Влияние продолжительности процесса быстрой экстракции на

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
2010, том 53, №9
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 541.127:661.183.123.2
Р.М.Горшкова, З.К.Мухидинов, М.В.Валиев, С.Халикова, А.С.Насриддинов,
академик АН Республики Таджикистан Д.Х.Халиков, М.Л.Фишман*
ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА БЫСТРОЙ ЭКСТРАКЦИИ
НА РАСПАД ПРОТОПЕКТИНА КОРЗИНКИ ПОДСОЛНЕЧНИКА
Институт химии им. В.И.Никитина АН Республики Таджикистан,
Восточный региональный центр Госдепартамента США по сельскому хозяйству,
*
Филадельфия,США
В работе продемонстрирован поэтапный распад протопектина корзинки подсолнечника.
Показано, что варьирование продолжительности процесса экстракции приводит к оптимизации
основных параметров пектиновых веществ и их обогащению линейными цепями гомогалактуронана,
что позволит получить целевой продукт с регулируемыми физико-химическими параметрами и низкой себестоимостью.
Ключевые слова: корзинки подсолнечника – протопектин – микрогель – пектиновые вещества – олигосахариды – быстрая экстракция.
Ежегодно ухудшающаяся экологическая обстановка обуславливает развитие одного из приоритетных направлений в области здравоохранения населения – получение продуктов функционального назначения. Перспективным из таких продуктов является природный детоксикант – подсолнечный пектин, источником которого служат корзинки подсолнечника (КП). От других сырьевых ресурсов КП отличаются высоким содержанием ионов кальция, образующего межмолекулярные связи в
макромолекуле протопектина, что обуславливает необходимость воздействия высокой температуры
(80°…100°С) и повышенной кислотности раствора (рН 0.9 – 2.0) в течение 1-5 ч. Но при данных условиях зачастую происходит деградация пектиновых макромолекул, что приводит к потере основного свойства подсолнечного пектина – студнеобразования. К тому же, длительная продолжительность
процесса гидролиз-экстракции вызывает энергетические расходы, что неблагоприятно отражается на
себестоимости продукта и делает его практически недоступным для широкого круга потребителей. В
связи с этим возникает необходимость разработки методов получения пектиновых веществ КП, позволяющих сохранить нативную структуру, основные свойства и качество целевых продуктов.
Для решения данных проблем нами совместно с коллаборатором из США был разработан метод быстрой экстракции, при котором процесс протекает за несколько минут при рН 2.0[1].
Быструю гидролиз-экстракцию протопектина (ПП) корзинки подсолнечника паром проводили
при температуре 120°С, давлении 0.152 МПа, рН 2.0, гидромодуле 1 : 20, варьируя продолжительАдрес для корреспонденции: Горшкова Раиса Михайловна. 734063, Республика Таджикистан,
г.
Душанбе,
ул.
Айни,
299/2,
Институт
E-mail: [email protected]
701
химии
АН
Республики
Таджикистан.
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2010, том 53, №9
ность процесса от трех до десяти минут [2]. Растворы-гидролизаты отделяли от клетчатки (КС), а
полученный экстракт разделяли на три фракции, условно названные: микрогель (МГ), пектиновые
вещества (ПВ) и олигосахариды (ОС) [3].
Содержание звеньев галактуроновой кислоты (ГК) в пектиновых веществах и степень этерификации карбоксильных групп ГК (СЭ) определяли методами, описанными в работах [4,5] соответственно. Среднемассовая (Mw), среднечисленная (Mn) молекулярная масса (ММ), z-среднее ММ (Mz) и
показатель полидисперсности (Mw/Mn) были определены методом эксклюзионной жидкостной хроматографии (ЭЖХ) с помощью программного обеспечения ASTRA 5.3.4.13 (Wyatt Technology) и
Breez (Waters) [6]. ЭЖХ колонки калибровали с использованием молекулярных стандартов Пуллулана (Showa Denko K.K., Japan).
Перед проведением гидролиз-экстракции высушенные и измельченные КП обрабатывали горячей водой с последующей трехкратной декантацией.
Суммарное содержание МГ, ПВ и ОС для каждой фиксированной продолжительности реакции гидролиз-экстракции принимали за содержание протопектина (табл.1), распадающегося за этот
же период времени. Как видно, при трехминутном гидролизе в автоклаве распад ПП примерно равный аналогичному показателю, полученному при разработанном ранее методе [3], с ростом продолжительности процесса быстрой гидролиз-экстракции закономерно увеличивается, достигая максимума через 7-10 мин. Как следствие этого наблюдается аналогичное снижение массы клетчатки.
