Antoshka

Путь к Файлу: /ПД и Г / Технология пектина_ИОП / 03_Глава 2.doc

Ознакомиться или скачать весь учебный материал данного пользователя
Скачиваний:   16
Пользователь:   Antoshka
Добавлен:   28.10.2014
Размер:   1.5 МБ
СКАЧАТЬ

ГЛАВА  2

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

 

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА

ПЕКТИНОВЫХ  ВЕЩЕСТВ

 

2.1. Номенклатура  и  химическая  структура

пектиновых  веществ

 

Пектиновые вещества как полисахаридный компонент растительного сырья открыты в 1790 г ученым Вакленом (Vauquelin), выделившим гидратопектин из фруктового сока. В 1825 г итальянский ученый Браконно (Braconnot) выявил студнеобразующие свойства этого соединения и назвал его пектин. Свое название он получил от греческого слова «pectos», означающего «застывающий».

В XIX в и первой половине XX в были выполнены исследования химического строения пектиновых веществ, разработаны методы определения их количественного содержания во многих плодах, ягодах и корнеплодах, определено влияние пектинов на структурные составляющие растительной клетки [166, 167].

В течение длительного времени не существовало четко сформулированной номенклатуры пектиновых веществ. В научной литературе находили применение около 50 различных терминов для обозначения их. Только в 1944 г Комитетом Американского химического общества была разработана и официально принята номенклатура пектиновых веществ. В 1951 г ученым Кертесом (Kertes) она была уточнена и в настоящее время имеет следующий вид[214]:

пектиновые вещества (pectin substances) – физические смеси пектинов с сопутствующими веществами (например, пентозанами и гексозанами);

пектин (pectin) – водорастворимое вещество, свободное от целлюлозы и состоящее из частично или полностью метоксилированных остатков полигалактуроновой кислоты. В зависимости от количества метоксильных групп и степени полимеризации существуют различные пектины. Н-пектин (H-pectin) – высокоэтерифицированный пектин. Имеет степень этерификации, т.е. отношение числа этерифицированных карбоксильных групп на каждые 100 карбоксильных групп пектиновой кислоты, более 50%; L-пектин (L-pectin) – низкоэтерифицированный пектин. Имеет степень этерификации менее 50%;

протопектин (protopectin) – нерастворимый в воде природный пектин растений, состоящий в основном из сети пектиновых цепей, образованных в результате соединения ионов многовалентных металлов с неэтерифицированными группами СООН с образованием ионных мостиковых связей и, в незначительном количестве, при помощи эфирных мостиков с Н3РО4;

пектовые кислоты (pectic acid) – полностью деметоксилированные пектины с нетронутой цепью, содержащие только карбоксильные группы. Соли пектовых кислот называются нормальными или кислыми пектатами (pectates);

пектиновые кислоты (pectinic acid) – высокомолекулярные полигалактуроновые кислоты, небольшая часть карбоксильных групп которых этерифицирована метиловым спиртом, остальные – свободны. Соли пектиновых кислот называются нормальными или кислыми пектинатами (pectinates).

производные пектина – пектины, связанные по главным валентностям с различными группами, например, ацетилпектин.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что состав и структуру многих пектиновых веществ до настоящего времени нельзя считать окончательно установленными.

Основным структурным признаком пектиновых веществ являются линейные молекулы полигалактуроновой кислоты, в которой мономерные звенья связаны a 1®4 гликозидной связью. Мономер имеет конфигурацию С1, поэтому гликозидные связи являются диаксиальными. У пектинов сахарной свеклы, подсолнечника, картофеля, груши в некоторых мономерных звеньях галактуронана спиртовые группы в положениях С2 и С3 ацетилированы.

Гетерополисахаридный характер пектина обусловлен присутствием трех структурных единиц: пектовой кислоты, галактана и арабинана. Пектовая кислота, кроме Д-галактуроновой кислоты, включает нейтральные сахара: L-арабинозу, Д-галактозу, L-рамнозу.

Существуют различные теории относительно распределения L-рамнозы в основной цепи молекулы пектина.

Риз (Rees) и его сотрудники считают [180], что в цитрусовом, яблочном и подсолнечном пектинах единицы L-рамнозы более или менее равномерно включены в галактуроновую цепь и соединены между собой 1®2-связями:

 

[(1®4)–0–a–0–GalA]n–(1®2)–0–L–Rha–[(1®4)–0–a–0–GalA]n,

 

где    GalA – галактуронан;

         Rha  – рамноза.

 

Длина полигалактуроновых последовательностей между звеньями L-рамнозы постоянна и составляет 25 единиц. С основной галактуроновой цепью ковалентно связаны нейтральные сахара в виде боковых групп или даже боковых цепей. Длинные боковые цепи состоят в основном из остатков L-арабинозы, Д-галактозы, короткие – из остатков Д-метилксилозы, Д-маннозы и L-фукозы. Эти результаты базировались на результатах частичного кислотного гидролиза, предшествовавшего фракционированию продуктов гель-фильтрацией.

