Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 11
1.1. Влияние вносимых элементов питания на биометрические и качественные показатели сахарной свеклы 11
1.2. Экологическая целесообразность получения и применения пектиновых вешеств 14
1.3. Пектиновые вещества - составная часть биополимеров растительной клетки 17
1.4. Способы выделения пектиновых веществ из различных видов сырья 22
1.5. Концентрирование и очистка пектиновых экстрактов 30
1.6. Стандартизация пектинов 40
1.7. Современные методы исследования пектиновых веществ 41
1.8. Применение пектина 44
2. Условия, объекты и методы исследования 51
2.1. Экологические условия лесостепи ЦЧР 51
2.2. Схема проведения опыта и используемые виды анализов 52
2.3. Получение препаратов пектина 54
2.4. Определение аналитических характеристик пектина совместным кондукто- и потенциометрическим титрованием 54
2.4.1. Определение содержания свободных и нейтрализованных карбоксильных групп 55
2.4.2. Определение содержания этерифицированньгх карбоксильных групп.56
2.4.3. Определение содержания ацетильных групп 58
2.5. Определение комплексообразующей способности пектина 58
2.6. А томно-абсорбционная спектрофотометрия 59
2.7. Определение молекулярной массы пектиновых веществ 59
2.8. Ультра- и диафильтрация экстрактов и растворов пектинов 60
2.9. Методика сорбциониои очистки 62
2.9.1. Кондиционирование сорбентов 62
2.9.2. Методика сорбционной очистки в динамических условиях 63
2.9.3. Методика изучения сорбции пектина в статических условиях 64
2.10. Термический анализ 64
2.11. ИК-спектроскопия препаратов галактуроновых кислот 65
2.12. Определение содержания редуцирующих Сахаров 65
2.13. Методика очистки свекловичного пектина Na-ЭДТ А 66
2.14. Методики приготовления теста, выпечки и анализа качества хлеба 66
2.15. Статистическая обработка полученных данных 67
3. Влияние агроэкологических условий на биометрические и качественные показатели сахарной свеклы и пути утилизации жома 68
4. Разработка методов концентрирования и очистки пектина 89
4.1. Ультрафильтрационное концентрирование и очистка экстрактов пектина 89
4.2. Сорбционная очистка свекловичного пектина 103
4.3. Очистка пектинов обработкой растворами Na-ЭДТА 114
5. Гидр AT анионные и вязкостные характеристики пектинов 121
5.1. Тидратационные характеристики молекул пектина 121
5.2. Вязкость разбавленных растворов пектина 129
6. Технологическая схема производства высокоочищенного пектина 142
7. Использование пектина при выпечке хлеба 147
Выводы 152
Предложения по практическому использованию 154
Список использованной литературы 155
Приложения 175
- Экологическая целесообразность получения и применения пектиновых вешеств
- Схема проведения опыта и используемые виды анализов
- Влияние агроэкологических условий на биометрические и качественные показатели сахарной свеклы и пути утилизации жома
- Очистка пектинов обработкой растворами Na-ЭДТА
Введение к работе
Актуальность исследований. В условиях усиливающегося техногенного воздействия па объекты окружающей среды появляется необходимость повышения экологической безопасности всех видов человеческой деятельности. В производстве растениеводческой продукции это может быть достигнуто, начиная от экологически целесообразных приемов выращивания до рационального использования образующихся отходов, которыми являются, например, свекловичный жом, яблочные и цитрусовые выжимки и т. д. [26, 43, 94]. Эти отходы содержат пектин ~ одно из важнейших веществ, способствующих нормальному протеканию физиологических процессов и предотвращению негативного воздействия токсикантов на организм человека. В настоящее время имеет место дефицит пектина при рекомендуемом среднесуточном потреблении человеком 2-1.6 г. [98]. Концепция государственной политики в области здорового питания населения, принятая правительством Российской Федерации (постановление № 910 от 10 августа 1998 г.) предусматривает разработку технологии качественно новых продуктов питания функционального назначения. В связи с этим извлечение пектина из отходов для последующего использования является актуальной задачей, решение которой позволяет, наряду с утилизацией отходов, способствовать повышению качества жизни населения [49,51,114,115].
