Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 7
1.1 Способы коагуляции высокомолекулярных соединений 7
1.2 Строение и свойства пектина 10
1.3 Основные способы гидролиза - экстрагирования пектина 17
1.4 Способы осаждения пектина из экстракта 34
П. Объекты и методы исследований 40
2.1 Схема проведения исследований 40
2.2 Метод определения сорбционных свойств пектина атомно-адсорбционным спектрофотометром 45
2.2.1 Определение сорбционных свойств пектина для ионов металлов атомно-адсорбционным спектрофотометром 45
2.2.2 Определение сорбционных свойств пектина для ионов некоторых металлов при условии их одновременного нахождения в водном растворе 47
III. Разработка технологии получения пектина на основе высокочастотного вращающегося электрического поля 49
3.1 Применение высокочастотного вращающегося электрического поля для осажденного пектина из раствора 49
3.2 Определение оптимальных условий осаждения пектина из экстракта электрическим полем 61
3.3 Определение зависимости процесса осаждения пектина от параметров электрического поля 66
3.4 Преимущества технологии электроосаждения пектина 69
IV. Исследование свойств пектина, осажденного импульсным электрическим полем 75
4.1 Исследование аналитических характеристик электроосажденного пектина от параметров поля 75
4.2 Исследование адсорбционных свойств пектина, осажденного электрическим полем 80
4.3 Математическое моделирование процесса электроосаждения пектина 90
4.4 Оценка экономической эффективности способа электроосаждения пектина 112
Выводы 114
Литература
- Строение и свойства пектина
- Метод определения сорбционных свойств пектина атомно-адсорбционным спектрофотометром
- Определение оптимальных условий осаждения пектина из экстракта электрическим полем
- Исследование адсорбционных свойств пектина, осажденного электрическим полем
Введение к работе
Мероприятия по оздоровлению населения России, отраженные в Концепции государственной политики в области здорового питания населения России на период до 2005, предусматривают разработку и внедрение новых технологий, обеспечивающих максимальное удаление из готовой продукции токсичных веществ.
Минимизация последствий антропогенной нагрузки на вырабатываемую пищевую продукцию успешно реализуется в пищевой индустрии путем ее комбинирования с высокоэффективными сорбентами по отношению к тяжелым металлам, радионуклидам и другим инкорпоративным веществам. Лидирующее положение в ряду эффективных биологических сорбентов занимает растительный высокомолекулярный полисахарид - пектин, обладающий широким спектром комплексообразующих, студнеобразующих и радиопротекторных свойств, что повышает его значимость в качестве энтеросорбента. Однако, его производство в России в настоящее время не налажено.
Пектин активно используется в российской пищевой индустрии с 80-х годов XX века и за это время он стал одним из основных видов сырья, определяющих развитие пищевой отрасли. В данный момент наблюдается стабильный рост объема потребления пектина в стране в основном за счет расширения сферы применения импортного пектина в молочной промышленности и производстве безалкогольных напитков. Этому способствует и существующая тенденция отказа производителей продуктов питания от добавок животного и синтетического происхождения. Антибактериальные, антиоксидантные и детоксикацион-ные свойства пектина делают его незаменимым компонентом функциональных продуктов питания. Из всех производимых в мире пектинов различного назначения 85 - 90% используется в пищевой промышленности, что делает актуальным совершенствование традиционных и создание новых технологий поучения пектина, основанных на применении электрофизических методов, позво-
ляющих получать высококачественные пектины с повышенными показателями качества, в том числе высокими сорбционными свойствами.
Актуальность исследований подтверждена включением их в Программу фундаментальных и прикладных исследований Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции РАСХН на 2001-2005 гг. «Разработать научные основы систем технологического обеспечения хранения и комплексной переработки сельскохозяйственного сырья при производстве экологически безопасных конкурентоспособных пищевых продуктов общего и специального назначения» по теме 01.02 «Определить системологические критерии взаимовлияния физических методов и аппаратов при производстве натуральных загустителей и структурообразователей» и программу НИР департамента сельского хозяйства и продовольствия Краснодарского края 4.1.3/3 2003-2005 гг. «Исследование технологических свойств растительного сырья с целью производства новых пищевых продуктов» по теме «Разработать систему оборудования для осаждения пектина из пектинового экстракта высокочастотным электрическим полем».
