиков.

Следует отметит еще некоторые полосы поглащения в ИК-спектрах ПВ, которые также дают важную информацию об их строении и свойствах.

Триплеты пиранозных - 815, 830 и 910 см^-1 -указывают на наличие 1-4 гликозидной связи между остатками Д-галактуроновой кислоты, находящейся в б-конфигурации. Полоса поглощения при 889 см^-1 свидетельствует о присутствии в-гликозидной связи, что возможно для остатков нейтральных моносахаридов.

А полоса 956 см^-1 отражает деформационные колебание метильных метиленовых групп. Полосы поглошения, расположенные в низкочастотной области 758, 636, 534 см^-1 соответствует колебаниям С-С, С-О-С и др.связей пиранозных циклов.

Анализируя ИК-спектр ПВ яблочных выжимок, следует отметить его сходство с таковым виноградных выжимок. Основная разница заключается в интенсивности полос поглощения, что связано с показателями титрометрического анализа, моносахаридным составом.

Полоса поглощения при 3425см^-1 отражает валентные колебания гидроксильных групп, она обычно бывает интенсивной ( рис 2 ) .



Рис.3.5.2. ИК-спектр ПВ яблочныхных выжимок

Менее интенсивная полоса 2927см^-1 показывает валентные колебания СН-групп, при метилировании корбоксильной группы поглощение значительно возрастает.

Достаточно хорошо выражена полоса поглащения при 1744 см^-1, являющаяся характерной для кислых полисахаридов и пектиновых веществ, имеющих основную полисахаридную цепь, состоящую из остатков Д-галактуроновой кислоты. Эта полоса соответствует колебанию карбонила корбоксильной группы.

В спектрах пектиновых веществ и их метильных производных в виде выступа проявляется слабое поглошение воды -1639 (~1640) см^-1 . А присутствие таких полос как 1621 и 1423 см^-1 подверждает наличие ионизированной корбоксильной группы, связанной с металлами, что свойственно корбоксиполисахаридам.

Кроме того, для корбоксиполисахаридов, т.е. для ПВ характерно наличие эфирных групп, чаще всего метильных и тогда в спектре присутствует частота внутренних деформационных колебаний метильной группы при 1370см^-1 . Полосы поглощения в области 1328 и 1241 см^-1 вызваны колебаниями сложноэфирной, метильной и гидроксильной групп.

Ряд полос поглошения в области 1000-1150 (1016, 1046, 1074, 1101,1104) представляет собой валентные колебание пиранозного цикла (С-С, С-О, С-О-С), эти полосы характерны и для других полисахаридов нейтрального характера.

Далее в ИК спектре яблочного ПВ следует полоса поглащения 931см^-1, которая отражает деформационные колебание метильных и метиленовых групп. Следующие две полосы являются характерными для ИК-спектров ПВ: 886см^-1 полоса, характеризующая 1>4 тип гликозидной связи;

832см^-1-показывает б-конфигурацию этой связи.

Полосы поглошения, расположенные в низкочастотной области 777,685,634 и 531 см^-1 соответствуют колебаниям С-С-О, С-О-С и другим связам пиранозных циклов.

Таким образом, изучение ИК-спектров ПВ яблочных и виноградных выжимок дает информацию, т.е. идентификацию и характеристику этих высокомолекулярных корбоксилсодержащих полисахаридов.

3.6 Физико-химические свойства пектинов виноградных и яблочных выжимок

Для рационального использования пектина и пектин содержащего сырья в пищевой промышленности необходимо всестороннее изучение его физико-химических свойств. В зависимости от целей выделение пектина можно вести по двум направлениям: получение технологического пектина, удовлетворяющего требованиям соответствующей отрасли промышленности; выделение пектиновых веществ для исследования строения и состояния в клетках растений. Молекулярный вес пектиновых веществ выжимков винограда определяли седиментационным методом, он находитсяв пределах 26000-31100.

Физико-химические свойства пектина, его дальнейшее применение зависят от качества используемого растительного сырья, условий экстракций пектина из этого сырья, также от баланса функциональных групп.

В таблице 3.6.1. представлены физико-химические показатели яблочного и виноградного пектина в сравнении со яблочным.

Таб. 3.6.1. Физико-химическая характеристика пектинов

Показатель	Количественные характеристики пектинов
	Виноградный	Яблочный
Растворимость, % в воде в HCl	100 95	100 100
Зольность, %	2.2	1.2
Влажность, %	5.3	7.8
Метоксильные группы, %	4,2	5,3
Ацетильные группы, %	1.2	2.6
Свободные карбоксильные группы, % Этерифицированные карбоксильные группы Степен этрификации	4,5 5,6 85,15	1.7 10,5 55,53
Молекулярный вес	26000-31100 Да	80000-90000 Да
рH 1% раствора	2.3-3.6	4.1

Таким образом пектины полученные с такими физико-химическими характеристиками, хорошо растворяются в воде, имеют хорошие показатели по степени этрификации, молекулярным весом и растворимостью. Что позволяет считать их рекомендовать для применения в народном хозяйстве.