Существующая технология извлечения пектина из растительных отходов, включающая его осаждение из кислотных экстрактов этиловым спиртом, экологически небезопасна, так как требует больших объемов взрывоопасного органического растворителя. Поэтому актуальной является разработка эффективных технологических приемов выделения и очистки пектина, которые позволили бы не только повысить безопасность производства путем замены спиртового метода, но и качество целевого продукта. Такими экологически целесообразными методами очистки пектина являются мембранно-сорбционные. Литературные данные содержат сведения о возможности применения этих методов для очистки растворов пектина с использованием традиционных мембран и сорбентов, однако эти материалы обладают рядом недостатков, например, повышенной сорбцией на анионитах и соответствующими потерями пектина, невысокой стойкостью мембран в кислой и щелочной средах и другими. В то же время в последние годы синтезирован ряд сорбентов и мембран, обладающих высокой селективностью и химической стойкостью. Их использование в технологии пектина позволило бы решить актуальную задачу - повышение эффективности процесса кондиционирования пектина с получением высокоочищенных препаратов.
Свекловичный жом и другие виды отходов вследствие специфической особенности содержащихся в них пектинов способны связывать ионы поливалентных металлов и поэтому имеют в своем составе повышенное содержание щелочноземельных, а также тяжелых металлов. Очистка пектина от этих веществ является необходимой, так как с одной стороны, позволяет увеличить такое важное свойство как растворимость, а с другой - получить продукт не содержащий токсикантов, что повышает экологическую безопасность при его использовании в пищевом и других видах производств. Решение этой задачи может быть осуществлено использованием комплексонов, которые применяют в ряде отраслей пищевой и фармацевтической промышленности, ко при получении пектина практически не используются.
Известные литературные данные содержат недостаточно сведений о связи методов кондиционирования пектина с его составом и физико-химическими характеристиками - гидратацией молекул, вязкостью растворов и т.д., которые в конечном итоге определяют технологические свойства продукта. Поэтому актуальным является выявление таких связей, что позволило бы целенаправленно использовать технологические приемы получения пектина с заданными свойствами при производстве пектинсодержащей продукции.
Цель и задачи исследования. Целью работы является выявление экологических приемов при выращивании сахарной свеклы и разработка экологически целесообразных методов получения высокоочищенного пектина,
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Выявление экологически обоснованного уровня вносимых элементов питания в агроценоз сахарной свеклы и его влияние на биометрические и качественные показатели, а также выявление путей использования жома - отхода свеклосахарного производства.
2. Сравнительное исследование состава свекловичного, яблочного, цитрусового и рябинового пектинов.
Повышение уровня экологической безопасности процесса выделения пектина из растительного сырья и его очистки, заменой спиртового способа мембранными и сорбционными методами.
Выявление рациональных параметров получения высокоочищенного пектина методами ультрафильтрации и сорбции катионитом КУ-2 и неионогенным сорбентом Стиросорб МХДЭ-100.
5. Выявление оптимальных условий глубокой очистки пектина функционального назначения от ионов кальция и тяжелых металлов применением раствора Na-ЭДТА.
6. Установление физико-химических и коллоидно-химических характеристик высокоочищенных пектинов.
7. Разработка технологической схемы получения высокоочищенного пектина и путей его использования как функциональной добавки.
Научная новизна работы:
Установлен оптимальный уровень влияния антропогенного фактора на биометрические и качественные показатели сахарной свеклы. Выявлено, что максимальные значения урожайности, сахаристости и сбора пектина достигается при внесении N120P120K120 на фоне последействия навоза. Проведено экологическое обоснование и перспектиность утилизации свекловичного жома и других растительных отходов для получения природного детоксиканта - пектина. При сравнительном исследовании состава пектинов различного происхождения выявлен ряд изменения их комгшсксообразующей способности: рябиновый > свекловичный > цитрусовый > яблочный. Показана перспективность использования рябинового и свекловичного пектина в качестве детоксицирующих пищевых добавок при выводе из организма ионов тяжелых металлов.
