CC BY
46
ПЕРЕРАБОТКА
]
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11122
УДК 664.2.543
оптические свойства йод-полисахаридов крахмала тритикале
в. Г. коСтЕнко, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник (е-mail: vniik@ arrisp.ru)
Г. и. ПодЗиГУн, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник в. А. ковАПЁнок, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник
Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов - филиал Федерального научного центра пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН, ул. Некрасова, 11, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация
Резюме. Содержание амилозы в крахмале - одна из характеристик его качества. В основном это видовой признак исходного крахмалсодержащего сырья и извлекаемого из него крахмала. От этого зависят физико-химические свойства крахмала и направления его использования. Селекционерам нужны методики определения амилозы в разных видах сырья. Но прежде чем разрабатывать методику определения амилозы на спектрофотометрических приборах необходимо исследовать ее оптические свойства. Поскольку оптические свойства компонентов разных видов крахмала отличаются, методика, разработанная для определения амилозы в кукурузном крахмале, не пригодна для её определения в крахмале тритикале. Цель исследований - изучить оптические свойства крахмала и йод-полисахаридов крахмала тритикале и установить сходство и различие с йод-полисахаридами других видов крахмалов. Значительное влияние на величину оптической плотности растворов йод-полисахаридов тритикале оказывают концентрация йода и калия йодистого при соотношении К1: 12 от 3 до 15. Трёхфакторный эксперимент проводили по методике латинских квадратов. При содержании 0,05...0,06 мг/см3 йод оказывал минимальное влияние на оптическую плотность раствора йод-полисахаридов тритикале. С увеличением его концентрации оптическая плотность возрастала в нелинейной зависимости. Калий йодистый влиял на оптическую плотность больше, чем йод. При мольном соотношении К1:12, равном 15, оптическая плотность в 2 раза выше, чем при 5. Следовательно, в исследуемом растворе концентрация йода должна быть равна 0,06 мг/см3 при мольном соотношении К1:12, равном 5. Ключевые слова: крахмал тритикале, йод-амилоза, йод-амилопектин, йод- полисахарид, соединения включения, оптическая плотность, длина волны, спектрофотометрия. Дляцитирования: Костенко В. Г., ПодзигунГ. И., Ковалёнок В. А. Оптические свойства йод-полисахаридов крахмала тритикале // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 11. С. 82-84. ОСИ: 10.24411/0235-2451-2018-11122.
От содержания амилозы в крахмале зависят его физико-химические свойства и направления использования. В основном это видовой признак исходного крахмалсодержащего сырья и извлекаемого из него крахмала. У полисахаридов крахмала из разного сырья могут быть как сходства, так и различия. Так, Рихтер М. отмечает, что экстинция для амилозы различного происхождения почти постоянная, поскольку при высокой степени полимеризации мало зависит от величины молекул [1].
Селекционерам нужны методики определения амилозы в разных видах сырья. Для разработки такой методики с использованием спектрофотометрических приборов необходимо исследовать оптические
свойства амилозы, амилопектина и их модельных смесей в соотношениях, имитирующих примерный состав полисахаридов в крахмале.
Цель исследований - изучить оптические свойства соединения включения крахмала тритикале с йодом, йод-амилозы и йод-амилопектина крахмала тритикале.
Условия, материалы и методы. Объекты исследования - крахмал зерна тритикале (ГОСТ 320922014), составляющие его полисахариды (амилоза, амилопектин) и их модельные смеси в разных соотношениях.
Амилозу и амилопектин получали с использованием бутанола-1, изоамилового спирта и этанола согласно [2, 3], используя способность амилозы, в отличие от амилопектина, образовывать кристаллический комплекс с бутанолом-1. Осаждение амилозы и амилопектина проводили на центрифуге лабораторной пробирочной ОС-6М (5500 об./мин., 15 мин.).
Оптическую плотность измеряли с использованием сканирующего спектрофотометра СФ-2000 в диапазоне 200...800 нм. В качестве раствора сравнения использовали дистиллированную воду.
