CC BY
13УДК 544.476:661.183.123.2
Raisa M. Gorshkova, Djuraboy .Kh. Khalikov, Dara A. Slobodova, Andry B. Uspensky, Alexander A. Slobodov
INFLUENCE OF HYDROLYZING AGENT рH ON PROTOPECTIN DECAY IN STATIC AND DYNAMIC MODES OF HYDROLYSIS-EXTRACTION PROCESS
St Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia ITMO University, Kronverksky Pr., 49, St. Petersburg 197101, Russia
Institute of Macromolecular Compounds Russian Academy of Science, Russia
V.I. Nikitin Institute of Chemistry AS of the Republice Tajikistan, 299/2, Ayni Str., Dushanbe 734063, Tajikistan, E-mail: [email protected]
The article describes a hydrolysis process of apple pomace, tangerine peel and sunflower head residue by using static and dynamics regime of hydrolysis. It's shown that application of dynamics method positively influences on the pectin yields and its main parameters. The results of comparative study and acid concentration effect on pectin parameters in two different hydrolysis mode allows to develop a more effective process in the pectin production.
Keywords: pectin, dynamic mode, microgel, oligosaccharides, thermodynamics, modeling.
Р.М. Горшкова1, Д.Х. Халиков2, Д.А. Слободова3, А.Б Успенский4, А.А. Слободов5
ВЛИЯНИЕ РН ГИДРОЛИЗУЮЩЕГО АГЕНТА НА РАСПАД ПРОТОПЕКТИНА В СТАТИЧЕСКОМ И ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМАХ ГИДРОЛИЗ-ЭКСТРАКЦИИ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр. 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия
Университет ИТМО, Кронверкский пр., 49, Санкт-Петербург 197101, Россия
Институт высокомолекулярных соединений РАН, Большой пр. В.О., 31
Санкт-Петербург 199004 Россия
Институт химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан, 734063 ул. Айни, 299/2, Душанбе, Таджикистан E-mail: [email protected]
В работе изучен процесс гидролиз-экстракции протопектина яблочных выжимок, кожуры мандаринов и корзинки подсолнечника в статическом и динамическом режимах. Установлено преимущество динамического режима, приводящего к увеличению выхода и улучшению физико-химических параметров, отвечающих за качество целевых продуктов. Полученные результаты сравнительного исследования влияния концентрации кислоты при двух режимах процесса гидролиза дают предпосылки разработки технологии получения пектина с заданными свойствами.
Ключевые слова: пектиновые полисахариды, динамический метод, микрогель, олигосахариды.
DOI 10.15217Zissn1998984-9.2017.40.80
Введение
Пектиновые полисахариды обладают рядом полезных свойств и широко востребованы в пищевой и фармацевтической промышленности. Они содержатся практически во всех высших растениях в виде протопектина - высокомолекулярного полимерного комплекса, образующего вместе с целлюлозой и ге-мицеллюлозой каркас клеточной стенки. Сырьем для получения пектиновых полисахаридов могут быть как свежие фрукты и овощи, так и отходы производства соков, подсолнечного масла и др. Процесс их извлече-
ния из растительной клеточной стенки состоит из ряда последовательных и сопряжённых стадий: подготовки сырья, его предварительной обработки, гидролиз-экстракции, отделения и очистки экстракта, высушивания и т.д. При этом ключевой стадией, во многом определяющей качество и область применения пектиновых полисахаридов, является гидролиз-экстракция. Чаще всего её проводят в закрытой системе, в течение 1-3 ч. Лимитирующим фактором процесса гидролиз-экстракции является рН гидролизующего агента [1-3]. При помощи данного параметра возможно регулировать выход и качество целевых продуктов. Высокое значение рН позволяет значительно увеличить выход пектино-
1 Горшкова Раиса Михайловна, д-р техн. наук, вед науч. сотр., ИВС РАН e-mail: [email protected] Raisa M. Gorshkova Dr. Sci. (Eng..), 1Institute of Macromolecular Compounds RAS.