При ультрафильтрационной очистке растворов пектинов от балластных веществ установлен ряд проницаемости мембран: рябиновый > свекловичный > цитрусовый > яблочный и выявлено, что наиболее значимым фактором, влияющим на производительность процесса, является концентрация пектина в растворе. Показано, что проницаемость мембран при работе в неизотермическом режиме с понижением температуры в 3-4 раза выше, чем с ее повышением.
Установлена повышенная поглотительная способность неионогеиного сорбента Стиросорб МХДЭ-100 по отношению к пектину по сравнению с катионитом КУ-2. Выявлено, что при последовательной очистке растворов пектина катионитом и неионогенным сорбентом полиуронидная составляющая увеличивается с 71,7 до 91,8%. Показано, что эффективная очистка растворов пектина сорбентом Стиросорб МХДЭ-100 достигается при соотношении объемов сорбент : раствор до 1 : 800 при потерях пектина не более 0,1%.
Выявлено повышение комплексообразующей способности очищаемого пектина с повышением числа ступеней очистки. Трехступенчатая очистка: ультрафильтрация - обработка катионитом КУ-2 - обработка неионогенным сорбентом Стиросорб МХДЭ-100 повышает способность пектина к связыванию тяжелых металлов, определенную по поглощению ионов свинца, с 1 81 до 253 мг РЬ ' / г пектина.
При исследовании процесса глубокого обеззоливания пектина действием Na-ЭДТА на 1%-ные растворы пектина выявлено, что оптимальными являются концентрация 0,0025 н и трехступенчатая очистка. Установлено, что при обработке Na-ЭДТА степень связывания ионов тяжелых металлов составляет более 90%, а остаточное содержание в пектине 0 - 12 % от максимально допустимых уровней. Выявлено повышенное содержание связанной воды в пектинах, осажденных из кислых экстрактов этанолом, по сравнению с осажденными хлоридом кальция. Установлено, что вязкость разбавленных солевых растворов пектина в 2 раза ниже, чем водных, что связано с разрушением структур, образованных двумя молекулами пектина. Выявлено, что минимальная степень гидратации характерна для пектина при рН раствора 3,5.
Практическая значимость работы:
Выявлена перспективность использования экологически целесообразных мембранных и сорбционных методов очистки пектина, выделенного из отходов растениеводческой продукции для повшения безотходности производства и снижения количества вредных поллютантов.
Разработана экологически обоснованная технологическая схема получения пектина, включающая процессы ультрафильтрации и сорбционной очистки с использованием нового сорбента. Полученный по данной технологии пектин может быть использован в качестве детоксицирующей пищевой добавки и в других целях.
Разработана рецептура хлеба «Павловский» с пектином на основе смеси тритикалевой и пшеничной муки и получен сертификат соответствия.
Положения, выносимые на защиту:
1. Агроэкологические условия выращивания, урожайность и качество корнеплодов сахарной свеклы и обоснование путей утилизации свекловичного жома.
2. Обоснование использования экологически целесообразных мембранных и сорбционных методов очистки пектина, выделенного из отходов растениеводческой продукции для повышения безопасности производства и снижения количества поллютантов.
3. Экспериментальные результаты исследований по очистке пектина растворами Na-ЭДТА от балластных веществ и тяжелых металлов. Влияние количества стадий очистки на способность пектина к связыванию ионов тяжелых металлов.
4. Экологически обоснованная технологическая схема получения высокоочищенных пектинов и результаты использования их в качестве пищевой добавки при выпечке хлеба.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов, представленных в работе, подтверждается использованием современных физико-химических методов анализа, математических методов обработки данных, методов компьютерного моделирования и лабораторными испытаниями,
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждены: на международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира 2004» (Белгород 1-15 октября 2004 г); на международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса" (Донской государственный аграрный университет, 1 ~ 4 февраля 2005 г); на научно-практической конференции «Российский пектин: история -~ настоящее - перспективы» (Воронежский государственный аграрный университет имени К. Д. Глинки, Воронеж I - 3 ноября 2006 г). - на научных и учебно-методических конференциях профессорско- преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Воронежского государственного аграрного университета имени К. Д. Глинки (Воронеж 2004-2006 г.г.).
