CC BY
81
УДК [664.292:582.26.27]:577.114
М. Д. Мукатова, А. Р. Салиева
ПОЛИСАХАРИДЫ ВОДНЫХ РАСТЕНИЙ ВОЛГО-КАСПИЯ,
СПОСОБЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Введение
Углеводы - важнейший класс природных веществ, широко распространенный в природе и играющий большую роль в жизни человека. Согласно принятой в настоящее время классификации углеводы подразделяются на три основные группы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Пектиновые вещества - высокомолекулярные полисахариды, присутствующие в растворимой (растворимый пектин) или нерастворимой (протопектин) форме во всех наземных растениях и в ряде водорослей. Нерастворимые пектиновые вещества составляют большую часть первичных клеточных стенок и межклеточного вещества (срединных пластинок) растений; растворимый пектин содержится в клеточном соке [1].
Пектиновые полисахариды характеризуются большим разнообразием структур, их нерегулярностью, блочным построением макромолекул и их значительной сложностью (рис.). В настоящее время считается, что пектины принадлежат к числу наиболее сложных по структуре из всех известных полисахаридов природного происхождения. В структуре их макромолекул различают две области: линейную, представленную галактуронаном, и разветвленную.
С0ОН н ОН СООС^ н ОН СООС^
Высокометоксилированный пектин
Основной отраслью, потребляющей пектины в настоящее время и в ближайшем будущем, по мнению экспертов и оптовиков-импортеров, будет оставаться пищевая промышленность. В фармацевтической и парфюмерно-косметической отраслях возможно использование всех пектинов, разрешенных к использованию в пищевой отрасли.
Самым главным показателем качества пектинов является степень этерификации (т. е. отношение метоксильных групп (-ОСН3) галактуроновой кислоты ко всем кислотным остаткам в молекуле). Промышленные пектины делятся на высокометоксилированные и низкометокси-лированные. Высокоэтерифицированный пектин имеет степень этерификации (метоксилирова-ния) более 50 %; низкоэтерифицированный пектин - менее 50 % [1].
Наивысшая степень этерификации, которая может быть достигнута при экстракции пектина из природного сырья, находится в пределах 75-80 % [1].
Другим важнейшим свойством пектиновых веществ является их комплексообразующая способность, основанная на взаимодействии молекулы пектина с ионами тяжелых и радиоактивных металлов.
Комплексообразующие свойства пектиновых веществ зависят от содержания свободных карбоксильных групп, т. е. степени этерификации карбоксильных групп метанолом.
Пектин получают из различного сырья. Наиболее распространенным сырьем для получения пектина являются выжимки цитрусовых и яблок, жом сахарной свеклы и сердцевины корзинок подсолнечника.
Расширение ассортимента пектинов часто связывают с поиском новых источников сырья. Морские травы, запасы которых представляют большой промышленный интерес, являются перспективным сырьем для получения пектина, т. к. содержат до 20 % и выше пектиновых веществ. Из морской травы зостеры выделен полисахарид, получивший название зостерин [2].
В Волго-Каспийском бассейне обнаружены такие виды высших водных растений, как рдест, руппия и зостера [3].
Увеличение площади территории произрастания водных растений вызывает заболачиваемость акватории, снижение кормовой базы в местах нагула рыб, затрудняя проход и ухудшая гидрологический режим воды [4].
В то же время пресноводные и морские травы содержат в своём составе белки, липиды, минеральные вещества, углеводы (простые и сложные), в том числе полисахариды, представленные пектиновыми веществами.
Объекты исследований
Объектами исследования были морская трава зостера каспийская, рдест пронзённолист-ный, зостерин, рдестин и их соли натрия. Пробы водных растений были изъяты из воды, промыты, высушены в естественных условиях и доставлены в лабораторию. Пробы хранились при относительной влажности 75 % и имели остаточное содержание воды 10-12 %.
Результаты исследований и их обсуждение
В табл. 1 приведен химический состав наиболее распространенных водных растений Вол-го-Каспийского бассейна после промывки и высушивания в естественных условиях при температуре окружающей среды.
Таблица 1
Видовой состав и химические показатели водных растений Волго-Каспия
Видовой состав объектов исследования Содержание, %
воды золы растворимых в эфире веществ белковых веществ (ОА х 6,25) углеводов
пектиновых веществ клетчатки моно-и дисахаридов
Зостера каспийская 9,7 ± 0,15 15,4 ± 0,2 8,1 ± 0,01 1,78 ± 0,02 26,1 15,9 22,1
Рдест пронзеннолистный 10,1 ± 0,3 20,1 ± 0,1 9,4 ± 0,02 3,6 ± 0,2 15,7 24,3 16,0
Рдест гребенчатый 9,0 ± 0,1 16,2 ± 0,2 8,3 ± 0,02 2,0 ± 0,01 12,4 22,8 28,8
Рдест блестящий 9,6 ± 0,2 15,1 ± 0,4 6,1 ± 0,02 2,9 ± 0,1 10,5 25,0 29,9
Данные табл. 1 свидетельствуют о том, что наибольшее количество пектиновых веществ содержится в зостере каспийской и рдесте пронзеннолистном - 26,1 и 15,7 % соответственно.
