CC BY
132
УДК [582.26-119.2 (282.247.41+262.81):547.458.88]:664.292.033
М. Д. Мукатова, А. Р. Бисенова, М. В. Курганова
ИЗУЧЕНИЕ КОЛЛОИДНЫХ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ ПОЛИСАХАРИДОВ ВЫСШИХ ВОДНЫ1Х РАСТЕНИЙ ВОЛГО-КАСПИЙСКОГО БАССЕЙНА
Введение
Создание новых пищевых продуктов, потребление которых сможет благотворно действовать на организм и здоровье человека, является важнейшей составляющей концепции здорового питания населения России.
Ухудшение экологической обстановки во всём мире и связанный с этим высокий уровень загрязненности продуктов питания радионуклидами, токсичными химическими соединениями, тяжелыми металлами, биологическими агентами, микроорганизмами, афлатоксинами способствуют нарастанию негативных тенденций в состоянии здоровья населения. В связи с этим является актуальной разработка технологий новых пищевых продуктов, способных повышать устойчивость организма человека к негативному воздействию окружающей среды.
Кроме того, огромное значение приобретает такая проблема, как повышение качества и безопасности продуктов питания. Важным показателем качества продукции является консистенция. Для придания пищевым продуктам требуемой структуры в них вносят добавки белковой или углеводной природы. В выборе пищевых добавок и ингредиентов главным является его использование веществ природного назначения, влияющих на функционально-технологические свойства сырья.
В настоящее время в биотехнологии и технологии пищевых продуктов широко используют структурообразователи, обладающие биологической активностью. К таковым относятся пектиновые вещества - структурообразователи углеводной природы (полисахариды), обладающие свойствами комплексообразования и получаемые из растительного сырья как наземного, так и водного происхождения. Полисахариды не только улучшают технологические характеристики продуктов, но и повышают их биологическую ценность. Введение указанных веществ в пищевые продукты питания при их изготовлении снижает риск различных заболеваний и поддерживает нормальную кишечную микрофлору [1, 2].
В России существуют компании по производству различных структурообразователей, такие как ЗАО «Балтийская группа», ОАО «Архангельский опытный водорослевый комбинат», ООО «Амарант Плюс». Однако, несмотря на это, рынок России насыщен в основном структурообразующими добавками зарубежного производства. В связи с этим получение новых видов натуральных, относительно недорогих высококачественных структурообразователей является перспективным направлением в деятельности агропромышленного комплекса России.
Нами изучались коллоидные свойства полисахаридов, полученных из водных растений -зостерина и рдестина, с целью выявления возможности их применения в качестве структурооб-разователей.
Объекты и методы исследования
В качестве объектов исследования были использованы полисахариды высших водных растений - зостерат и рдестат натрия, полученные сотрудниками научно-иследовательской лаборатории «Пищевая биотехнология» Астраханского государственного технического университета по ранее разработанной технологии [3] из морской травы зостеры малой и пресноводной травы рдест пронзеннолистный. Исследования проводились в производственных условиях экспериментального участка ООО «Научно-внедренческое предприятие «Каспбиоцентр». Физикохимические свойства полисахаридов изучались при приготовлении водных растворов с различной концентрацией добавляемых полисахаридов.
Анализ нейтральных моносахаридов в образцах осуществлен методом газожидкостной хроматографии (ГЖХ) проведением полного кислотного гидролиза. Для кислотного гидролиза к навескам сухого препарата (20-30 мг) приливали 1 мл 2 М трифторуксусной кислоты, содержащей миоинозит (1,0 мг/мл) и нагревали в течение 8 часов при температуре 100 °С, кислоту отгоняли в вакууме с этанолом. Перевод освободившихся нейтральных моносахаридов в ацета-
ты полиолов и количественный анализ методом ГЖХ проводили по методике Слонекера [4]. Газожидкостная хроматография анализа углеводов выполнялась на хроматографе Hewlett-Packard 5S9GA, снабженном пламенно-ионизационным детектором и капиллярной колонкой HP Ultra-2, в токе азота при градиенте температуры от i 6g до 29G °С со скоростью 7о1мин. Хроматограммы обрабатывали с помощью компьютерной программы Мультихром i.5.
Для определения содержания уроновых кислот использовалась спектрофотометрическая методика [5]. Поскольку для такого анализа необходимо иметь бесцветные растворы полисахаридов, вначале была проведена дополнительная очистка пектинов от окрашенных примесей действием брома в щелочной среде [б].