2 Халиков Джурабой Халикович, д-р хим. наук, профессор, акад. АН Республики Таджикистан, зав. лабораторией Институт химии им. В.И. Никитина АН РТ, е-mail: [email protected]
Djuraboy .Kh. Khalikov, Dr. Sci. (Chem.), V.I. Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
3 Слободова Дара Александровна, магистрант, Университет ИТМО, е-mail: [email protected] Dara A. Slobodova graduate student, ITMO
4 Успенский Андрей Борисович, аспирант, Университет ИТМО, е-mail: [email protected] Andry B. Uspensky, postgraduate, ITMO University.
5 Слободов Александр Арсеньевич, д-р хим. наук, профессор, СПбГТИ(ТУ), Университет ИТМО, е-mail: [email protected] Alexander A. Slobodov Dr. Sci. (Chem.), Professor, SPbSIT(TU)), ITMO University.,
Дата поступления - 28 августа 2017 года
вых полисахаридов, но при этом происходит деградация пектиновой макромолекулы, что приводит к потере основных свойств продукта. При низких значениях рН снижается выход пектиновых полисахаридов, а также омыляются ацетильные и метильные группы [1-3]. Учитывая вышесказанное, возникает задача разработки методов получения пектиновых полисахаридов, обеспечивающих высокий выход и оптимальные физико-химические параметры, отвечающие за качество целевых продуктов, чему и посвящено настоящее исследование.
Экспериментальная часть
Влияние рН гидролизующего агента на процесс гидролиз-экстракции протопектина растительного сырья изучали в статическом режиме [4], являющимся основой большинства существующих традиционных методов получения пектина и его производных, и динамическом режиме [4, 5].
Гидролиз-экстракцию в статическом режиме [4] проводили в закрытой системе в течение 60 мин, при Т = 85 °С, гидромодуле 1 : 20 и непрерывном перемешивании, используя в качестве гидролизующего агента растворы соляной кислоты с значениями рН от 1,05 до 5,6. Полученный экстракт отделяли от остатков клеточной стенки, нейтрализовывали и разделяли на три фракции, условно названные: микрогель, пектиновые вещества и олигосахариды. Водонабухающую фракцию с сетчатой структурой - микрогель отделяли путём центрифугирования при скорости 4000-5000 об/ мин. Далее, проводили осаждение раствора трёхкратным количеством этилового спирта для выделения водорастворимой фракции с разветвлённой структурой - пектиновые вещества. Оставшийся водно-спиртовый раствор упаривали на роторном испарителе, отделяя низкомолекулярную спирторастворимую фракцию с линейной структурой - олигосахариды [4]. Суммарное содержание микрогеля, пектиновых веществ и олиго-сахаридов для каждой фиксированной продолжительности гидролиза принимали за содержание протопектина, распадающегося за этот же период времени.
Гидролиз-экстракцию протопектина в динамическом режиме [5] проводили следующим образом: высушенное, измельчённое, набухшее в растворе соляной кислоты с соответствующим значением рН, сырьё помещали в экстрактор, где подвергали гидролиз-экстракции при Т = 85 °С, скорости потока 6 мл/ мин в течение 60 мин при значениях рН растворов соляной кислоты, аналогичных использованным в статическом режиме. Общая высота прямоточного экстрактора составляла 78,0 см, высота нагревательного элемента - 44,0 см, диаметр - 3,3 см, максимальная загрузка сырья - 20 г. В процессе гидролиз-экстракции гидролизат выводился из системы со скоростью, равной скорости поступления гидролизующего агента в экстрактор. Разделение фракций проводили аналогично статическому режиму.
В качестве сырья использовались измельчённые корзинки подсолнечника (КП), мандариновые корки (Мн) и яблочные выжимки сорта Первенец Самарканда (ЯВ). В полученных веществах определяли содержание галактуроновой кислоты [6], балластных веществ (БВ) [7] и степень этерификации (СЭ) [8] карбоксильных групп галактуроновой кислоты.
