Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 9
1.1. О производстве и применении пектиновых веществ 10
1.2. Выделение, моносахаридный состав и первичная структура пектинов различного происхождения 20
1.3. Проблемы очистки пектин-гидролизата 35
Глава II. Методика экспериментальных исследований 44
2.1. Сбор и подготовка исходного сырья 44
2.2. Характеристика реагентов и рабочих растворов 44
2.3. Гидролиз - экстракции протопектина подсолнечника 45
2.4. Количественные методы анализа функциональных групп пектиновых веществ 46
2.5. Фотометрическое определение метоксильных групп 47
2.6. Карбазольный метод определения уранидных составляющих пектиновых веществ 48
2.7. Газожидкостная хроматография 49
2.8. Определение характеристической вязкости 50
2.9. Определение степени набухания микрогелей пектина в воде 51
2.10. Метод определения влаги 51
2.11. Определение растворимости 52
2.12. Определение содержания золы 52
2.13. Количественное определение содержания кальция в пектине 53
Глава III. Результаты и их обсуждение 55
3.1. Кинетика кислотного гидролиза протопектина подсолнечника 55
3.2. Влияние параметров гидролиза на микроэлементный состав и гидродинамические свойства пектинов подсолнечника 63
3.3. Действие ионной силы на гидролиз протопектина подсолнечника 74
3.4. Использование мембранной технологии для очистки раствора гидролизата пектиновых веществ 84
Выводы 92
Литература 94
- Выделение, моносахаридный состав и первичная структура пектинов различного происхождения
- Карбазольный метод определения уранидных составляющих пектиновых веществ
- Количественное определение содержания кальция в пектине
- Влияние параметров гидролиза на микроэлементный состав и гидродинамические свойства пектинов подсолнечника
Введение к работе
Актуальность проблемы. В последнее десятилетие особый интерес вызывают полимерные гидрогели, которые благодаря своей способности удерживать большое количество воды, проявляют комплекс уникальных физико-механических свойств, существенно отличающихся от свойств исходной полимерной матрицы. Одним из перспективных природных объектов для создания водонабухающих систем являются пектиновые вещества, которые уже сейчас имеют многочисленные области практического применения. Характерной особенностью этих систем является студнеобразование, что обуславливает широкую применимость пектиновых веществ, в пищевой, масложировой и кондитерской отраслях промышленности. В медицине они используются для удаления тяжелых и токсических металлов из желудочно-кишечного тракта, при лечении желчнокаменной болезни, в качестве макромолекулярной терапевтической системы и т.д. В биотехнологии пектиновые вещества могут быть использованы для концентрирования и очистки биологических объектов.
В связи с широким практическим применением весьма актуальной является разработка фундаментальных основ и технология получения пектиновых веществ из различных растительных ресурсов. В связи с этим, помимо традиционных сырьевых ресурсов - цитрусовых корок и яблочных выжимок, перспективной является корзинка подсолнечника, образующаяся в многотонажном количестве при производстве подсолнечного масла. Переработка вторичных ресурсов подсолнечника в пектин, способствует также решению экологической проблемы в масложировой отрасли промышленности. Несмотря на важность поставленной проблемы, на сегодняшний день практически отсутствуют научнообоснованные разработки и рациональная технология получения пектина из подсолнечника. Поскольку гелеобразующие свойства пектиновых веществ существенно зависят от их химической и молекулярной структуры в
6 лаборатории химии высокомолекулярных соединений Института химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан в течение ряда лет проводятся целенаправленные исследования физико-химических основ кислотного гидролиза протопектинов, в том числе протопектина корзинки подсолнечника.
Цель и задачи исследования. Основная цель диссертационной работы - изучение кинетики гидролиза протопектина (ПП) подсолнечника (Helianthus annims L.) под действием кислотно-солевой системы и использование полученных результатов для разработки технологической схемы получения пектиновых веществ (ПВ). В связи с поставленной целью задачами настоящего исследования были:
Изучение кинетики гидролиза ПП подсолнечника под действием
кислотного катализатора, фракционирование раствора гидролизата и
і установление моносахаридного, микроэлементного и макромолекулярного
составов полученных веществ.
Изучение воздействия ионной силы раствора на кинетику кислотного гидролиза подсолнечника и установление их роли в формировании химической и молекулярной структуры фракции ПВ.