Исходные растворы йода, амилозы, амилопектина, смеси амилозы с амилопектином (в разных соотношениях), а также крахмала готовили концентрацией 1 мг/см3, согласно [2, 3], исследуемые растворы - в соответствии с условиями экспериментов. Полисахариды (амилозу, амилопектин, крахмал) растворяли в 0,1 н растворе гидроксида натрия при нагревании на кипящей водяной бане в течение 5 мин., подкисляли до рН 5,0.5,3 и разбавляли до концентрации 0,1 мг/см3.
Для определения концентрации йода, достаточной для полного связывания полисахаридами в йод-полисахаридные комплексы готовили модельные растворы смесей амилозы и амилопектина в соотношениях от 5:95 до 95:5 % с шагом 5 и 10 %. Ввиду того, что в крахмале некоторых культур (например, у гороха) содержание амилозы превышает 50 %, также проводили исследования с модельными смесями с концентрацией амилозы 10.60 % с шагом 10 % в соотношениях 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40 при суммарном содержании их в растворе 0,1 мг/см3,
Для определения совместного влияния смеси амилозы с разной долей амилопектина, концентрацией йода и мольным соотношением йодида калия к йоду на оптическую плотность йод-полисахаридных растворов йода проводили трёхфакторный эксперимент с использованием метода латинских квадратов. При этом мольное соотношение К1:1 варьировали от 5 до 15 с шагом 2, концентрацию 12 - от 0,04 до 0,09 мг/см3 с шагом 0,01 мг/см3, содержание амилозы - от 5 до 55 %, амилопектина - соответственно от 95 до 45 % с шагом 10 %. В результате получили математические зависимости взаимного влияния каждого из компонентов йод-полисахаридного раствора.
Результаты и обсуждение. Один из важных факторов, влияющих на величину оптической плот— Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 11
ПЕРЕРАБОТКА
Таблица. Зависимость оптической плотности ф) растворов смесей йод-амилозы с йод-амилопектином тритикале от концентрации йода
Содержание амилозы в смеси с амило- Оптическая плотность (й) при концентрации йода в растворе, мг/см3
пектином, % 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
10 0,2445 0,2845 0,3310 0,3654 0,3628 0,3780
20 0,3178 0,3755 0,3952 0,3933 0,4232 0,4339
30 0,3852 0,4765 0,4993 0,5080 0,5205 0,5270
40 0,4719 0,5752 0,6083 0,6116 0,6336 0,6336
50 0,6215 0,6741 0,6961 0,7072 0,7229 0,7374
60 0,6837 0,7944 0,8121 0,8336 0,8336 0,8356
ности йод-полисахаридов - это концентрация йода в растворе [4].
В наших опытах с увеличением доли амилозы в растворах с 10 до 60 % при концентрации йода 0,03 мг/см3 их оптическая плотность возрастала почти в 3 раза (см. табл.). При концентрации йода 0,05.. .0,07 мг/см3 проис-
Йод-амилопектиновые соединения-включения тритикале не имеют максимума оптической плотности (см. рис. 1 б), тогда как у аналогичных соединений кукурузного амилопектина его можно наблюдать при длине волны 530 нм. Оптическая плотность йод-амилопектинового комплекса тритикале меньше,
рис. 1. Спектры амилозы (а) и амилопектина (б) тритикале при содержании полисахарида 0,1 мг/см3 и концентрации йода (мг/см3): 1 - 0,01; 2 - 0,02; 3 - 0,03; 4 - 0,04; 5 - 0,05; 6 - 0,06; 7 - 0,07.
ходило насыщение им полисахаридов, поскольку оптическая плотность в вариантах с близким содержанием этого элемента становилась практически одинаковой (см. табл.). Для смесей с долей амилозы 20.50 % такое состояние наступало при концентрации йода 0,05 и 0,06 мг/см3; в вариантах с содержанием амилозы 10 и 60 % - при концентрации йода 0,06 и 0,07 мг/см3. При содержании йода 0,08 мг/см3 оптическая плотность растворов смеси несколько увеличивалась из-за избытка свободного йода, не вступившего во взаимодействие с полисахаридами. Таким образом, насыщение йодом смесей амилозы и амилопектина тритикале наступает при его концентрации 0,06 мг/см3.