Для оценки органолептических показателей растворов полисахаридов была использована пятибалльная шкала, разработанная по методике Т. М. Сафроновой, выражающая степень интенсивности вязкости (консистенция) и прозрачности (внешний вид) растворов (табл. i) [7].
Таблица 1
Пятибалльная шкала оценки органолептических показателей растворов
Консистенция Оценка растворов полисахаридов, баллы Внешний вид Оценка растворов полисахаридов, баллы
Жидкая G Бесцветная, прозрачная жидкость G
Менее жидкая i Прозрачная, слегка окрашенная жидкость i
Слабослизистая 2 Прозрачная, окрашенная жидкость 2
Слизистая 3 Мутная, более окрашенная жидкость 3
Слаботягучая 4 Полупрозрачная, интенсивно окрашенная жидкость 4
Вязкая 5 Жидкость непрозрачная 5
Исследование вязкости растворов производилось с помощью вискозиметра Оствальда.
Из раствора полимера исходной концентрации готовили растворы заданных концентраций по 30 мл каждого.
Кинематическую вязкость рассчитывали по следующей формуле:
V = gт ■ К/9,807, (1)
где g - ускоряющие силы тяжести в месте измерения, см/с2; X - время истечения исследуемого раствора через капилляр, с; К - коэффициент, соответствующий вискозиметру.
Молекулярная масса полимера рассчитывалась по формуле Марка - Хаувинка - Куна:
¡8 М = V - ¡8 К)/а, (2)
где V- кинематическая вязкость, мм /с; К и а - постоянные.
Изменения вязкости растворов полисахаридов в зависимости от температуры устанавливали помещая вискозиметр в воду со льдом при температуре 1 °С и в воду при температуре 20, 40, 60 °С, затем определяли время истечения раствора на вискозиметре.
Результаты исследований и их обсуждение
Основными технологическими операциями переработки высших водных растений Волго-Каспия являются деминерализация трав, экстракция из них пектиновых веществ с последующим их осаждением, очисткой и сушкой [3].
Полученные вещества пектиновой природы по химическому строению являются полимерами галактуроновой и глюкуроновой кислот [8], соединенных с остатками нейтральных моносахаридов (арабиноза, апиоза, галактоза, ксилоза и др.). Углеводный состав полисахаридов зостерина и рдестина устанавливали методом ГЖХ. Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Углеводный состав полисахаридов зостерина и рдестина, %
Образец Рамноза Арабиноза Ксилоза Апиоза Манноза Г люкоза Г алактоза Г алактуроновая кислота
Зостерин 1,00 0,53 0,33 3,i7 0,15 0,36 0,75 93,i
Рдестин 1,65 3,28 - - 0,66 2,87 4,62 79,7
Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что полученные продукты зостерин и рдестин являются полимерами галактуроновой кислоты (содержание 93,1 и 79,7 % соответственно), т. е. относятся к веществам пектиновой природы. Кроме того, зостерин и рдестин содержат в своем составе ценные моносахариды: рамнозу - 1,0 и 1,65 % соответственно, арабинозу - 0,53 и 3,28 %, маннозу - 0,15 и 0,66 %, глюкозу - 0,36 и 2,87 % и галактозу - 0,75 и 4,62 %, а зостерин еще и ксилозу - 0,33 % и уникальный моносахарид апиозу - около 3,17 %, что указывает на возможность применения зостерина в качестве БАВ.
С целью изучения органолептических показателей полисахаридов и их растворов готовили 0,2, 0,5 и 1 %-е водные растворы натриевых солей зостерина и рдестина. Соли полисахаридов представляли собой высушенные растворы (порошки), содержащие волокнистые фракции пектина в виде хлопьев. При контроле качества зостерата и рдестата натрия посторонних примесей обнаружено не было.
Несмотря на то, что изучаемые пектины имеют низкую степень этерификации, их растворимость была высокой, что, по-видимому, обусловлено наличием ионов Ка . Известно, что вследствие высокой гидрофильности соли полисахаридов хорошо растворяются в воде. В водных растворах макромолекула пектина имеет спиралевидную скрученную цепь, карбоксильные группы которой расположены одна под другой, а при электролитической диссоциации этих групп возникают отталкивающие силы. Вследствие этого спиральная молекула выпрямляется, увеличивается ее линейный размер и происходит растворение [2].
