Физико-химические свойства низкометилированных пектинов и особенности их производства тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

^ На правах рукописи

сг>

э

ю

АСОЕВ МАХМАДШАРИФ ГАДОЕВИЧ

ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОМЕТИЛИРОВАННЫХ ПЕКТИНОВ И ОСОБЕННОСТИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

(02. 00. 06 — химия высокомолекулярных соединений)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Душанбе — 1996

Работа выполнена в лаборатории химии медико-биологических полимеров Института химии им. В. И. Никитина АН Республики Таджикистан.

Научные руководители: доктор химических наук, член-

корреспондент АН Республики Таджикистан, профессор ХАЛИ-

ков д. X.,

кандидат химических наук, старший научный сотрудник МУХИД-ДИНОВ 3. к.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, член-

корреспондент АН Республики Таджикистан, профессор МА-РУПОВ Р. М-, кандидат химических наук, старший научный сотрудник КУРБАНОВ М. К.

Ведущее предприятие: Таджикский аграрный университет.

Защита состоится « » ¿¿са/'рл} 1996 г. в час.

на заседании диссертационного совета К 013. 02. 02 в Институте химии им. В- И. Никитина АН Республики Таджикистана, но адресу: 734063, г. Душанбе, ул- Айни 299/2.

С диссертацией можно ознакомиться в билнотеке Института химии АН Республики Таджикистан.

Автореферат разослан « » р^цтЗ ¿¿л, 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук 1. Б. ШАРИФОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ о Актуальность проблемы. Широкое применение поктиновых веществ в пищевой и медицинской промышленности основывается на их структурообразующих п сорбционных свойствах, которые непосредственно связаны с микроструктурой полимерных цепей полисахарида, его молекулярной массой и молекулярно-массовым распределением. Достижение необходимых значений этих параметров при выделении пзктпновых веществ из растительного сырья требует очень топкого регулирования процессов гидролиза.очистки и концентрирования гидролизата. Существующие промышленные технологии получения пектиповых веществ, кромо многоступенчатости содержат ряд взаимоисключающих стадия, из-за чого реше-нио вышеназванной задачи становится проблематичным. Так, например, несмотря на огрокшо .достижения , в области проведения гидролиз-экстракции протопектина, но только с минеральными кислотам!, но и фермоьташ, солями и т.д., на следущей стадии концентрирования в выпарных ваккум-аппаратах происходит значительное изменение как структурах, так и молокуляршх параметров пекппювых веаеств, что практически сводит на нет все преимущества первого этапа технологического процесса. Эти процессы ещо больше усугубляются при получении пизкометилирован-кых (ПМ-) пектинов, находящих все большое примечание в пищевой и медицинской промышленности, поскольку при омылении слохнсэ$иршх груш одновременно происходит дестругашя макромолекул пектиновых веществ. К тому же значительно усложняются технологические процессы, поскольку возникает необходимость включения дополнительной лгаши по омылению готового продукта пектина. В связи с этим все разработки, направленные на сохранение нативной структуры пектиновых веществ, достигнутой на стадии гидролиз-экстракции, до получения целевого продукта, являются важной и актуальной задачей.

Лля рошеш5Я поставлегной задачи весьма перспективным является использование мембранной технологии на стадии очистки и коктдгн7рирсвштя__пектиновых гидролизатов, поскольку прл этом благодаря низкой тегаературо не только сохраняется нативнзя структура полисахаридов, но и происходит их освобождений от низкомолекулярных и красяхк агентов при одновременном коп-

центрировании раствора.

Цель» данной работы является изучение поведения низкоме-тилированных пектинов в растворе и использование полученных закономерностей в модификации технологии гидролиза и очистка путем ультра- и дкафильтрации.

Для достижения указанной цели били поставлены и решены следующие задачи:

- Изучение физико-химических свойств НМ-пектина в разбавленных и концентрированных растворах;

- Изучение термодинамических и кинетических особошостей гидролиза протопектина яблок и разработка способа мембранной очистки и концентрирования раствора пектин-гидролизата;

-Разработка и внедренио технологии получешш ИЫ- пектинов и изучение их применимости в готовой промшлешюсти и модицино.

Диссертационная работа проводилась в соответствии с планом НИР Института химии им.В.И.Никитина АН Республики Таджикистана на 1992-1995 гг. "Синтез полимеров производных эгинил-шшоридола и биорегуляторов, виделоиие из природных источников пектиновых веществ,а также изучение га физико-химических и биологических свойств" (номер.регистрации ооооооз5б от 15.03.9бг)

Научная новизна. Изучая электрохимические и гидродинамические свойство низкометшшроватшх пектинов в растворо моно- и поливалонпшх электролитов, исслодован гонозис внутри-и можмолекулярных .взаимодействия, приводящих к сорта конформа-циошшх измононий, вплоть до образовать агрегатов макромолекул.

-По данным моносахаридоого состава и закономерностям кинетики распада протопектина яблок обоснована возмокность управления процессами гидролиза протопектина на разных этапах деградации, что способстйует получению пектиновых вещоств с заданными свойствами.

-Обоснована возможность использования високопористах мембранных аппаратов для ультра- и даафиплрации и достигнута их ьисокая производительность при очистке пектин- гадролнзэтог..

