CC BY
81УДК: 664.162+664.165
worn
Процессы 0-гликозилирования при карамелизации D -глюкозы и D-галактозы в этанольных средах
И.С. ЧЕРЕПАНОВ, канд. хим. наук, доцент кафедры ФиПХ ИЕН УдГУ (e-mail: cherchem@mail.ru) ФБГОУ ВО «Удмуртский государственный университет»
Введение
Проблема строения продуктов деструкции углеводов неоднократно освещалась в научной литературе [1, 2, 9], интерес к изучению структуры карамелей остаётся высоким и в настоящее время [2], поскольку последние важны не только как полупродукты пищевой промышленности, но и обладают существенной биологической активностью [3].
Процессы в растворах в отличие от «сухой» карамелизации [2] протекают в более сложных по составу средах, тем не менее реакции в жидкой фазе идут в более мягких температурных условиях, что предполагает меньшее количество летучих продуктов распада [9]. В связи с этим применение варьируемых по содержанию компонентов реакционных сред открывает широкие возможности для получения физиологически активных целевых продуктов [2, 3, 9]. В то же время все имеющиеся в литературе немногочисленные данные относятся к процессам в водных системах при концентрации щёлочи, превышающей содержание исходного углевода в растворе. Целью настоящего исследования являлась детализация механизмов образования и структуры продуктов карамелизации ^-глюкозы и ^-галактозы в этанольных средах в присутствии малых количеств щёлочи.
Материалы и методы исследований
В работе использовались реактивы марки «ч.д.а», целевые продукты синтезировались термостатиро-ванием (90 0С) водно-этанольных растворов (90 % ЕЮН), содержащих 0,002 моль углевода в 25 мл растворителя в присутствии 2-10-4 моль №ОН в колбах с обратным холодильником в течение заданного времени. Выделение вязких окрашенных продуктов проводилось удалением растворителя при пониженном давлении; колебательные спектры высушенных веществ снимались в таблетках бромида калия на ИК-Фурье спектрометре ФСМ-2201 (ООО «Инфраспек», Санкт-Петербург, Россия), спектры обрабатывались в программе FSpec. Диализ растворов по окончании термостатирования проводился в течение 48 часов в свободный от реагентов растворитель.
Обсуждение результатов
Ранее нами была изучена динамика карамелизации моносахаридов в описанных условиях [1], при этом детальный анализ колебательных спектров в ряде областей проведён не был в связи с их слабой разрешён-ностью. Такой областью является частотный интервал 900—1100 см-1, отвечающий колебаниям главным образом типа vasСО и vasСОС [7, 9]. Применение для анализа структурных особенностей производной ИК-Фурье спектроскопии позволяет сделать ряд полезных выводов относительно строения карамелей [4]. На рис. 1 и 2 представлены вторые производные спектральных полос продуктов карамелизации, полученных при разной продолжительности термостатирования растворов. Область спектров 940-990 см-1 исходных углеводов не содержит подобных комбинаций чётких полос, в связи с чем регистрируемые сигналы в данном интервале могут быть отнесены к С-О-С и С-С-О-фрагментам, в том числе гликозидных структур [7].
По мере увеличения продолжительности термоста-тирования профиль спектра несколько меняется, появляются дополнительные полосы (985, 990, 996 см-1, см. рис. 2), что может свидетельствовать об усложнении структуры, в том числе посредством гликози-лирования. Это вполне справедливо для процессов,
ектра 978 [\ 983
производная сп пропускания 944 1 Н 1 X \ / К7 Л 1 I! I / \ 1 //
ая ора 1 2 \ 1 \j | I
950 1000
Волновое число
Рис. 1. Вторые производные ИК-Фурье спектров продуктов карамелизации в области 900—1000 см-1:1 — D-глюкозы; 2 — D-галактозы (1 = 60 мин)
КОМПЛЕКСНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ САХАРНЫХ ЗАКОДОК
956 964
940 960 980 1000
Волновое число
Рис. 2. Вторые производные ИК-Фурье спектров продуктов карамелизации в области 940—1000 см-1:1 — D-галактозы; 2 — D-глюкозы (1= 90 мин)
780 820
700 720 740 760 780 800 820 Волновое число
Рис. 3. Вторые производные ИК-Фурье спектров продуктов карамелизации в области 700—820 см-1:1 — D-галактозы; 2 — D-глюкозы @ = 60мин)
протекающих в выбранных условиях эксперимента: достаточно высокое содержание углевода в растворе при незначительной концентрации щёлочи способствует образованию структур более высокой молекулярной массы при снижении процента распада молекулы углевода [9].