Для оценки органолептических показателей растворов полисахаридов была использована пятибалльная шкала, выражающая степень интенсивности оцениваемых показателей (прозрачность, вязкость) [7]. Результаты представлены в табл. 3.
Таблица 3
Балльная оценка органолептических показателей растворов зостерата и рдестата натрия
Концентрация полисахаридов, % Прозрачность раствора Вязкость
зостерата натрия рдестата натрия зостерата натрия рдестата натрия
0,2 0 2 0 1
0,5 3 5 1 5
1,0 5 5 4 5
Из данных табл. 3 видно, что прозрачность исследуемых растворов снижалась при увеличении концентрации от 0,2 до 1,0 % полисахарида, т. к. количество растворенного вещества на единицу объема становилось больше. Вследствие этого увеличивалась и вязкость полученных растворов.
Далее интерес представляло изучение структурно-механических свойств растворов полисахаридов и факторов, влияющих на их изменение. Из анализа литературных источников известно, что на способность к структурообразованию влияет множество факторов: концентрация пищевой добавки, температурный режим, рН среды, которые оказывают различное влияние на свойства растворов. Вязкость пектиновых растворов отличается рядом особенностей; между этим показателем и желирующей способностью пектина существует определенная закономерная зависимость.
Для установления зависимости кинематической вязкости от концентрации добавляемого вещества были приготовлены растворы зостерата и рдестата натрия - 0,2; 0,5 и 1,0. В результате проведения опыта было установлено, что при увеличении концентрации растворяемого полисахарида наблюдается постепенное линейное увеличение вязкости всей системы (рис. 1). Это происходит в результате увеличения массовой доли соли пектина в растворе. Как и для других высокомолекулярных соединений, желирующая способность пектина возрастает с увеличением молекулярной массы. Частицы исследуемых полисахаридов имеют размер, значительно превышающий размер молекул. При увеличении концентрации частиц растет число связей между ними, что объясняет увеличение вязкости.
к
03
Зоостерат натрия Рдестат натрия
Концентрация, %
Рис. 1. Изменение вязкости растворов зостерата и рдестата натрия в зависимости от их концентрации
Экспериментально установлено, что значение вязкости растворов рдестата натрия выше, чем зостерата натрия, что связано с разницей молекулярных масс исследуемых веществ.
Изучение влияния рН среды на вязкость 1 %-х растворов проводилось с применением 10 %-х растворов лимонной кислоты и пищевой соды. При этом добавление лимонной кислоты приводило к снижению рН среды, а соды - к повышению (рис. 2). Влияние рН среды на вязкость растворов объясняется химическим строением исследуемых полисахаридов, остатки уроновой кислоты придают им свойства кислых пектинов, которые изменяются в зависимости от рН [2]. В кислой среде наблюдается интенсивный процесс набухания полисахаридов с образованием прозрачных, гомогенных, коллоидных растворов, при этом происходит снижение кинематической вязкости за счет повышения растворимости. Выявленная закономерность является результатом того, что кислоты уменьшают диссоциацию карбоксильных групп пектинов, нарушают сольватацию полимерных молекул и, следовательно, уменьшаются и силы отталкивания [9].
о
о
о:
СО
-■—Зостерат натрия -♦— Рдестат натрия
рН
Рис. 2. Зависимость изменения вязкости растворов зостерата и рдестата натрия от рН среды
При сдвиге рН из кислой среды в сильнокислую вязкость раствора зостерата натрия имеет одинаковые значения. Присутствие минеральных солей сопровождается сольватацией молекул и их взаимной ассоциацией, поэтому в кислой и слабокислой среде наблюдается увеличение вязкости растворов. Эти изменения происходят в следующем диапазоне рН среды: для зостерата натрия от 4 до 6, для рдестата - 3-6. При переходе в нейтральную и щелочную среду вязкость приобретает стабильность.
Полученные данные свидетельствуют о возможности применения полисахаридов морских и пресноводных растений в рыбной промышленности, т. к. пищевые рыбные продукты имеют в основном кислую и слабокислую среду. Кроме того, кислоты связывают триметиламин, устраняя тем самым специфичный рыбный запах.