- Определение кинетических параметров распада протопектина корзинки подсолнечника под действием кислотного и кислотно-солевого катализаторов и использование их для оптимизации процесса гидролиза, приводящего к получению целевого продукта, имеющего необходимые физико-химические показатели в соответствующих условиях существующих нормативных документов и разработка технологической схемы производства.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР Института химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан «Разработка и опытно-промышленное испытание полимерных систем на основе производных
этинилпиперидола и пектиновых веществ». (Номер госрегистрация
000000356 от 15.03.96г.).
Научная новизна работы. По данным кинетики кислотного
гидролиза и моносахаридного состава трех выделенных фракций -
микрогель (МГ), ПВ и олигосахаридов (ОС) - установлено, что распад ПП
корзинки подсолнечника описывается последовательной
мономолекулярной реакцией первого порядка: ПП - МГ - ПВ - ОС. Полученные результаты использованы для расчета значения константы скорости реакции распада связей в ПП, образованных остатками кислых и нейтральных моносахаридов, которые позволяют целенаправленно вести гидролиз и получить ПВ с заранее заданными свойствами.
Впервые проведен кислотный гидролиз ПП корзинки подсолнечника в широкой области изменения ионной силы раствора и показано возрастание скорости реакции, в этих условиях, до 2,5 раза. Установлена существенная роль противоиона кислоты в ускорении процесса распада ПП.
Разработан способ освобождения пектиновых веществ от тяжелых и токсических элементов, регулированием условия гидролиза и мембранной ультрафильтрацией раствора гидролизата. Предложены технологические схемы производства ПВ, как в кислой среде, так и в кислотно-солевой системе.
По данным содержания ионов кальция в МГ и его характеристической вязкости в образцах освобожденных от первого, показана стабилизующая роль этого металла в сохранении нативной структуры ПП в выделенных фракциях. Продемонстрировано снижающее действие соли на молекулярные массы получаемых пектинов, что обусловлено удалением металла из матрицы полимера и переходом фракции из сетчатой в линейную структуру.
Практическая значимость работы. Использование вторичных ресурсов подсолнечника в качестве пектинсодержащего сырья и демонстрация возможности получения высококачественного
гелеобразующего продукта на их основе расширяет круг природных источников для создания новых полимерных гидрогелей. Полученные продукты могут найти применение в различных отраслях народного хозяйства в качестве желирующих агентов, макромолекулярных терапевтических средств, сорбентов для удаления токсических металлов из организма и т.д.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 9-й публикациях, включающих 3-й тезиса докладов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XXXI -ом Международном конгрессе по спектроскопии (Анкара, 1999г.); на 5-м Международном симпозиуме ученых тюрко-язычных стран «Полимеры и полимерные композиты» (Алматы, 1999г.); на Международном симпозиуме «Наука о полимерах на пороге XXI века» (Ташкент, 1999г.); на Международной научно-практической конференции «Химия и проблемы экологии» (Душанбе, 1998г.).
Литературный обзор - составляет первую главу диссертации, включает три раздела: «О производстве и применении пектиновых веществ», «Выделение, моносахаридный состав и первичная структура пектинов различного происхождения», где приводится анализ исследований отечественных и зарубежных ученых по рассматриваемым проблемам в период 1985 - 1998гг.
В экспериментальной части, представляющей вторую главу диссертации, приведены характеристики исходного сырья, методики гидролиза и анализа компонентов получаемых веществ.
В третьей главе приводятся результаты исследования и их обсуждение.
Выделение, моносахаридный состав и первичная структура пектинов различного происхождения
Для выделения пектиновых веществ из растительного сырья разработаны многочисленные методы, которые обобщены в работах [8, 46-49]. Эти исследования были выполнены с использованием кислотно-основного и ферментативного катализа, где изучался процесс распада протопектина и, на основании данных моносахаридного состава, а также методами масс- и ЯМР-спектроскопии устанавливались первичные структуры полученных веществ.
В работах [50-52] изучены закономерности кислотного гидролиза протопектина яблочных выжимок, установлен моносахаридный состав полученных пектиновых веществ и получены их гидродинамические характеристики, что дает основание судить о строении макромолекул и оценить качество целевого продукта. Показано, что в зависимости от способа экстракции можно получать как линейный, так и привитой сополимер, состоящий из остатков кислых и нейтральных Сахаров. Выделен индивидуальный гомогалактуронан яблочного пектина и методами 13С- и !Н- ЯМР-спектроскопии установлена его первичная структура. Показано, что полученный в условиях производства яблочный пектин состоит, в основном, из галактуронана и разветвленного рамногалактуронана, содержащего в боковых цепях - галактан. Найдена взаимосвязь структурных и молекулярных параметров пектиновых веществ с их гидродинамическими свойствами их растворов. Полученные результаты позволили оптимизировать процесс экстракции пектиновых веществ, обладающих заданными физико-химическими и эксплуатационными свойствами.