Однако, другие исследователи, использовавшие подобные условия частичного кислотного гидролиза цитрусового пектина, но, проводя затем фракционирование полученных продуктов методом ионообменной хроматографии, не подтвердили эту гипотезу.

Исследования Пилника (Pilnic W) и др. [235], проведенные с яблочным пектином, показали, что L-рамнопиранозильные единицы неравномерно распределены в пределах основной цепи галактуронана. Молекула яблочного пектина, как наиболее изученного, по их мнению, состоит из «гладких» (линейных) участков и разветвленных фрагментов. Линейные фрагменты пектина являются гомогалактуронаном со степенью этерификации от 70 до 80%. В разветвленных фрагментах 1®2-связанные рамнозильные звенья чередуются с 1®4-связанными Д-галактуроно-пиранозильными звеньями, образуя рамногалактуронан-I.

Длина данной чередующейся структуры неизвестна. По этому вопросу литературные сведения также противоречивы. Так, по данным американского исследователя Альберсхейма (Albersham) для некоторых пектинов она может содержать 300 L-рамнозильных и 300 Д-галактуроновых кислотных звеньев. Приблизительно половина L-рамнозильных остатков связана через С4 с ответвлениями в виде линейных цепей из b (1®4)–Д-галактопиранозы и a (1®5)–L-арабинофуранозы. К рамногалактуроновой цепи могут присоединяться и другие нейтральные сахара: манноза, фруктоза, глюкоза. Общее количество нейтральных сахаров варьирует в зависимости от вида сырья, условий экстрагирования и последующих обработок.

Результаты исследований, проведенных нидерландским ученым Ворагеном (Voragen), показали [248], что рамногалактуронан-I (RG-I) состоит из 100 чередующихся звеньев: дисахарид [®2)–a–L-рамнозил–(1®4)–a–Д-галактозилуроновая кислота–(1®]. В зависимости от источника полисахарида от 20 до 80% L-рамнозильных остатков связаны через С4 с арабинозой и галактозой (рис.4). Результаты исследований [235, 248] показали, что длина боковых цепей может колебаться от одного до 50 и более гликозильных остатков. Иногда к концу боковых цепей присоединяются фукозил-, глюкоронозил- или 4–0–метил глюкоронозил- остатки.

03_Глава 2

 

Рис.2.1 – Схематическая структура пектина [236]:

Gal – галактоза; GalA – галактуроновая кислота; Rha – рамноза; Ara – арабиноза; Fuc - фукоза; Xyl – ксилоза; DHA – 3-диокси-D-ликсо-2-гептулозаровая кислота; KDO – 2-кето-3-диокси-D-маннооктулозоновая кислота; Api – апиоза; AceA – ацеровая кислота; GlcA – глюкуроновая кислота; Ac – ацетильные группы; Me – этерифицированные метильные группы; 4-О-Me – 4-О-метильные звенья


 

Остатки ксилозы составляют около 1% RG-I, но их местоположение в молекуле не определено. Структура и механизм расщепления боковых цепей до настоящего времени изучены недостаточно. Фракционирование смеси боковых цепей RG-I при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии и последующий масс-спектроскопический анализ показали наличие, по крайней мере, 30 различных боковых цепей [180].

По мнению исследователей [180, 190], наличие рамнозы в составе цепи пектиновых веществ свидетельствует о существовании двух различных видов гликозидных связей:

а) кислотоустойчивых – между остатками галактуроновой кислоты, а также ее звеньями и рамнозой;

б) менее кислотоустойчивых – между остатками рамнозы и галактуроновой кислоты.

03_Глава 2

Исследования последних лет [180, 190, 224] показали, что пектиновые вещества помимо гомогалактуронана, ксилогалактуронана, рамногалактуронана-I содержат также рамногалактуронан-II (рис.2.2).

 

Рамногалактуронан-II имеет очень сложное строение и состоит из 11 различных гликозидных остатков, включающих редко встречающиеся остатки апиозы, 2–0–метилфукозы, 2–0–метилксилозы, L-рамнозил-(1®5)–3–дезокси–Д–манно–2–октулозоновой кислоты и т.д.

Структура пектина сахарной свеклы отличается от приведенных выше моделей тем, что она содержит значительное количество ацетильных и феруловых групп [225]. Феруловая кислота связана эфирной связью с арабанами и галактанами боковых цепочек пектина. Свекловичный пектин содержит до 0,6% феруловых групп. В результате под действием фермента пероксидазы, способной катализировать окислительную конденсацию арабино- и галактопиранозных остатков пектиновых полисахаридов, происходит поперечная сшивка пектиновых молекул при помощи диферулатных мостиков по схеме:

 

2[пектин-ферулат] + Н2О2 ————® пектин-диферулат-пектин + 2Н2О

                                                 пероксидаза

 

По последним данным [236] структурные элементы, присутствующие в молекуле пектиновых веществ варьируются в зависимости от вида сырья.