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ВГАУ на 2001-2005 и 2006-2010 г.г. (тема № 6: "Разработка научных основ формирования устойчивых агроэкосистем ЦЧР" № 01.200.1003985) и координационным планом научного совета РАН по адсорбции и хроматографии на 2000-2004 и
2005-2009 г. г. (раздел 2.15.6.2: "Исследование межмолекулярных и гидратационных взаимодействий, кинетики и механизма массопереноса в ионитах и ионообменных мембранах в системах с органическими электролитами и полиэлектролитами").
Публикации. По теме исследования опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 в изданиях, реферируемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и рекомендаций по практическому применению. Общий объем диссертации состоит из 179 страниц, в том числе 30 рисунков и 29 таблиц. В списке используемой литературы приведено 209 библиографических ссылок на отечественные и иностранные источники. Приложения даны на 5 страницах.
Экологическая целесообразность получения и применения пектиновых вешеств
Развитие человечества зависит от многих факторов продовольственного, политического, экономического, социального, образовательного, научного и прочего характера. Особое значение в развитии общества в современных условиях приобретает экологический факторы и обеспечение жителей адекватным питанием. Их можно поставить в один ряд с социально-экономическими проблемами. Социальная поддержка населения стран с переходной экономикой должна включать широкий перечень мероприятий, направленных на улучшение качества жизни и питания, а также защиту среды обитания. Назрела острая необходимость на государственном уровне и в органах здравоохранения разработать целенаправленные градостроительные, экологические, медицинские, продовольственные программы, включающие профилактическое и адекватное питание, иммунокоррекцию и индивидуальную защиту людей от вредного воздействия антропогенных факторов. Одновременно с этим имеют важное значение разработка и внедрение программ по обучению населения научным основам питания, здоровья и экологии. Актуальной является профилактика попадания токсичных и радиоактивных веществ в агроэкосистемы и далее по трофической цепи в организм человека [84, 120].
Техногенные факторы воздействуют на ткани и биохимические системы человеческого организма. В результате попадания вредных веществ в организм нарушаются процессы нормальной жизнедеятельности. Поэтому деятельность по очищению внутренней среды организма является не менее важной, чем деятельность по очищению внешней среды.
Нарушения внутренней среды вызываются хронической интоксикацией. Она зависит не только от внешнего загрязнения. Схематично, причинно - следственная цепь выглядит следующим образом: нарушающие состав внутренней среды факторы ("Экологические яды" + радиация + дефекты питания и быта + систематический стресс + некоторые вредные привычки + другие факторы) - нарушение обмена веществ - образование аутотоксииов - развитие аутоинтоксикации - аллергические проявления эндоэкологической болезни. Задача освобождения организма от токсинов усложняется необходимостью удаления не одного - двух ядовитых веществ, а десятков, образовавших в организме непредсказуемый по составу и свойствам ядовитый коктейль.
На фоне воздействия техногенных факторов значительно повышается чувствительность организма к ионизирующему излучению и при его воздействии происходят не только функциональные, но и структурные его изменения. Таким образом, вся жизнь современного человека протекает под грузом экологически неблагоприятных факторов, к вышеперечисленным можно добавить вредное воздействие ксенобиотиков в квартирах (детергенты, лаки, краски, пластмассы), садах и огородах (пестициды и удобрения), из-за работы транспорта (оксид углерода, бензпиреы, смог), из-за проживания рядом с промышленными предприятиями.
Восстановление нормальной среды обитания, даже если эта деятельность будет осуществляться гораздо интенсивнее, чем сейчас, -процесс чрезвычайно длительный. А это означает, что население еще долгие годы будет вынуждено жить в экологически отравленном окружении. Существует реальная угроза, что к моменту очищения природы от химического загрязнения в организме людей произойдут необратимые изменения.
Системный анализ сложной системы "человек - производство - среда обитания" показывает, что для обеспечения выживания человека концепцию экологизации следует сочетать с двумя другими: адаптацией человека к условиям жизни в экологически неблагоприятных условиях, применением систем жизнеобеспечения человека Б среде его обитания.