Практическая цеююсть работа. Получешше в настоящей роботе закономерности гидролиза протопектина, изучешше физи-ко-химическио свойства пектинов в растворе и способ мембранной очистки гидролизата были использованы при разработке техноло-

гии получения НЫ— пектинов, который был апробирован и внедрен на базе ПАЛО "Шахринав" Республики Таджикистан. Разработан комплекс нормативно-технической документации по производству и врименению низкометилированных пектинов (регламент произвол-стба, ОСТ, фармстатьи, различные инструкции и т.д.). Получено разрешение фармакологического комитета МЗ РТ на применение HW-пектина в медицине. Впервые Ш-пектин использован для терапии больных с хелчнокакенной болезньв.

Апробация работа. Основные результата работы были доложены на научной конференции,посвященной памяти академика Нумано-ва И.У. (Душанбе,1994), конференциях молодых ученых и специалистов (Душанбе, Худжанд, 1996), Мевдународной научно-практической конференции "Научно-технические нововведения и охрана окружающей среда" (Худаанд, 1996), Научной конференции, посзященной ьо-летию Института химии им. В.И Никитина АН РТ (Душанбе, 1996г.):

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных статей и тезисов, докладов, подана одна заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов исследования и их обсуждения, выводов, списка.,' литературы и приложения. Работа изложена на 110 страпзщах казжноппсного текста, иллюстрирована 34 рисунками а 9 таблицами. .Список цитируемой литературы включает ni наименований.

Во введении излагаются предпосылки и основные проблемы исследования, обосновывается актуальность работы, раскрывается структура диссертации.

В литературном обзоре, "Анионные полисахариды в растворе", который составляет первую главу диссертации и состоит из четырех разделов: "Полисахариднке поли?лектролиты". "Поведение анионных полисахаридов в разбавленном растворе", "Свойства анионных полисахаридов, в концентрированном растворе" и "Способ выделения и очисткт пектиновых гидролжзатов", проведен анализ последовайи отечественных и зарубета ученых по изученив указанных в названиях разделов проблем.

В экспериментальной части, предстввлящей вторуа глазу диссертации, приведены характеристики исходных вэяэств и

использованных реагентов, методики анализа и изучение физико- химических и структурных характеристик пектиновых веществ.

В третьей главе "Результаты и их обсуждение" изложены данные, полученные- в результате 'проведения исследования в соответствии с целью работы.

В приложении к диссертации представлены акты испытаний и внедрения способа получения НЫ-пектива, отражающие практическую ценность полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объекта исследования. Процесс гидролиза фруктового сырья в лабораторных условиях vt в производстве в основном бил изучен на примере выжимок яблок осеннего сорта урожаев 1989 и 1994 гг. Низкометилированный пектин был получен в опытно-экспоримен-тзльном цехе ПАЛО "Шахринав" Республики Таджикистан и имел следующие характеристики: Выход пектина-12*, содержание галакту-роновой. кислоты-70,1*; влажность-в,9*, содержание микроге-ля-6,7*. содержание нейтралышх сахаров-16,4*, зольность-б,258, статическая объемная емкость С0Е=2,25 мэкв/г, степень этериЯи-кации-47.Э#. характеристическая вязкость, после освобождения от микроголя в 155-ном растворо Kaci Г"П ] - 1,14 дл/г, кислотноо число К0-2,86, эфирное число Кэ=2,1, состав нейтральных Сахаров: Рамноза -1,35*; арабшюза -2,245f; ксилоза -0,53%; магаю-за-25Я; галактоза-б8,5Я И глхжоза-2,30%; характеристика других видов пектинов, использованных в данной работо, дана при описании результатов соответствующих исследований.

1. ОСОБЕННОСТИ ИОНИЗАЦИИ НИЗКОНЕШИРОВШШХ ПЕКТИНОВ

Специфические свойства пектиновых веществ как полиэлоктро-литов проявляются в условиях, в которых их макромолекулы имеют локальные некомпенсированные заряды. Эти свойства в основном определяются взаимодействием заряжошшх групп полиионов мовду собой и с окружающими их низкомолекулярными противоионами.

На основании данных потенциометрического титрования НМ-пектина определены численные величины статической объемной

емкости (Е), характеристические константы ионизации (р^) при различных значениях степени ионизации (а), параметр "п" в уравнении Гендерсона-Гассельбаха и величина влектростатичекого составляющего свободной энергии (4оэд). Показано, что величина рк^, как и отдалось, увеличивается с ростом значения а, а зависимость рН от 1£(а/(1-а)), согласно уравнению Гендерсона-Гассельбаха, носит прямолинейный характер при численой величине п=2,1.

Данные по значения* п>1, а также зависимости величин р^ и ¿оэл от а свидетельствуют о значительном влиянии соседних Функциональных групп на ионизацию карбоксильных групп мономерных звеньез галактуропанов макромолекул. Величина Е значительно меньше, чем значение Е для пектовой кислоты и при статическом распределении на семь моносахаридных остатков приходится по две карбоксильные группы. Тем на менее, при таком значительном расстоянии'меаду карбоксильными группами их влияние на ионизацию друг на друга достаточно высока, что, по-видимому, мокет быть при спиралеобразной форме участков макромолекул, которые стабилизированы в неионизированном состоянии водородными связями. Наличие водородных связей в пектиновой матрице описано в литературе и исследовано рядом авторов.