Для определения продуктов деградации пектина были разработаны специальные методы. В частности авторами [53] разработан хромато-масс метод, одновременного количественного определения, в виде силил (оксим, R2C.NOH) производных, нейтральных и кислых Сахаров, одноразовым введением в колону из общего раствора. Метод был усовершенствован для определения высокомолекулярных соединений чувствительных к разрушению даже в температурах выпаривания (например, хлорогенинованая кислота, С8Н7-СО-ОСбН7(ОН)з-СООН и рафиноза, СібНзгОіб) и для количественного определения продуктов деградации пектина, то есть для определения галактуроновой кислоты (ГК), при его наименьших количествах, в присутствии 10-100 кратной избытке глюкозы элюирующей перед ГК. Способ оптимизирован и использован для количественного определения нейтральных и кислых Сахаров (включая хлорогеновую кислоту) для установления состава образцов помидора, при определении возрастающего количества продуктов распада пектиновых веществ яблочной выжимки, в зависимости от продолжительности хранения.
В работе [54] описываются способы получения трех новых - СЕ-2Ь (1), СЕ-2с (2) и CE-2d (3), сфингозинового типа (сфингозин CH3(CH2)i2CH:CHCHNH2CHOHCH2OH) глюкоцереброзиды (цереброновая кислота - С23Н47СНОНСООН), посредством высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) от цереброзида молекулярной разновидности (СЕ-2), который в свою очередь был экстрагирован от морского огурца Cucumaria echinata и последующим осаждением из раствора метанолом. Структуры этих цереброзидов были определены на основе химических и спектроскопических исследований.
В частности в работе [55] под воздействием пектолитическими, гемоцеллюлозитическими, и целлюлозитическими ферментами, были выделены пектиновые фракции высокомолекулярных полисахаридов, стойкие к дальнейшей деградации под действием упомянутых ферментов, от клетчатки картофеля, груши, моркови, лука - порея, и ткани лука. Эти фракции, были характеризованы определением их моносахаридного состава, типа связи, степень эстерификации (сложный метиловый эфир и группы О-ацетилов), и распределение молекулярной массы упомянутые как измененные волосатые области (ВО). В составе моносахаридов полученных фракций были идентифицированы галактуроновая кислота, галактоза, рамноза и арабиноза. На основания полученных данных было заключено, что ферментативный распад в данном случае происходит в волосатой области протопектинов (ВОПП). При этом три первые моносахаридные остатки входит в состав главной цепи ВОПП, в то время как арабиноза является главным моносахаридным остатком в боковых группах ВОПП. Доля кислотных групп в рамногалактуронане ВОПП груши составляла 0.44, а для лука - порея - 0.63. Установлено, также, что остатки галактуроновой кислоты подвергнуты высокой степени ацетилирования. Все фракции, полученные из ВОПП, имели близкое и достаточно гетерогенное распределение по молекулярным массам. Значение молекулярной массы, полученное давнейшим разделением полученных фракций методом жидкостной хроматографии, составляло приблизительно 1000-2000. На основании этих данных было заключено, что пектины волосатой области представляют собой олигомеры галактуронана, с сопоставимыми структурами в различных плодах и растительных тканях.
В работе [56], путем обработки в течение 24 часов рамногалактуроназным ферментом, были извлечены вещества, составляющие в 13.6 % клеточную стенку яблока. В состав полученного вещества входили галактуроновая кислота (42 %) и нейтральные сахара -(46 %) арабиноза, и в значительном количестве рамноза. В состав галактуроновой кислоты входило большое количество метальных и ацетильных групп - 58 и 24 мг/г, соответственно. Полученные вещества были разделены на две фракции анионообменой хроматографией на DEAE Сефарозе CL-6B. Нейтральная, не задерживающаяся фракция состояла в основном из арабинозы и имела низкий гидродинамический объем, что было показано её последующим элюированием на сефакриле S500. Фракция, которая задерживалась на DEAE Сефарозе CL-6B, была обогащена галактуроновой кислотой и имела высокий гидродинамический объем. Метилированием полученной фракции показано, что она состоит в основном из арабинозы и арабиногалактанов. Во фракции, не задерживающейся при анионообменной хроматографии, также была обнаружена рамноза. При использовании в смеси ферментов пектинлаз или полигалактуроназ совместно с пектинметилэстераз при обработке клеточной стенки яблока, происходила деградация высокомолекулярных фракций, а с арабиназой и галактуроназой деградация низкомолекулярной фракции.