Таблица 1
Значения выходов продуктов распада ПП и физико-химические параметры пектиновых веществ КП,
полученных методом быстрой экстракции (T=120°С, t=3-10 мин) и разработанным ранее методом
(T=85°С, t=60 мин).
МГ
ПВ
Выход, %
ОС
распад ПП
КС
3
3.00
19.00
7.20
29.20
69.00
70.00
41.80
5
8.20
24.68
7.50
40.38
59.00
74.00
38.88
7
5.80
29.71
7.99
43.50
55.60
76.00
26.37
10
4.50
32.00
8.50
45.00
54.00
76.20
23.91
60
4.30
10.20
13.40
27.90
72.10
69.60
21.98
t, мин
Параметры ПВ, %
ГК
СЭ
Несмотря на непрерывное возрастание суммарного распада ПП, в численных значениях выходов фракций подобной закономерности не наблюдается (рис.1). За минимальное время гидролиза в
автоклаве выход пектиновых веществ почти вдвое превосходит значение выхода ПВ, полученных
разработанным ранее методом. Выход ПВ резко возрастает в начале процесса, несколько стабилизируясь далее, при 10-минутном гидролизе, практически втрое превышая значение, полученное под
воздействием низкой температуры и длительной продолжительности процесса. Выход спирторастворимых веществ – олигосахаридов, напротив, ниже у пектинов, полученных методом быстрой экстракции. С увеличением продолжительности процесса выход ОС незначительно увеличивается. Выход микрогеля (МГ) практически не отличается от выхода МГ, полученного разработанным ранее
702
Физическая химия
Р.М.Горшкова, З.К.Мухидинов, М.В.Валиев и др.
методом. Далее, с увеличением продолжительности процесса быстрой экстракции, в кинетике выхода
МГ наблюдается максимум, приходящийся на 5 мин.
Непрерывное возрастание численных значений выходов ПВ и ОС, а также появление максимума в кинетике выхода МГ указывают на последовательное превращение протопектина корзинки
подсолнечника в сетчатый полимер – МГ, привитой – ПВ и, затем, в низкомолекулярные остатки –
ОС.
Рис. 1. Выход МГ (1), ПВ (2) и ОС (3) в зависимости от продолжительности процесса гидролиз – экстракции.
Перед определением основных физико-химических и молекулярных параметров ПВ образцы
были очищены от балластных веществ (БВ) – сопутствующих компонентов клеточной стенки (низкомолекулярных фракций, красителей, жировосковых веществ и т.д.), которые экстрагируются в
процессе гидролиза-экстракции и осаждаются вместе с пектиновыми веществами.
Как видно из табл. 1, в начале процесса быстрой экстракции содержание звеньев ГК превышает данный показатель, полученный при разработанном ранее методе. При дальнейшем увеличении
продолжительности экстрагирования содержание ГК возрастает, стабилизируясь через 7-10 мин после начала процесса гидролиза. Значение степени этерификации с ростом продолжительности процесса несколько снижается. Причиной этого может быть деэтерификация метильных групп звеньев
галактуроновой кислоты и разрыв макромолекулы полисахаридного матрикса, прежде всего по этерифицированным остаткам ГК.
В табл. 2 представлены молекулярно-массовые характеристики пектиновых веществ, полученных различными методами. Как видно, в начале процесса быстрой экстракции пектиновые вещества имеют большее значение молекулярной массы, а также очень высокий показатель полидисперсности по сравнению с образцами, полученными разработанным ранее методом. Данный факт, а также
низкие значения выходов МГ и ПВ при трехминутном гидролизе указывают на экстрагирование в
начале процесса нативных, еще не деградированных пектиновых макромолекул. Дальнейшее увеличение продолжительности процесса гидролиз-экстракции в автоклаве приводит к разрушению агрегированных молекул пектина с одновременным снижением полидисперсности образцов, что указывает на обогащение пектиновых веществ в процессе гидролиз-экстракции линейными цепями гомогалактуронана.
703
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2010, том 53, №9
Таблица 2
Молекулярно-массовые характеристики ПВ КП
t гидролиза,
мин
Т, Со
Mw.e-3, kD
Mw/Mn
Mz.e-3, kD
АГ, %
3
120
5195.0
70.00
86660
36.5
5
120
175.0
5.00
1120
33.5
10
120
98.0
1.50
351
19.00
60
85
142.0
3.22
1692
40.00
На рис. 2 представлены кривые молекулярно-массового распределения (ММР) пектинов. Как
видно, с увеличением продолжительности процесса высокомолекулярные полидисперсные агрегаты
превращаются в отдельные молекулы пектина.