При ионизации макромолекул НЫ-пектина происходит значительные конформационные измэнения обусловленные не только воздействием одноименных зарядов, но в разрушением нлп перераспределением водородных связей.

Таким образом, ионизацию 13!-поктпгав кокно описать с помог, ш закономерности, присущей полимерным электролитам, с учетом некоторых структурах особенностей, связанных с наличием внутримолекулярных водородных сзязой.

2. «стк0-тагат1еские свойства растворов яблочных пектинов

Изучение физико-хичических свойств макромолекул пектина в растворе имеот особое значение в связи с необходимостью разработки эффективной технологии гидролиза-экстрации протопектипа, очистки и использования готовой продукции в различных отраслях народного хозяйства. При производства пектина на различных

стадиях технологического процесса происходит значительное изменение концентрации растворов от разбавленных до умеренно концентрированных систем. Знание соответствующих ' . закономерностей, контроль параметров раствора и четкое управление технологическими процессами, в коночном счете, приводит к получению пектинов с заранее заданными свойствами. В этой связи* особый интерес представляют НМ-пектшш и возможность получения высококачественных структурообразователей на их основе, поскольку становится возможным значительное умень-нение содержания сахара и замена его на ионы поливалентных металлов.

Свойства низкометилированных пектинов в разбавленном растворе. В разбавленном растворе гидродинамические свойства пектиновых веществ былл изучены методом вискозиметрии. Следует отметить, что в литературе имеются многочисленные данные по измерению вязкости пектиновых веществ в разбавленном растворе, которые были использованы для рассчета молекулярных масс. Однако, даже при одинаковых по характеристике объектах данные различных авторов значительно расходятся меаду собой. Одна из причин тйкого расхождения связана, по-видимому, с неудачным выбором области концентрации при измерении вязкости растворов пектина. Поэтому при выборе области концэтрацш и при пороходэ от . разбавленного к умеренно концентрированному и концентрированному растворам и качествя растворителя нами учитывались различные критерия,, в частности, сравнение концетрации (С) с обратным значенном характеристической вязкости (1/[т)]) и оценка числошшх значений констант Xarnftsca (К*). Эти же критерии применялись также для растворов различной ионной силы (J), которая достигалась прибавлением в раствор различных количеств солей NaCl, KCl, СиС1г, CaCi2, Aicij. Показано, что во всой области концентрации пектина и ионной силы достигается критерий С < i/(ri], что свидетельствует о выполнении бсох изморекий вязкости в области разбавленных растворов. Величина К' увеличивается с ростом ионной силы раствора й в изученном интервале, удовлетворяет критерий К' > 0,5. что соответсвуот понятию "плохой ' растворитель". Прй выполнении измерений в присутствии солей натрия и калия липь при Низких значениях ионной силы качество

растворителя удовлетворяет критерия "хорошего растворителя" (К' а 0,2-0.3).

о Для всех изученных систем, кроме растворов, содержащих ионы кальция, происходит прямолинейное уменьшение величины [г)] с ростом ионой силы.В присутствии ионов Саг+величина увеличивается с ростом значения «т. Полученные результаты указывают на то, что если действие ионов щелочных металлов, меди и алюминия направлено на уменьшение эффекта полиэлоктролитичоского взаимодействия в полимерной цепи вследствие частичного экранирования зарядов, то ионы кальция могут непосредственно взаимодействовать с карбоксильными грушами пектиновых макромолекул. В связи с тем, что все измерения проводились в разбавленном растворе, исключается межцепное взаимодойсгвие, и аномальное поволокло ионов кальция следуот целиком отнести к внутримолекулярному эффекту, который по видимому обусловлен измено!!ием формы полимерного клубка.

Из данных измерений характеристической вязкости можно оценить параметр меткости "В", при различных ионных силах раствора по уравнению

Б' = В [Т}]^, . (1)

где Б' » ДГт)]/А(Ц7~)

А - изменяется в области 1,2-1,4, [г|]0 , - величина характеристической сязкостп при ионной силе раствора, равной 0.1М.

Оценивая воличену "Б'яиз наклона зависимости [т)1 от 1/17" и используя величину А = 1,3, был расчитан параметр "В" (табл. I). Эти дашшо показывают, что величина "В" для всех исследованных систем принимает небольшие значения, что свидетельствует о значительной косткости макромолекул 1Ш-пектина.

Лаге в присутствии солей щелочных маталлов, где, по всей вероятности, отсутствует специфическое взаимодействие ионов с пектиновой макромолекулой, велотана "В" имеот значение в пять раз мвныьее, чем значение "В" для полиакриловой кислота (В = о,44) ,что свидетельствует о более г.остксП структуре цепи первой макромолекулы по сравнении со второй.

Таблица 1.