Структура и химический состав пектиновых веществ определяют пространственную форму их молекул и характер взаимодействия с другими соединениями. Установлено, что пектиновые вещества обладают структурой с ограниченной гибкостью, стабилизируемой водородными и гидрофобными связями. Приведенный анализ отечественной и зарубежной литературы свидетельствует, что структуру боковых ветвей молекул пектиновых веществ до настоящего времени нельзя считать окончательно установленной.

 

 

2.2. Пектиновые  вещества –  составной  компонент

растительного  сырья

 

Механизм биосинтеза пектиновых веществ в растениях также не может считаться до конца выясненным.

Принятая большинством исследователей современная теория базируется на том, что основным исходным веществом для биосинтеза пектина в растительной клетке является галактуроновая и глюкоуроновая кислоты, а местом биосинтеза в растительной клетке фрагментов молекулы пектина считают аппарат Гольджи, откуда совершается их переход в оболочки клеток для формирования и полимеризации компонентов молекулы [202].

Из-за сложности и гетерогенности пектиновых веществ можно предполагать, что их биосинтез идет разными путями. На это косвенно указывают особенности превращений пектиновых веществ в онтогенезе растений и отличия, зависящие от фазы развития и органа, где накапливается пектин (лист, стебель, плод, корнеплод) [128].

По данным Karr A. [166], синтез пектина идет по следующим схемам:

 

УДФ-Д-глюкоза « УДФ-Д-галактоза®галактан;

 

УДФ-Д-глюкоуроновая кислота « УДФ-Д-галактуроновая кислота ® Д-галактуронан;

 

УДФ-Д-ксилоза « УДФ-L-арабиноза®арабинан

 

 

Затем особая ферментная система синтезирует полигалактуроновую кислоту из УДФ–Д-галактуроновой. Этерификацию пектина с метиловым спиртом осуществляет фермент, выделенный из субклеточной фракции. Донором метиловой группы является S-аденил-L-метионин.

Как известно, в онтогенезе растений происходят изменения содержания общего пектина и соотношения растворимого пектина и протопектина, характерного для каждого вида растений. Так, у большинства плодов по мере созревания увеличивается количество растворимого пектина. У сахарной свеклы, напротив, в созревающих корнеплодах накапливается протопектин. Эти данные свидетельствуют о том, что роль пектиновых веществ в жизнедеятельности растений разнообразна.

Растворимый пектин и протопектин локализованы в разных частях растительной клетки и выполняют различные функции. Протопектин входит в состав клеточной оболочки, из него в значительной мере состоят срединные пластинки; растворимый пектин находится в соке вакуоли и межклеточных слоях ткани зрелых плодов. Общее содержание пектиновых веществ, соотношение протопектина и растворимого пектина, а также их локализация в клетке различаются в зависимости от вида, возраста, условий роста и развития растений. Это обусловливает различие в технологических параметрах извлечения пектиновых веществ и их физико-химических свойствах.

В обобщенном виде анатомическое строение клеточной стенки у растений можно представить в следующем виде (рис.2.3) [235].

Полисахаридная стенка растительной клетки состоит из нескольких слоев. Наружный – образует первичную оболочку, внутренний – вторичную, которая, в свою очередь, состоит из внутреннего, среднего и внешнего слоев. Для каждого из них характерно определенное взаимное расположение молекул целлюлозы, гемицеллюлоз, пектиновых и других веществ. Химический состав и строение первичной клеточной стенки зависят от вида растительной ткани, но, в основном, ее анатомия одинакова: каркасные фибриллы целлюлозы, молекулы гемицеллюлоз и протопектина матрикса связаны друг с другом ковалентными сшивками и слабыми взаимодействиями различной природы в единую сложную структуру. В ней молекулы гемицеллюлоз связаны с поверхностью целлюлозных микрофибрилл водородными связями [224].

03_Глава 2

Целлюлоза является скелетным компонентом оболочки, в химическом отношении она представляет собой b 1®4–Д-глюкан. Молекулы ее формируют очень длинные высокоупорядоченные кристаллоподобные агрегаты – микрофибриллы, состоящие из 60...70 тесно прилегающих друг к другу параллельных и одинаково направленных целлюлозных цепей, связанных между собой водородными связями. Микрофибриллы создают структурный каркас оболочки и обусловливают ее высокую механическую прочность, варьирующую у разных видов сырья (рис. 2.4, 2.5).

Гемицеллюлозы – второй полисахаридный компонент клеточной стенки. Они связаны водородными связями с поверхностью микрофибрилл и между собой, формируя вокруг каждой микрофибриллы своего рода оболочку, и также с помощью

03_Глава 2

03_Глава 2

водородных связей сшивают их друг с другом в сложную пространственную сеть.

Третий полисахарид клеточной стенки – пектины. Пектины в растительной клетке представлены тремя полисахаридными компонентами: гомогалактуронаном, рамногалактуронаном-I и рамногалактуронаном-II. Каждый из этих полисахаридов содержит галактуроновую кислоту (табл.2.1.) [190].

