Превращения D-глюкозы в щелочных растворах в присутствии глицина Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

661.1.039

ПРЕВРАЩЕНИЯ О-ГЛЮКОЗЫ В ЩЕЛОЧНЫХ РАСТВОРАХ

В ПРИСУТСТВИИ ГЛИЦИНА

В.Н. РУДЕНКО

Украинский государственный университет пищевых технологий

Аминокислота в системе Д-глюкоза—глицин и гидроксил-ионы в щелочных растворах О-глюкозы обеспечивают образование ендиольной структуры, которая дает начало очень быстрым превращениям О-глюкозы, приводящим к одинаковым ключевым промежуточным продуктам в таких реакционных системах [1].

Представляло определенный интерес проследить за кинетикой превращений в щелочных растворах О-глюкозы и системы О-глюкоза—глицин в интервале температур 5-95°С. Сравнение изменений в двух исследуемых системах, возможно, позволит качественно оценить влияние аминокислоты на ход превращений О-глюкозы.

36 г (0,2 М) О-глюкозы при 0°С растворяли в воде до общего объема 200 мл и при этой температуре раствор доводили до pH 9,0 раствором №ОН. Одну часть раствора непосредственно исследовали в диапазоне 5-30°С и при разных температурах снимали УФ-спектры. Другую часть раствора нагревали на водяной бане и отбирали пробы (сначала при определенных температурах, а затем каждый час нагревания на кипящей водяной бане) для снятия УФ-спектров и определения изменения pH раствора.

По такой же методике исследовали систему О-глюкоза—глицин, составленную из 36 г (0,2 М) О-глюкозы и 1,5 г (0,02 М) глицина (соотношение 1:0,1); общий объем раствора 200 мл (pH 9,0).

Влияние температуры и времени нагревания (при 95°С) на образование промежуточных соединений в реакционных системах О-глюкоза—ОН” (—■—) и О-глюкоза—глицин (—•—), поглощающих в областях 215-225 нм (кривые 1, 2) и 260-285 нм (кривые 3, 4), представлено на рис. 1. В УФ-спектрах щелочных растворов О-глюкозы уже при 5°С имеется полоса небольшой интенсивности около 260 нм (кривая 3), которая, возможно, обусловлена поглощением О-глюкозы. По мере повышения температуры до 70-80°С эта полоса батохромно сдвигается на 30 нм, но дальнейшее

нагревание приводит уже к гипсохромному сдвигу, а через 2 ч нагревания в дальней (коротковолновой) области появляется новая полоса поглощения около 225 нм (кривая 2).

Особенностью УФ-спектров растворов системы О-глюкоза—глицин (рис. 1) является наличие при 5°С двух полос поглощения: около 215 нм и 285 нм, при этом первый максимум (кривая 1) очень быстро сдвигается в сторону коротких волн и при 20°С уже не фиксируется прибором, а положение более длинноволновой полосы (кривая 4) изменяется несколько отлично от подобной полосы поглощения щелочных растворов О-глюкозы (кривая 3).

Очевидно, что в коротковолновой области и в области 260-280 нм фиксируются различные изменения, происходящие в исследуемых системах. Это дает основание использовать поглощение в этих областях для сравнения превращений, имеющих место в реакционных системах.

Различный характер изменений в УФ-спектрах щелочных растворов О-глюкозы и системы О-глю-коза—глицин свидетельствует об определенных различиях в превращениях, происходящих при повышении температуры и последующем нагрева-^ нии исследуемых растворов. Так, коротковолновый максимум в системе О-глюкоза—глицин, по-видимому, обусловлен поглощением продуктов дегидратации О-глюкозы, образование которых, ве-. роятно, ускоряет глицин, и которые очень быстро подвергаются дальнейшим превращениям. В щелочных же растворах О-глюкозы коротковолновый1 максимум скорее всего принадлежит продуктам дегидратации промежуточных соединений, по всей вероятности, достаточно устойчивым структурам.

Изменение начального значения pH реакционных систем О-глюкоза—ОН” (кривая /) и О-глю-коза—глицин (кривая 2) как функция температуры и времени нагревания (при 95°С) представлено на рис. 2.

Видно, что повышение температуры растворов исследуемых систем приводит к несколько отличным результатам. Так, в щелочном растворе О-глю-козы уже выше 50°С наблюдается сильное падение pH, которое продолжается, правда в меньшей степени, и при последующем нагревании (кривая /).

Рис. 1

Рис. 2

Iй I

ЯЯн

пай

рЩ

1

х

-ад

'КР

1кр

XII

ТЫ].