Спектры растворов йод-амилозы тритикале отличались от спектров йод-амилозных растворов кукурузного крахмала. Оптическая плотность растворов йод-амилозы тритикале (0,1 мг/см3) с повышением концентрации йода от 0,01 до 0,05 мг/см3 значительно возрастала, а при 0,06 и 0,07 мг/см3 кривые почти накладывались одна на другую (рис. 1 а). Поскольку основной «потребитель» йода - амилоза, а в короткие цепочки амилозы в амилопектине йод не внедряется, это свидетельствует о насыщении обоих полисахаридов йодом [3]. Оптическая плотность йод-амилозных растворов тритикале достигала максимума при длине волны 565 нм, тогда как у кукурузного крахмала - при 600 нм [3, 4]. В диапазоне 565.800 нм наблюдали снижение оптической плотности спектральных кривых, близкое к линейному.
чем йод-амилозного, тем не менее она влияет на количественное определение амилозы при нахождении их в одном растворе.
рис. 2. Спектры йод-амилозы и смесей йод-амилозы и йод-амилопектина в разных соотношениях (мг/см3): 1 - амилоза 0,005; 2 - смесь амилозы 0,005 и амилопектина 0,095; 3 - амилоза 0,02; 4 - смесь амилозы 0,02 и 0,08 амилопектина; 5 - амилоза 0,035; 6 - смесь амилозы 0,035 и амилопектина 0,065; 7 - амилоза 0,05; 8 - смесь амилозы 0,05 и амилопектина 0,05; 9 - смесь амилозы 0,065 и амилопектина 0,035; 10 - амилоза 0,08; 11 - смесь амилозы 0,08 и амилопектина 0,02; 12 - амилоза 0,08 (концентрация йода 0,05 мг/см3).
Достижения науки и техники АПК. 2018. Т 32. № 11
83
ПЕРЕРАБОТКА
рис. 3. Влияние йода и соотношения К1:12 на йод-амилозное соединение-включения.
Оптическая плотность смесей амилозы и амило-пектина, содержащих 5.35 % амилозы выше, чем чистой амилозы (рис. 2). При соотношении амилозы и амилопектина в смеси по 50 % ее спектр совпадает со спектром чистой амилозы 50 %. При дальнейшем увеличении концентрации амилозы в смеси ее оптическая плотность становится меньше, чем у амилозы. По мнению В. Г. Дашевского [5], амилоза существует в нескольких кристаллических модификациях: в зерновых крахмалах - в А-форме, в клубневых - в В-форме, в бананах - в С-форме. При этом в В-форме образуются прочные водородные связи между соседними цепочками. Существует ещё V-модификация, построенная из одиночных левых спиралей. Конформация
V-амилозы появляется в соединениях включения при взаимодействии йода с амилозой. При этом имеющая двойную спираль правого вращения амилоза преобразуется в одинарную спираль левого вращения. Следовательно, ее можно считать искусственной [5]. В эксперименте по-видимому, в растворе происходило преобразование молекул амилозы и амилопектина, в результате чего появились новые условия для включения молекул йода в спираль. При соотношении амилозы и амилопектина 1:1 образование комплекса амилозы и амилопектина завершалось, и дальнейшее увеличение концентрации амилозы не приводило к образованию новых участков для внедрения молекул йода. Таким образом, спектры смесей амилозы и амилопектина - это не наложение спектров двух отдельных соединений, а спектр их единого комплекса. Тем более, что при 565 нм амилопектин имеет достаточно низкую оптическую плотность (см. рис. 1 б).