Таблица 2.1

Массовая доля галактуроновой кислоты (GalA)

в пектиновых полисахаридах

 

Пектиновые

полисахариды

% к массе

клеточной стенки

%

пектина

в полимере

%

GalA

в полимере

Содержание

GalA,

%

Гомогалактуронан

 

Рамногалактуронан-I

 

Рамногалактуронан-II

 

24

 

7 - 14

 

4

57 - 69

 

20 - 33

 

10 - 11

100

 

17

 

31

87 - 91

 

5 - 9

 

5

 

Гомогалактуронан состоит из остатков Д-галактуроновой кислоты, связанных a(1®4)-связями. Рамногалактуронан-I состоит из отрицательно заряженных остатков Д-галактуроновой кислоты, связанных в фрагменты. Между фрагментами находится трисахарид, состоящий из L-рамнопиранозы (1®4) Д-галактопиранозы–a (1®2) L-рамнопиранозы. Последний остаток галактуронановых фрагментов соединен с содержащим L-рамнозу трисахаридом гликозидной a (1®2) связью. Присутствие в рамногалактуронане-I остатков L-рамнозы и a (1®2) связей приводит к изгибу его молекулы. Эти изгибы служат местами прикрепления нейтральных пектинов (например, арабинанов и галактанов), связывающих молекулы рамногалактуронана-I с молекулами гемицеллюлозы (рис. 2.6).

Около половины L-рамнозильных остатков является разветвленными, по которым и присоединяются L-арабинозильные, Д-галактозильные и небольшие количества L-фукозильных остатков.

Рамногалактуронан-II структурно отличается от рамногалактуронана-I. Он состоит из гликозильных остатков, в составе которых 2-о-метил-фукозил, 2-о-метил-ксилозил, аппозил и 3-о-карбоксил-5-дезоксил-1- ксилозил. Кроме этого рамногалактуронан-II содержит большое количество рамнозильных остатков, которые связаны по 3; 3, 4; и 2, 3, 4- связям, в отличие от рамногалактуронана-I, где рамнозильные остатки 2, 4 – связанные.


03_Глава 2

Установлено, что рамногалактуронан-II ковалентно связан с первичной клеточной стенкой через ряд (1®4)-связанных остатков галактозилуроновой кислоты, возможно через гомогалактуронаны.

Карбоксильная группа каждого остатка Д-галактуроновой кислоты может быть этерифицирована метанолом с образованием метоксильной группы, может образовывать соли с ионами металлов, в частности, кальция, или может оставаться неэтерифицированной.

Арабинаны и галактаны – нейтральные пектиновые полисахариды. Их доля по отношению к кислым пектиновым полисахаридам – гомогалактуронану и рамногалактуронанам I и II – составляет от 25 до 30 % [222].

Арабинаны – сильно разветвленные полисахариды, состоящие из звеньев L-арабинофуранозы, соединенных a-1®3 и a-1®5 связями:

 

®5)–L–Araf (1®5)–L–Araf (1®5)–L–Araf (1®

                                    3                      3

                                    ¯                     ¯

                                L–Araf            L–Araf

 

Галактаны – линейные полисахариды, состоящие из остатков Д-галактопиранозы, связанных b 1®4 связями:

 

–Д–Galp (1®4)–b–Д–Galp (1®4)–b–Д–Galp (1®.

 

Таким образом, пектиновые полисахариды первичной клеточной оболочки представлены кислыми и нейтральными полисахаридами.

Помимо полисахаридов в состав матрикса клеточной стенки входит также структурный белок, называемый экстенсином [202]. Пектиновые вещества составляют вместе с белками около 30% сухой массы клетки, причем доля белка достигает 5 - 10%.

Химический состав и строение вторичной оболочки отличается от первичной. В ней содержится меньше воды и преобладают микрофибриллы целлюлозы, которые располагаются на близком расстоянии и параллельно друг другу. Содержание целлюлозы составляет 40 - 50% от массы сухого вещества, гемицеллюлоз – 20 - 30%, лигнина – 25 - 30%, пектиновых веществ во вторичной оболочке очень мало, так как вторичная клеточная оболочка хорошо развита у одревесневших и отмирающих клеток.

Поверхность эпидермальных (покровных) клеток растений защищена гидрофобными веществами – кутином и восками. Слой кутина обычно пронизан полисахаридными компонентами стенки (пектином, целлюлозой) и образует бесклеточную пленку – кутикулу.

Покровная ткань – эпидерма – отличается у различного пектиносодержащего сырья и имеет разное строение. У крупноплодных цитрусовых [39] под эпидермой залегает многорядный слой тангенциально вытянутых клеток флаведо, содержащих мелкие желтые или оранжевые хромопласты. В толще флаведо на разной глубине располагаются эфирномасличные железки. Флаведо постепенно переходит в альбедо, состоящее из звездчатых или рогатых клеток, благодаря чему альбедо характеризуется наличием крупных воздухоносных полостей – межклеточников. Оболочка плода пронизана во внутренней части ветвящимися проводящими пучками. Такое строение и химический состав обуславливает при извлечении пектиновых веществ необходимость экстрагирования эфирных масел и применение мягких режимов гидролиза протопектина.

