CC BY
25
УДК 547.917 DOI: 10.24411/2071-6176-2020-10403
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СОРБЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ ЯБЛОЧНОГО ПЕКТИНА
Е.Е. Бабкина, В.К. Солдатов
Проведено исследование сорбционной способности яблочного пектина по отношению к ионам меди (II), а также влияние температуры на сорбционную емкость. Показано, что сорбционный процесс лучше описывается уравнением Ленгмюра. Сорб-ционные свойства уменьшаются при замораживании (на 7,9 % при t = -18°С), более значительно уменьшаются при термической обработке (на 18,6 % при t = 100°С). Таким образом, при использовании яблочного пектина в качестве детоксиканта следует избегать термической обработки и консервирования холодом.
Ключевые слова: пектин, сорбционная способность, изотерма адсорбции.
Пектины представляют собой полисахариды клеточных стенок. Основным компонентом пектиновых полисахаридов являются полиуроновые кислоты. У высших растений они состоят из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных 1,4-гликозидными связями, на долю которой в зависимости от источника происхождения пектиновых веществ приходится от 83 до 90 % [1, 2]. Пектиновые вещества относятся к биологически активным: выводят из организма тяжелые металлы, токсические продукты обмена, нормализуют работу желудочно-кишечного тракта, являясь балластными углеводами. Способность связывать ионы тяжелых металлов лежит в основе применения пектинов в качестве лечебно-профилактических добавок: в процессе усвоения пищи карбоксильные группы пектина связываются с солями тяжелых металлов, в результате образуются нерастворимые комплексы, которые в дальнейшем выводятся из организма [3]. Установлено, что кроме хемосорбции -образования комплексных соединений пектатов, происходит и физическая адсорбция катионов активными центрами пектина [4].
В пищевой промышленности, благодаря способности к образованию гелей, пектиновые вещества широко используют в качестве гелеобразователей и загустителей [5].
В процессе переработки и хранения пектинсодержащее сырье и продукты подвергаются различным способам обработки, в том числе термическому воздействию - нагреванию и замораживанию, в результате может изменяться структура макромолекул пектина, а, следовательно, и их свойства. Так, например, гидролиз протопектина начинается уже при 60оС и заметно интенсифицируется при 80оС [6]. Для рационального использования пектинсодержащего сырья в различных отраслях необходимо всестороннее изучение его физико-химических характеристик.
В работе [7] показано, что термическая обработка и замораживание снижают сорбционную способность пектинов по отношению к ионам свинца. В связи с вышеизложенным, было бы интересно изучить влияние термической обработки пектинов на сорбционную способность по отношению к ионам других металлов.
Известно, что медь как тяжелый металл связывается с карбоксильными и другими функциональными группами биомолекул. При этом она снижает активность ферментов и, купируя метаболические процессы, вызывает сильную интоксикацию организма [8].
Целью данного исследования явилось изучение сорбционной способности яблочного пектина, по отношению к ионам меди, а также влияние термической обработки на его сорбционную емкость.
В качестве режимов термической обработки пектина использовались: 1) нагревание при температуре 100°С в течение 2 часов и 2) замораживание при температуре -18° в течение 8 часов.
Материалы и методы
Навеску пектина массой 2,0 г смачивали этиловым спиртом, помещали в плоскодонную колбу на 100 см3 и растворяли в 100 см3 дистиллированной воды. Затем в ряд пробирок вносили по 2 мл раствора пектина и стандартный 5%-ный раствор сульфата меди (II). При обработке пектина стандартным раствором сульфата меди образующийся рыхлый осадок меди пектината отфильтровывали. Остаточное содержание ионов меди после сорбции определяли фотометрическим методом при длине волны 615 нм, предварительно переводя их в форму аммиаката [9].
Результаты и обсуждение
Сорбционная емкость выражается количеством ионов металла, связывающихся с 1 г пектина. Количество связавшихся ионов определяли по разнице между вносимым и остаточным количеством ионов меди.
Расчет сорбции проводили по формуле:
где Г - сорбция, мг/г сорбента;
С0, С - исходная и равновесная концентрации ионов Си2+, мг/мл; V - объем раствора, л; т - масса навески сорбента, г.
На рис. 1 представлены изотермы сорбции ионов меди на яблочном пектине.
Согласно полученным данным (рис. 1) сорбционная способность по отношению к ионам меди уменьшается как для пектина подвергшегося замораживанию, так для пектина, выдержанного при 100оС.
Рис. 1. Изотермы сорбции ионов меди (II) яблочным пектином при различных режимах термической обработки
Теоретически адсорбционная способность может быть описана уравнениями Ленгмюра и Фрейндлиха, и, в зависимости от природы адсорбента, подчиняется тому или другому:
где Г», - предельная сорбция, мг/г; С - равновесная концентрация ионов меди (II); мг/мл; Ь - константа равновесия адсорбционного процесса, зависит от сродства адсорбата к адсорбенту.
Константа Г» представляет собой предельную емкость адсорбента и зависит от размеров молекул сорбента.
