ИЗУЧЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЕКТИНОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ЯБЛОЧНЫХ И ВИНОГРАДНЫХ ВЫЖИМОК

АННОТАЦИЯ

Целью данного исследования является разработка технологии получения пектинов из различных источников (яблочных и виноградных выжимок) путем комплексного изучения физико-химических характеристик сухого пектина. Задачи исследования включают в себя извлечение пектиновых веществ из яблочных и виноградных выжимок, кислотный гидролиз пектиновых веществ и определение их моносахаридного состава, измерение вязкости с использованием метода Освальда, исследование структуры изучаемых пектинов с помощью инфракрасной спектроскопии, а также сравнительный анализ физико-химических свойств и качественных характеристик полученных пектинов.

ABSTRACT

The aim of this research is to develop a technology for obtaining pectin from different sources (apple and grape pomace) through a comprehensive study of the physicochemical characteristics of dry pectin. The research tasks include the extraction of pectin substances from apple and grape pomace, acid hydrolysis of pectin substances, determination of their monosaccharide composition, viscosity measurement using the Oswald method, investigation of the structure of the studied pectins using infrared spectroscopy, and a comparative analysis of the physicochemical properties and qualitative characteristics of the obtained pectins.

Ключевые слова: пектин, извлечение, физико-химические свойства, моносахаридный состав, вязкость, инфракрасная спектроскопия, качественные характеристики

Keywords: pectin, extraction, physicochemical properties, monosaccharide composition, viscosity, infrared spectroscopy, qualitative characteristics.

Введение

Пектин является сложным полисахаридом, содержащимся в клеточных стенах различных растений. Благодаря своим уникальным свойствам, пектин находит применение в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности. Извлечение пектина из различных сырьевых материалов представляет собой значительный интерес, поскольку это позволяет использовать отходы, такие как яблочные и виноградные выжимки, которые богаты пектином. Целью данного исследования является разработка эффективной и экономически выгодной технологии извлечения пектина путем изучения физико-химических свойств пектина, полученного из яблочных и виноградных выжимок.

В настоящее время в ряду актуальных проблем – рациональное использование первичных сырьевых ресурсов, комплексная переработка и безопасная утилизация вторичных сырьевых ресурсов. Для ее решения требуются наращивание производственной базы перерабатывающей отрасли, а также улучшение использования сырья путем разработки и создания новых прогрессивных, энергоресурсосберегающих технологий комплексной переработки ценных вторичных сырьевых ресурсов на основе последних достижений науки и техники.

Одной из важных народнохозяйственных  проблем является увеличение выпуска пектина из различных видов растительного сырья, поскольку в настоящее время потребность в пектине намного превосходит его промышленное производство. Мировое производство пектина за последние время составляет 24 тыс. тонны в год.

Вместе с тем встает необходимость повышения качества продукции, увеличения её ассортимента в связи с возрастающими требованиями народного хозяйства. Все большую остроту приобретают вопросы поиска новых сырьевых ресурсов и разработки безотходного экологически чистого производства пектина.

Несмотря на то, что химия и технология получения пектина достаточно подробно изучаются более 200 лет, из-за сложности его структуры и неоднородности химического состава пектина в различных видах растительного сырья, а также из-за трудности выделения данного вещества, многие вопросы, связанные с установлением экстрагирования, концентрирования, осаждения и сушки в зависимости от его вида являются в настоящее время актуальными задачами.

Вышеизложенные обстоятельства определяют необходимость исследований технологических процессов получения высококачественных пектиновых веществ в зависимости от способов извлечения и технологических параметров, используемых в процессе выделения.

Развития промышленности, особенно химической, нефтехимической, фармацевтической, атомной, а также всех отраслей машиностроения привело к резкому ухудшению экологической обстановки. С каждым годом растет загрязнение окружающей среды различными промышленными выбросами, выхлопными газами транспорта, содержащими соли тяжелых металлов, радионуклиды и другие токсичные для животного и растительного мира вещества.

Пектин обладает способностью связывать эти вещества и выводить их из организма. На этом принципе основано использование пектина в качестве добавки в различные продукты лечебного и профилактического назначения, а также для изготовления лекарственных средств.

Целью данного исследования является изучение физико-химических характеристик сухого пектина, полученного из яблочных и виноградных выжимок. Задачи исследования включают в себя: 1) извлечение пектиновых веществ, 2) кислотный гидролиз пектиновых веществ и определение их моносахаридного состава, 3) измерение вязкости с использованием метода Освальда, 4) исследование структуры методом инфракрасной спектроскопии, 5) сравнительный анализ физико-химических свойств и качественных характеристик полученных пектинов.

Материалы и методы

Извлечение пектина и моносахаридный состав

Для извлечения пектинов из яблочных и виноградных выжимок использовался метод кислотного гидролиза. 0,1 г пектинового вещества (ПВ) подвергали гидролизу 4 мл 2 Н раствора серной кислоты (H₂SO₄) при температуре 100°C в течение 24 часов. Далее гидролизат нейтрализовали и фильтровали.