Интерес представляло также изучение влияния температуры на вязкость растворов полисахаридов. Исследование проводили на растворах, температура которых составила 60, 40, 30 и 20 °С. При уменьшении температуры наблюдалось снижение кинематической вязкости растворов солей зостерина и рдестина (рис. 3). Повышение температуры приводит к увеличению теплового движения молекул и, как следствие, уменьшению сил межмолекулярного взаимодействия, в результате чего разрушается структура, образуемая пектиновыми веществами в растворе, и происходит уменьшение его вязкости [9].
о
-О
Б
о
со
/, °С
0 ■ Зостерат натрия 0,20 %
Рдестат натрия 0,20 °% х Зостерат натрия 0,50 °%
Рдестат натрия 0,50 °% —Зостерат наррия 1 °%
Рдестат натрия 1 °%
Рис. 3. Зависимость изменения вязкости растворов зостерата и рдестата натрия от температуры
Кривые зависимости кинематической вязкости растворов полисахаридов от температуры носят логарифмический характер. При этом кривые растворов различной концентрации имеют идентичный характер, что свидетельствует об одинаковом снижении вязкости растворов при увеличении температуры.
Заключение
Таким образом, в ходе исследований изучены структурно-механические свойства полисахаридов морских и пресноводных растений - зостерина и рдестина и выявлена возможность их применения в качестве структурообразователей при производстве пищевых продуктов.
Результаты исследования углеводного состава полисахаридов водных растений зостеры каспийской и рдеста пронзеннолистного показали их принадлежность к пектиновым веществам, что обусловлено содержанием в них галактуроновой кислоты - 93,1 и 79,7 % соответственно. В составе зостерина найден уникальный моносахарид апиоза, что указывает на возможность применения зостерина в качестве БАВ.
Установлена зависимость изменения вязкости растворов полисахаридов от их концентрации. Следует отметить: значение вязкости растворов рдестата натрия выше, чем зостерата натрия, что связано с разницей молекулярных масс указанных веществ.
Кроме того, выявлено влияние температуры и рН среды на изменение вязкости растворов пектиновых веществ. Понижение температуры растворов и сдвиг рН в щелочную сторону приводят к закономерному увеличению их вязкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нечаев А. П., Кочеткова А. А., Зайцев А. Н. Пищевые добавки. - М.: Колос, Колос-Пресс, 2002. - 256 с.
2. Ильина И. А. Научные основы технологии модифицированных пектинов. - Краснодар: СКЗНИИиВ, 2001. - 312 с.
3. Мукатова М. Д., Салиева А. Р. Полисахариды водных растений Волго-Каспия, способы извлечения и перспективы применения // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2010. - № 1 (49). - С. 51-54.
4. СлонекерДж. Методы исследования углеводов. - М.: Мир, 1975. - С. 22-25.
5. Usov A. I., Bilan M. I., Klochkova N. G. // Bot. Mar. - 1995. - Vol. 38. - P. 43-51.
6. Усов А. И., Смирнова Г. П., Клочкова Н. Г. // Биоорганическая химия. - 2001. - Т. 27. - С. 450-454.
7. Сафронова Т. М. Справочник дегустатора рыбы и рыбной продукции. - М. : ВНИРО, 1998. - 244 с.
8. Мирошников В. И. Зостера как промышленное сырье // Журнал прикладной химии. - 1940. - Т. 13, вып. 10. - С. 1477-1489.
9. Падохин В. А., Кокина Н. Р. Физико-механические свойства сырья и пищевых продуктов: учеб. пособие / Иванов. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2007. - 128 с.
Статья поступила в редакцию 1.03.2011
STUDYING OF COLLOIDAL PROPERTIES OF POLYSACCHARIDES SOLUTIONS OF HIGHER WATER PLANTS OF THE VOLGO-CASPIAN BASIN
M. D. Mukatova, A. R. Bisenova, M. V. Kurganova
Colloidal properties of the polysaccharides received from water plants, zosterin and rdestin, are investigated in the paper. The purpose of the research is to reveal any possibility of their application as amendments. Organoleptic, physical and chemical properties are studied, and in particular the carbohydrate structure of zosterin and rdestin is shown. The estimation of organoleptic properties of zosterat and rdestat sodium solutions is given; dependences of viscosity change of zosterat and rdestat sodium solutions on their concentration, environment reaction and temperature are established.
Key words: polysaccharides, water plants, structural-mechanical properties, colloids, amendments, zosterin, rdestin.