Корнеплоды (свекла сахарная и кормовая, морковь) имеют мощную кутикулу, покрывающую с наружной стороны эпидерму. На границе кутикулы и целлюлозного слоя находится прослойка пектиновых веществ. Эта прослойка непосредственно связана с пектиновыми веществами срединной пластинки, разделяющей соседние клетки эпидермы. С пектиновой прослойкой связана также система очень тонких и разветвленных канальцев (прожилок), пронизывающих толщу кутикулы.

У плодов, в частности яблок, кутикула неоднородна, внутри ее вкраплены включения твердых растительных восков, понижающих водопроницаемость поверхности плода и определяющих ее повышенную химическую стойкость по отношению к микроорганизмам.

Существенная особенность кутикулы состоит в том, что во влажном состоянии она в большей степени проницаема для воды, а при подсушивании ее проницаемость резко снижается. Это необходимо учитывать при подготовке растительного сырья к экстрагированию пектиновых веществ.

 

 

2.3. Растворимость

 

Пектин, как и другие студнеобразователи, не растворяется в среде, где существуют условия для студнеобразования.

Наилучшим растворителем пектиновых веществ является вода. В водном растворе пектиновая молекула имеет форму спирали, карбоксильные группы которой расположены в соседних витках.

Карбоксильные группы пектина способны к диссоциации. Константа диссоциации пектиновых веществ, являющихся полиэлектролитом, измеряется в пределах 0.1×10-4 - 10×10-4. Константа диссоциации тем меньше, чем выше плотность заряда нитевидной молекулы и чем сильнее ионная сила [166]. При высокой степени диссоциации карбоксильных групп в результате взаимодействия одноименно заряженных электрических центров, спиральная конформация молекул пектиновых веществ нарушается, их линейные размеры возрастают [167]. Водным растворам пектиновых веществ, как и золям других лиофильных коллоидов, свойственны высокая относительная вязкость, резко возрастающая при увеличении концентрации, а также структурная или аномальная вязкость [166]. Пектиновые вещества помимо воды хорошо растворяются в 84%-ной фосфорной кислоте и жидком аммиаке; в глицерине и формамиде они набухают [166]. Во многих других органических и неорганических растворителях они практически нерастворимы.

Растворимость пектина зависит от степени его полимеризации и степени этерификации. Растворимость пектина в воде увеличивается при повышении степени этерификации и уменьшении молекулярной массы [166, 266]. 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.

Для получения однородного раствора необходимо предварительно порошок пектина перемешать с сахаром или смочить спиртом. Без такой подготовки при комнатной температуре можно получить водные растворы, содержащие не более 3% пектиновых веществ.

Удобный способ растворения порошка пектина с использованием смесителя со скоростью вращения мешалки 20 -30 об/мин. Смешанный в сухом виде с 5 частями сахара тонко измельченный пектин легко растворяется в воде. Чтобы пектин растворился полностью, рекомендуется прокипятить суспензию в течение 1 мин. Так как растворение пектина затрудняется при увеличении содержания растворимых сухих веществ, большую часть сахара в рецептуре следует добавлять лишь после растворения пектина.

Пектиновые растворы оптически активны. 03_Глава 2 пектовой кислоты колеблется от +170 до +250°, Д-галактуроновой кислоты – от +50,9 до +51,9° [167]. Пектиновые вещества, судя по высокой оптической активности, обладают сильными межмолекулярными взаимодействиями, зависящими от природы основной и боковых цепей, содержания Д-галактуроновой кислоты и метоксильных групп.

Растворы пектинов обладают также способностью к двойному лучепреломлению. С уменьшением длины пектиновой молекулы под воздействием ферментов или действия щелочей двойное лучепреломление уменьшается. При очистке пектина и нейтрализации карбоксильных групп двойное лучепреломление увеличивается до тех пор, пока не произойдет коагуляция системы.

 

2.4. Вязкость

 

Повышенная вязкость является одним из характерных свойств водных растворов пектиновых веществ, являющихся лиофильными коллоидами. Молекулы пектина в растворе легко ассоциируются либо друг с другом, либо с крупными молекулами сопутствующих веществ. Являясь высокомолекулярными веществами, пектины не диффундируют из растворов через клеточные мембраны растений. Это свойство используют для отделения пектиновых веществ от низкомолекулярных веществ в процессе диффузии свекловичного сахара. Ограниченная способность к диффузии может и должна быть использована в производстве пектина, в частности, в процессах концентрирования и нормализации среды пектиновых растворов по рН. Это позволит снизить расход химических реагентов и получить целевые продукты с высоким содержанием пектиновых веществ.

Молекулы пектина в воде подвергаются сольватации, то есть вокруг них образуется жидкостный слой, более плотный в первых слоях и рыхлый в участках, удаленных от частиц пектина. Взаимное расположение пектиновых молекул в оводненных структурах может изменяться в широких пределах в зависимости от химической природы растворителя, влияя на вязкость коллоида.