Значения [т)]0 1 3' и "В" для КМ-пекхина в присутствии

различных солей в растворо

: Хими-: :

Л» гческая :[т)]0 1, дл/г : Б', п/п:формула: ' :

литр1/г моль1/2

В

1 N301 1,40 0,080 0,056

2 КС1 1,60 0,092 0,051

3 СаС12 0,88 0,030 0,0037

4 СиС12 0,40 0,0014 0,0047

5 А1С1Э 0,30 0,0023 0,011

В присутствии ионов поливалентных металлов этот- аффект еще больше усаливается и величина "В" принимает минимальное значо-ние в системах,' содержащих ионы кальция (В - 0,0037), которое почти э полтора раза меньше, чем для такой жесткоцопной макромолекулы как ДНК (в = 0,0055).

Таким образом, характер измонония параметра "В" и соответственно жесткости макромолекул пектина является симбатным валентности ионов металлов за исключением ионов кальция, гдо имсот место споцифичоское ионное взаимодоЯствио внутримолекулярного типа.приьодящоо к розкому увеличению жесткости макромолекул.

Влияние поливалентных ноталлов на процесс голообразования низкомотилиропанных поктинов. Иоиогошше полисахарид; при создании соответствующих условий способны образовывать високонз-бухише голи даже из разбавленных растворов. Этот зффокт значительно усиливается в присутствии ионов поливалентных металлов, а такжо с ростом количостьа и регулярности карбоксильных групп в цепях полисахаридов.Согласно Тибольту и Ринодо в зависимости от соотношения карбоксилышх групп и ионов поливалентных металлов (я) происходит образование агрегатов,молекулярная масса которых пропорциональна величине "ч".

^КйЖ

Я - —п- ~ - ч7т (2)

м0 К

эквивалент соли

где

ч-

эквиваленг ионов металлов дк - критическое значение параметра д.

7 - эмпирические коэффициент, ^^ - кажущаяся молекулярная масса полисахарида,

или их агрегатов, Н0 - средняя молекулярная масса полисахарида,

N - число цепей полисахарида в агрегате. Аналогичным образом величину "Л" можно связать с отношением приведенной вязкости раствора в присутствии (Г'Л1Пр) и

отсуствии ([т}32_) ионов металла.

пр.. ...0 -- (чк - „г*

где

а- показатель уравнения Марка- Ктаа-Хаувинка, к- эмперичоский " эг^фиционт. .

С увеличением го;.-^ збразущей способности полисахарида ве-личгаш чк, 7 и "к" сгаиаются.

В табл.2 представлена взаимосвязь величины [ц] /[т)]

Таблица 2

Взаимосвязь отношения [т)]ГТр/[1]]^р с ветчиной а при раз1шх концентрациях НМ- пекиша в растворе а присутствии хлорида меди.

'пр

Сдз = 0,088 Г/ДЛ [Т]1° - 1,6 ДЛ/Г С^ 0» 0,048 Г/ДЛ щз0 - 1,9 дп/г С^з = 0,018 Г/ДЛ [Т)]° = 2,3 ДЛ/Г

а Мщ/ГтЦ^ Шпр'^пр <1 ™пр'[Т,1пР

о,оо?о

0,003-1 0.007С 0,0110 0,01зп 0,0170

1.03 1 ,00 1 .03 1 ,01

0,18 0,55

0.032

0,0064

0,0130

0,0140

о.огоо

0,0320

1.05 1 ,21 1 ,02 0,43 0,88 0,92

0,0080 0,0170 0,0340 0.0510 0,0680 0,0350

1,02 1,оз 0,86 0,70 0,54 0,46

от величины "ч" при различных концентрациях Ш-пектина в" растворю. Видно,"Что при изменении концентрации полимера и концентрации сол?й в растворе величина приведенной вязкости ниже, чем для исходного раствора или остается на том ь» уровне.

Аналогичные данные были получены при измерении приведенной вязкости Ш - пектинов в присутствии ионов алюминия.В обоих случаях отношение Ст^щ/'^пр ли<3° /3лизко к единице, либо уменьшается, причем наибольшее измоненио происходит при значительном увеличении концентрации ионов Си2+и А13+или уменьшении концентрации полимера.

Наблюдаемые эффекты обусловлены, по-видимому, внутримолекулярными конформационными изменениями в результате экранирования зарядов полимера и / или образования внутримолекулярной связи с участием ионов металлов, приводящим к компакти-зации макромолекулярного клубка.

Изменения приведенной вязкости в присутствии ионов кальция имеет сложный вид. С увеличением концентрации СаС12 отношение

[т^дрДт)]^ проходит чероз ряд максимумов и минимумов. С измененном концентрации полимера ход графика идентичен,'но он смещен по фазе. При значительном возрастами концентрации ионов кальция (С „.' 1.10"3моль/л) наблюдается резкое возрастание

с&

отношения Мщ/М^р. Полученные результаты находят свое

объяснение, если принять во вниманио возможность кооперативной да - и полимеризации макромалокул полисахарида с образо-ватюм сетчатых полиморов, гдо роль сшивающего агента ьыпол-няют ионы кальция.

По-видимому,каждый пароход сопровождается розким изменением конформпционого состояния как изолированной макромолекулы, так и агрегатов полимерных цошЛ вплоть до Елового разделения.Свидетельством сказанного являотся ьолнообразниЛ ход за висимости от ссоСХ • гл° последующие максимумы и

минимумы располагаются на более высоких значениях Г^П^/Гт)]^.

