ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ПЕКТИНОВ ИЗ ОТХОДОВ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

АННОТАЦИЯ

Методом кислотного экстрагирования получены образцы пектинов из выжимок яблок и картофельной кожуры. Изучено влияние кислотности и природы гидролизирующего агента на выход пектина. Результаты исследований основных физико-химических свойств показали, что выделенный из нетрадиционного сырья картофельный пектин не уступает по качественным показателям яблочному пектину. Изучена адсорбционная способность исследуемых образцов пектинов к ионам свинца. Процент связывания ионов свинца картофельным пектином составил 37,84,а яблочным пектином–44,54%.

ABSTRACT

Samples of pectin’s from pumice of apples and potato peel were obtained by the method of acid extraction. The effect of acidity and the nature of the hydrolyzing agent on the yield of pectin were studied. The results of studies of the main physical and chemical properties showed that potato pectin isolated from non-traditional raw materials is not inferior in quality to apple pectin. The adsorption capacity of the studied samples of pectin’s to lead ions was studied. The percentage of lead ion binding by potato pectin was 37.84%, and by apple pectin – 44.54%.

Ключевые слова: экстрагирование, пектин, яблочные выжимки, картофельная кожура, адсорбционная способность.

Keywords: extraction, pectin, apple pumice, potato peel, adsorption capacity.

Введение

Расширение сырьевой базы пектиносодержащего сырья за счет использования новых технологий переработки пектина продуктов традиционного и нетрадиционного сырья является актуальной проблемой пищевой промышленности.

На сегодняшний день эффективность использования вторичных ресурсов в Узбекистане крайне неудовлетворительна.

Пектин [1;3;16;17;20;23] входит в состав структурных элементов клеточной ткани растений. Наибольшее количество пектина содержится в кожуре, ламелях и сердцевине, связывая ассоциации клеток овощей и фруктов. По химической структуре пектины представляют собой макромолекулярные соединения и близки к коллоидным полисахаридам или к глюкополисахаридам растений. В растениях пектиновые вещества содержатся в виде нерастворимого протопектина первичных клеточных стенок и межклеточного вещества (средних пластинок), а также в виде растворимого пектина клеточного сока. В зависимости от основных признаков (свойства пектина, способы его получения, вид используемого сырья и внешний вид готового продукта) различают несколько групп пектинов [3; 8; 14; 22]. Классификация пектина по виду получаемого концентрата наиболее полно отражает требования промышленности к данному продукту, включая особенности технологии его производства и свойства, но не затрагивает химический состав пектиновых веществ.

Изучение физико-химических свойств сырья и полученного пектина необходимо для разработки комплексной переработки и рационального использования в различных отраслях народного хозяйства.

Целью данной работы является изучение возможности получения пектина из отходов растительного сырья и изучение адсорбционной способности выделенных образцов пектинов.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования нами использовались выжимки из местных сортов яблок, а также смесь выжимок этих сортов, полученных при производстве соков. Кроме традиционного растительного сырья исследовали возможность получения пектина из картофельных очистков, полученных из столовых сортов картофеля, выращенных на территории Узбекистана. В работе применяли известные методики [18] основанные на экстракции пектина из растительного сырья. В качестве гидролизующих агентов изучена возможность применения лимонной, соляной кислот, а также смесь щавелевой кислоты и оксалата аммония, взятых в соотношении 1:1.

На основании проведенных исследований установлено, что в качестве гидролизующих агентов целесообразно использовать лимонную или соляную кислоту, так как процесс выделения пектина дает процент выхода несколько выше(9,1–10,68 %) и технология более простая и экономически выгодная.

Изучена возможность выделения пектина из картофельных отходов. Перед началом исследования картофельных очистков была проведена предварительная подготовка. Для этого аналитическую пробу сырья измельчали в кофемолке. Готовили гидролизующий агент. В качестве агента использовали растворы соляной и лимонной кислот. Соотношение Т:Ж составило 1:2 . Температура экстрагирования– 85 °С, а время гидролиза– 2–5 ч. После процесса гидролиз-экстрагирования твердые частицы смеси отфильтровали. Фильтраты упаривали на водяной бане при температуре100 °С в течение 2 ч. Далее растворы остудили до комнатной температуры и провели осаждение пектиновых веществ 96%-ным этиловым спиртом. Соотношение раствора к спирту составляло 1:1,5. Осажденный пектин отфильтровали, высушили на воздухе. Выход составил 9,73%.