Схема проведения исследований представлена на рис.1.
Разработка технологии
получения пектина с
высокими сорбционными
свойствами
Температура (t)
Продолжительность процесса (т)
Анализ функциональных свойств I
электроосажденного пектина I
Си
. . ' ' " " -;
їлитических
(стик
Исследование аналитических характеристик
Содержание
свободных
арбоксильных групп
Уронидная составляющая
Содержание
^тарифицированных карбоксильных групп
Степень этерификации
Содержание
нейтрализованных карбоксильных групп
Степень амидировани:
Содержание
метоксильных групп
Балластные вещества
Содержание ацетильных групп
Математическое описание процесса электроосаждения пектина
Разработка технической документации на
полученный пектин с высокими
сорбционными свойствами
Рисунок 1 - Схема проведения исследований
Строение и свойства пектина
Пектин относится к высокомолекулярным соединениям углеводной при роды. В 1790г. ученый Ваклен (Vauquelin) выделил из фруктового сока водо растворимое вещество, обладающее гелеобразующей способностью, а через 40 лет Браконно (Braconnot) назвал его пектиновой кислотой (от греческого «pektos» - свернувшийся, застывший). В 1924г. Смоленский первым предположил, что пектин состоит из остатков Д-галактуроновой кислоты, соединенных через а-1,4-гликозидную связь в полимерную цепочку /71,74/. В 1930г. Мейер (Meier) и Марк (Mark) подтвердили это предположение, экспериментально доказав существование полимерной молекулы пектина. Это предположение получило развитие и в исследованиях Хенглейна /134/, который впервые установил структурную формулу пектина (рисунок 1.1).
Структурная схема молекулы пектина Основным компонентом пектиновых веществ является полигалактуроновая кислота, неразветвленные полимерные блоки которой служат фундаментом макромолекул пектина (рисунок 1.2).
Структура полигалактуроновои кислоты Полигалактуроновая кислота частично этерифицирована метоксильными группами, а свободные карбоксильные группы могут быть частично или полностью нейтрализованы ионами натрия, калия, аммония.
Наличие этерифицированных карбоксильных групп открыл Фелленберг /143/. Этим он объяснил присутствие метанола в фруктовых соках и винах. Химическое строение этерифицированных пектиновых кислот отличается от строения полигалактуроновых кислот лишь различным количеством меток-сильных групп.
У пектинов сахарной свеклы, подсолнечника, картофеля, груши в некоторых мономерных звеньях спиртовые группы в положениях Сг и С3 ацетилиро-ваны (рисунок 1.3). Рисунок 1.3. Пространственное изображение ацетилированной пектиновой молекулы
При изучении продуктов частичной деструкции пектиновых веществ было установлено, что между блоками галактуроновои кислоты в основную цепь полиуронида вклиниваются остатки рамнозы с помощью а-1-2 связей /67, 126, 143/.
Проведенные исследования показали, что рамноза распределяется в основной цепочке не по случайному закону. Имеет место чередование участков, состоящих только из галактуроновых кислот и участков из триозолида.
Принципиальная структурная схема пектиновых веществ по Телмейду (а-D-галактуроновая кислота 1-2; P-L-рамноза 1-4 галактуроновая кислота) представлена на рис. 1.4.
Однако не все пектиновые вещества содержат рамнозу. Исследования, проведенные Biswas, Гориным и Оводовым, подтвердили сведения о том, что пектины, извлеченные из разнообразного сырья, представляют собой полидисперсные соединения и являются комплексной группой кислых и нейтральных полисахаридов, которая содержит три структурные единицы: пектиновую кислоту, галактан и арабинан. Принципиальная структурная схема пектиновых веществ по Талмейду Свойства пектиновых веществ зависят от химического строения молекулы пектина. Основной характеристикой, определяющей эту зависимость, является степень этерификации.