Е

пая лрО ш ( поз л л! тт:

%"<! 21 п

-Ш1Д

УФ

П 1Г

пзщ

з

та

гн

спад

Hl.il 1 рсн; грг? иил

:'гТ

И 0*3 грш ЧЛТ: пи IV.

г

гм.'и П.1 ш

\Х

^П-ПТ,

ОИС-кШ

:иичпгт

Кч*Л*МИ Ш “ГрП

! а 285

) Г.'"?ЧЬ л и лрл :^кел=1^ мн-.ия I ПОГЛ Г.-пНПч 3) :и- И. ¿1 гЫС ГЗ-

Сгеми.*; СгЯКс в

, ИМгМ_|-

1ЕКТтрГзХ‘ !■' :.г.н>

П::кгг-г>г

р- г.рп

Э1'и(:И£-

ттс

Ч"Н Г 'г-1(*и мл, ии

¿■:||ГТ-.;ч

5 х^-гнгиыР

Ду.ЧТлМ 1П РС£Й

кцч'ч-

р.

фту-

Сил-^Н<1

[вией»

001ГН-

и-Лм)-|Щ^иИ: Яп гт*-::.п;'!.

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 2-3, 1999

31

ОМ

Рис. 3

В растворах же системы О-глюкоза—глицин повышение температуры до 95°С практически не вызывает изменения начального значения pH и только последующее нагревание дает эффект снижения pH, но значительно меньший, чем в щелочных растворах О-глюкозы {кривая 2).

Анализ изменений УФ-поглощения, происходящих в коротковолновой области — Я 225 нм (кривые 2, 4) и более длинноволновой — X 285 нм (кривые 1, 3), также указывает на различный характер превращений в исследуемых реакционных системах (рис. 3).

В щелочном растворе О-глюкозы при температурах выше 60°С начинаются активные превращения промежуточных соединений, поглощающих в обеих областях УФ-спектра, на что указывает сильное повышение интенсивности поглощения при X 285 и 225 нм (кривые 1, 2). При этом интенсивность поглощения в области 285 нм особенно сильно возрастает в интервале температур 60~80°С, а при 95°С и последующем нагревании (рис. 4, кривая

2) интенсивность поглощения при А 225 нм увеличивается сильнее.

Влияние времени нагревания (при 95°С) на УФ-поглощение исследуемых реакционных систем при 285 нм (кривые 1, 4) и 225 нм (кривые 2, 3) представлено на рис. 4.

Характер изменения поглощения при нагревании щелочных растворов О-глюкозы и изменения pH позволяет предположить, что промежуточные соединения, поглощающие в области 285 нм (это могут быть карбонильные, дикарбонильные соединения [2]), превращаются в карбоксилсодержащие промежуточные соединения, поглощающие в дальней УФ-области [3], которые, будучи довольно стабильными, способны в меньшей степени участвовать в дальнейших превращениях. Это должно приводить к увеличению их концентрации, а значит, к снижению pH и увеличению интенсивности поглощения в дальней (коротковолновой) области УФ-спектра, что и наблюдается в эксперименте.

В растворе системы О-глюкоза—’глицин (рис. 3) явные превращения начинаются при температуре 80°С и дальнейшее повышение температуры до 95°С сопровождается увеличением интенсивности поглощения в обеих выбранных областях (кривые 3, 4), но в большей мере — в области 285 нм (кривая 3). Такое соотношение сохраняется и при последующем нагревании раствора (рис. 4, кривые 3, 4). Здесь трудно найти четкие закономерности, вполне вероятно, что в коротковолновой области поглощают продукты взаимодействия карбонильной группы О-глюкозы и аминокислоты, превращающиеся далее в ключевые промежуточные соединения (карбонильные, дикарбонильные), поглощающие в области 285 нм [2].

Чтобы оценить влияние глицина на формирование промежуточных продуктов, поглощающих в коротковолновой и более длинноволновой областях УФ-спектра, определяли относительные скорости их образования (V = —1-^-, где О.О. —

?(мин)

оптическая плотность) при нагревании щелочных растворов О-глюкозы и системы О-глюкоза—глицин (таблица). Сравнение полученных данных показывает, что скорости превращений в системе О-глюкоза—глицин в сотни раз превышают скорости превращений в щелочном растворе О-глюкозы. Это предполагает, что глицин очень быстро реагирует с карбонильной группой О-глюкозы, образуя реакционноспособные промежуточные продукты (поглощающие в дальней УФ-области), легко претерпевающие последующие превращения в ключевые интермедиаты (поглощающие в области 285 нм). В щелочных растворах О-глюкозы гидроксил-ионы в меньшей степени катализируют образование ключевых промежуточных соединений, поглощающих в области 285 нм, и к тому же, вероятно, способствуют образованию карбоксилсодержащих соединений.