Из испанского альбедо лимона (16% от свежего исходного лимона) были экстрагированы фракции пектина [57], растворённые в хелатных агентах, разбавленные NaOH и остатками клеточной стенки (4, 2, 1. 8 и 5.0% от массы альбедо - мякоть лимона). Эти фракции содержали 61,3, 12,4 и 10,4%) галактуроновой кислоты присутствовавшей в остатках альбедо лимона соответственно. Каждая фракция подвергалась воздействию технического ферментативного препарата, после чего был установлен моносахаридный состав и полученные результаты сравнивались с характеристикой альбедо лимона, которые были получены растворением волосатой области (ВО) (1,4 масс% от модифицированного альбедо лимона) протопектина. Все экстрагированные пектины были богаты содержанием галактуроновой кислоты и имели остатки арабинозы, галактозы и глюкозы.
Карбазольный метод определения уранидных составляющих пектиновых веществ
Перед проведением реакции с карбазолом [89] необходимо провести деметоксилирование, так как неодинаковая степень метоксилирования затрудняет получение достоверных результатов. Деметоксилирование проводя при комнатной температуре. Для этого к 0,5 мл раствора фракции с концентрации 0,5 мг/мл приливают 2 мл 0,05 н NaOH и через полчаса 0,2 мл 0,05 н НС1. Затем в пробирки берут по 0,5 мл деметоксилированного раствора пектина, помещают в сосуд со льдом и осторожно по каплям приливают 3 мл раствора бората в серной кислоте. Раствор бората приготавливали следующим образом: 250 мг МагВ х ЮНгО х.ч. в 100мл H2SO4, р= 1,84; химически чистую кислоту прогревали до начала выделения сернистого ангидрида, затем добавляли 0,15 г химически чистой мочевины. Пробирки с анализируемой пробой встряхивают в охлажденной смеси, и после завершения реакции нагревают 6 мин. на кипящей водяной бане. После кипячения пробирки снова охлаждают в сосуде с водой и льдом. В две пробирки с экстрактом фракции пектина и одну с водой добавляют по 0,1 мл 0,2%-ного раствора карбазола в абсолютном этаноле и вновь помешают в кипящую водяную баню на Юмин. (Препарат карбазола перекристаллизован из бензола и очищен возгонкой). Раствор карбазола хранят в темноте при 4 С, в этих условиях раствор устойчив до 12 недель.
После охлаждения пробирок измеряют оптическую плотность раствора при 535 нм в кювете с рабочей толщиной 1 см. Контролем служит третья пробирка, в которой смешивают раствор бората в серной кислоте с водой (3:0,5).
Определение содержания галактуроновой кислоты в пектине производят по формуле: где, а - содержание галактуроновой кислоты в пробе, найденное по калибровочной кривой, мкг; q - масса навески, г; V - объем экстракта, полученного из навески, мл; Vi- объем, взятый для разведения, мл; V2- объем, полученный после разведения, мл; Уз- объем пробы, взятой для реакции с карбазолом, мл; 100 - коэффициент перевода в проценты; 1000000- коэффициент перевода в граммы.
Для определения моносахаридного состава ПВ [90] проводят полный гидролиз с помощью 2н H2SO4 (5мл) при 100С в течение 7 часов. Гидролизаты разбавляют водой (10мл) и нейтрализуют 0,25 М Ва(ОН)2 до рН 5-6 для удаления сульфат ионов. Добавляют внутренний стандарт (2-дезокси - D- глюкозу). Фильтруют от осадка через фильтрованную бумагу. Осадок промывают водой. К фильтрату прибавляют водный раствор карбоната натрия с таким расчетом, чтобы конечная концентрация последнего составила 0,01 моль/л. Эта операция проводится для омыления лактона уроновой кислоты. Фильтрат упаривают на роторном испарителе при 40С. Прибавляют 3 мл воды и проводят восстановление Сахаров боргидридом натрия. Избыток боргидрида натрия разлагают на колонке с четырехкратным объемом смолы (DOWEX 50Н или КУ-2). Колонку несколько раз промывают водой. Элюат упаривают досуха на роторном испарителе при 40С. К остатку приливают по 5 мл. метанола и упаривают.