Таким образом, в отличие от других ионов,в присутствии ионов кальция дажо в разбаплошюм растворе наблюдается ряд структурах образований, стабилизировагашх внутри - и можмо-лекулярными связями с участиеми ионов металла. До области кон-цзнтращш СоС12 г * 5 исГ^М,характер взаимодействия ионов Саг+ с макромолекулой поктина в основном имеет внутримолекулярный характер, а при дальнейшем увеличении содержания этих ионов в растворе происходит гелеобразевание, гдо полностью применяется

•

вышеописанный подход ТиСольта и Ринодо. На рис.1, представлена зависимость от ^пр/Н]^ концентрации хлорида калымя при различных содерааниях Ш- пектина. Видно, что в этой области концентраций СаС1^ все кривио являются восходяиимл. На осново-гош этих дашшх по уравнению (3) били рассчитаны значения

к и

и

и 12

а«

Рис.1: Зависимость ППгтг/^

от кон-2

пр 1 1 пр

ценрации СаС I,

при различных содержаниях НМ -пектина в растворе. Ср, г/дл - 0,1(1)5 0,08(2); 0,06(3); 0,04 (4); 0,02 (5).

2 4.ИГ«

и К, зависимости которых от концентрации Ш- пектина пред-ставлоны на рис.2. Обо величони с ростом концентрация полимера сшпкаьтсл н стремятся к предельному значению К 0,30 и

"к

Численное значение "К" свидетельствует о высокой

I о й8

о-б

Ы 02

Ч* 1в 8 б 4 в

Рис.2. Изменение величины К И с ростом концентрации КМ-пектина в растворе.

ьг о.« 04 й8 То Спь (г/л)

способности карбоксильных групп НМ-поктина к связыванию ионов кальция. Ода.ко, предельная величина чк остается достаточно

высокой, что является, по-видимому, следствием нерегулярного чередования карбонильных и чфирши груш в макромолекулах пектина.

3. НЕКОТОРЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА ПЕКТИНОВЫХ ВЩЕСТВ

В настоящее время достигнуты определенные успехи в разработке технологии получения пектинов для нужд пищевой промышленности. Эти пектины в основном являются высокоэтерифициро-вэнными (СЭ>7СЯ) и обладают высокой степенью желирования. В то же время благодаря исследованиям ряда авторов и данным, .полученным в настоящей работе, можно сделать заключение о возможности гелеобразования пектинов с низкой степенью этерификации (СЭ<60Я) в присутствии небольших количеств ионов кальция. Эти пектины, объединенные под общим названием кизкометильрованных пектинов, также находят применение _при изготовлении диетического питания со значительно меньшим-количеством сахара и в медицине в качества детоксикзщюнного и терапевтического средства.

Все существующие технологические процессы имеют существенные недостатки, связанные со сложностью

регулирования молекулярных и структурных параметров при гидролизе протопектина, • а также сложностью и малой эфЗвктивностыз процессов очистки. В связи с этим задача данной части исследования заключалась в изучении закономерности гидролиза протопектина в разработке методов очистки растворов гидролизата с применением мембранной технологии. Результаты лабораторных исследований слуккли основой для выпуска нового продукта - НЫ-пектина.

Закономерности гидролиза протопектина. Для получения пектиновых Ее несть с. заданными структурными парам^ трнми и определенными физико-химическими свойствами необходимо очень тонкое и согласованное регулирование многочисленных парамэтров процесса. Еидролиэ протопектина - сложный многоступенчатый гетерогенный процесс, который начинается с диффузии и сорбции гидролизувдего агента. Исследование кинетики сорбции соляной кислоты растительными клетками показали, что этот процесс

«

завершается достаточно быстро и со ставшей свободней энергия системы (АС0), равной -21,8 кДж/моль. Исходя из этого можно предположить, что на кинетику процесса в целом существенный вклад вносят последовательные реакции распада протсяоктина и деградация промежуточного продукта (пектина) до отлосителыю низкомолскулярных ожгосахаридов. Промежуточные в конечные продукты были разделены в виде спиртоосаддаемоЗ а спир-торастворимой фракции. Количественные данные кипатики гидролиза протопектина были рассчитаны на основании .результатов анализа уронидного составляюшего и остатка нейтральных Сахаров в исходном, промежуточном и конечной веществах.

Таким образом,процесс гидролиза проанализирован на основании двух последовательных мономолекулярных реакций:протопектин

-—-- спиртоосаадаемый пектин ———> сшртораствори-

ыые вещества. Для каждого сочетания параметров гидролиза (время. температура о рН) определяли количества оставшегося протопектина а (к), спнртоосахдаемого пектина у (О и сплртораство-римого вешества ч (Ъ).