Гидролиз-экстракция растительного сырья в закрытой системе обладает рядом недостатков, основными из которых являются продолжительное воздействие температуры и кислоты на пектиновые макромолекулы, перешедшие из сырья в раствор, а также расход ионов водорода гидролизующего агента на разрыв межмолекулярных связей, образованных ионами кальция, что приводит к уменьшению ионной силы рас-
твора и падению скорости распада протопектина [9]. В динамическом режиме непрерывный ток гидролизующего агента обеспечивает неизменность величины рН (рисунок 1), способствуя максимально эффективному извлечению продуктов реакции распада протопектина из клеточной стенки (рисунок 2).
0 12 3 4 5 6
рНисх
Рисунок 1. Взаимосвязь исходного (рНисх) и конечного (рНкон)
значения рН гидролизующего агента (доверительный интервал ±0,02-0,03): статический режим: +ЯВ; Л МН; А КП; динамический режим: 4
Суммарный распад протопектина всех видов исследованного сырья в динамическом режиме значительно превышает аналогичное значение, полученное в статическом режиме (рисунок 2). При рН 1,05-1,2 превышение значения распада протопектина в динамическом режиме составляет около 10 %, а при рН 3,5-5,6 распад протопектина увеличивается более чем в два раза. Таким образом, в динамическом режиме, даже при щадящем значении рН гидролизующего агента, сохраняется высокая эффективность распада протопектина.
60 и
ГО 25 -
ё 20 -
о_
15 -10 -
0 12 3 4 5 6
РН
Рисунок 2. Суммарный распад протопектина в зависимости
от значения рН гидролизующего агента (доверительный интервал ±0,04-0,06): статический режим +ЯВ; АМН; ЖКП; динамический режим МЯВ; ХМН; *КП
Динамический режим гидролиз-экстракции оказывает положительное влияние на значения выхода фракций протопектина всех исследованных видов сырья (рисунки 3, 4). Как в статическом, так и в динамическом режиме, максимального значения выхода фракций удается достичь в области рН 1,05 и 1,2. Выход водорастворимой фракции - пектиновых веществ в динамическом режиме при рН 1,05-1,2 превышает аналогичный показатель в статике на 5-8 % и, далее, разрыв увеличивается, сохраняя высокое значение до рН 3,5 и превышая выход пектиновых веществ в статическом режиме вдвое. В статическом режиме, при рН 1,6-5,6 наблюдается резкое снижение выхода пектиновых веществ (рисунок 3).
30
25 -
ЕГ 20 -
15 -
10
-Г" 2
~1—
рн
-Г"
4
-1 6
Рисунок 3. Выход пектиновых веществ в зависимости от значения рН гидролизующего агента (доверительный интервал ±0,05-0,06): статический режим *ЯВ; АМН; ЖКП; динамический режим Я Я В; ХМН; +КП
32 -1
27 -
22
17
12
-Г" 2
3
рн
-Г"
4
6 п
Особенно резкое отличие в значениях выхода микрогеля в режимах статики и динамики наблюдается для КП (рисунок 4б). При рН 1,05-2,0 выход микрогеля превышает аналогичное значение в 3-7 раз, по сравнению со статическим режимом. Для прочих видов сырья выход микрогеля также выше при применении метода гидролиз-экстракции в динамическом режиме.
Одними из основных параметров, определяющих качество и область применения пектиновых полисахаридов, являются содержание галактуроновой кислоты и степень этерификации. Для всех видов сырья, при увеличении величины рН, в обоих режимах гидролиза, содержание остатков галактуроновой кислоты и её степени этерификации, как в микрогеле, так и в пектиновых веществах, снижается, но в динамике, по сравнению со статикой, темп снижения менее выражен (таблицы 1, 2). Например, в динамическом режиме до рН = 3,5 содержание галактуроновой кислоты остаётся относительно высоким и отвечающим требованиям, предъявляемым к качеству пектина [7], а в статическом режиме содержание галактуроновой кислоты в пектиновых веществах снижается, начиная с рН = 1,6, что практически делает нецелесообразным получение пектина в статике при данном значении рН. Степень этерификации пектиновых веществ и образцов микрогеля, полученных в динамическом режиме, также превышает аналогичный показатель веществ, полученных в статическом (таблица 2).