С целью определения оптимальных значений рН на максимальном выходе пектина изучено влияние природы гидролизующего агента и кислотности процесса гидролиза исследуемых образцов.

Для подбора оптимальной кислотности гидролиза показатель рН варьировали в диапазоне 1,0–2,5.В таблицах 1 и 2 показана зависимость выхода пектина от кислотности и природы гидролизирующего агента.

Таблица 1.

Выход пектина из выжимок яблок в зависимости от рН среды

Таблица 2.

Выход пектина из картофельных отходов в зависимости от рН среды

На основании полученных результатов установлено, что для максимального выхода пектина целесообразнее применять в качестве гидролизирующего агента лимонную кислоту при использовании отходов картофеля и соляную кислоту –при яблочных выжимках. При этом гидролиз нужно проводить при рН 1,0.

Для рационального использования выделенных пектинов изучены их основные физико-химические свойства.

Характерными показателями пектина являются: молекулярный вес, метоксильное число, ацетильное число, растворимость в воде, вязкость золя, желеобразующая способность [1]. Физико-химические свойства определяли по известным методикам [5;6;13;19].

Органолептические показатели выделенного пектина сопоставляли с характеристиками. В таблице 3 приведены результаты определения органолептических показателей полученных продуктов.

Таблица 3.

Органолептические показатели полученных пектинов

Полученные результаты по физико-химическим показателям представлены в таблице 4.

Особое внимание уделено определению молекулярной массы и степени этерификации пектинов, так как эти показатели завися тот его источника и способа получения, вызывающего различную степень деградации молекулы. Определение молярных масс пектинов различного растительного сырья проводили вискозиметрическим методом с помощью капиллярного вискозиметра Оствальда в интервале 0,1–0,4%.

Установлено, что в области исследованных концентраций и относительная, и удельная вязкость возрастает. По всей видимости, это связано с неким взаимодействием макромолекул между собой, при котором раствор начинает приобретать структурированную вязкость. При этом удельная вязкость растворов пектина возрастает не только от концентрации растворов, но и с течением времени. Видимо, это связано с медленным установлением равновесия в системе. Константа Хаггинса яблочного пектина меньше аналогичного показателя картофельного. Следовательно, вода для него является более благоприятным растворителем, чем для картофельного пектина.

Из полученных данных следует, что молярная масса яблочного пектина меньше молярной массы картофельного пектина.

Свойства пектина, как растворимость, способность вступать в реакцию с ионами металлов и образовывать студни, в значительной степени обуславливаются соотношением свободных и этерифицированных карбоксильных групп в макромолекуле пектина. Содержание этих групп определяют разные механизмы студнеобразования. Именно гелеобразующая способность пектина является определяющим фактором его широкого применения в пищевой промышленности. Для определения степени этерификации проводили определения титрометрических показателей пектиновых веществ. Результаты исследования показали, что степень этерификации пектина, выделенного из картофельных очистков, составляет 45%. Полученный картофельный пектин относится к группе низкоэтерифицированных пектинов, яблочный же пектин относится к высокоэтерифицированным.

В таблице 4 приведены основные физико-химические свойства пектинов, выделенных из местного растительного сырья.

Результаты исследований показывают, что выделенный из нетрадиционного сырья картофельный пектин не уступает по качественным показателям яблочному пектину.

Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что выделенные из местного растительного сырья пектины хорошо растворяются в воде, имеют хорошие показатели по степени этерификации, молекулярному весу и растворимости. По своим физико-химическим и органолептическим свойствам выделенный пектин соответствует требованиям к данному типу продукта и может быть рекомендован к применению.

Таблица 4.

Основные физико-химические показатели пектинов

Из литературных данных известно [2;4;11;12;15;21] что пектин обладает хорошей комплексообразующей способностью, которая выражается в способности к связыванию ионов металлов. Данное свойство обусловлено наличием молекулы полигалактуроновой кислоты. Комплексообразующая способность пектинов основана на взаимодействии их молекул с катионами тяжелых металлов. Она связана с наличием свободных карбоксильных групп и зависит от степени этерификации. Так как пектиновые вещества представляют собой природный ионообменник, изучались кинетика и сорбционная способность пектина по отношению к ионам свинца. Известно, что свинец, как тяжелый металл, связывается с карбоксильными, фосфатными группами биомолекул. При этом он снижает активность ферментов и, купируя метаболические процессы, вызывает сильную интоксикацию организма. Установлено, что, кроме физической адсорбции катионов активными центрами пектина, происходит и хемосорбция – образование комплексных соединений пектата свинца.

