CC BY
15DOI: 10.25712^т2072-8921.2019.01.025 УДК 664.162, 543.421
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОДУКТА КАРАМЕЛИЗАЦИИ О-ГЛЮКОЗЫ МЕТОДОМ ПРОИЗВОДНОЙ ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ
Черепанов И.С.
Свойства карамелей в существенной степени определяются их структурой, традиционно изучаемой спектральными методами, среди которых наиболее распространена ИК-спектроскопия. Существенным ограничением классической ИК-спектроскопии в приложении к углеводам и их производным является низкое разрешение полос в информативных областях спектров, что затрудняет возможность наблюдения тонких эффектов структуры. В настоящей работе показана возможность исследования наиболее слаборазрешенного частотного диапазона -интервала 1160-800 см-1: в этом случае особенно эффективным методом является производная ИК-Фурье спектроскопия, позволяющая эффективно разделять контуры полос. Анализом вторых производных полос ИК-Фурье спектров выделенных и фракционированных карамелей подтверждено наличие нерегулярных С-О-С'-фрагментов, конденсированных с продуктами первичной деструкции глюкозы. Выполнено отнесение наиболее характерных сигналов при 1079, 1105 и 1152 см-1 к элементам структуры модельной С1-глюкопиранозной ячейки, связанной по 1,6-О-положениям. Детальное исследование спектральной области 920-800 см-1 показывает искажение С1-конформации пиранозных колец в составе продуктов карамелизации. Четырехкратное дифференцирование позволяют дополнительно повысить разрешение сигналов, что показано разделением на компоненты полосы спектра второго порядка в области 961-965 см-1. Область валентных колебаний кратных связей также показывает наличие характеристических полос в области 1710-1720 см-1, что отвечает конденсированным с углеводной составляющей непредельных продуктов деструкции глюкозы. Анализ полученных результатов с привлечением данных тонкослойной хроматографии целевых процессов позволило объяснить пути формирования структуры карамелей в этанольных средах: взаимодействие фрагментов углеводов и продуктов их термодеструкции реализуется с участием открытой формы глюкозы, содержание которой в этаноле повышено в сравнении водными растворами. Применение производной ИК-Фурье спектроскопии в технологии углеводов и их производных перспективно также при разработке методик количественного анализа при контроле процессов переработки углеводного сырья.
Ключевые слова: карамелизация, производная ИК-Фурье спектроскопия, углеводы, й-глюкоза, этанольные среды, структура, тонкослойная хроматография, термодеструкция, конформации, таутомерия.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование структуры продуктов термодеструкции углеводов ведется достаточно давно, но остается актуальным и по сей день, о чем свидетельствуют работы последних лет [1-4]. Сложность задачи во многом определяется условиями проведения процессов; при этом варьирование параметров среды позволяет получить различные по структуре и функциональному назначению составы [1]. Решение проблемы изучения структуры успешно решается с применением спектральных методов, в частности масс-спектрометрии [1], спектроскопии ЯМР [6] и ИК-спектроскопии [1,7], в последнем случае перспективны варианты спектроскопии высокого разрешения, в частности производная ИК-Фурье спектроскопия [4], сочетающая информативность с экспрессностью и доступностью. В этом случае
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2019
успешно решается проблема разделения контуров спектральных полос в областях спектров, характеризующихся низкой разрешенностью сигналов - область волновых чисел ниже 1200 см-1, объединяющей сложные колебания разных типов: бсо + veo + vcc + vcch + бен + vasring. Наряду с качественным структурным анализом, авторами работы [8] вторые производные ИК-Фурье спектров использованы для количественной оценки концентрации глюкозы в крови.