Анализ результатов трехфакторного эксперимента по изучению влияния концентрации амилозы в смеси, йода и соотношения К1:12 свидетельствуют, что минимальное воздействие йода на оптическую плотность достигается при его концентрации 0,05.0,07 мг/см3. С ростом величины этого показателя оптическая плотность повышалась в нелинейной зависимости. Калий йодистый на оптическую плотность влияет больше, чем йод. При мольном соотношении К1:12, равном 15, оптическая плотность в 2 раза выше, чем при соотношении равном 5 (рис. 3).
выводы. Таким образом, спектры йод-амило-пектина тритикале не имеют максимума; у йод-амилозы он отмечен при длине волны 567 нм. Рекомендуемая концентрация йода в исследуемом растворе йод-полисахаридов - 0,06 мг/см3 при мольном соотношении К1:12, равном 5.
Литература.
1. Рихтер М., Августат З., Ширбаум Ф. Избранные методы исследования крахмала. М.: Пищевая промышленность,1975. С.125.
2. A novel triple-wavelength colorimetric method for measureing amylase and amylopectin contents/ Jin Peng Wang, Yin Li, Yao Qi Tian, etc. // Starke. 2010. Vol. 10. Pp. 508-516.
3. Изучение оптических свойств кукурузного крахмала / В. Г. Костенко, Г. И. Подзигун, Н. Д. Лукин и др. // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 12. С. 110-112.
4. Способ определения содержания амилозы в крахмале / Г. И. Подзигун, В. Г. Жуков, В. Г. Костенко и др. // Патент RU2644754, МПКG01N33\10, 21. 13.02.2018. Бюл. № 5.
5. Дашевский В. Г. Конформационный анализ макромолекул. М.: Наука, 1987. С. 180.
Optical Properties of Iodine Polysaccharides of Triticale Starch
V. G. Kostenko, G. I. Podzigun, V. A. Kovalyonok
All-Russian Research Institute of Starch Products - the branch of the V. M. Gorbatov Federal Science Center of Food Systems of the RAS, ul. Nekrasova, 11, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation
Abstract. The content of amylose in starch is one of the characteristics of its quality. Basically, it is a species characteristic of the original starch-containing raw material and starch extracted from it. Physical and chemical properties of starch and directions for its use depend on it. Breeders need methods for the determination of amylose in different types of raw materials. But before developing a method for determining amylose on spectrophotometric instruments, it is necessary to investigate its optical properties. Since the optical properties of the components of different types of starch differ, the technique developed for the determination of amylose in maize starch is not suitable for its determination in triticale starch. The purpose of the research was to study the optical properties of starch and iodine polysaccharides from triticale starch and to establish the similarities and differences with the iodine polysaccharides of other types of starch. A significant effect on the optical density of solutions of triticale iodine polysaccharides is exerted by the concentration of iodine and potassium iodide with a KI: I2 ratio from 3 to 15. The three-factor experiment was carried out according to the method of Latin squares. With a content of 0.05-0.06 mg/cm3, iodine had a minimal effect on the optical density of the triticale iodine polysaccharide solution. With an increase in its concentration, the optical density increased in a nonlinear correlation. Potassium iodide affected the optical density to a greater degree than iodine. With a molar ratio of KI: I2 equal to 15, the optical density was 2 times higher than at a molar ratio equal to 5. Therefore, in the test solution, the iodine concentration should be 0.06 mg/cm3 with a molar ratio of KI: I2 equal to 5.
Keywords: triticale starch; iodine amylose; iodine amylopectin; iodine polysaccharide; compounds of inclusions; optical density; wavelength; spectrophotometry.
Author Details: V. G. Kostenko, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow (e-mail: [email protected]); G. I. Podzigun, Cand. Sc. (Chem.), leading research fellow; V. A. Kovalyonok, D. Sc. (Tech.), leading research fellow.
For citation: Kostenko V. G., Podzigun G. I., Kovalyonok V. A. Optical Properties of Iodine Polysaccharides of Triticale Starch. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 11. Pp. 82-84 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11122.
84
Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 11