Различают следующие виды вязкости: абсолютную [h], относительную [hот], удельную [hуд] и приведенную [hпр]. Для пектиновых веществ характерна также структурная или аномальная вязкость.

Вязкость водных растворов пектинов зависит от различных факторов: концентрации, длины молекулярной цепи, степени этерификации, присутствия электролитов и температуры. С увеличением молекулярной массы пектина при прочих равных условиях вязкость увеличивается. При одной и той же молекулярной массе вязкость возрастает с увеличением электрического заряда макромолекулы, определяемого количеством свободных карбоксильных групп. Исследования, проведенные с пектиновыми веществами различной степени этерификации, показали, что при рН 6 - 7 вязкость максимальная, при рН 4 – минимальная. В интервале рН 3,5 – 8,0 пектиновый раствор ведет себя как раствор пучков элементарных фибрилл. При добавлении небольших количеств NaCl в растворы пектина вязкость раствора сначала заметно снижается, а затем принимает постоянное значение для любого образца пектина [165, 167].

Высокая относительная вязкость [hот] обусловлена явлением сольватации. Для разъяснения явления структурной вязкости была предложена гипотеза о существовании внутри золя сетки из соединяющихся между собой частиц. Упругие силы коллоидной «сетки» препятствуют течению золя по капилляру вискозиметра, что обусловливает большее значение вязкости при опыте, чем у неструктурированных золей той же концентрации. При нарушении эластичной структуры внешним давлением вязкость раствора быстро падает [2].

При изменении вида растворителя и температуры равновесие, существующее между сольватацией цепных молекул пектина и их взаимной ассоциацией, смещается в ту или другую сторону. При повышении температуры вязкость снижается вследствие разрушения суперструктуры пектиновых веществ. При увеличении взаимной ассоциации молекул пектина при добавлении сахара или спирта образуются стойкие агрегаты молекул – золь переходит в гель [198]. Структурирование во время застудневания пектиновых гелей идет непрерывно, сопровождаясь постепенным увеличением относительной вязкости системы. При этом различные сахара оказывают влияние на вязкость в разной степени. Глюкоза, мальтоза и сахароза увеличивают приведенную вязкость [hпр] пектиновых растворов, в то время как декстрины понижают ее [267]. Увеличение вязкости является обязательным при формировании пространственных агрегатов между пектиновыми молекулами.

Вязкостные свойства пектинов также в определенной степени зависят от содержания метоксильных групп в их молекуле. Поведение пектинов с содержанием метоксильных групп в интервале 20 - 50% аналогично поведению высокомолекулярных веществ. Пектины с содержанием метоксильных групп свыше 50% проявляют в растворах свойства, характерные низкомолекулярным соединениям.

Измерение вязкости пектиновых растворов используют для характеристики молекулярной массы пектиновых веществ.

Вязкость растворов пектина рассчитывают по формулам:

 

Относительная вязкость

03_Глава 2,                                                                   (1)

где    t        – время истечения через вискозиметр исследуемого раствора;

t1      – время истечения растворителя;

 

Удельная вязкость

 

03_Глава 2;                                                                        (2)

 

Приведенная вязкость

 

                                               03_Глава 2,                                                 (3)

 

где    С       – концентрация пектина в 100 мл раствора, г.

 

Абсолютную или характеристическую вязкость раствора [h] определяют графическим путем. На оси ординат откладывают значение приведенной вязкости (hпр), на оси абсцисс – концентрацию пектина (С) в 100 мл раствора. Отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, дает величину абсолютной вязкости.

Величину средневязкостной молекулярной массы рассчитывают путем логарифмирования из уравнения [244]

 

                                               03_Глава 2,                                                (4)

 

где    k и а – постоянные; k=1,1×10-5, а=1,22.

По современным представлениям [244], значения постоянных k и а зависят от структуры пектиновой молекулы, и прежде всего, от количества L-рамнозильных остатков. Тогда

 

                            03_Глава 2.                                           (5)

 

 

2.5. Гибкость  пектиновых  цепей

 

В последние годы расширились исследования гибкости молекулярных цепей пектиновых полисахаридов.