ВЫВОДЫ

1.Таким образом из яблочных и виноградных выжимок выделении пектиновые вещества с выходом 3,74 и 4,2 %

2. Методом кислотного гидролиза установлен качественный моносахаридных состав ПВ: галактуроновая кислота, галактоза, глюкоза, арабиноза, ксилоза и рамноза, находящиеся в разных соотношениях.

3. Выделенные ПВ яблочные и виноградные хорошо растворяются в воде и имеют показатель относительной вязкости: 1,57, 19,85 соответственно.

4. Данные титрометрических показателей позволили отнести изучаемые ПВ к высокоэтирифицированным ( ПВ виноградный, ПВ яблочный).

5. Данные ИК -спектроскопии позволили установить строение изучаемых ПВ, в которых основную цепь составляет остатки Д-галактуроновой кислоты, соединенных б-1>4 гликозидными связами.

Таким образом, полученные данные дают возможность рекомендовать использование яблочного ПВ и виноградного ПВ для пишевых целей при изготовлении кондитерских изделий ( напитки, мармелад, желе, зефир, хлебо-булочных изделий) и для медицинских целей ( адсорбент при отравлении тяжелыми металлами, облучении радионуклидами).

ЛИТЕРАТУРА

1. Учебное пособие по изучению доклада Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании Кабинета Министров, посвященном основным итогам 2011 года, на тему "2012 йил Ватанимиз тара??иётини Янги бос?ичга кўтарадиган йил бўлади". Ташкент - "O`qituvchi" НМИУ. 2012. 272 с.

2. А.Судзуки, Патент Японии 60-043445 (1996), ИСМ, № 9 (1997)

3. Б.Л.Жубанов, Е.О.Батырбеков, Л.Б.Рухина, Р.Б.Исхаков и др., Изв. АНРКаз., сер. хим., №2, 14 (1997)

4. Н.С.Карпович, Л .В. Донченко, В.В.Нелина, Пектин. Производство и применение, Урожай, Киев, 1989, 12

5. У.Н.Мусаев, О.А.Шабанова, Узб. хим. журн.,№ 2, 38 (1998)

6. Н.П.Шелухина, Р.Ш.Абаева, Г.Б.Аймухамед о в а, Пектин и параметры его получения, Илим, Фрунзе, 1987, 12

7. А.Судзуки, Х.Ниномия, Патент Японии 60-049724 (1994), ИСМ, № 12 (1997) 8.74. С.Ш.Рашидова, Л.Н.Семенова, Б.Д.Кабулов, С.А.Васильева, К. Т. Нор кул о в а, Патент РУз 3792 (1996), Ахборотнома, №3 (1996)

9. С.Ш.Рашидова, Л.Н.Семенова, Н.Л.Воропаева, И.Н.Рубан, Ш.Ш.Шавахабов, Э.Г.Потиевский, Л.Л.Сольская.Патент РУз 4719(1997). Ахборотнома, № 4 (1997)

10. С.Ш.Рашидова, Л.Н.Семенова, М.Р.Кадырханов, Н.Л.Воропаева, И.Н.Рубан, Исследование физико-химических и конформационных характеристик лимонных пектинов, XVI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Москва, 454 (1998)

11. С.Ш.Рашидова, Б.Д.Кабулов, Л.Н.Семенова, И.Л.Новосельская, Деп. рук. № 2442-Уз95.

12. A.Darvill, М.McNeill, P. Albersheim, D.P.Delmer, N.E.Tolbert(Ed.), The Plant Cell., Acad. Press, New York., 91 (1990)