Основными этапами адаптации организма человека к условиям жизни в экологически неблагоприятных условиях, по мнению авторов [49] являются: предотвращение и сведение к допустимому минимуму поступления промышленных токсичных веществ в организм человека; стимуляция выведения из организма токсических веществ, которая может успешно решаться с помощью методов комплексного очищения организма, например, с помощью пектинотерапии; общее укрепление организма, повышение его адаптации (устойчивости и сопротивляемости) в условиях воздействия вредной окружающей среды, оздоровительные поддерживающие мероприятия.
Насыщение потребительского рынка пектином является одной из приоритетных задач в связи с программой адаптации и реабилитации населения к техногенным перегрузкам, в особенности после Чернобыльской катастрофы [63].
Потребность в пектине следует из его уникальных свойств, среди которых важнейшим является способность образовывать комплексы с тяжелыми и радиоактивными элементами и выводить их из организма [50, 51, 82, 98]. Другие потребительские свойства пектина - способность образовывать студни в присутствии сахара, выполнять роль эмульгатора, быть стабилизатором в кремах и целый ряд иных свойств, объясняют его исключительную роль в пищевой промышленности [6, 30, 43].
Схема проведения опыта и используемые виды анализов
Сахарная свекла изучалась в стационаре кафедры агрохимии ВГАУ в 2003-2004 гг. в шестипольном севообороте: 1. Черный пар 2. Озимая пшеница 3. Сахарная свекла 4. Горох (зел. корм) 5. Озимая рожь 6. Ячмень Для проведения эксперимента были отобраны несколько вариантов фонов питания: 1. Без удобрений (контроль). 2. Навоз 40 т/га (последействие) - фон. 3. Фон + N2oP]2oK.!2(). 4. Фон + N240 240 240- Повторность опыта четырехкратная, расположение вариантов систематическое шахматное, расположение повторений - ярусное, общая площадь делянки - 191,7 м", учетной -50м. Агрохимическая характеристика почвы определялась по следующим показателям: - определение гумуса по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91). - общий азот по Кьельдалю (ГОСТ 26107 - 84); - валовой фосфор по Гинзбург и Щегловой (ГОСТ 26261 - 84); - валовой калий пламенно-фотометрическим методом (ГОСТ 26261-84); - сумма поглощенных оснований и гидролитическая кислотность по Каппену (ГОСТ 27821 -88); - влажность почвы по ГОСТ 28268-89; актуальная кислотность - потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85); Определение подвижных элементов питания проводилось три раза за вегетационный период в слое почвы 0-30 см; нитратный азот определялся ионометрическим методом (ГОСТ 26951-86); подвижный фосфор и обменный калий - по методу Чирикова (ГОСТ 26483-85). Определение качественных показателей корнеплодов сахарной свеклы проведено следующими методами: - сахароза - оптическим методом (метод холодной дигсстии) (ГОСТ 13496.2-91). - сухие вещества (ГОСТ 13496.2-91); - пектин по пектату Са (ОСТ 18-62-72); Учет урожая сахарной свеклы проводился методом сплошной уборки учетной делянки с определением загрязненности корнеплодов. Математическая обработка экспериментальных данных проводилась методами дисперсионного и корреляционного анализа [45].
Пектины выделялись путем обработки жома по стандартной методике [43] раствором соляной кислоты из высушенных и измельченных до размера частиц 2-5 мм растительных образцов. Гидролиз проходил при рН 1,5; температуре 75С, в течение 2,5 ч и гидромодуле процесса 1:15 к массе набухших растительных образцов. Затем экстракт отделялся от твердой фракции и осаждался 96 % этанолом. Кроме того, из экстракта, полученного из жома сахарной свеклы, осаждали пектин с помощью хлорида кальция. В этом случае экстракт нейтрализованная аммиаком аликвота смешивалась с 11,1%-ным раствором хлорида кальция. После образования коагулята спиртоосажденный пектин отжимался и промывался несколько раз 75 %-ным этанолом до исчезновения реакции на хлор-ионы, затем 96%-ным этанолом, отжимался и высушивался при комнатной температуре. Осажденный хлоридом кальция пектин подвергался поэтапной очистке и промывке по методике [113]. На первом этапе к одной объемной части пектинового коагулята добавляли 2,5 объема спиртово-кислотной смеси. На втором этапе осуществляли очистку 96 % спиртом в соотношении коагулят-спирт 1:4. Третий этап включал промывку коагулята 2,5 объемами 70 % спирта. Последний этап промывки заключался в добавлении к коагуляту 3,5 объемов чистого спирта. Очищенный и промытый пектиновый коагулянт отжимали и высушивали. Высохший пектин измельчали в диспергаторе.