Чтобы удалить борную кислоту полностью, операцию, повторяют трижды. Высушив образец от следов метанола, добавляют по 1-2 мл смеси обезвоженного пиридина и уксусного ангидрида. Полученный раствор интенсивно перемешивают, чтобы альдиты растворились в ацилирующей смеси, и выдерживают при 120С течение 1 часа. Оставляют на 12 часов при комнатной температуре. Затем смесь вливают в 50г. воды со льдом и через три часа продукты реакции экстрагируют хлороформом. Хлороформный раствор упаривают, и полученный осадок растворяют в метаноле.
Полученные таким образом, ацетаты полиолов хроматографируют на колонке ХЕ-60 на хроматоне N-AW-DMCS (0,20x250 см) в следующих условиях: температура испарителя и детектора 250С, температура термостата 200С: газ - носитель гелий со скоростью 30 мл/мин, водород -30 мл/мин, воздух - 400мл/мин.
Количественный анализ проводят методом внутреннего стандарта. Концентрацию каждого компонента СІ (масс %) определяют по формуле: Si- площадь пика компонента і анализируемой смеси: относительный поправочный коэффициент, определяемый по отношению к стандарту; Sst - площадь пика стандарта; Mst, Mm- массы внутреннего стандарта и анализируемой смеси соответственно.
К навеске пектина [29] добавляют рассчитанные количества 1%-ный водный раствор КС1 и при интенсивном перемешивания с помощью магнитной мешалки растворяют, а небольшое количества нерастворимые остатки отделяют путем центрифугирования при скорости ротора равной 7000 об./мин, высушивают и учитывают при расчете концентрации раствора. Измерения времени течения растворов различной концентрации (от 0,20 до 0,06 г/дл) проводят в вискозиметре Уббелоде (время течения растворителя 55 сек) при 25С с точностью 0,1 сек. По полученным данным рассчитывают приведенные вязкости в зависимости от концентрации раствора и путем экстраполяции первого параметра к нулевой концентрации определяют значение характеристической вязкости..
Количественное определение содержания кальция в пектине
Если для Rha и Gal величина «г» получается больше нуля и незначительно отличается между собой, то для Man соответствующая величина "г" получается меньше и больше единицы. Это означает, что остатки Man, как в ПП, так и, МГ находятся, по крайней мере, в двух энергетических состояниях и с разной скоростью подвергаются гидролизу. Данные рис. 3 также показывают, что остатки Ага в МГ практически не подвергаются гидролизу, а возрастание его доли в ходе реакции, также как и для ГК, происходит за счет снижения содержания других нейтральных моносахаридов. Перечисленные процессы приводят к тому, что содержание ГК в составе МГ фактически стабилизируются, и достигает величины более 80 % при продолжительности процесса около 1 часа. При этом неизменным остается также и степень этерификации звеньев ГК на уровне 52 - 57 %.
Состав ПВ обогащается звеньями ГК на всем протяжении гидролиза, достигая максимальной величины в конце процесса, так и не доходя до величины равной в МГ. С увеличением продолжительности гидролиза состав ПВ претерпевает сложные изменения, при которых они, наряду со звеньями ГК обогащаются остатками арабинозы и ксилозы, что позволяет заключить об образовании арабиноксилогалактуронана, причем остатки ксилозы, скорее всего, входят в боковую часть макромолекулы.
Фракции ОС содержат в основном низкомолекулярные осколки нейтральных полисахаридов. Естественным следствием суммарного процесса гидролиза является обогащение фракции ОС низкомолекулярными остатками, главным образом, нейтральных Сахаров.
Таким образом, полученные в настоящем разделе экспериментальные данные по качественному и количественному составу продуктов распада протопектина подсолнечника позволяет регулировать процесс гидролиза для получения пектиновых веществ с заданными физико-химическими характеристиками.