Известно [160], что пектиновые молекулы имеют преимущественно нитчатую структуру и принадлежат к линейным коллоидам с длиной молекулы порядка 10-5 см. В водных растворах пектиновая молекула приобретает форму спирали. Эту конформацию обычно принимают макромолекулы, у которых дальний конформационный порядок в виде спирали иммобилизован, например водородными связями. Конформационные характеристики определяют такое важное для полимеров свойство, как гибкость цепи, т.е. способность изменять свою конформацию в результате внутримолекулярного теплового движения или вследствие действия внешних сил. Радиус вращения пектиновой молекулы, имеющей трансконформацию, в водных растворах равен 320°А [182]. По термодинамической гибкости пектиновая молекула относится к полугибким полимерам, так как параметр гибкости Флори f0=0,63 [36]. Это значит, что переход от макромолекул, неспособных изменять свою конфигурацию, к макромолекулам, содержащим гибкие связи, то есть связи, вокруг которых возможно вращение, происходит при f0=0,63. Следовательно, в водных растворах пектины представляют собой полугибкую макромолекулу, имеющую конформацию спирали с постоянным поперечным сечением. При этом карбоксильные группы располагаются друг над другом. Локальная гибкость пектиновой цепи определяется ее длиной: причем чем больше длина цепи, тем больше ее гибкость. Такое предположение было высказано автором при объяснении так называемого «феномена пектиновых веществ» в 1990 г. [36]. Позже, в 1996 г французский ученый Rinaudo M. [244] результатами своих исследований подтвердил эту гипотезу. Было установлено, что на гибкость пектиновой молекулы помимо ее длины существенное влияние оказывает ее молекулярная масса, величина отрицательного заряда диссоциированных карбоксильных групп и сила электростатического отталкивания.

Радиус вращения пектиновой молекулы может быть определен по формуле:

 

                                    03_Глава 2,                                         (6)

 

где    L       – контурная длина молекулы;

         03_Глава 2     – длина основной пектиновой цепочки.

При этом

                                                 03_Глава 2,                                        (7)

 

где    M            – молекулярная масса пектиновой цепи;

         b=4.3 А° – радиус вращения звена пектиновой цепи;

         m0           – масса звена пектиновой цепи.

 

Используя приведенные выше формулы, можно рассчитать длину пектиновой цепи, и, следовательно, спрогнозировать ее гибкость, которая обуславливает такие свойства пектиновых веществ, как вязкость, ионная селективность и отношение к электролитам.

 

 

2.6. Полиэлектролитные  свойства

 

Благодаря присутствию в молекуле уроновых кислот, пектины являются полиэлектролитами. Электростатические свойства частиц пектиновых веществ определяются величиной отрицательного заряда, являющегося функцией степени этерификации карбоксильных групп пектовой кислоты [244].

Для оценки этой функциональной зависимости введен термин – «параметр заряда» l [244].

 

                                                 03_Глава 2,                                  (8)

 

где    V       – величина отрицательного ионного заряда пектиновой молекулы;

         е        – величина заряда электрона;

         D       – диэлектрическая постоянная раствора;

         L       – контурная длина пектиновой молекулы;

         кТ     – постоянная Больцмана.

 

Электростатические свойства и, следовательно, параметр заряда пектиновой молекулы l существенно зависят от содержания метоксильных и свободных карбоксильных групп, а также длины пектиновой цепи или степени ее полимеризации. Пектовые кислоты с низким содержанием метоксильных групп имеют высокую чувствительность к электролитам. С увеличением содержания карбоксильных групп в пектиновой молекуле и степени ее полимеризации, чувствительность ее к электролитам также повышается [244]. Соли поливалентных металлов обладают большим осаждающим действием, так как ими нейтрализуется отрицательный заряд пектиновой молекулы, с образованием нерастворимой соли [160].

Прибавление электролитов к золям пектинов почти не изменяет способность к образованию структурированных гелей. При смешивании водных пектиновых растворов с полярными органическими растворителями (ацетон, спирт) пектин выделяется в виде коагулированного осадка. Это свойство используется как в производстве, так и в лабораторной практике для очистки и фракционирования пектиновых препаратов.

 

2.7. Ионная  селективность

 

Полиурониды большинства растительных тканей функционируют как природные ионообменные материалы. Установлено [244], что сродство катионов к карбоксильным группам пектатов изменяется в ряду кальций < стронций << магний. Исследования, проведенные на различных видах пектинов, показали, что пектиновые вещества связывают в 2 раза больше кальция, чем магния. Это можно объяснить тем, что по карбоксильным группам ионы Са2+ образуют устойчивую структуру, называемую в литературе моделью типа «решетка для яиц» (рис. 2.7).

В этой модели ионы Са2+ участвуют в девяти координационных связях с двумя атомами кислорода из гликозидных связей, двумя атомами кислорода из колец, двумя кислотными остатками и тремя спиртовыми группами.

Большинство исследователей считают данную модель наиболее совершенной, отражающей современные представления о химии пектина. Ионная селективность зависит от степени этерификации пектина. Установлено [244], что образование комплексов пропорционально количеству свободных карбоксильных групп. Низкометоксилированный пектин сорбирует ионы в ряду медь > цинк > кадмий.

 

03_Глава 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.7 – Модель типа «решетка для яиц»[Herbstrieth und Fox]

 

 

2.8. Действие  кислот  и  щелочей

 

Под действием кислот природный протопектин растворяется даже при низких температурах. Механизм этого действия не выяснен. Одни исследователи считают, что кислота удаляет из протопектина многовалентные катионы, другие – что наблюдается гидролиз комплекса целлюлоза-пектин [166].

Под действием сильных минеральных кислот пектовая высокоэтерифицированная кислота уже при комнатной температуре гидролизуется. При повышении температуры процесс ускоряется. Причем скорость процесса кислотного гидролиза может увеличиваться настолько, что начинает преобладать деградация пектина [187, 188].