Изменонне величины г ~(г) от времени в логарв!ических масштабах при различных значениях рВ раствора имеет прямолинейный характер и экстраполируется в одну точку. По этим данным для яблочной вытяжки было рассчитано содержание протопектина, составляшое 27,4$, а его константы скорости распада имели значения о,27*1(Г4, 0,9б«10"*и 1 ,бэ«10~*с~1соответствено при рН 2,45,1,8 и 1,32 (Т=85°С). Эти данные показывают,что при-прочих равных условиях с уменьшением величины рН скорость гидролиза протопектина значительно возрастает.При увеличении времени гидролиза в спиртоосаздаемом пектине происходят суще ствонше изменения в моносахаридном составе. При постоянное температуре и рН содержание Д-гапактурновой кислоты в составе пектине увеличивается, а нейтральных Сахаров уменыпается.Это приводит к обогащению мономерного состава пектиновых макромолекул звеньями Д -галактуроновой кислоты,т.е. улучшению качества коночного продукта. Важным является также неодинаковая скорость распада связей,образованных остатками различных моносахаридов. С ростом продолжительности гидролиза происходит изменение устава нейтральных полисахаридов в результате снижения количества остатков нейтральных моносахаридов - араба-

козы и глюкозы, вследствие чего состав обогащается рамнозой и галактозой. При этом содержание галактозы и маннозы остается практически без изменения. Наиболее лабильными являются связи, образованные остатками арабинозы и глюкозы, которые составляют основную массу нейтральных полисахаридов, входящих в макромолекулы рамногалактуронана в виде боковых ответвления. Эти ко данные свидетельствуют, что' рамноза,галактоза и ксилоза входят в состав макромолекул кислых полисахар:июр и поэтому обладают значительной устойчивостью к действию гидролизупдего агента.

Кроме моносахарадного состава пектиновых веществ на свойства пектина .как ухе о тмвчалось, существо шое влияние имг.ет ого молекулярная масса. На рис.з продставлона зависимость характеристической вязкости поктипа от продолжительности .гидролиза. Все кривые, получонныо , при различных значениях р1Г раствора, имеют экстремальный характер, причем с ростом величины рН значение максимума сдвигается в сторону увеличения продолжительности гидролиза. Значение характеристической вязкости в области максимума практически не зависит от рН, что свидетельствует об идентичности химизма гидролиза, а возрастание концентрации кислота ^ лишь ускоряет происходящий процесс. ' ■

Рис.з. Зависимость характеристической вязкости пектина от продолжительности гидролиза. Условия гидролиза рН - 2,45 (1); 1,8 (2); 1,32 (3). Т » 05°С.

Таким образом, представленная полуколичественная картина гидролизв-экстракции пектиновых вощоств и установление фызико - химические закономерности позволяют управлять процессами гидролиза протопектина на разных этапах по градации и способствуют получению пектиновых веществ с заданными свойствами.

Мембранная очистка и концентрирование пектинового гидро.шата

Очистка пектинового гидролизата является одгаи из ваапейших этапов производства пектина, а способ его ¿¡¿деления, в значительной степени, определяет качество :«шечного продукта. Существующие способы выделения пектина в обьязательпом порядке вкллчают стадии концентрирования раствора и осаадония целевого продукта осадителями пли солями многовалентных металлов. Суввствешшга недостатками указанного этапа производства является деструкция пектшш при концентрировании раствора и соосаэдение баластпых веществ. Исходя из этого, для очистки и концентрирования пектинового гидролизата иследовела применимость различных типов плоских мембран я мембран на основе полых волокон и изучена их разделяющая способность, определена производительность о=у/(в«х), (где V- обгем фильтрата, а-поверхность мембраны, х-время) и селективность <р кенбраны. Среда исследованных плоских мембран (капроновая, голизжгавая и ацзтат-даллшззнзя) накяучшие показагтех» выявлена у голиаквдноа нембраны УШ-100, с помочью которой был подучен концентрат,. содэржгяиа 35% галактурояовоа кислота, а селективность его по пектину оказалась 95&. Мембраны па основа полых волокйа, хотя немного и уступа вт по селективности,обладаш* высокой производотельностыо, достагающоа почти зо л/(и2 час.). Важным моментом является неизменность величины о со временем и возрастание <р с ростом концентрации раствора. С ростом, величины рн значения о возрастает, а упадает. Произво-дагольность мо«йракы увеличивается с умззьсошюн ионной силы растЬора, по-видимому, за счет увеличения акгашости вода.

Таким образом, -исследование неубраннойтехнологии супоствонно сокращает процесс получения пзкпаа, с одао-вромошшм улучшением качества делэвого продукта.

Получение НМ-пектина в условиях проыноленного производства. Результаты исследований пцфодва протопектина яблочной выжимки я совокупность дамп« ГО мембранной очистке пектиновых гидролизатов были апробирой&Ш а условиях промышленного производства на базе экспериментального цеха ПАПО "Шахринав" Республики'ТадаикиС^ай. Полученная производственные данные лаМй в основу поВбГЭ ТЭ^вологическоГо процесса получения пек-

тина безспиртовым способом с применением мембранной технологии на стадии очистки и концентрирования пектинового гидролизата.

Процесс был оптимизирован ва получении низкометилировав-ного пектине. В качестве выходных параметров были выбраны степень втерифякации карбоксильных груш (СЭ), выход уронидно-го составляющего (ВУ) в производительность мембран и). Параметрами процесса служили рН г температура при ультра- и диа-фЕхьтрации. Количество сухой выжимки составляло 40 кг,температура гидролиза 85°С, время гидролиза 60 мин, модуль ванны 1:20, объем реактора 1 м3 , объем пектинового гидролизата до ультра-и диафильтрации 370-520, после 50-100 литров. Показано, что при изменении рН раствора численные значения всох показателей (СЭ , ВУ и л ) процесса получения пектина изменяются по экстремальному закону, проходя через максимум примерно в одной области рН, равной 3,2-3,5. В области максимума выход уронид-ного составляющего достигает более 705Е, при СЭ. <60* и значении -ХСр до 35 л/(ы2час).