Одним из основных параметров пектиновых полисахаридов, благодаря которому они приобретают гелеобразующие свойства, является молекулярная масса (ММ) или эквивалентная ей величина характеристической вязкости [rj]. В литературе имеются многочисленные уравнения, связывающие величины [ц] с ММ. Однако, данные различных авторов, полученные даже для пектинов, из одних и тех же источников, не всегда соответствуют друг другу. Можно предположить, что основной причиной такого поведения пектиновых веществ (ПВ) является наличие в них микроэлементов различной природы, которые, образуя с карбоксильными группами ПВ межмолекулярные связи, способствуют формированию трехмерной структуры различного уровня. Среды элементов, способствующих этому процессу, особое место занимают ионы кальция, магния и алюминия. Состав и содержание этих элементов зависит от источника получения ПВ. Протопектины подсолнечника и свекловичника традиционно относятся к источникам с богатым содержанием тяжелых и токсических элементов, и разработка способа освобождения от них представляет собой отдельную технологическую задачу.
Действительно данные табл. 1 и результаты представленные в работах [39,40] свидетельствует, что ионы кальция участвует в формирования структуры по крайнее мере трех фракций продуктов кислотного гидролиза ПП корзинки подсолнечника - МГ, ПВ и ОС. Ионы кальция оказывают существенное влияние на ход кислотного гидролиза ПП, формируя содержание и состав продуктов распада.
Целью настоящей части работы является сопоставление микроэлементного состава пектинов полученных из корзинок подсолнечника (ПКП) и яблочной выжимки (ЯП), а также изучение влияния ионов кальция на формирование структуры ПВ, измерением вязкости их разбавленных растворов. Используемый в работе ЯП был получен по методике [50]. Его структурные параметры, полученные методом ЯМР спектроскопии, представлены в [51,99]. Для анализа микроэлементов соответствующие образцы подвергались озолированию. В табл. 3 приводятся сравнительные данные по содержанию микроэлементов для образцов [100], полученных при продолжительности гидролиза соответственно 90 (ПВ90), 180 минутой (МП 80) и ЯП.
Содержание всех элементов в обоих видах пектинов, в целом, находится в соответствие с медико-биологическими требованиями и санитарными нормами [101-105]. При сравнении ПКП и ЯП обращает внимание содержание в них 9-1 элемента кальция. Видно, что в ПКВ содержание Са доходит до 4%, в то время как для ЯП, эта величина не превышает 0,1%. Количество ионов Mg2+ в ПКП примерно на порядок меньше, чем Са2+, а в ЯП содержание этих элементов находится на одинаковом уровне.
Содержание тяжелых элементов, таких как РЬ (Норма - 1 10"4%), Cd (Норма - 1Т0"5%), Си (Норма - Г10"3%), Zn (Норма - 310"3%), в обоих видах пектинов также укладывается в рамках нормативных документов, a Cd и Hg (Норма - 110" %) - за приделами уровня чувствительности спектрального прибора. Мышьяк (Норма - 5 10"5%) в ЯП не обнаруживается, а в ПКП превышает допустимую дозу, что ставит задачей необходимость проведения дополнительной разработки по снижению уровня этого металла. Эта задача успешно решена нами, путём проведения гидролиза ПП корзинки подсолнечника в кислотно-солевой системе и последующей очистки раствора гидролизата ультрафильтрацией (См. раздел 3.3).
Влияние параметров гидролиза на микроэлементный состав и гидродинамические свойства пектинов подсолнечника
Поэтому величина наклона прямой линии в зависимости величины скорости от концентрации NaCl в первом приближении дает величину константы скорости реакции гидролиза (kA" = 1,5817), происходящие под действием аниона хлора.
Таким образом, наряду с кислотой в ускорении реакции гидролиза ПП определенный вклад может внести и анионы низкомолекулярной соли. Благодаря каталитической активности аниона кислоты открывается дополнительная возможность регулирования процесса гидролиза и формирования структурных параметров компонентов пектиновых веществ. Принимая во внимание тот факт, что реакция гидролиза ПП протекает между заряженными частицами необходимо учитывать коэффициент активности компонентов реакции. Согласно уравнению Бренстеда-Бьеррума константа скорости реакции гидролиза можно записать в следующем виде [98]:
При низких значениях рН, где проводилось гидролиз ПП в первом приближение можно считать, что пектиновые макромолекулы являются незаряженными и поэтому рассматриваемую реакцию можно принимать как взаимодействие между ионом и нейтральной молекулой. Исходя из этого, для данной реакции константы скорости реакции гидролиза ПП можно записать в виде:
Следовательно, в изучаемой системе константа скорости должна быть прямо пропорциональна ионной силе. Действительно, как видно на рис. 15 отношение k/k0 во всей области исследованной ионной силы раствора описывается в прямолинейную зависимость. При этом прямая линия, в соответствии с предсказаниями уравнение (3.10), экстраполируется к оси ордината к величине k/k0 равной к единице. Достаточно четкая прямолинейная зависимость k/k0 - I, при коэффициенте корреляции равной 0,8581, свидетельствует о том, уравнение (3.10) хорошо согласуется с опытными данными для гидролиза ПП подсолнечника, катализируемого НС1 в присутствии различного количества NaCl и последний, действительно приводит к увеличению скорости процесса.