Уравнение Фрейндлиха удобнее использовать в логарифмической
форме:
ЫТ = 1пК+ 1/п1пС (3)
где К и 1/п - константы; 1/п - адсорбционный показатель, зависящий от природы адсорбата. Константа К зависит от природы адсорбата и колеблется в широких пределах.
Для выбора уравнения, наиболее точно описывающего процесс адсорбции, строили преобразованные в линейную форму изотермы сорбции для пектина без термической обработки: 1/Г = ^(1/0), для уравнения Ленгмюра (рис. 2), 1п Г = Щп О), для уравнения Фрейндлиха (рис. 3).
Рис. 2. Преобразованная изотерма сорбции ионов меди пектином
по Ленмюру (К.2 =0,9817)
Рис. 3. Преобразованная изотерма сорбции ионов меди пектином
по Фрейндлиху (К2 = 0,9603)
По полученным данным (см. рис. 2, 3) можно сделать вывод, что оба уравнения достаточно точно описывают процесс сорбции ионов меди пектином, но уравнение Ленгмюра делает это более точно.
Изотерма адсорбции Ленгмюра для Cu (II) отсекает на оси ординат участок 1/Гда, отсюда предельная сорбция (Гда) для яблочного пектина без термической обработки равна 285,7 мг/г. Рассчитанное значение предельной сорбции согласуется литературными данными [10,11], где Гда варьируется от 150 до 350 мг/г.
С помощью изотермы Ленгмюра была рассчитана предельная сорбция для термически обработанных пектинов. Она составила 232,5 мг/г для выдержанного при 100 оС и 263,2 мг/г для замороженного пектинов соответственно.
Выводы
Показано, что предельная адсорбция (Гда) для исследуемого яблочного пектина без термической обработки равна 285,7 мг/г, что хорошо согласуется с литературными данными. Сорбционные свойства яблочного пектина по отношению к ионам меди снижаются при замораживании (на 7,9 %) и более значительно уменьшаются при термической обработке при 100оС (на 18,6 %). Таким образом при использовании яблочного пектина в качестве детоксиканта следует избегать термической обработки и консервирования холодом.
Список литературы
1. Физико-химические процессы гелеобразования пектинов в пищевых технологиях / Л.М. Мазур, И.В. Попова, Н.В. Симурова [и др.] // Сахар. 2014. № 2. С. 43-46.
2. Новейшие сведения о пектиновых полисахаридах / Р.Г. Оводова,
B.В. Головченко, С.В. Попов [и др.] // Известия Коми научного центра УрО РАН. 2010. № 3 (3). С. 37-45.
3. Перспективы использования растительных полисахаридов в качестве лечебных и лечебно-профилактических средств / Н.А. Криштанова, М.Ю. Сафонова, В.Ц. Болотова [и др.] // Вестник Самарского государственного университета. Серия «Химия, Биология, Фармация». № 1. 2005. С. 181-185.
4. Кукин М.Ю., Николаев А.Г. Применение пектина для создания продуктов здорового питания // Молочная промышленность. 2016. № 3.
C. 67-68.
5. Хрундин Д.В., Романова Н.К., Решетник О.А. Пектин, освоенные и потенциальные возможности применения в пищевой промышленности // Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. 2008. № 2. С. 31-35.
6. Ширяева О.Ю., Карнаухова И.В. Содержание пектиновых веществ в растительных объектах // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 2 (64). С. 200-202.
7. Мыкоц Л.П., Романцова Н.А., Гущина А.В. Изучение сорбционной способности пектина, выделенного из плодов калины обыкновенной, по отношению к ионам свинца // Фундаментальные исследования. 2003. №3. C. 197-200.
8. Черных Н.А., Баева Ю.И. Тяжелые металлы и здоровье человека // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». 2004. № 1. С. 125-134.
9. Бурова Т.Е. Биологическая безопасность продовольственного сырья и продуктов питания. Лабораторный практикум: учеб.-метод. пособие. СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2014. 96 с.
10. Гимаев, И.Н., Н. К. Романова, О. А. Решетник. Влияние параметров процесса гидролиза-экстракции на выход и качество пектина из плодово-ягодного сырья // Вестник Казанского технологического университета. 2004. №1. С.214-218.
11. Оводов Ю.С. Современные представления о пектиновых веществах // Биоорганическая химия. 2009. Т.35. №3. С.293-310.
Бабкина Елена Евгеньевна, канд. хим. наук, доц., babkinaelairambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Солдатов Виктор Константинович, студент, svk2904@ yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE SORPTION CAPACITY
OF APPLE PECTIN
E.E. Babkina, S. V. Soldatov
Research of the pectin isolated from apples for sorption ability in relation to copper ion, and also influence of temperature on sorption capacity have been conducted in the work. Sorption process is better described by Langmuir 's equation. Sorption properties decrease when freezing (by 7,9 % at t = -18 °C), more considerably decrease at heat treatment (by 18,6 % at t = 100 °C within two hours). Thus, apple pectin can be recommended as a detoxicant that assumes development of amedicinal form on his basis, but without application of heat treatment and conservation by cold.
Key words: pectin, sorption ability, isotherm of adsorption.
Babkina Elena Evgenevna, candidate of chemical science, docent, babkin-aelairambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Soldatov Victor Konstantinovich, student, svk2904@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