В частотном диапазоне 900—1000 см-1 обычно наблюдаются полосы внеплоскостных деформационных колебаний С-Н-связей алкеновых фрагментов. Число и положение полос в этом случае зависит от конфигурации и протяжённости сопряжённой системы, и поскольку структура карамелей включает полиеновые фрагменты [9], необходимо учесть появление полос у=С_Н в данной области. Сопряжённые транс-полиены имеют в спектрах одиночные сигналы при 990-998 см-1, и, таким образом, основная часть рассматриваемого диапазона остаётся свободной от полос колебаний хромофорных фрагментов структуры карамелей, при этом, разумеется, не исключены трудноразделимые составные полосы, относящиеся к нескольким элементам структуры.
Для подтверждения высказанных предположений была дополнительно исследована область 700820 см-1 (рис. 3, 4), анализ спектров в которой показывает кроме характерных для свободных углеводов полос [7] дополнительные сигналы, при этом пики в области 710-720 см-1, а также при 790 см-1 могут отвечать ангидробициклическим фрагментам (5С_Н) [4].
При этом большое число сигналов в обоих частотных диапазонах позволяет предположить образование нерегулярных С1-О1-Сх'-структур.
Образование гликозидных связей обсуждается авторами [2], масс-спектрометрически исследовавших
структуру продуктов «сухой» карамелизации моносахаридов. Образование С-О-С-фрагментов в общем и гликозилирование в частности при проведении процессов в растворах не обсуждались.
Как известно, образование О-гликозидов наиболее характерно для кислотных сред [9], кроме того, установленным экспериментальным фактом является существенное снижение рН в процессе нагревания углеводов в небуферированных средах в присутствии щелочей. Последнее можно объяснить образованием продуктов кислотного характера при распаде и окислении кислородом ионизированных
700 720 740 760 780 800 820 Волновое число
Рис. 4. Вторые производные ИК-Фурье спектров продуктов карамелизации в области 700—820 см—1:1— D-галактозы; 2 — D-глюкозы @ = 90мин)
ШШ
под действием щёлочи фенольных форм углеводов. В этих условиях становится возможным нуклео-фильное замещение гликозидного гидроксила при протонной активации как под действием ионов водорода кислотных продуктов, так и, по мнению авторов [5], при образовании водородных связей с фрагментами соседних молекул. В качестве интер-медиатов предполагаются оксокатионы [5], тем не менее не исключено, и даже более вероятно протекание процессов через образование ионных пар [8], либо по синхронному механизму, что ещё предстоит изучить в деталях.
Анализ спектров недиализуемых продуктов кара-мелизации в тех же частотных интервалах (рис. 5, 6) не показывает их существенного отличия от спектров полных реакционных систем.
В частности, сохраняется практически неизменной гликозидная полоса в области 960—965 см-1; полосы 945, 990 см-1 (продукт на основе галактозы) и 946, 978 см-1 (продукт на основе глюкозы) также остаются в спектрах недиализуемых продуктов, при этом в спектре галактозной карамели исчезает чёткий пик при 996 см-1.
В области 700-820 см-1 в спектрах недиализуемых продуктов остаются «углеводные» полосы 780-805 и ~ 820 см-1, тонкая структура в интервале 700-740 см-1 для продукта на основе галактозы сглаживается. Вполне вероятно, что тонкие эффекты, связанные с изменением профиля спектров в рассматриваемых частотных диапазонах, обусловлены образованием в процессе карамелизации гликозидных структур различной молекулярной массы, в том числе с участием
растворителя, а также псевдоолигомерных структур. Слабые различия в спектрах продуктов полных реакционных систем и недиализуемых фракций позволяют предположить несущественное изменение структуры в процессе диализа.
Таким образом, на основании анализа дифференциальных ИК-Фурье спектров в «аномерной» области и области «кристалличности» показано образование С1-О1-Сх'-связей в продуктах карамелизации моносахаридов в сравнительно мягких условиях, обеспечиваемых смешанными водно-этанольными средами и инициирующим действием малых количеств щёлочи. Наличие в структуре карамелей связанных углеводных остатков в сочетании с непредельными фрагментами предполагает выделенные продукты перспективными в качестве доступных антиокси-дантных композиций [3, 6], что делает практически значимым дальнейшие исследования в части оптимизации методик синтеза и выделения целевых продуктов с заданными свойствами.
Список литературы
1. Черепанов, И.С. Динамика процессов и структура продуктов карамелизации альдогексоз в щелочных во-дно-этанольных средах / И.С. Черепанов, О.О. Боталова // Технология и товароведение инновационных пищевых продуктов. - 2018. - Т. 48, № 1. - С. 35-39.