Таблица 1. Содержание звеньев галактуроновой кислоты в микрогеле и пектиновых веществах, полУченных различными методами (% по отношению к массе полисахарида)
ЯВ Мн КП
рНисх Статический режим Динамический режим Статический режим Динамический режим Статический режим Динамический режим
Микрогель
-1 1,05 72,0±0,05 76,8±0,04 75,6±0,06 78,0±0,04 67,2±0,05 73,2±0,04
6 1,20 70,8±0,05 76,2±0,05 75,0±0,06 76,8±0,03 66,6±0,05 70,8±0,03
1,60 69,6±0,04 75,6±0,05 74,4±0,05 76,2±0,03 64,8±0,04 69,0±0,04
18 2,00 66,6±0,06 74,4±0,04 72,0±0,06 75,6±0,03 63,6±0,04 67,8±0,04
3,50 63,6±0,05 69,6±0,05 66,0±0,06 74,4±0,04 58,8±0,05 63,6±0,05
14 * 5,60 60,0±0,06 - 63,6±0,05 72,0±0,05 56,4±0,06 -
и ^ к Пектиновые вещества
Ю Ъ 1,05 50,4±0,05 66,0±0,03 73,8±0,05 74,4±0,04 64,8±0,04 68,2±0,03
1,20 49,8±0,04 65,4±0,03 73,2±0,05 73,8±0,04 62,0±0,03 67,0±0,03
ч. 1,60 48,0±0,04 64,8±0,03 69,6±0,06 73,2±0,03 58,8±0,05 65,8±0,03
Л ш 2,00 46,2±0,04 64,2±0,04 64,8±0,04 70,8±0,03 56,4±0,04 64,2±0,05
3,50 45,6±0,04 60,0±0,04 56,4±0,05 66,0±0,03 52,4±0,03 54,0±0,04
5,60 44,4±0,05 57,6±0,04 52,8±0,04 60,0±0,04 50,0±0,04 50,4±0,04
Рисунок 4. Выход фракций в зависимости от значения рН гидролизующего агента (а - олигосахариды; б - микрогель) (доверительный интервал ±0,04-0,06): статический режим *ЯВ; АМН; ЖКП; динамический режим ЯЯВ; ХМН; +КП
Выход олигосахаридов выше в режиме динамики для всех сырьевых источников. Для КП в динамическом режиме снижения данного показателя практически не наблюдается. Для прочих видов сырья, выход олигосахаридов уменьшается с ростом значения рН, как в динамике, так и в статике (рисунок 4а).
Пектиновые полисахариды, полученные в статическом режиме гидролиз-экстракции, имеют достаточно высокое содержание балластных веществ (красителей, низкомолекулярных фракций, жиро-восковых веществ и т.д.), которое возрастает с увеличением величины рН (таблица 3). Данный факт существенно ухудшает качество пектиновых полисахаридов и требует включения дополнительной операции очистки в технологический процесс производства. В микрогеле и пектиновых веществах, полученных в динамическом режиме, содержание балластных веществ при всех значениях рН раствора значительно ниже по сравнению с образцами, полученными в статическом режиме.