Для извлечения пектиновых веществ в качестве экстрагентов были использованы слабые растворы гидроокиси натрия и оксалата аммония.
Оптимальным гидромодулем экстрагентов было принято значение 8-10, концентрация экстрагентов 0,5 % для гидроксида натрия (№ОИ) и 1 % для оксалата аммония при температуре нагревания смеси 50 °С.
Извлечение пектиновых веществ из воздушно-сухих зостеры и рдеста осуществлено 3-ступенчатой экстракцией. Режимы обработки и выход полисахаридов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Технологические режимы получения полисахаридов из зостеры и рдеста щелочным способом
Т ехнологический процесс Условия обработки, режимы
Зостера каспийская | Рдест пронзеннолистный
Выщелачивание 1 %-м раствором НС1 Температура 80-85 °С, гидромодуль 1 : 10, продолжительность 3,0 часа
Фильтрование Через сито с диаметром отверстий 0,8 мм
Промывка водой до рН 6,5-7,0 Температура воды 20 °С, соотношение 1 : 10
Экстракция 3-ступенчатая 0,5 %-м раствором КаОИ Температура 30-32 °С, гидромодуль 1 : 6, продолжительность каждой стадии 24 часа
Фильтрование Через капроновую ткань
Осаждение полисахарида 10 % НС1 до рН 2-2,5
Фильтрование Через тканевый фильтр
Промывка (коагуляция) Температура воды 90-95 °с, соотношение 1 : 10
Фильтрование и промывка на фильтре Через тканевый фильтр
Высушивание Температура 50-60 °С, продолжительность 2,0 часа
Выход, % 9-9,5 | 8-8,5
В лабораторных условиях был апробирован также способ 2-ступенчатой экстракции. Режимы обработки и выход полисахаридов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Технологические режимы получения полисахаридов из зостеры и рдеста оксалатным способом
Т ехнологический процесс Условия обработки, режимы
Зостера каспийская | Рдест пронзеннолистный
Выщелачивание 1 %-м раствором НС1 Температура 80-85 °С, гидромодуль 1 : 10, продолжительность 3,0 часа
Фильтрование Через сито с диаметром отверстий 0,8 мм
Промывка водой до рН 6,5-7,0 Температура воды 20 °С, соотношение 1 : 10
Экстракция 2-ступенчатая 1 %-м (N^№204 Температура 50 °С, гидромодуль 1 : 6, продолжительность каждой стадии 8 часов
Фильтрование Через капроновую ткань
Осаждение зостерина 10 % НС1, подкисление рН 1,5-2
Фильтрование и промывка на фильтре Через тканевый фильтр под вакуумом
Высушивание Температура 50-60 °С, продолжительность 2,0 часа
Выход, % 8-8,5 | 7,5-8
Для характеристики полисахаридов, полученных из различного видов сырья разными способами, были изучены химические показатели: содержание воды, пектовой кислоты, минеральных веществ, органических веществ. В табл. 4 приведена сравнительная характеристика химических показателей полисахаридов из водных растений (зостеры и рдеста пронзеннолистного).
Таблица 4
Сравнительная характеристика химических показателей полисахаридов из зостеры и рдеста
Содержание, %
Продукт Экстрагент воды минеральных органических пектовой
веществ веществ кислоты
Полисахарид из зостеры 0,5 %-й ^ОИ 9,5-10,2 1,8-2,1 97,1-98,2 76,1-79,8
Полисахарид из рдеста 9,7-10,3 7-7,9 92,1-93,0 65,1-66,0
Полисахарид из зостеры 1 %-й (N^20204 8,7-9,2 3,8^,1 95,9-96,2 60,7-61,4
Полисахарид из рдеста 9,2-9,8 8,2-8,7 91,3-91,8 64,0-65,8
Изучение химических показателей полисахаридов из зостеры и рдеста, полученных разными способами, показало, что содержание пектовой кислоты в них выше, чем при использовании оксалата аммония и составляет порядка 76-65 %, при содержании минеральных веществ 2 и 7,5 % соответственно.
Растворимость и рН полученных продуктов определены приготовлением 1 %-го водного и щелочного растворов. В табл. 5 приведена растворимость полисахаридов и рН водных растворов, полученных экстракцией разными реагентами.