С увеличением времени нагревания процессы, происходящие в щелочных растворах О-глюкозы и

системы .О-глюкоза—глицин, усложняются, о чем свидетельствуют данные их спектрального исследования.

Таблица

O.D.

Реакционна«

система

D-глюкоза — ОН

Я-глюкоза — глицин

Относительная скорость образования промежуточных соединений при нагревании, ч

225 нм 285 нм

I 2 3 1 2 3

0,0075 0,0069 0,0053 0,0028 0,0020 0,001

0,40 0,39 0,36 , 0,51 0,52 0,46

27 г (0,15 М) О-глюкозы растворяли в воде до 100 мл общего объема, доводили до pH 9,0 раствором ЫаОН, нагревали на кипящей водяной бане в течение 2 ч. Раствор охлаждали и использовали для спектрального изучения. Для этого кювету с исследуемым раствором охлаждали до 0°С, затем термостатировали в интервале 5~95°С и при определенных температурах снимали УФ-спектр.

Чтобы проследить за изменениями в окрашенных растворах, 25 мл раствора, содержащего 13,5 г (0,075 М) О-глюкозы (pH 9,0), нагревали на кипящей водяной бане 5 ч и по вышеописанной методике в интервале температур 5-95°С определяли О.О. при произвольно выбранной Я 460 нм.

Аналогично проводили спектроскопическое исследование растворов системы О-глюкоза—гли-Цин: 100 мл 0,02 М раствора (0,36 г О-глюкозы,

0,15 г глицина, pH 9,0) после 2 ч нагревания использовали для изучения УФ-поглощения; 50 мл 1 М раствора (9 г О-глюкозы, 3,75 г глицина, pH 9,0) после 3 ч нагревания использовали для изучения поглощения в видимой области.

Анализируя УФ-поглощение щелочных растворов О-глюкозы и системы О-глюкоза—глицин (рис. 5), в целом можно отметить явное различие характера изменений поглощения в областях 225 (кривые 2, 5) и 285 нм (кривые 1, 4). Так, в щелочном растворе О-глюкозы процессы, сопровождающиеся образованием промежуточных соединений, поглощающих в дальней УФ-области, явно выражены (кривая 2), тогда как в растворах системы О-глюкоза—глицин более активно проходят процессы формирования промежуточных соединений, поглощающих в области 285 нм.

Судя по характеру изменения поглощения в видимой области (рис. 5), процесс образования окрашенных полимеров в щелочных растворах О-глюкозы и системы О-глюкоза—глицин несколько различный. В щелочном растворе О-глюкозы образование окрашенных веществ представляет собой довольно постоянный, ровный процесс (кривая

3), очень напоминающий простую полимеризаци-онную реакцию. Кривая изменения поглощения в системе О-глюкоза—глицин не имеет таких характеристик (кривая б), вероятно, потому, что в

присутствии глицина образование окрашенных полимеров включает не только полимеризацион-ный процесс, но и, возможно, реакции присоединения, элиминирования [4].

ВЫВОДЫ

1. Для качественной характеристики превращений О-глюкозы можно использовать дальнюю коротковолновую УФ-область.

2. В щелочных растворах О-глюкозы глицин в сотни раз ускоряет образование ключевых промежуточных продуктов (карбонильных, дикарбониль-ных соединений) на ранней стадии реакции; изменяет ход превращений на промежуточной стадии, затрудняя образование карбоксилсодержащих соединений; возможно, участвует в реакциях присоединения, сопровождающих полимеризацион-ный процесс на концевой стадии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Hodge J.E. Chemistry of Browning Reaction in Model System // Agricultural and Food Chemistry. — 1953. — 1(15). — P. 928-943.

2. Hayashi Т., Namiki M. Role of Sugar Fragmentation in an Early Stage Browning of Amino-carbonil Reaction of Sugar with Amino Acid // Agric. Biol. Chem. — 1986. — 50. — P. 1965-1970.

3. Большаков Г.Ф., Ватаго B.C., Агрест Ф.Б. Ультрафиолетовые спектры гетероорганических соединений. — Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1969. — 449 с.

4. Feather M.S., Huang R.D. Some Studies on a Maillard Polymer Derived from L-Alanine and D-Glucose // Amino-carbonil Reaction in Food and Biological Systems. 3-rd International Symposium, Japan, 1985. — P. 183-192.

Кафедра органической химии

Поступила 19.03.98