В зависимости от значения степени этерификации пектиновые вещества классифицируются на высокоэтерифицированные (Е 50 %) и низкоэтерифици-рованные (Е 50 %). Степень этерификации определяет такие важные свойства пектина как растворимость, вязкость, студнеобразующая и комплексообразую-щая способности.
Растворимость пектина зависит от степени полимеризации и степени эте-рификации. Растворимость в воде увеличивается при повышении степени эте-рификации и уменьшении величины молекулы /134, 143/.
Пектиновые кислоты, полностью лишенные метоксильных групп, даже при небольшой молекулярной массе нерастворимы в воде. Из двух пектинов с разными молекулярными массами легче растворяется пектин с меньшей длиной цепи, но с большим количеством метоксильных групп. Пектины со степенью этерификации 66 % хорошо растворимы в воде, при степени 39,6 % и менее -малорастворимы /44/.
Вязкость является одним из характерных свойств пектиновых веществ как лиофильных коллоидов. Молекулы пектина легко ассоциируются либо друг с другом, либо с крупными молекулами сопутствующих веществ.
Вязкость водных растворов пектинов зависит от концентрации, длины молекулярной цепи, степени этерификации, присутствия электролитов и температуры. С увеличением молекулярной массы вязкость увеличивается. При одной и той же молекулярной массе вязкость возрастает с увеличением электрического заряда макромолекулы (количества свободных карбоксильных групп). Для пектиновых веществ с различной степенью этерификации вязкость максимальна при рН 6-7 и минимальна при рН 4 /44/.
Метод определения сорбционных свойств пектина атомно-адсорбционным спектрофотометром
В виде критерия качественных показателей целевого продукта выбраны сорбционные свойства пектина. Для определения сорбционных свойств пектина использовали атомно-адсорбционный спектрофотометр AAS1N. Сущность метода заключалась в сравнении содержания ионов металлов в растворе до и после адсорбции и осуществлялась следующим образом:
Две навески пектина массой по 100 мг поместили в пробирки Флорин-ского. В первую пробирку добавили 4 мл бидистиллированной воды и использовали в качестве контрольной на наличие исследуемого металла в пектине. Во вторую пробирку добавили 3,9 мл бидистиллированной воды и 0,1 мл стандарта иона металла (ГСО) с концентрацией 1000 мг/л, что соответствовало 0,1 мг иона металла.
Пробирки устанавливали на встряхиватель, помещенный в термостат, при температуре +37 С и встряхивали 20 мин. Затем растворы центрифугировали при n = 4000 об/мин в течение 5 мин. Максимально возможное количество надосадочной жидкости отсасывали при помощи пипетки с резиновой грушей, переносили в маркированные пробирки.
Приготовление стандартных растворов ионов металлов из ГСО проводили путем двукратных разведений раствора ГСО ионов металлов бидистиллированной водой в 10, 20, 40, 80, 160 раз. Таким образом, были получены стандартные растворы с концентрацией ионов металлов 100; 50; 25; 12,5; 6,25 мг/л.
Определение концентрации ионов металлов, оставшихся непоглощенными пектином в надосадочной жидкости, а также в растворах из ГСО проводили атомно-адсорбционным методом по ГОСТам 26928-86, 26934-86, 26931-86, 26932-86. Дополнительную минерализацию надосадочных растворов, со держащих растворенный пектин в следовых количествах в смеси с ионами металлов, не проводили, так как при исследовании использовали пламя ацетилен-воздух с температурой свыше 2000 С, что позволяло полностью разрушить остаточную органическую часть пектина. По показаниям прибора были построены калибровочные кривые для стандартных растворов ионов металлов Си +, Zn +, Fe3+ (Приложение А). Так как калибровочные графики имели экспоненциальный вид, расчет концентрации ионов металлов в исследуемом растворе вели по наиближайшим полученным значениям (точкам).