Рис. 2. Дифференциальные кривые молекулярно-массового распределения ПВ КП, полученных разработанным
ранее методом (1) и методом быстрой экстракции (2 – t= 3 мин, 3 – t=5 мин, 4 – t=10 мин)
Увеличение продолжительности процесса от трех до пяти минут приводит к преобразованию
образцов с очень широким полимодальным распределением в образцы с узким молекулярномассовым распределением. Дальнейшее увеличение продолжительности вызывает деградацию пектиновых молекул. Для ПВ, полученных при помощи разработанного ранее метода, характерно узкое
молекулярно-массовое распределение, указывающее на то, что высокое значение рН и низкая температура приводят к образованию пектинов с низким значением молекулярной массы и узким мономодальным распределением. Метод быстрой экстракции при высокой температуре и щадящим значением рН-среды оказывает более сильный эффект на извлечение протопектина из клеточной стенки. Изменения молекулярно-массовых характеристик в зависимости от метода получения пектина корзинки
подсолнечника еще раз демонстрируют чувствительность пектина к агрегации, возможно благодаря
наличию кальциевых мостиков в макромолекуле протопектина.
Таким образом, изученное изменение физико-химических и молекулярно-массовых параметров в зависимости от продолжительности процесса гидролиз-экстракции КП вносит дополнительную
информацию в изучение структуры макромолекулы протопектина. В ходе экспериментов установлено преимущество применения метода быстрой экстракции, так как при этом удается получить пекти704
Физическая химия
Р.М.Горшкова, З.К.Мухидинов, М.В.Валиев и др.
ны с высокими значениями выходов и оптимальным качеством. Применение данного метода дает
дополнительную возможность регулирования процесса получения целевого продукта с заданными
физико-химическими параметрами и позволит сократить расходы на производство пектина.
Работа выполнена при финансовой поддержке
Международного научно-технического центра, проект Т-1419
Поступило 14.06.2010 г.
Л И Т Е РАТ У РА
1. Горшкова Р.М., Мухидинов З.К. и др. – Известия вузов Российской Федерации, 2010, т. 53, № 6, с.
87-90.
2. Мухидинов З.К., Горшкова Р.М. и др. Патент РТ № 290, 2009.
3.
4.
5.
6.
Халиков Д.Х., Мухидинов З.К., Авлоев Х.Х. – ДАН РТ, 1996, т. 39, № 11-12, с. 76-80.
Filisetti-Сozzi T.M.C.C., Carpita N.C. – Anal. Biochem., 1991, v.197, pp. 157-162.
CP Kelсo Control methods – March 7, 2001, p. 3.
Мухидинов З.К., Fishman M.L. и др. – Хим. ж. Казахстана, 2008, спец. выпуск 21, с. 60-65.
Р.М.Горшкова, З.Ќ.Муњидинов, М.В.Валиев, С.Холиќова, А.С.Насриддинов, Љ.Х.Холиќов,
М.Л.Фишман*
ТАЪСИРИ ВАЌТ ДАР ЭКСТРАКСИЯИ ЗУДТАР БА ВАЙРОНШАВИИ
ПРОТОПЕКТИНИ ОФТОБПАРАСТ
Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмњои Љумњурии Тољикистон,
*Маркази
шарќии илми-тадќиќотии Департаменти давлатии ИМА оиди хољагии ќишлоќ,
Филаделфия, ИМА
Оиди таъсири давомнокии раванд њангоми гидролизи зудгузаранда дар људо намудани
протопектини сабадаки офтобпараст тадќиќот гузаронида шуд. Нишон дода шудааст, ки идораи мўњлати раванди экстраксикунонии протопектин дар автоклав шароити мусоидро барои
нишондодњои асосї доро аст ва ѓанигардонидани бандњои гомогалактуронани хаттї, ки барои
ба даст овардани мањсулоти пурра бо нишондодњои физико-кимиёвї ва арзиши паст мувофиќ
аст.
Калимањои калидї: сабадаки офтобпараст – протопектин – микрогел – маводи пектинї –
олигосахаридњо – экстраксияи зудтар.
705
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2010, том 53, №9
R.М.Gorshkova, Z.К.Muhidinov, M.V.Valiev, S.Khalikova, A.S.Nasriddinov, D.Kh.Khalikov,
M.L.Fishman*
INFLUENCE OF PROCESS DURATION ON SUNFLOWWER PROTOPECTIN
DEGRADATION AT FLASH EXTRACTION METHOD
V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,
*
Eastern Regional Research Center ARS USDA, Philadelphia, USA
Influence of hydrolysis duration on the sunflower protopectin degradation at the flash extraction method has been studied. It’s shown that the control of hydrolysis time lead to optimized the main exploitation
parameters of pectin product by enriching that with liner homogalacturonan chains, which allows producing
a product with desired physicochemical characteristics.
Key words: sunflower head – protopectin – microgel – pectin substances – oligosaccharides – flash extraction.
706