Ранее нами были синтезированы карамельные составы на основе D-гпюкозы и D-галактозы [4,5], изучена динамика их формирования, отмечена близость выделенных веществ к традиционно синтезируемым продуктам [5], проведены исследования формирования ряда структурных элементов карамелей на основе данных, полученных в ИК-диапазоне ниже 1000 см-1 [4]. Реакции проводились в мягких температурных усло-
137
виях, предполагающих использование этаноль-ных сред. В этом случае снижается количество летучих продуктов трансформации глюкозы, что делает исследуемую систему удобной в качестве модельной, включающей различные элементы структуры. Анализ данных, полученных обработкой спектральных областей, отвечающих идентификации различных фрагментов, позволит использовать производные колебательных спектров для интегральной оценки структуры карамелизованных углеводов, а также изучения путей ее формирования. В связи с этим целью настоящей работы являлось комплексное изучение структурных элементов карамелей на основе й-глюкозы, выделенных из этанольных растворов, посредством анализа четных производных полос ИК-Фурье спектров в частотном диапазоне 8001160 см-1.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовались реактивы марки «ч.д.а», процессы проводились термостатирова-нием (800С) водно-этанольных растворов (90% EtOH), содержащих 0.002 моль й-глюкозы в 25 мл растворителя в присутствии 310-4 моль NaOH для инициирования реакции в колбах с обратным холодильником в течение заданного времени. Выделение продуктов коричневого цвета проводилось удалением растворителя при пониженном давлении; колебательные спектры пропускания и поглощения высушенных веществ снимались в таблетках бромида калия на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-2201 со спектральным разрешением 1-4 см-1 при 40 сканах и обрабатывались в программах FSpec и PeakFit. Спектральные измерения проводились в трех параллелях с соответствующей коррекцией базовой линии. Электронные спектры снимались на спектрофотометре СФ-2000 в кварцевых кюветах в диапазоне длин волн 250-600 нм. Диализ растворов по окончании термостатирования проводился в течение 48 часов в свободный от реагентов растворитель. Тонкослойная хроматография выполнялась на пластинках (элюент бутанол-этанол-вода 5:2:1) с проявлением хроматограмм в иодной камере.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования кинетики карамелизации и строения продуктов термодеструкции углеводов в различных условиях, выполненные к настоящему времени в основном связаны с количественной оценкой скоростей модельных стадий процессов, либо интерпретируют данные по составам продуктов деструкции [7]. Ряд обзоров с общих позиций освещает структурные вопросы, связанные со строением хромофорных фрагментов, при этом не менее важная «углеводная» составляю-
щая структуры карамелей практически не обсуждается.
Авторами работы [1] показано образование олигогликозидных структур в процессе «сухой» карамелизации различных моносахаридов, в работе [2] представлен механизм, предполагающий активацию аномерного гидроксила за счет образования межмолекулярной водородной связи. При реализации процессов в растворах подобные реакции не обсуждались, тем не менее, ряд экспериментальных данных указывает на возможность формирования С-О-С'-фрагментов, в том числе в условиях невысоких температур в интервале 60-1200С [3].
Классические гликозидные связи образуются преимущественно в подкисленных средах, но известно, что в процессе карамелизации происходит существенное увеличение кислотности небуферированных растворов за счет образования кислых продуктов [7], конверсия исходного углевода в которые начинается в щелочных растворах практически сразу после начала реакции. Кроме того, возможны специфические межмолекулярные взаимодействия, приводящие к образованию С-О-С-связанных структур [2].
На рисунке 1 представлены вторые производные спектральных полос для карамелизованного продукта полной реакционной системы, выделенного в различных условиях эксперимента. Сопоставление полос карамели с аналогичными значениями для некарамелизованной глюкозы в интервале 990-1160 см-1 показывает некоторые отличия, первым из которых является отсуствие полос 1083 и 1093 см-1, которое авторы [8] выделяют как базовые для количественной оценки. Данное отличие свидетельствует в пользу практически полного распада исходного
УУаУспитЬсге, 1/ст
Рисунок 1 - Вторые производные ИК-Фурье спектров пропускания продукта карамелизации в области 950-1160 см-1:
1. - термостатирование в течение 60 мин;
2. - термостатирование в течение 90 мин;
3. - недиализуемая фракция ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2019
Для совокупности полос, наблюдаемых в спектре и отличающихся от полос в спектре глюкозы [8], может быть проведено следуюшее отнесение: полоса при 1105 см-1 отвечает колебаниям мзо при четвертом С-атоме пиранозного кольца, полосы 1033-1037 см-1 также относятся к фрагментам С(4)-О-Н [12]. Полоса при 1079 см-1 отвечает сложному колебанию у^ср-ор-ст + беэд-С©, тогда как сигнал в области 1150-1152 см-1 характеризует валетные колебания эндоциклических С-О-С-фрагментов и гликозидной связи [9]:
Сравнивая положение полос в продуктах разной продолжительности термостатирования, а также недиализуемой фракции можно отметить наиболее существенные различия сигналов в области 1050-1055 см-1. Для продуктов полной реакционной системы наблюдается диффузные полосы при 1050-1055 см-1, тогда как в спектре недиализуемого продукта регистрируется выраженная полоса при 1049-1050 см-1. Поскольку основной вклад в сигналы при 1052-1057 см-1 вносят колебания ^о алкилглюкопиранозидов [10], можно предположить образование простых производных, переходящих при фракционировании в диализат. Кроме того, полосы при 1030 и 1050 см-1 в спектрах гликозидов рассматриваются [11] как результат расщепления полосы при 1040-1042 см-1 [9]. Дополнительную информацию можно получить из анализа производных спектров в области 800-920 см-1 (Рис. 2), полосы которой характеризуют взаимодействия фрагментов пиранозных колец [9].