2. Golon, A. Characterization of «caramel-type» thermal decomposition products of selected monosaccharides including fructose, mannose, galactose, arabinose and ribose by advanced electrospray ionization mass spectrometry methods / A. Golon, N. Kuhnert // Food & Function. -2013. - Vol. 4. - P. 1040-1050.
о f
5 § §
§ £ о 5
§ !
961 963
940
960 980
Волновое число
WOO
Рис. 5. Вторые производные ИК-Фурье спектров недиализуемых продуктов карамелизации в области 9201000 см-1:1 — D-галактозы; 2 — D-глюкозы
780 818 $22
)ая производная спектра пропускания 805 J И 788 Д I Í
! 2 \
1 \J i i i i i i i
700 720 740 760 760 800 820
Волновое число
Рис. 6. Вторые производные ИК-Фурье спектров недиализуемых продуктов карамелизации в области 700— 820 см—1:1 — D-галактозы; 2 — D-глюкозы
J
\ ДЕКСТРАНАЗА 2 F
ШШ1Ш1ШШШШШ
Декстраназа 2F производства компании Mitsubishi-Kagaku Foods Corporation позволяет:
снизить вязкость раствора;
повысить скорость кристаллизации конечного продукта за счёт разрушения структуры декстрана; предотвратить засорение фильтров и вентилей трубопровода;
облегчить сепарирование на центрифуге;
экономить энергетические и временные затраты;
улучшить характеристики патоки.
Импортёр - АО «Каваками Паркер»
Тел.: +7 (495) 933-86-08
Факс: +7 (495) 626-51-59
Адрес: 119180, г. Москва,
Большая Якиманка, д. 31, пом. 1,1А, офис 401
Дистрибьютер -ООО «Волгоградское производственное объединение «Волгохимнефть» Тел.: +7 (84477) 6-91-46, 6-91-52 e-mail: vhn@vhn.ru www.vhn.ru
3. 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.
4. Matsuhiro, B. Second derivative Fourier transform infrared spectra of seaweed galactans / B. Matsuhiro, P. Rivas // J. Appl. Phycol. - 1993. - Vol. 5. - P. 45-51.
5. 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.
6. Morelli, R. Fenton-dependent damage to carbohydrates: free radical scavenging activity of some simple sugars / R. Morelli, S. Russo-Volpe, N. Bruno // J. Agric. Food Chem.
- 2003. - Vol. 51. - P. 7418-7425.
7. Raman and infrared spectroscopy of carbohydrates. A review / E. Wiercigroch, E. Szafraniec, K. Czamara, M. Pacia, K. Majzner et al // Spectrochem. Acta Part A. - 2017.
- Vol. 185. - P. 317-335.
8. The influence of acceptor nucleophilicity on the glycosylation reaction mechanism / S. van der Vorm, T. Hansen, H. Overkleeft, A. van der Marel, J. Codee // Chem. Sci. - 2017. - Vol. 8. - P. 1867-1875.
9. Tomasik, P. The thermal decomposition of carbohydrates. Part I. The decomposition of mono-, di-, and oligo-saccharides / P. Tomasik, M. Pakasinski, S. Wiejak // Adv. Carbohydr. Chem. Biochem. - 1989. - Vol. 47. - P. 203-278.
Аннотация. В статье представлены результаты исследования особенностей процессов карамелизации D-галактозы и D-гпюкозы в смешанных водно-этанольных средах. Данные производной ИК-Фурье спектроскопии в области ниже 1000 см-1 свидетельствуют о наличии в структуре карамелей нерегулярных внутри- и межмолекулярных С-О-С-связей, образование которых, вероятно, протекает по механизму замещения. Полученные карамелизованные продукты перспективны в качестве доступных синтетических антиоксидантов.
Ключевые слова: D-глюкоза, D-галактоза, гликозидные связи, карамелизация, механизмы, ИК-Фурье спектроскопия Summary. Results of study of D-glucose and D-galactose caramelization features in mixed aqueous-ethanolic media are presented. Based on analysis of derivative IR-Fourier spectroscopy data in area of lower than 1000 cm-1, the presence of non-regular intra- and intermolecular C-O-C-bonds in caramel structure, which are formed possibly by the substitution mechanism, is shown. Caramelized products isolated are perspective as accessible synthetic antioxidants. Key words: D-glucose, D-galactose, glycoside bonds, caramelization, mechanisms, IR-Fourier spectroscopy