а
Таблица 2. Степень этерификации микрогеля и пектиновых веществ, полученных различными методами (% по отношению к массе полисахарида)
ЯВ Мн КП
риисх Статический режим Динамический режим Статический режим Дина-миче-ский режим Статический режим Динамический режим
Микрогель
1,05 49,40±0,07 51,81±0,06 50,00±0,06 52,44±0,07 28,24±0,08 39,51±0,07
1,20 48,19±0,07 51,81±0,08 48,78±0,07 51,22±0,08 25,88±0,08 37,80±0,06
1,60 46,99±0,06 50,60±0,06 47,56±0,07 50,60±0,07 23,53±0,06 35,80±0,07
2,00 45,78±0,08 49,40±0,07 45,12±0,07 49,40±0,07 22,35±0,07 33,33±0,06
3,50 45,78±0,07 59,05±0,06 42,68±0,06 46,99±0,06 20,00±0,07 30,86±0,06
5,60 44,58±0,06 - 40,24±0,06 44,58±0,08 17,65±0,06 -
Пектиновые вещества
1,05 72,73±0,06 75,00±0,08 76,14±0,07 78,41±0,06 44,05±0,05 45,78±0,06
1,20 71,59±0,06 73,86±0,07 75,00±0,07 77,27±0,06 41,86±0,07 43,37±0,06
1,60 70,45±0,06 72,73±0,07 73,86±0,08 76,14±0,06 38,10±0,07 42,17±0,05
2,00 68,18±0,07 71,59±0,06 71,59±0,08 75,00±0,07 34,12±0,06 40,96±0,06
3,50 65,91±0,08 70,45±0,06 69,32±0,06 73,86±0,07 32,14±0,07 40,24±0,07
5,60 64,77±0,07 69,32±0,05 65,91±0,06 71,59±0,08 30,95±0,06 39,02±0,06
Таблица 3. Содержание балластных веществ в микрогеле и пектиновых веществах, полученных различными методами (% по отношению к массе полисахарида)
ЯВ
Мн
КП
рНисх Статический режим Дина-миче-ский режим Статический режим Дина-миче-ский режим Статический режим Дина-миче-ский режим
Микрогель
1,05 5,72±0,09 4,53±0,09 6,12±0,09 4,97±0,10 9,40±0,09 5,80±0,08
1,20 6,54±0,10 4,87±0,10 7,13±0,09 5,30±0,10 10,80±0,10 6,00±0,09
1,60 7,10±0,08 5,16±0,09 7,9±0,11 5,84±0,09 12,30±0,09 6,40±0,09
2,00 7,80±0,09 5,54±0,08 8,50±0,09 6,23±0,09 16,20±0,08 7,80±0,09
3,50 8,40±0,09 6,12±0,09 9,20±0,09 6,89±0,10 18,40±0,10 9,30±0,08
5,60 9,12±0,09 - 10,17±0,10 7,50±0,10 24,80±0,10 -
Пектиновые вещества
1,05 4,80±0,09 3,20±0,08 4,87±0,09 3,38±0,08 8,60±0,07 4,30±0,07
1,20 5,60±0,08 3,80±0,08 5,74±0,08 3,90±0,08 10,20±0,07 4,90±0,08
1,60 5,90±0,08 3,97±0,07 6,05±0,08 4,20±0,07 11,40±0,06 5,50±0,08
2,00 6,50±0,08 4,12±0,08 6,74±0,09 4,54±0,07 12,90±0,08 6,20±0,07
3,50 7,10±0,10 4,38±0,07 7,42±0,09 5,11±0,08 13,50±0,08 6,90±0,09
5,60 7,50±0,09 4,64±0,07 7,88±0,09 5,26±0,07 13,60±0,07 7,10±0,06
Заключение
Таким образом, применение метода гидролиз-экстракции в динамическом режиме обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами, основанными на проведении процесса в закрытой системе, позволяет контролировать процесс гидролиза, избежать излишнего воздействия кислоты и высокой температуры на проэкстрагированные пектиновые макромолекулы. Это приводит к увеличению численных
значений выхода и улучшению физико-химических параметров пектиновых полисахаридов, а также позволяет проводить процесс в мягких условиях. Исследованное воздействие рН гидролизующего агента на основные параметры, определяющие качество целевых продуктов, даёт возможность разработки селективного энерго-и ресурсосберегающего технологического процесса, отвечающего требованиям потребителей пектина.