ХУаУспитЬсге, Р'ст
Рисунок 2 - Вторые производные ИК-Фурье спектров пропускания продукта карамелизации в области 800-925 см-1:
1. - термостатирование в течение 60 мин;
2. - термостатирование в течение 90 мин;
3. - недиализуемая фракция ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2019
Для углеводов, находящихся в конфор-мации кресла (С1), в указанной области регистрируются наиболее интенсивные полосы в областях 885-925 и 820-860 см-1 [9], что и наблюдается в нашем случае, при этом дополнительные полосы в других областях диапазона указывают на возможную нерегулярную структуру пиранозных колец, связанную с изменением конформации (В1, ЗВ):
вероятно, конденсированных с продуктами начальных стадий распада глюкозы; вполне вероятно образование псевдо-олигосахаридных структур.
Ранее нами была исследована область 1000-900 см-1, при этом отмечено, что полосы второй производной в области 961-965 см-1 [4], вероятно, являются составными. Четвертые производные позволяют получить более высокое разрешение сигналов в сравнении с двукратным дифференцированием [13], что отчетливо видно на рис. 3: два пика (961 и 966 см-1), на которые расщепляется полоса при 963 см-1 [4], могут отвечать разным элементам структуры (различные виды 6с-о-с, либо бс-о-с + У=с-н).
\\'ауепитЬеге, 1/ст
Рисунок 3 - Четвертые производные ИК-Фурье спектров поглощения продуктов карамелизации в области 950-970 см-1:
1. - термостатирование в течение 60 мин;
2. - термостатирование в течение 90 мин
Механизмы формирования описанных структур представляются достаточно сложными, и их еще предстоит детально изучить. Тем не менее, общая схема образования С1-О-С'б-фрагментов в структуре карамелей представляется логичной и обоснованной,
что дополнительно подтверждается данными по реакционной способности гидроксильных групп, полученных авторами [3]. В частности, селективность образования гликозидных связей уменьшается в ряду С1-О-С6 > С1-О-С4 > С1-О-С3 > С1-О-С2 > С1-О-С1, что, вероятно, связано с пространственными факторами. Взаимодействие фрагментов углеводов и продуктов их термодеструкции реализуется, вероятно, с участием открытой формы [6]:
0:
содержание которой в этанольной среде растет в сравнении водными растворами [14]. Аналогичным образом реализуется конденсация с продуктами термодеструкции, наличие в структуре карамелей неуглеводных фрагментов подтверждается наличием в спектрах полосы в области 1710-1720 см-1 [5], относящейся к валентным колебаниям карбонильных групп [6]. Последние являются функциями хромофорных фрагментов структуру, формирующихся на начальных этапах процессов в присутствии щелочи: в УФ-спектре отчетливо проявляется максимум при 275 нм, отвечающий поглощению О=С-функций [6].
Тонкослойная хроматография (Рис. 4) процессов карамелизации в принятых условиях показывает образование в течение первых получаса смесей, содержащих как исходный углевод, так и начальных продуктов термодеструкции.
Яр
30 50 90
I, МИН
Рисунок 4 - Тонкослойные хроматограммы процессов карамелизации О-глюкозы в этанольной среде
Со временем происходит взаимодействие компонентов; пятна, отвечающие свободному углеводу и его изомерам (Яг < 0.5), образующимся на начальных этапах в результате перегруппировки [7], к моменту t = 90 мин исчезают, что дополнительно свиде-
тельствует о формировании продуктов конденсации.
Биоскрининг карамелизованных углеводных продуктов показывает их существенную антиоксидантную и хелатирующую способность [15], что предполагает дальнейшее изучение строения карамелей, полученных в различных экспериментальных условиях, практически значимым.
ВЫВОДЫ
Таким образом, анализ вторых производных спектральных полос в области 1160800 см-1 ИК-Фурье спектров модельной системы на основе карамелизованной D-глюкозы, полученных при оптимальных параметрах их регистрации и обработки, позволил сделать следующие выводы:
- совокупность полос в интервале 1160-980 см-1 позволяет идентифицировать в структуре карамели пиранозные циклы, в частности показано преобладание связанных по 1,6-0 -положениям углеводных колец;
- дополнительный анализ в области 920-800 см-1 дает возможность оценить конформаци-онные особенности углеводной составляющей карамелей, при этом экспериментальные данные свидетельствуют об искажении С1 -конформации связанных элементов структуры;
- производные четвертого порядка позволяют дополнительно повысить разрешение, что показано разделением на компоненты полосы второго порядка в области 961-965 см-1, относящиеся к разным элементам структуры карамелей;
- область валентных колебаний кратных связей также показывает наличие характеристических полос в области 1710-1720 см-1, что отвечает конденсированным с углеводной составляющей продуктов распада глюкозы и подтверждается данными УФ-спектроскопии;
- формирование описанных элементов структуры представляется логичным и обоснованным, что дополнительно подтверждается данными тонкослойной хроматографии, свидетельствующими о развитии процессов конденсации исходных и промежуточных веществ, и согласуется с выводами, сформулированными ранее другими авторами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Golon, A. Characterization of «caramel-type» thermal decomposition products of selected monosaccharides including fructose, mannose, galactose, arabinose and ribose by advanced electrospray ioni-
140
П0ЛЗУН0ВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2019
zation mass spectrometry methods / A. Golon, N. Kuhnert // Food & Function. - 2013. - Vol.4. - P. 1040-1050.