13. J.R.Thomas, M.McNeill, P.Albersheim, Plant. Physiol., 83,653 (1987)

14. J.R.Thomas, A.Darvill, P.Albersheim,Carbohydr. Res., 185,261 (1989)

15. C.D.May, Carbohydr. Polym., 12, 79 (1990)

16. W. P i I n i k, Gum and Stabilizers for the Food Industries, 5, Oxford Univ. Press., London, 209 (1990)

17. J.F.Tibolt, C.M.G.C.Renard, М.А.V.Axelos, P.Roger, M.J.Crepeau, Carbohydr. Res., 238, 271 (1993)

18. F.M.Rombout, J.F.Tibolt, Carbohydr. Res., 154, 189 (1986)

19. D.A.Powell, E.P.Morris, M.J.Gidley et al., J.Mol. Biol., 155,517(1982)

20. D.Zhan. O.Hanssen, A.J .Mort, Carbohydr. Res.,308, 373 (1998)

21. A.G.Darvill, M.McNeill, P.Albersheim, Plant. Physiol., 1978,62,418(1978)

22. H.Yamado, M.Hirano, H.Kiohara, Carbohydr. Res., 219, 173 (1991)

23. E.Zablackis, J.Huang, B.Muller, A.Darvill, P. Albersheim,Plant. Physiol., 1995,107, 1129(1995)

24. T.Ishii, T.Matsunaga, Carbohydr. Res., 284, 1 (1996)

25. T. Doco , P.Williams, S.Vidal, P.Pellerin, Carbohydr. Res., 297,181 (1997)

26. M.A.O'Neill, D. Warr e n fel t z, K.Kates, P.Pellerin, T.Doco, A.G.Darvill, P. Albersheim, J.Biol. Chem., 271, 22923 (1996)

27. P.Peng, R.Zhou, Z.Tang, Y.Zhao, Tianran khanwu Yanjiu Yu Kaifa., 6, 52 (1994)

28.35. P.Pellerin, S.Vidal, P.Williams, J.M. Brielouet, Carbohydr. Res., 1995, 277, 125 (1995)

29. N.Arslan, T.Asan, Turk. J. Eng. Environ., 18,453 (1994)

30. H. Abramovic, С. Кlofutar, Acta chim. Slov., 1997, 44, № 1,273.

ofcitrus plants pectins, Third Int. Symp. on the Chem. of natural compounds, Abstract, Uzbekistan, Bukhara, PL 5 (1998)

31. G.Berth, H.'Dautsenberg, G.Rother, Carbohydr. Polym., 25, 177 (1994)

32. G.Berth, H.Dautsenberg, G.Rother, Carbohydr. Polym., 25, 187 (1994)

33. N.C.Carpita, D.M.Gibeaut, Plant. J., 3, 31 (1993)

34. L.Alagna, T.Rosperi, A.G.Tomlinson, R.Rizzo, J. Phys. Chem., 90, 6853 (1986)

35 V.M.Dronnet, C.M.G.Renard, M.A.V.Axelos, J.-F.Thibault, Carbohydr. Polym., 30, 253 (1996)

36. N.Welner, M.Kacurakova, A.Malovikova et al., Carbohydr. Res., 308, 123 (1998)

37. L.Catoire, C.Derouet, A.M.Redon et al., Carbohydr. Res., 300,19 (1997)

38. Food Chemical Codex, FCC 111, Monographs Natural., Acad. Press., Wash., DC, 215 (1981)

39. A.G.J.Voragen, H.A.Schols, W.Pilnik, Food Hydrocol., 1, 65 (1986)

40.. A.Ploger.y. Food. Sci., 57, 1185 (1992)

41.. N.Blumenkrantz, G.Asboe-Hansen,Anal.Biochem., 54, 484 (1973)

42. R.Weinberger, Practical Capillary Electrophoresis, Acad. Press, San Diego, С A, (1993)

43. H.J.Zhong, M.A.K.Williams, D.M.Goodal, M.E.Hansen, Carbohydr. Res., 308, 1 (1998)

44.. F.A.Graves, L. Ham, Патент США 5354851 (1993), ИСМ, №23(1995)

45. I.Eriksson, R.Andersson, P. Aaman, Carbohydr. Res., 301, 177 (1997)

46. C.E.M.Quijano, S.C.M.Nejia, Rev. Soc. Quim. Мех., 36, 203 (1992)

47. L.Cheng, P.H.Kindell,Carbohydr. Res.,301,205 (1997)

48. M .Kratchano va, I.Panchev, E.Pavlova, L. Shtereva, Carbohydr. Polym., 25, 141 (1994)

49. J.Wang, W.Zhang,XiandaiHuagong, 14,21 (1994)

50. S.Dela Motte, S.Boese-O'Reily, M.Heinish, F.Harrison, Arzneim. Forsch., 47, 1247 (1997)

51. K.Murai, K.Kobayashi, K.Tazawa , H.Ogami, I.Yamashita, T.Shimizu, M.Fujimaki, Патент Японии 07-109226 Chem. Abstr., 123,47902 (1995)

52. H.Inohara, A.Raz, Glycoconjugate J., 11, 527 (1994)

53. O.Munjeri, P.Hozda, E.E.Osim, С.Т. Musabayane, У. Pharm.Sci., 87, № 8, 905 (1998)

Размещено на Allbest.ru

...