Расчет количества поглощенных ионов металла проводился следующим образом: 1. Определяли концентрацию ионов металла в исследуемом растворе по формуле: СІІе= хСст,(мг/л) (2.1) где: Сме - концентрация ионов металла в исследуемом растворе, мг/л; Дет - оптическая плотность для стандартного раствора иона металла выбранной концентрации по калибровочной кривой; Доп - оптическая плотность для исследуемого раствора; Сет - концентрация ионов металла в выбранном калибровочном растворе ионов металла из ГСО,мг/л. 2. Затем пересчитывали содержание ионов металла в 4 мл исследуемого раствора. 3. Поглощение определяли как разность между содержанием ионов металла в растворе до и после адсорбции.
Например, для определения количества поглощенных ионов металла Zn2+ в 4 мл раствора пектина вычисляли коэффициент CZn + по формуле (2.1). Так как при измерении мы получили для ионов Zn2+ Д0п = 83,5, то ближайшим значением по калибровочному графику будет ДСт = 82 для концентрации стандартного раствора Сст = 6,25 мг/л. Подставив значения в формулу (2.1), получим: CZn2 = — 6,25 = 6,1377мг Iл =0,0061377 мг/мл 83,5 Содержание ионов Zn2+ в 4 мл исследуемого раствора будет равно 0,0061377x4 = 0,02455 мг. Так как исходное содержание ионов Zn2+ составляло 0,1 мг в 4 мл, то разница содержания ионов Zn2+ в исходном и исследуемом растворах составит 0,1 - 0,02455 = 0,075449 (мг) Следовательно, 100 мг пектина в водной среде поглощают 0,075449 мг ионов Zn , что составляет 75 % внесенного в раствор количества ионов Zn .
Навеску электроосажденного пектина массой 100 мг поместили в пробирки Флоринского, добавили 2,6 бидистиллированной воды, 0,1 мл стан-дартного раствора ионов Zn , 0,1 мл стандартного раствора ионов Fe ,0,1 мл стандартного раствора ионов Си2+, 0,1 мл стандартного раствора ионов РЬ +. Концентрация стандартных растворов ионов всех металлов составляла 1000 мг/л.
Пробирку устанавливали на встряхиватель, помещенный в термостат при температуре 37 С и встряхивали 20 мин. Затем центрифугировали при п = 4000 об/мин в течение 5 мин. Концентрацию ионов металлов определяли атомно-адсорбционным методом по ГОСТам 26928-86, 26934-86, 26931-86, 26932-86. Расчет количества поглощенных ионов металла проводили аналогично п. 2.4.1 для каждого металла.
Определение оптимальных условий осаждения пектина из экстракта электрическим полем
Выход и свойства пектина во многом зависит от технологических условий его производства /11,45,85,86,121,128,129,133/. Как было отмечено в главе 1, в настоящее время существует два основных способа осаждения пектина из экстракта - органическими коагулянтами и солями поливалентных металлов. Основные факторы, влияющие на процесс осаждения, качество пектина - это вид коагулянта, соотношение коагулянта и экстракта, время воздействия коагу-лянта.
Для определения оптимальных условий осаждения пектина из раствора с помощью импульсного электрического поля были проведены исследования зависимости скорости осаждения пектина от условий осаждения: температуры раствора, продолжительности процесса, величины напряжения на электродах, от величины тока через раствор /8,9,16,19,22,23,138,139/.