2. Matsuoka, S. Retro-aldol-type fragmentation of reducing sugars preferentially occurring in polyether at high temperature: role of the ether oxygen as a base catalyst / S. Matsuoka, H. Kawamoto, S. Saka // J. Anal. Appl. Pyrol. - 2012. - Vol. 93. - P. 24-32.
3. Long, Y. Polymerization of glucose during acid catalyzed pyrolysis at low temperatures / Y. Long, Y. Yon, B. Song, W. Hongwei // Fuel. - 2018. - Vol. 230. - P. 83-89.
4. Черепанов, И.С. Процессы О-гликозилирования при карамелизации D-глюкозы и D-галактозы в этанольных средах / И.С. Черепанов // Сахар. - 2018. - №9. - С. 30-33.
5. Черепанов, И.С. Динамика процессов и структура продуктов карамелизации альдогексоз в щелочных водно-этанольных средах / И.С. Черепанов, О.О. Боталова // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. - 2018. -№1. - С. 35-39.
6. Urashima, T. The condensation of 5-(Hydroxymethyl)-2-Furfuraldehyde with some aldoses on heating / T. Urashima, K. Suyama, S. Adachi // Food Chem. - 1988. - Vol. 29. - P. 7-17.
7. Tomasik, P. The thermal decomposition of carbohydrates. Part I. The decomposition of mono-, di-, and oligo-saccharides / P. Tomasik, M. Pakasin-ski., S. Wiejak // Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. -1989. - Vol. 47. - P. 203-278.
8. Shen, Y. The use of Fourier-transform infrared spectroscopy for the quantitative determination of glucose concentration in whole blood / Y. Shen, A. Davies, E. Linfield, T. Elsey // Phys. Med. Biol. -2003. - Vol. 48. - P. 2023-2032.
9. Nicotic, G. Deconvoluted Fourier-transform LNT-IR study of coordination copper (II) compounds
with dextran derivatives / G. Nicolic, M. Cakic, Z. Mitic, L. Ilic // Rus. J. Coord. Chem. - 2008. - Vol. 34. - P. 322-328.
10. Korolevich, M. Theoretical analysis of the IR-spectrum of methyl-3,4-anhydro-a-D-talohexopyranoside / M. Korolevich, S. Kirillova, V. Piottukh-Peletsky, V. Andrianov // J. Appl. Spectrosc. -2008. - Vol. 75. - P. 597-605.
11. Shingel, K. Determination of structural peculiarities of dextran, pullulan and Y-irradiated pullulan by Fourier-transform IR spectroscopy / K. Shingel // Carbohydr. Res. - 2002. - Vol. 337. - P. 1445-1451.
12. Kanou, M. Influences of monosaccharides and its glycosidic linkages on infrared spectral characteristics of disaccharides in aqueous solutions / M. Kanou, K. Nakanishi, A. Yashimoto, T. Kameoka // Appl. Spectrosc. - 2005. - Vol. 59. - P. 885-892.
13. Butler W. Higher derivative analysis of complex absorption spectra / W. Butler, D. Hopkins // Pho-tochem. Photobiol. 1970. Vol. 12. P. 439-450.
14. Shen, S.-C. Maillard reaction in ethanolic solution / S.-C. Shen, J.S.-B. Wu // J. Food Sci. -2004. - Vol. 69. - P. 273-279.
15. Haghparast, S. A comparative study on antioxidative properties of carameled reducing sugars; inhibitory effect on lipid oxidative and sensory improvement of glucose carameled products in shrimp flesh / S. Haghparast,, B. Shabanpour, H. Kashiri // J. Agr. Sci. Tech. - 2013. - Vol. 15. - P. 87-99.
Черепанов Игорь Сергеевич, к.х.н.,
доцент кафедры Фундаментальной и прикладной химии ФБГОУ ВО «Удмуртский государственный университет». 426034, Россия, Удмуртская республика, г.Ижевск, ул. Университетская,1. Тел.: 8(3412)916-437. email: cherchem@mail.ru.
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 1 2019
141