В основу данного метода положена методика кондуктометрического анализа пектина, разработанная в институте органической химии АН республики Кыргызстан и усовершенствованная сотрудниками ВГАУ им. К. Д. Глинки проведением одновременного потенциометрического титрования той же пробы раствора пектина [3, 65].
Кондуктометрические измерения проводили на приборе марки "5721" с чернеными платиновыми электродами, а потенциометрическое титрование на приборе "Иономер универсальный ЭВ-74" с использованием индикаторного стеклянного электрода ЭСЛ-43-07 и хлорсеребряного электрода сравнения.
Влияние агроэкологических условий на биометрические и качественные показатели сахарной свеклы и пути утилизации жома
ЦЧР имеет посевные площади сахарной свеклы более 809 тыс. га и производит почти 2/3 свекловичного сахара в России. Выращиваемые в производственных посевах корнеплоды сахарной свеклы являются продуктами длительной селекции, направленной в первую очередь на увеличение сахаристости. Именно содержание сахарозы в корнеплодах является основной биологической характеристикой сахарной свеклы [18, 22]. Все разновидности корнеплодной свеклы включают сорта двух ее форм: многосемянной и односемянной [20].
Основными факторами, влияющими как на семена, так и на корнеплоды сахарной свеклы, являются определенный газовый режим, температура и влажность. Известно, что обеспеченность сахарной свеклы влагой считается важнейшим лимитирующим фактором в основных районах свеклосеяния [104, 105]. Интенсивный рост и развитие корнеплодов, ведущие к получению максимального урожая, наблюдаются при 60 % влажности от полной влагоемкости. Развивающиеся растения имеют высокий транспирационный коэффициент, но в благоприятных условиях он находится на уровне не выше 130 единиц. Существуют экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что с уменьшением влажности происходит повышение сахаристости корнеплодов и наоборот [139, 146].
Однако существуют критические периоды в обеспеченности сахарной свеклы достаточным количеством влаги в период интенсивного роста. Они приходятся на июль-август. Недостаток влаги в этот период значительно сказывается на урожайности корнеплодов, особенно в зоне рискованного земледелия.
Температурный режим является вторым существенным фактором, оказывающим влияние на технологические и качественные характеристики формирующихся корнеплодов сахарной свеклы. 2003-2004 годы вегетации характеризуются как типичные для центральной части лесостепной зоны ЦЧР. Наиболее благоприятным оказался 2003 год.
Составной частью агроэкологической характеристики выращивания корнеплодов являются почвенные условия, которые оказывают влияние на формирование урожайности и качественных характеристик корнеплодов.
Результаты влияния агроэкологических условий 2003-2004 годов на урожайность и сахаристость корнеплодов сахарной свеклы, приведены в таблице 2.
Как видно из полученных данных урожайность сахарной свеклы в 2003 г. была выше, чем в 2004, что связано с наиболее благоприятными климатическими условиями. Сбор сахара с 1 га в 2003 г. также был выше, несмотря на большую сахаристость в 2004 г. Имеющиеся в литературе данные о тенденции сахаристости к снижению во влажные годы подтверждаются полученными нами результатами исследований. Потребление основных элементов питания зависит от комплекса агробиологических условий, в которых находится растение. Выпадение одного из звеньев в балансе элементов питания приведет к тому, что растение будет формировать урожай, с учетом закона минимума, по тому фактору, который находится в наименьшем количестве.
Создание благоприятного пищевого режима с учетом среднем но гол етних показателей погодных условий и является главной задачей, цель которой, с одной стороны, поддержание высокого уровня плодородия, а с другой стороны, получение максимальных урожаев выращиваемых культур.