По полученным данным разработан комплекс нормативно-технической документации (регламент производства, ОСТ, инструкции по применению и т.д.), а технология получения Ш-пектина внедрена на базе ПАЛО "Шахринав". ^

4. ИЗУЧЕНИЕ ПРИМЕШШСТИ НЫ-ПЕКТИНОВ В ПИЩЕВОЙ ПРСШШШННОСТИ И МЕДИЦИНЕ

Одним из основных свойств пектиновых веществ, благодаря которому они навал широкое применение в пищевой прониклоп-ностк, является их способность к келеобразованию. С укеньоени-ем степени этерификации, как правило, это свойство ухудяается. Структурообразующие свойства НЫ-пектинов, как было показано нами и описано выше, можно усилить добавлением в раствор ионов кальция. Такие гели можно применять в различных отраслях пищевой промышленности и фармации в качестве основы для изготовления различных лекарственннх восзств.

Студяеобразуюдиэ свойства Ш -пектинов. Белеобразующие свойства Ш-пектинов были изучены в зависимости от СЭ и содержания ионов кальция в растворе при содержании сахара 40*.Прочность полученных гелей испытывали по стандартной методике и

оценивали в градусах Тарр-Бейкера (°ТБ). С увеличением содержания ионов кальция в растворе прочность геля возрастает и достигает максимума (~100 °ТБ) в области эквимолекулярных соотношений ионов кальций и карбоксильных групп Ш-поктстюз (содержание ионов Са2+около 45 мг на один грамм НМ - пектина). С уменьшением СЭ пектина прочность геля возрастает по экспоненциальному закону проходя стандартную величину ( ~180°ТБ) при сЭ'-'го* и экстраполируется, к величине гго°ТБ при нулевой степени зтврификацхи

Таким образом,путем варьирования содержания ионов кальция и степени этерифякации карбоксильных групп пектиновой макромолекулы становится возможным изготовление гелей,имеадих високул прочность при значительно меньшем содержании сухих веществ.

НН-пектип в терапии больных желчнокаменной болезнью? Для использования НЫ-пектина в медицине разработан комплекс нормативно-технической документации и получено разрешение ИЗ Р.Таджикистан для использования в клиниках,в частности для терапии бальных желчнокаменной болезнью. Влияние НМ-пектина было изучено на клинико-функциональных проявлениях желчнокаменной болезни (ККБ), показателях липидного обмена и липогеяных свойствах желчи, метаболизме желчных кислот (ЗК), а также иа кинетике желчного пузыря и толстой кишки.

Ш-поктин применялся в дозе 5-15 г в день за 30 мин до приема пищи в течете 14-21 дня 19 больными на различных стадиях заболевания, из которых 12 находились в физико-химической стад;1И заболевания (ЖКБ'П-1), а 7 - хирургической (ЖКБ-Э).

В период приема пектина состояние Сольных значительно улучшилось - уже в течение 6-7 дней, а через 2-3 недели приема препарата больные чувствовали себя практически здоровыми. В этот период снизилось содержание хилоиикронов, количество ли-попротеидов низкой плотности (ЛПНП) и триглицеридов (ТГ), возросло количество липопротеидов высокой плотности (ЛПВП) (с 21,28*0,6426 до 25.42iO.9iii по сравнению с 38,59±1,79 У практически здоровых) и альбуминового комплекса, причем более заметно в крови больных ЯКБ П-1. Концентрация общего холестерина

*Клштуеское испытание НМ-пектина проводилось в Институте гастроэы'вгологий АН Р.Таджикистан канд.мвд.ннук Мансуровой Ф.Х. ' •

(ХС) в крови возросла с 3.5+0,84 до 4,3+0,39 ммоль/л. Несколько увеличился уровень общего жира.

Исследование спектра высших жирных кислот сыворотки крови больных ЖКБ на фоне терапии пектином обнаружило возрастание короткоцепочечных жирных кислот (калриновой, лауриновой, миристиновой) и снижение количества полиненасыщенных, способствующих увеличению галогенного потенциала желчи.

Изучение показателей химизма желчи у обслсдуемых лиц обнаружило увеличение концентрации общего ХС с 11,5+0,47 ммоль/л до 13.9+0,75 ммоль/л у больных ХКБ-П-1 и с 10,6+0.53 ммоль/л до 12,8+0.81 ммоль/л у пациентов о ЖКБ П-3 в сравнении с показателями у практически здоровых (5,71+0,22 ммоль/л). Содержание ЗЕК также умеренно возросло. ХХК несколько снизился в обеих грушах больных.

Анализ газохромагографиеского спектра ХК выявил возрастание ДХК с 10,18+0,36 до 14,6+0,29 ммоль/л у больных «физико-химической и с 9,3+0,72 до 12,48+1,0 ммоль/л -хирургической стадиями патологического процесса, при сравнении с 4.33+0,45 ммоль/л в контроле. Количество ХДХК несколько снизилось с 7,5+0,74>Д0 5,8+0,37 ммоль/л и с 4.6+0.66 ммоль/л до 3,7+0,55 ммоль/л у больных ЖКБ П-1 и ХКБ П-3 соответственно при сравнении с 17,17+1,03 ммоль/л в еэлчи практически здоровых.