Установлено, что в пектиновом экстракте, полученном из сушеного свекловичного жома, при температуре 78 - 80 °С и рН 0,8 – 1,0 в течение 12 ч происходит полная деградация пектиновых веществ.

Реакция взаимодействия пектиновых веществ с кислотами широко используется при промышленном получении студнеобразующего пектина из растительного сырья, пектинового клея и D-галактуроновой кислоты. Для гидролиза протопектина применяют различные минеральные (соляная, азотная, фосфорная и др.) и органические (винная, лимонная, молочная и др.) кислоты.

Гидролиз эфирных групп катализируется не только кислотами, но и основаниями. Деполимеризация при низком значении рН протекает в результате гидролиза гликозидных связей. Преимущественно расщепляется L-рамнозил-гликозидная связь:

 

 

[(1®4)–Д–a–Д–GalApA]n–(1®2)–о–L–Rhap–[(1®4)–о–Д–

                                                                                           ­

                                                                                           Н+

 

 

При гидролизе этих связей образуются галактуроногликановые цепи со степенью полимеризации около 25. Следует отметить, что при кислотном гидролизе не происходит чистого отщепления разветвленных фрагментов, даже если они образованы L-арабинофуранозильными остатками. Этот процесс всегда сопровождается деполимеризацией рамнозильных связей.

Основания вызывают деэтерификацию молекулярных цепей, сопровождающуюся реакцией b-элиминирования (рис. 2.8).

03_Глава 2

Рис. 2.8 – Реакция b-элиминирования пектиновых веществ

 

При рН 5 растворы пектина стабильны только при комнатной температуре. При повышении температуры гидролиз сложноэфирных групп сопровождается расщеплением полимерной цепи. b-отщепление имеет место лишь у гликозидных связей, находящихся рядом с этерифицированной карбоксильной группой. При рН 6 деэтерификация и деполимеризация ускоряются даже при комнатной температуре, скорость этих реакций повышается с ростом рН. При увеличении температуры разрушение пектиновой молекулы происходит интенсивно.

При осторожном добавлении гидроксида калия или натрия к разбавленным пектиновым растворам образуются кислые, а затем нейтральные пектаты, которые широко используются в практике.

 

 

2.9 Пектиновые  производные

 

Нитевидные молекулы пектина при помощи би- и полифункциональных соединений могут соединяться друг с другом, то есть происходит сшивание молекул. Карбоксильные и гидроксильные группы молекулы полигалактуроновой кислоты способны независимо друг от друга вступать в химические реакции, образуя производные по карбоксильным и вторичным гидроксильным группам соединения типа

 

 

03_Глава 203_Глава 2        О

С                                        или                           СН—ОR2                 [167].

        R1

 

При действии смеси азотной и серной кислот на пектин образуется эфир азотной кислоты – нитропектин, при действии ангидрида уксусной кислоты – ацетилпектин, спиртового раствора аммиака – амид.

Карбоксильные группы пектина могут восстанавливаться до первичных спиртовых групп с помощью алюмогидрида лития или боргидрида натрия [166]. Довольно легко происходит сшивка пектиновых веществ формальдегидом в присутствии соляной кислоты как катализатора, в результате чего образуется метильный полуацеталь пектина.

При взаимодействии пектиновых веществ с полифункциональными соединениями образуются пространственные трехмерные структуры [166, 167]. В качестве связующих агентов используют диметилдихлорсилан, глиоксаль, дихлорэтилсульфамид и др.

Пектиновые производные, например, сульфоэфиры, могут использоваться в качестве заменителей гепарина; их действие на живой организм противоположно действию самого пектина, обладающего гемостатическими свойствами.

Наверх страницы

Внимание! Не забудьте ознакомиться с остальными документами данного пользователя!

Соседние файлы в текущем каталоге:

На сайте уже 21970 файлов общим размером 9.9 ГБ.

Наш сайт представляет собой Сервис, где студенты самых различных специальностей могут делиться своей учебой. Для удобства организован онлайн просмотр содержимого самых разных форматов файлов с возможностью их скачивания. У нас можно найти курсовые и лабораторные работы, дипломные работы и диссертации, лекции и шпаргалки, учебники, чертежи, инструкции, пособия и методички - можно найти любые учебные материалы. Наш полезный сервис предназначен прежде всего для помощи студентам в учёбе, ведь разобраться с любым предметом всегда быстрее когда можно посмотреть примеры, ознакомится более углубленно по той или иной теме. Все материалы на сайте представлены для ознакомления и загружены самими пользователями. Учитесь с нами, учитесь на пятерки и становитесь самыми грамотными специалистами своей профессии.

Не нашли нужный документ? Воспользуйтесь поиском по содержимому всех файлов сайта:



Каждый день, проснувшись по утру, заходи на obmendoc.ru

Товарищ, не ленись - делись файлами и новому учись!

Яндекс.Метрика