Изменять существующий баланс питательных веществ в почве можно путем внесения различных доз органических и минеральных удобрений. Наибольшее значение при этом придается азоту как ключевому элементу обмена веществ растительных клеток. Как известно, в атмосфере над каждым гектаром почвы находится примерно 800 т молекулярного азота, но при этом в почвах, которые считаются плодородными, запасы минеральных форм азота оцениваются в среднем до 80 кг/га [16, 25].
В зависимости от водно-температурного режима этот азот может мобилизоваться в почве, улетучиваться, переходя в аммиачные формы и в лучшем случае лишь 70 % минеральных форм, претерпевая микробиологические преобразования, включаются в биохимические циклы растительных клеток, превращаясь в белковые компоненты и участвуя в энергетическом обмене [19,47].
Фосфор является другим элементом формирования пищевого режима растения. Подвижный фосфор, являясь составной частью удобрений, в виде фосфат-ионов PCV диффундирует внутрь клеток, включаясь в белково-липидный и углеводный обмен. Как и в случае с азотом, определяющими факторами при этом являются влажность и температура, по регулирование фосфорного обмена происходит также под действием внесенных его минеральных форм. Запасы фосфора в черноземных типах почв считаются достаточными для формирования высоких урожаев сахарной свеклы при наличии 170 мг/кг почвы [48].
Повышенная обеспеченность почвы фосфором не приводит к его сверхпотреблению растениями, а только лишь вызывает миграцию в более глубокие слои почвы в виде недоступных для растений форм.
Систематическое применение удобрений, содержащих фосфор, зачастую приводит к повышенному содержанию его подвижных форм. Окультуренные черноземные почвы способствуют уменьшению подвижности фосфора за счет высокой буферности почвенно-поглощающегося комплекса, а также способности переводить фосфор в доступные для растений формы. Обратный процесс имеет место в тех типах почв, которым присущи процессы подкисления. Поэтому, если показатели кислотности почвы близки к уровню максимального подкисления, для повышения подвижности и, следовательно, доступности растениям фосфора проводятся мероприятия поих известкованию [74, 102].
Третьим элементом минерального питания растений является присутствующий в почвенном растворе обменный калий. Синтез большинства продуктов жизнедеятельности связан с обменом калия, недостаток которого сказывается на водном режиме внутри растения, влекущим за собой весь комплекс физиологических нарушений, в результате чего растения становятся восприимчивыми к любым стрессовым факторам [16, 72].Обменные формы калия не только участвуют в формировании структуры почвенно-поглощающего комплекса, но оказывают решающее действие на весь водно-минеральный баланс почва-растение. Содержание обменного калия в черноземных почвах колеблется в среднем от 120 до 150 мг/кг почвы. Его повышенное содержание может сдерживать поступление в растение азота и чрезмерное подщелачивание почвенного раствора.
Одним из наиболее важных агротехнических приемов повышения урожая и его качества является научно обоснованная система применения удобрений. Конечным показателем плодородия почвы общепринято считаться урожайность, выращиваемых растений. Изменение потенциального плодородия посредством системы применения удобрений позволяет успешно влиять на количественные и качественные характеристики выращиваемых культур. В системе интенсивного земледелия применение минеральных удобрений при выращивании сахарной свеклы позволяет получать высокую отдачу от них, даже с учетом высокого уровня плодородия [47].
В настоящее время проводимые научные исследования показали, что в зоне недостаточного увлажнения наиболее эффективным является однократное внесение рекомендуемой нормы минеральных удобрений осенью под основную обработку [77, 86, 99]. Это объясняется тем, что если в период интенсивного нарастания зеленой массы имеется достаточное количество влаги в почве, то потребляется свыше 70 % внесенного в нее удобрения. Являясь культурой интенсивного земледелия и обладая высокими потенциальными возможностями, сахарная свекла хорошо реагирует на внесение удобрений.