Литература
1. Карпович Н.С., Донченко Л.В. Пектин: производство и применение. Киев: Урожай, 1989 88 с.
2. O'Neill MA, York WS. The composition and structure of primary cell walls. Bditor - Rose JKC / The Plant Cell Wall. Oxford: Blackwell Publishers, 2003 Р. 1-54.
3. Соболь И.В. Влияние вида и концентрации гидролизующего агента на кинетику извлечения пектиновых веществ из корзинок подсолнечника // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2006, № 22. С. 91-96.
4. Горшкова Р.М., Мухидинов З.К., Махкамов Х.К., Халикова С., Халиков Д.Х., Лиу Л.Ш. Статический и динамический режимы кислотного гидролиза протопектина корзинки подсолнечника // Известия АН Республики Таджикистан. 2010. № 3(140). С. 69-75.
5. Мухидинов З.К., Горшкова Р.М., Халикова С., Халиков Д.Х. Способ получения пектина из растительного сырья: малый пат. TJ 290 Республика Таджикистан. No 0900307; заявл. 06.05.2009; опубл. 20.01.2010. Бюл. 57 (1).
6. Filizetti-Cozzi T.M.C.C., Carpite N.C. Measurement of Uranic Acids without Interference from Neutral Sugars // Anal. Biochem. 1991, V. 197. Р. 157-162.
7. ГОСТ 29186-91 «Пектин. Технические условия». М: Стандартинформ, 1991. 15 с.
8. Kelko C.P. Determination of DE // Control metod. 2001, March 7. Р.3.
9. Халиков Д.Х., Горшкова Р.М., Махкамов Х.К., Мухидинов З.К. Кинетика кислотного гидролиза протопектина корзинки подсолнечника // Химический журнал Казахстана. 2015, № 2(50). С. 195-202.
Reference
1. Karpovich N.S., Donchenko L.V. Pektin: proizvod-stvo i primenenie. Kiev: Urozhaj, 1989 88 s.
2. O'Neill MA, York WS. The composition and structure of primary cell walls. Editor - Rose JKC / The Plant Cell Wall. Oxford: Blackwell Publishers, 2003 R. 1-54.
3. Sobol' I.V. Vlijanie vida i koncentracii gidrolizu-jushhego agenta na kinetiku izvlechenija pektinovyh vesh-hestv iz korzinok podsolnechnika // Politematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvenno-go agrarnogo universiteta. 2006, № 22. S. 91-96.
4. Gorshkova R.M., Muhidinov Z.K., Mahkamov H.K., Halikova S., Halikov D.H., Liu L.Sh. Staticheskij i dina-micheskij rezhimy kislotnogo gidroliza protopektina korzinki podsolnechnika // Izvestija AN Respubliki Tadzhikistan. 2010. № 3(140). S. 69-75.
5. Muhidinov Z.K., Gorshkova R.M., Halikova S., Halikov D.H. Sposob poluchenija pektina iz rastitel'nogo syr'ja: malyj pat. TJ 290 Respublika Tadzhikistan. No 0900307; za-javl. 06.05.2009; opubl. 20.01.2010. Bjul. 57 (1).
6. Filizetti-Cozzi T.M.C.C., Carpite N.C. Measurement of Uranic Acids without Interference from Neutral Sugars // Anal. Biochem. 1991, V. 197. R. 157-162.
7. GOST 29186-91 «Pektin. Tehnicheskie uslovija». M: Standartinform, 1991. 15 s.
8. Kelko C.P. Determination of DE // Control metod. 2001, March 7. R.3.
9. Halikov D.H., Gorshkova R.M., Mahkamov H.K., Muhidinov Z.K. Kinetika kislotnogo gidroliza protopektina korzinki podsolnechnika // Himicheskij zhurnal Kazahstana. 2015, № 2(50). S. 195-202.