Таким образом. Ш-пектин может быть о успехом использован в терапии больных ЖКБ, особенно в ранней ее, физико-химической стадии. Терапия больных ЖКБ является одним из примеров использования Ш-пектина в медицине. Этот же препарат может быть использован при течении дгареи и различных желудочно-кишечных заболеваний в качестве детоксикационного и профилйктического средства. Когно заключить,что практический аспект использо-■ванич Ш-пектина не завершается перечисленными примерами и, несомненно, будут разработаны многочисленные аспекты применения Ш-пэктина в пищевой в медицинской промышленности.

ВЫВОДЫ

1. На основании изучения закономерностей гидроли- . за-эхстракции яблочных выжимок и Сизико-химических свойстз растворов полученных киздых полисахаридов разработан способ

получения низкометилированных пектинов, организован их выпуск в условиях производства и изучена их применимость в качестве высокоКоктивного средства в практической медицине.

2. Изучены электрохимические и гидродинамически* свойства разбавленных растворов низкометилированных пектинсз при различной концентрации, ионной силе и природе ггротивоионов. На основании данных потенциометрического титрования, характеристической и приведенной вязкости рассчитаны показатели кислотности при различных диссоциациях, электростатической составляющей свободной энергии, параметры, характеризующие термодинамические качества растворителя и гесткости пектиновой цепи. Установлена относительно высокая жесткость макромолекулы низ-коме тилированного пектина по сравнению с аналогичными полисахаридами. Показано, что при изменении степени ионизации или в присутствии противоионов кальция происходит изменение конфор-мации макромолекулы в результате внутримолекулярной димериза-ции карбоксильных групп, координированной ионами кальция, следствием которой является еще большее возрастание жесткости макромолекул.

3. Изучена гелеобразутаая способность нлзкометилированно-го пектина а зависимости от природа и концентрации поливалентных металлов. Показано, что в присутствии ионов меди и алштгая происходят в основном внутримолекулярные конформациошше изменения, приводящие к компактизации полимерного клубка. В присутствии ионов кальция в зависимости, от его концентрации и концентрации полимера происходит ряд конформпциогашл и надмолекулярных изменений с образованием дамерных и полимерных агрегатов вплоть до фазового разделения високонабухиего гидрогеля. Установлено, что при прочих равных условиях гелаобразувдая способность пектиновых веществ под действием ионов кальция зависит от молекулярной массн, количества и степени регулярности карбоксильных групп в полисахариде.

4. Основываясь на закономерностях сложной гетерогенной химической реакции, изучен процесс адсорбции соляной кислоты растительными клетками, кинетика последовательного распада гтротопектетз и диффузия пектина в объем раствора. На основании количественного анализа моносахаркдного состава Промежуточных

и конечных продуктов реакции гидролиза протопектина при различных значениях рН раствопа рассчитаны константы скорости распада связей Д-галактурокоьой кислоты, рамнозы, галактозы, глюкозы, маннозы, ксилозы и арабгоюзы. На основании полученных закономерностей оптимизирована взаимосвязь микроструктуры пектина с параметрами гидролиз-экстракции. Разработан метод установления содержания протопектина в растительной клетке.

5. Разработан и впервые в масштабах СНГ внодрон в производство способ мембранной очистки и концентрирования пектиновых гидролизатов, позволяющий получить пектины с высокой степенью чистоты и максимальным выходом при сокращении количества технологических операций почти в два раза, исключая полностью использование этилового спирта из сферы производства. Составлен комплекс нормативно-технической документации на производство низкомотилировашюго пектина. Способ внедрен на базе экспериментального цеха ПАЛО "Шахрпнав".

6. Показана возможность использования Ш-поктина в медицине для торапии больных с желчнокаменной болозньв. Разработан комплекс нормативно-технической документации и получено разрешение МЗ Республики Таджикистан на примоненио НЫ-пектина в медицине.

*

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Асоев Ы.Г., Мухидаков З.К., Халиков Д.Х. Сорбция кислоты в клеточной стенке яблочной кпскмки //Докл. АН РТ. -1394. £7-&. -С. 8-11.

2. Халиков Д.Х., Мухидвдюв Э.К., Асоев И.Г., Дегтярев В.А. Некоторые кинетические особенности гидролиза протопектина

• //Химия природных зоединвгогй. -1994. £ъ. -С. 787-793.

3. Асооп М.Г. Сорбция соляной кислоты яблочной выжимкой //Материалы научной конфиренции.посБсщонной памяти академика Иванова И.У.: Тез. докл. -Душанбе, 1994. -С.46.

4. Мухидшшов З.К., Халиков Д.Х., Ларданян 1!.1!., Асоов И.Г. • Способ очистки пектинового гидролпзата (Полоаштолькоа росепиэ

по ьаявке *94000007 от 28.02.94r).

Иухиддинов З.К., Асоев К.Г., Халиков Д.Х. Применение мембранной технологии в троизводстве пектина //Материалы науч-