Очистка пектинов обработкой растворами Na-ЭДТА
Ионы поливалентных металлов в составе пектина играют роль сшивающих агентов, образуя «мостики» между цепями полигалактуроновой кислоты. Сшивка цепей ведет к образованию пространственной структуры, в результате чего пектин растворяется в воде лишь частично, а основная его масса ограниченно набухает [30, 43, 58]. Применение пектинов в технологии пектинсодержащих изделий в виде низкоочищенного набухшего геля вызывает его неравномерное распределение в массе продукта, что сопровождается снижением качества. Качественный пектин должен содержать минимальное количество ионов поливалентных металлов, основными из которых являются ионы кальция. Однако, благодара высокой комплексообразугощей способности, пектин также содержит миогозарадные ионы тяжелых металлов.
Взаимодействие пектина с ионами поливалентных металлов протекает одновременно по ионообменному и донорно-акцепторному механизмам. В результате образуются достаточно прочные комплексные соединения. Эти комплексы могут быть разрушены или созданием сильнокислой среды, что нежелательно, или действием комплексонов, образующих с металлами комплексные соединения с большими константами устойчивости. Одним из таких веществ является динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (Na-ЭДТА или трилон Б). Этот комплексом нашел применение в пищевой и ряде других отраслей промышленности.
Нами исследован процесс очистки свекловичного пектина растворами Na-ЭДТА. Для исследования были взят низкоэтерифицированные пектины. полученный по технологии с осаждением из экстракта как солями кальция, так и спиртовым методом. Навеска пектина растворялась в 0,01 н растворе Na-ЭДТА. Массы вещества и растворителя подбирались так, чтобы концентрация пектина в очищающем растворе составляла 1%. При выявлении влияния концентрации раствора Na-ЭДТА были использованы растворы от 0,000625 до 0,01 н. Количество циклов очистки было равно пяти. Затем пектин осаждался двукратным объемом подкисленного до рН 2,5 этанола, отмывался от хлор-ионов сначала 75%-ньш, а затем 96%-ным этанолом. После этого пектин высушивался и анализировался по методике [65], изложенной в разделе 2.4. Содержание ионов кальция в пектине определялось ло методике [44], а сопутствующих ионов тяжелых металлов на атомно-абсорбционном анализаторе (раздел 2.6.). В таблице 18 приведены аналитические характеристики пектина «спиртового» пектина на каждой из ступеней очистки.
С увеличением числа циклов очистки наблюдается общая тенденция снижения содержания свободных карбоксильных групп при относительном постоянстве степени этерификации. Причины этого заключаются в следующем. На первых стадиях процесса проходит разрушение прочных пектин-кальциевых комплексов с образованием пектина и кальций трилонового комплекса:
Однако вследствие не очень низкой степени диссоциации пектина (рК=4,5 [66]) возможен частичный обмен ионов водорода образующейся полигалактуроновой кислоты па подвижные ионы натрия трилои-кальциевого комплекса с переходом пектина в натрий-пектатную форму.
Реакция обратима, и поэтому, согласно закону действующих масс, добавление новых порций Na-ЭДТА приводит к сдвигу равновесия протекающих реакций в сторону образования пекти н-пектатных буферных смесей, что подтверждается повышением содержания в пектине его солевой формы. При полном извлечении ионов кальция из пектина процесс, описанный уравнением (31) становится единственно возможным.
Из данных таблицы следует, что для практически полного удаления ионов кальция из пектина достаточно двух ступеней очистки. При этом уже достаточное количество пектина переходит в его солевую форму. Поэтому концентрация раствора Na-ЭДТА 0,01 н является избыточной и необходимо исследовать возможность ее снижения без ухудшения качества пектина и для минимизации расхода реагента.
На рисунке 16 показана зависимость содержания свободных карбоксильных групп в пектине от концентрации Na-ЭДТА в растворе.
Возрастание содержания Кс при малых концентрациях комплексона связано с разрушением пектин-кальциевых комплексов и протеканию процесса согласно уравнению (30). Этот процесс протекает на протяжении плато до концентрации комплексона 0,0025 н, после чего начинается снижение содержания свободных карбоксильных групп в пектине и основной процесс протекает согласно уравнению реакции (31).
Похожие диссертации на Экологические аспекты получения и применения высокоочищенных препаратов пектина