При проведении исследований использовали пектиновый раствор, кото т. рый готовили растворением яблочного пектинового порошка в дистиллирован ной воде до определенной концентрации. Для определения зависимости про цесса осаждения от температуры были проведены эксперименты, где значение температуры экстракта варьировали от 10С до 40С, продолжительность про цесса и концентрация раствора для каждого эксперимента оставались одинако выми. На рисунке 3.5 представлена зависимость выхода пектина, % от темпера туры экстракта t при продолжительности процесса х=2 часа. Напряжение на од ной паре злектродовШ=5 В, ток через раствор 1=300 мА, частота следования импульсов (=20 кГц. В этой зависимости следует выделить три области температур: 10 20С; 20-гЗОС; 30ч-40С. Из кривой следует, что в области низких температур осаждение мало, что очевидно, связано с высокой вязкостью раствора, которая оказывает сопротив 62 ление раскручиванию молекул пектина. При температуре выше 30С скорость осаждения также падает, что является результатом роста средней кинетической энергии молекул и, следовательно, увеличению частоты столкновений молекул, создающие также сопротивление вращению. Средняя область температур 20ч-30С является, по-видимому, оптимальной, при которой осаждение максимально.
Интенсивность процесса осаждения зависит от продолжительности процесса т. Были проведены эксперименты по установлению этой зависимости. Определялось количество осажденного пектина из экстракта одинаковой концентрации при различном времени воздействия электрического поля. Эксперименты были проведены для двух значений температуры экстракта, ti=23 С, t2=30 С. Электрические параметры при этом оставались постоянными: напряжение на одной паре электродов Ш = 5 В, ток через раствор I = 300мА, частота следования импульсов (=20 кГц.
На рисунке 3.6 представлена зависимость выхода пектина, % от продолжительности процесса (т) электроосаждения.
Из этой зависимости видно, что после двух часов осаждения наступает эффект экранирования электрического поля электродов за счет слоя нанесенного пектина, после которого процесс осаждения прекращается.
При этом электрические параметры не меняются. Так как пектиновый экстракт является хорошим электролитом, то при прохождении тока через него со временем наступает эффект поляризации электродов, когда сила проходящего через электролит тока при неизменной разности потенциалов, приложенная извне к электродам, с течением времени уменьшается и может упасть практически до нуля.
Молекулы пектина, освободившись от гидратной оболочки, под действием неоднородного внешнего поля перемещаются в сторону электродов, где напряженность поля выше. Возле электродов образуется слой пектина, который создает «обратный» ток в растворе. Со временем этот «обратный» ток сравнивается с током, вызванным разностью потенциалов, приложенной к электродам извне. И тогда, ток через раствор прекращается, напряженность поля Е в растворе стремится нулю, наступает электростатическое равновесие, когда электрические параметры остаются неизменными и процесс осаждения прекращается.
Таким образом, явление поляризации электродов (или эффект экранировки электродов пектином) ограничивает процесс осаждения пектина по времени воздействия электрического поля. Для данных экспериментов время экранирования составило т=2 ч.
При проведении эксперимента было установлено, что время экранирования электродов зависит от электрических параметров и при увеличении тока че-рез раствор до 600 мА сокращается до 1 часа.
Зависимость времени экранирования электродов от параметров внешнего поля, кислотности экстракта, а так же влияние экранирования электродов на процесс осаждения требует дополнительных исследований. Результаты экспериментальных исследований и математического моде лирования показали, что наиболее оптимальными, с точки зрения интенсивно сти осаждения, следует считать следующие условия: температура экстракта t0 = 20 + 30 С, продолжительность процесса осаждения т = 1 + 2 ч.
Исследование адсорбционных свойств пектина, осажденного электрическим полем
Пектин применяется как высокоэффективный комплексообразующий сорбент в лечебно-профилактическом питании и в медицинских целях /73,74,136/. Однако, свойства пектина и пектиновых препаратов, в том числе и комплексообразующая способность во многом зависят от технологических условий его производства. Поэтому с целью выяснения влияния вращающе гося электрического поля на свойства пектина были проведены исследования /18,20/ по адсорбции ионов металлов: Pb2+, Zn2+, Cu2+, Fe2+ пектином (П-2), осажденным электрическим полем. Полученные результаты сравнивались с аналогичными свойствами известных адсорбентов: угля, си-ликагеля, карбоната кальция, окиси алюминия, а также пектина, осажденного этиловым спиртом (взятого в качестве исходного). Для определения поглощения ионов металлов пектинами исходным (П-1) и осажденным в импульсном вращающемся электрическом поле (П-2) применяли атомно-адсорбционный спектрофотометр AAS1N. Использовался стандарт металлов ЮООмг/лизГСО.