Для изучения адсорбционной способности выделенных пектинов к ионам свинца применяли метод изолирования Оствальда [9] основанный на реакции избыточного количества пектина при недостатке ионов свинца.

Так как скорость сорбции пектиновых веществ велика, то для нахождения применимости уравнения Фрейдлиха и Ленгмюра начальный промежуток времени взяли для измерения 5 минут.

Полученные результаты представлены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5.

Изменение концентрации ионов свинца в водной фазе растворов для картофельного пектина

Таблица 6.

Изменение концентрации ионов свинца в водной фазе растворов для яблочного пектина

Константа скорости процесса комплексообразования рассчитывается по уравнению кинетики первого порядка [10;2].

На основании экспериментальных данных рассчитана константа скорости процесса комплексообразования для картофельного и яблочного пектинов. Результаты представлены в таблицах7 и 8.

Таблица 7.

Определение константы скорости процесса комплексообразования картофельного пектина

Таблица 8.

Определение константы скорости процесса комплексообразования яблочного пектина

Линейная зависимость lnC – t (мин) и постоянство констант скорости свидетельствуют о том, что комплексообразование исследуемых пектинов протекает по реакции I порядка. Средние величины констант скорости процесса комплексообразования картофельного пектина– 25×10^–3 мин^–1, а для яблочного пектина– 48,0×10^–3 мин^–1(табл8).

Экспериментальные величины адсорбции исследуемых образцов представлены в таблицах9 и 10.

Таблица 9.

Результаты определения экспериментальной величины адсорбции картофельного пектина

Таблица 10.

 Результаты определения экспериментальной величины адсорбции яблочного пектина

На основании полученных экспериментальных данных построены изотермы сорбции ионов свинцапо Фрейдлиху и Ленгмюру для исследуемых образцов. Установлено, что функциональная зависимость величин сорбции исследуемых образцов от равновесной концентрации ионов свинца больше подчиняется уравнению Фрейндлиха.

Таким образом, в ходе исследования выявлены выраженные комплексообразующие способности исследуемых образцов по отношению к ионам свинца. Образование пектината свинца в обоих случаях протекает по кинетике I порядка с величинами констант скорости комплексообразования картофельного пектина – 25×10^–3 мин^–1, а для яблочного пектина – 48,0×10^–3 мин^–1. Процент связывания ионов свинца картофельным пектином составил 37,84%,а яблочным пектином – 44,54%.

Выводы

1. Изучено влияние кислотности и природы гидролизирующего агентана выход пектина. Установлено, что для максимального выхода пектина целесообразнее применять в качестве гидролизирующего агента лимонную кислоту при использовании отходов картофеля и соляную кислоту –при яблочных выжимках. При этом гидролиз нужно проводить при рН 1,0.
2. Установлено, что по физико-химическим свойствам выделенные пектинысоответствуют ГОСТу 29186-91.
3. На основании полученных данных пектиновые вещества, выделенные из яблочных выжимок, можно отнестик высокоэтерифицированным, а из картофельной кожуры – к низкоэтерифицированным.
4. Изучена адсорбционная способность исследуемых образцов пектинов. Входе исследования выявлены выраженные комплексообразующие способности по отношению к ионам свинца. Процент связывания ионов свинца картофельным пектином составил 37,84,а яблочным пектином–44,54%.
5. Полученные результаты основных показателей выделенных пектинов из отходов различного растительного сырья позволяют использовать их в пищевой промышленности и для медицинских целей.

Список литературы:

1. Аверьянова В.А., Митрофанов Р.Ю. Пектин. Получение и свойства : методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по курсам «Технология переработки лекарственного растительного сырья» / Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. – Бийск : Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 2006. – 44 с.
2. Аверьянова В.А., Митрофанов Р.Ю. Пектин. Получение и свойства : методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по курсам «Технология переработки лекарственного растительного сырья» / Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. -Бийск : Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 2006. - 44 с.
3. Бутова С.Н. Характеристика пектинов из нетрадиционного сырья / С.Н. Бутова, Е.Р. Вольнова, К.В. Зуева // Молодой ученый. – 2020. – № 22 (312). – С. 424–426.
4. Васильев В.П., Морозова Р.П., Кочергина Л.А. Аналитическая химия. Лабораторный практикум : учеб. пособие для вузов. – М. : Дрофа, 2006. – 416 с.
5. Васина Т.М., Мыкоц Л.П., Степанова Н.Н. Определение молекулярной массы пектина, полученного кислотным экстрагированием из кожуры семян лютина // Сибирский медицинский журнал. – 2012. – № 3. – С. 128–130.
6. ГОСТ 29186-91 Пектин. Технические условия.
7. Донченко Л.В., Фирсов Г.Г. Пектин: основные свойства, производство и применение. – М. : Дели принт, 2007. – 276 с.
8. Ефремов А.А., Кондратюк Т.А. Выделение пектина из нетрадиционного растительного сырья и применение его в кондитерском производстве // Химия растительного сырья. – 2008. – № 4. – С. 171–176.
9. Зобкова Н.В. Пектины как средство детоксикации. Комплексообразующие свойства пектинов / Н.В. Зобкова, Е.И. Глушихина // Оренбургские горизонты: прошлое, настоящее, будущее: сб. материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 275-летию Оренбургской губернии и 85-летию Оренбургской области. – 2019. – С. 314–317.
10. Икласова А.Ш. Пектин: состав, технология получения, применение в пищевой и фармацевтической промышленности / А.Ш. Икласова, З.Б. Сакипова, Э.Н. Бекболатова // Вестник Казахского национального медицинского университета. – 2018. – № 3. – С. 243–246.
11. Минзанова С.Т. Пектины из нетрадиционных источников: технология, структура, свойства, биологическая активность / С.Т. Минзанова, В.Ф. Миронов, А.И. Коновалов, А.Б. Выштакалюк [и др.]. – Казань : Печать Сервис XXI век, 2011. – 224 с.
12. Михеев Л.А. Выделение пектина из растительного сырья и изучение его химических свойств / Ульяновский государственный университет // Вестник ВГУ. Серия «Химия. Биология. Фармация». – 2013. – № 2. – С. 53–55.
13. 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. – 2013. – № 3-1. – С. 197–200.
14. Новосельская И.Л. Пектин. Тенденции научных и прикладных исследований // Химия природ. соединений. – 2000. – № 1. – С. 3–11.
15. Оводов Ю.С. Современные представления о пектиновых веществах // Биоорган. химия. – 2009. – Т. 5, № 3. – С. 293–310.
16. Определение комплексообразующей способности пектинов и пектинсодержащих препаратов / В.А. Компанцев [и др.] // Охрана окружающей среды. – 1991. – Вып. 3. – С. 25–27.
17. Романовский Б.В. Основы химической кинетики (Серия «Учебник для вузов»). – М. : Экзамен, 2006. – 416 с.
18. Саломов Х.Т. Сравнительная характеристика пектина из различного растительного сырья / Х.Т. Саломов, Н.Ш. Кулиев, Ш.С. Хикматова [и др.] // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2000. – № 12. – С. 70–71.
19. Сравнительное изучение сорбционной способности пектина, полученного различными способами из клубней топинамбура (helianthustuberosus l.) / М.Т. Кисиева, Л.П. Мыкоц, Н.А. Туховская, С.Н. Бондарь [и др.] // Сибирский медицинский журнал. – 2011. – № 1. – С. 161–163.
20. Тыщенко В.М. Извлечение пектиновых веществ из кормовых арбузов / В.М. Тыщенко, А.В. Быков // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ, 2008. – № 82. – С. 222.
21. Тыщенко В.М. Пектины и пектиносодержащие продукты // Вестник Оренбургского государственного университета. – Оренбург: ОГУ, 2006. – № 13. – С. 290–291.
22. Хрундин Д.В. Влияние криообработки на комплексообразующую способность пектина / Д.В. Хрундин, Н.К. Романова, О.А. Решетник // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: материалы Междунар. науч.-практич. конф. – Йошкар-Ола, 2008. – С. 611–612.
23. Хрундин Д.В. Влияние температурного фактора на функциональные и технологические свойства пектина / Д.В. Хрундин, Н.К. Романова, О.А. Решетник // Известия вузов. Пищевая технология. – 2009. – № 1. – С. 26.
24. Шелухина Н.П., Ашубаева З.Д., Аймухамедова Г.Б. Пектиновые вещества, их некоторые свойства и производные. – Фрунзе : Илим, 1970. – 71 с.