Действие низкомолекулярной соли при гидролизе ПП подсолнечника проявляется, не только на изменение выхода и увеличение обшей скорости процесса, но и на структурные особенности моносахаридных остатков продуктов его распада. На рис. 16 и 17 представлены экспериментальные данные по изменению кислотного и эфирного чисел в МГ и ПВ в процессе гидролиза. Как видно с увеличением продолжительности процесса величина Кс в МГ снижается и как следствие этого значение Кэ в нем увеличивается. По-видимому, основной причиной такого явления связано с тем, что под воздействием низкомолекулярной соли при гидролизе ПП происходит освобождение карбоксильных групп от межмолекулярных связей, образованными ионами кальция. Как следствие этого уронидные составляющие полисахарида становится доступным к воздействию гидролизующих агентов, и по-видимому, в первую очередь анионов, что является причиной распада макромолекулы по этим участкам цепи. По этим же причинам происходит снижение величины Кс и в ПВ. Однако в отличие от МГ в ПВ происходит достаточно резкое снижение величины Кэ (Рис.18), что можно объяснить каталитическим действием карбоксильных групп цепей ПВ в процессе деэтерификации. Отсутствия такого явления в МГ, скорее всего, объясняется практически отсутствием свободных карбоксильных групп, из-за их связывания ионами кальция.
Другим параметром, существенно влияющий на свойства ПВ является общее содержания ГК, включающих уранидных составляющих, свободные и связанные в сложноэфирной группы. Как видно на рис. 19, отмеченный параметр достаточно сложным образом изменяется в зависимости от концентрации NaCl в растворе гидролизата. Если для ПВ этот параметр остается практически постоянным, то для МГ содержание ГК в зависимости от ионной силы раствора изменяется по экстремальному закону. Появление максимума в приведенной зависимости, как уже отмечалось выше в разделе 3.1, обуславливается снижением доли нейтральных моносахаридных остатков в МГ, а дальнейшие уменьшения этого параметра с ростом концентрации NaCl - падением количества галактуроновой кислоты.
Наконец, с ростом ионной силы раствора гидролизата значительно снижается характеристические вязкости, как МГ, так и ПВ (Рис.20 и 21). Если для МГ и ПВ в отсутствия хлористого натрия и в прочих равных условиях, величина [л] составляет 2,2 и 2,5 дл/г (Табл. 4 и Рис. 6), то в присутствии NaCl эти величины почти линейно снижается до величин равные соответственно 1,1 и 0,7 дл/г (Табл.5., Рис.20 и 21).
На первый взгляд снижения величин [г]] связаны с уменьшением молекулярной массы пектина. Не исключая такую возможность все-таки следует отметить, что наблюдаемая закономерность может бить связана и с изменением химических параметров пектиновых макромолекул, влекущих за собой изменение конформации полимерной цепи. Об этом свидетельствует, в частности, увеличения величин параметра Хаггинса для образцов МГ и ПВ с ростом величины ионной силы раствора гидролизата Как следствия увеличения величин К или ухудшения качества растворителя (Табл. 5, Рис. 20 и 21), происходит компактизация цепи ПВ, что приводит к снижению величины [л] (Рис. 20 и 21).
Таким образом, добавление низкомолекулярной соли в раствор при кислотном гидролизе ПП подсолнечника приводит к существенному увеличению скорости процесса, изменяя при этом молекулярные и структурные параметры соответствующих продуктов распада. Результаты эксперимента по гидролизу ПП подсолнечника в присутствии хлористого натрия дают дополнительный рычаг в управлении процесса получения высококачественного пектина.
Похожие диссертации на Гидролиз протопектина корзинки подсолнечника под действием кислотно-солевой системы