В приведенной таблице 4.3 даны значения металлов, поглощенных в 100 г известных сорбентов и пектинов П-1 и П-2.
Более высокая комплексообразующая способность пектина П-2, по сравнению с пектином П-1, подтверждает ранее высказанное предположение о том, что во вращающемся электрическом поле молекула пектина претерпевает структурные изменения, влияющие на свойства пектина. Кроме того, пектин П-2 является достаточно хорошим сорбентом при сравнении его с известными сорбентами. Все ионы использованных металлов более интенсивно поглощаются пектином П-2, чем пектином П-1. Рассматриваемые ионы металлов по своей активности поглощения электроосажденным пектином можно расположить в ряд: Pb2+ Zn2+ Cu2+ Fe2+
Вместе с тем для исходного пектина аналогичный ряд имеет следующий порядок расположения ионов исследуемых металлов в порядке убывания «сродства» к пектину: Cu2+ Pb2+ Fe2+ Zn2+
Анализ полученных рядов металлов показал, что в исходном пектине активность поглощения напрямую была связана с величиной электроотрицательности исследуемых ионов металлов в порядке возрастания последней, то есть в порядке усиления восстановительных свойств и ослабления окислительных. +1,75 -1,55 -1,64 -1,66
В отношении пектина П-2 отсутствует очевидная закономерность, в то же время отмечается «сродство» пектина П-2 к исследуемым поливалентным металлам снижается с уменьшением атомной массы металла. При рассмотрении ряда активности металлов по отношению к пектину П-2 на примере атомных масс прослеживается зависимость: 207,2 65,4 63,5 55,9
Вышеперечисленные результаты при их экстраполяции позволяют предположить, что наибольшую активность такой пектин должен проявлять по отношению к ионам металлов большей атомной массы (ртуть, свинец) и радиоактивных (цезий, уран, плутоний) металлов.
При условии отсутствия свободных карбоксильных групп у пектина П-2 взаимодействие молекулы с ионами металла проходит по донорно-акцепторному механизму за счет конкурентного замещения протона водоро да при неподеленной электронной паре амидного азота поливалентным ионам тяжелого металла. В этом случае ион металла с большей атомной массой имеет и соответственно больший радиус, что делает этот ион менее подвижным, а связь между ним и пектиновой молекулой, следовательно, более стабильной.
Измеренные значения поглощения ионов металлов указывают, что адсорбционные свойства электроосажденного пектина П-2 сравнимы с известными сорбентами, мало зависят от температуры окружающей среды и обусловлены в большей степени химическими свойствами электроосажденного пектина П-2.
Для более детального изучения адсорбционных свойств пектина П-2 были проведены дополнительные исследования по определению адсорбции пектином П-2 ионов некоторых металлов при условии их одновременного нахождения в водном растворе. Для сравнения были проведены аналогичные исследования и для пектина П-1, и для некоторых известных сорбентов: окиси алюминия, активированного угля, силикагеля и карбоната кальция (мела).
Активность сорбентов относительно смеси ионов металлов представлена на рисунках 4.1,4.2. Пектин-2, в результате происшедших с ним изменений при осаждении, приобрел большую сорбционную активность ко всем исследованным ионам металлов, находящихся в смеси. Осажденный пектин в сравнение с первичным активнее поглощает цинк (в 8 раз), железо (в 2,3 раза), медь (в 1,5 раза), свинец (в 1,4 раза).
Несмотря на то, что осажденный пектин (Пектин-2) проявил несколько меньшую сорбционную активность в сравнение с активированным углем и мелом относительно железа, меди, свинца, но оказался суммарно эффективнее всех выбранных сорбентов за счет цинка. Поэтому разброс в показателях поглощения для осажденного пектина минимален, в то время, как для других сорбентов, включая первичный пектин он значителен.