Таблица 5
Растворимость и рН полисахаридов из зостеры и рдеста
Продукт Экстрагент Растворимость, % рН 1 %-го водного раствора
в щелочи в воде
Полисахарид из зостеры 0,5 %-й №0И 97-98 2-3 2,5-3
Полисахарид из рдеста 96-97 2-3 3-3,5
Полисахарид из зостеры 1 %-й (N^20204 93-94 15-16 2,6-3
Полисахарид из рдеста 96-97 2-3 3-3,5
Из данных табл. 5 следует, что полисахариды из зостеры и рдеста хорошо растворимы в щелочи и плохо растворимы в воде.
Известно, что полисахариды, получаемые в настоящее время в России, по органолептическим характеристикам, в том числе по цвету, должны быть от желтовато-белого до светлокоричневого [5]; содержание пектовой кислоты в них должно быть не менее 60 %. Полисахариды, полученные экстракцией 1 %-м раствором оксалата аммония, светлее, чем полисахариды, полученные при использовании гидроксида натрия. По физико-химическим показателям, в том числе содержанию пектовой кислоты, полисахариды, полученные двумя способами, соответствуют принятым в настоящее время стандартам.
Содержание свободных и этерифицированных карбоксильных групп, показатели степени этерификации и комплексообразующая способность полисахаридов приведены в табл. 6.
Таблица 6
Степень этерификации и комплексообразующая способность полисахаридов
Продукт Содержание, % Степень этерификации, % Комплексообразующая способность 1 %-го раствора, мг P Ь2+/мл
свободных карбоксильных групп этерифицированных карбоксильных групп
Полисахарид из зостеры 14,7-14,9 0,9-1,0 5,7-6,2 5,2-5,4
Полисахарид из рдеста 12,4-12,6 2,2-2,5 15-16,8 5,4-5,6
Данные табл. 6 свидетельствуют о том, что, полученные полисахариды относятся к низко-этерифицированным продуктам (степень этерификации менее 50 %) и обладают высокой комплексообразующей способностью, указывая на возможности их применения в качестве биологически активных веществ лечебно-профилактического назначения.
Заключение
В результате исследований установлены видовой состав и химические показатели водных растений Волго-Каспия. Приведены технологические режимы получения полисахаридов из зосте-ры и рдеста щелочным и оксалатным способами. Проведен сравнительный анализ химических показателей зостерина и рдестина, исследованы их растворимость и рН среды. Установлены также степень этерификации и комплексообразующая способность исследуемых полисахаридов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Донченко Л. В. Технология пектина и пектинопродуктов: учеб. пособие. - М.: Дели, 2000. - 255 с.
2. Видовой состав и технохимическая характеристика макрофитов и высших водных растений Северного Каспия / М. Д. Мукатова, Т. М. Суворова, А. Ф. Сокольский и др. // Морские прибрежные экосистемы: водоросли, беспозвоночные и продукты их переработки: Материалы Первой Междунар. науч.-практ. конф. - М.: ВНИРО, 2002. - С. 137-142.
3. Сокольский А. Ф., Умербаева Р. И., Тихонова Э. Ю. Микробиологические исследования воды и донных отложений Каспийского моря: отчёт по НИР / КаспНИРХ. - Астрахань: КаспНИРХ, 2003. - С. 76-80.
4. Катунин Д. Н., Бережнов Г. В., Немошкалов С. М. Мелиорация малых водотоков дельты реки Волги. -Астрахань: ЦНТЭП, 2003. - 104 с.
5. Зостерин / Ю. Н. Лоенко, А. А. Артюков, Э. П. Козловская и др. - Владивосток: Дальнаука, 1997. - 228 с.
Статья поступила в редакцию 16.11.2009
POLYSACCHARIDES OF THE VOLGA-CASPIAN HYDROPHYTES,
METHODS OF EXTRACTION AND PROSPECTS OF USE
M. D. Mukatova, A. R. Salieva
The following methods of extraction of pectin substances by means of alkali solutions (NaOH) of different concentration (0.5-2 %) with the water duty of 1 : 5; by means of diluted solutions of ammonia oxalate (0.5-1 %) with the water duty of 1 : 10 after the preliminary soaking of air-dried grass in 1 % HCl solution with the water duty of 1 : 10. The extraction ratio amounted from two to three depending on the concentration of the chosen extragent. Depending on the type of the tested raw material, pectin substances were received by means of acidifying the obtained extracts; 96 % alcohol precipitation of the extract allowed to receive their water-soluble salts. Pectin substances are not water-soluble; dissolubility of their salts comes to 86-90 %. The complexing ability of 1 % natrium salt solution is 3.3 mg Pb2+/ml, the etherification degree of zoosterol, obtained by means of alkali extraction, is 2.4 %, and etherification degree of the salt is 6 %.
Key words: polysaccharides, hydrophytes, pectin substances, Volga-Caspian.