Определение моносахаридного состава

Моносахаридный состав пектинов был определен с помощью бумажной хроматографии с использованием системы растворителей: бутанол-1-пиридин-вода (6:4:3). Время хроматографирования составило 18 часов. Бумага Filtrak FN-18. Хроматограмму по истечении данного времени высушивали, опрыскивали проявителем анилин-фталат кислый, высушивали и проявляли в сушильном шкафу при 110 ⁰С.

Измерение вязкости

Вязкость растворов пектинов была измерена с использованием вискозиметра Освальда. Это позволило получить данные о молекулярной структуре пектинов и их молекулярной массе.

Инфракрасная спектроскопия

Для идентификации функциональных групп и оценки структуры пектина, выделенного из яблочных и виноградных выжимок, был проведён ИК-спектроскопический анализ в диапазоне 4000–400 см⁻¹. Полученный спектр (рис. 1, рис. 2) характеризуется рядом характерных полос поглощения, соответствующих различным структурным компонентам пектина. Это позволило установить характерные пики поглощения, связанные с химическими группами в составе пектинов, и оценить степень их метилирования.

Структуру извлеченных пектинов анализировали с помощью инфракрасной (ИК) спектроскопии. ИК-спектры получали с использованием фурье-преобразования инфракрасной (ФТИР) спектрометрии, и характерные пики исследовали и анализировали.

Результаты и их обсуждение

Определение моносахаридного состава

В пектине извлеченном из яблочных и виноградных выжимок в результате анализа моносахаридного состава установлено наличие галактуроновой кислоты, рамнозы, арабинозы и галактозы в извлеченных пектинах.

В составе виноградных пектиновых веществ обнаружили следующие моносахариды: уроновые кислоты, галактозу, глюкозу, ксилозу и арабинозу, рамнозу; глюкоза, ксилоза находятся в незначительных количествах.

Измерения вязкости растворов

Растворы из яблочного и виноградного пектина показали различное поведение течения. Пектин из яблок имел более высокую вязкость по сравнению с пектином из винограда, что указывает на различия в их молекулярной структуре и длине цепи.

Инфракрасная спектроскопия

Известно, что пектиновые вещества, выделенные из растений, имеют основную цепь, состоящую из остатков Д-галактуроновой кислоты, соединенных α-1→4 гликозидными связами. Боковые цепи состоят из нейтральных моносахаридов. Часть гидроксильных групп в ПВ может быть ацетилирована, а корбоксильные группы – этерифицированы метиловым спиртом. Благодаря такому разнообразию группировок ИК-спектры пектиновых веществ довольно сложны.

Полученные в исследовании ИК спектры представлены на рисунке 1 –  для пектина из виноградных выжимок, на рисунке 2 – для пектина из яблочных выжимок.

Рисунок 1. ИК-спектр ПВ виноградных выжимок

Характерные для них полосы поглощения в ИК спектрах ПВ виноградных выжимок по мере уменьшения частоты:

• интенсивная полоса с максимумом в районе 3360 см^-1  показывает наличие валентных колебаний гидроксильных групп (рис 1);
• полоса средней интенсивности в области 2932 см^-1 показывает наличие валентных колебаний СН групп ПВ. Интенсивность этой полосы характеризует метилирование корбоксильной группы групп (С=О);
• полосы колебаний ионизированного корбоксила находятся в области 1611 и 1418см^-1 ,что характерно для всех солей ПВ. В зависимости от природы иона металла, заместившего водород в корбоксильной группе, их положение в спектре меняется. В интервале 1200-1400 см^-1 лежит группа мало интенсивных полос. Особенно стабильна частота 1331 см^-1, природа которой связана с деформационными  колебаниями гидроксильных групп пиранозных циклов. При метилировании корбоксила появляются слабые по интенсивности полосы 1441 и 1367 см^-1.

Группа интенсивных полос на участке спектра ПВ 1046-1237 см^-1 относится к валентным колебаниям (С-С) и (С-О) пиранозных циклов и (С-О-С) эфирных мостиков. Следует отметить еще некоторые полосы поглощения в ИК-спектрах ПВ, которые также дают важную информацию об их строении и свойствах.

Триплеты пиранозных – 815, 830 и 910 см^-1   указывают на наличие 1-4 гликозидной связи между остатками Д-галактуроновой кислоты, находящейся в α-конфигурации. Полоса поглощения при 889 см^-1  свидетельствует о присутствии β-гликозидной связи, что возможно для остатков нейтральных моносахаридов.

А полоса 956 см^-1  отражает деформационные колебание метильных метиленовых групп. Полосы поглощения, расположенные в низкочастотной области 758, 636, 534 см^-1 соответствует  колебаниям С-С, С-О-С и других связей пиранозных циклов.

Рисунок 2. ИК-спектр ПВ яблочных выжимок

Основные особенности ИК-спектра яблочного пектина:

• Полоса около 3425 см^-1: соответствует валентным колебаниям гидроксильных групп (O–H), что характерно для полисахаридов, таких как пектин.
• Полоса при 2927 см^-1: обусловлена валентными колебаниями C–H групп, присутствующих в структуре пектина при метилировании корбоксильной группы поглощение значительно возрастает.
• Полоса около 1744 см^-1: связана с колебаниями карбонильных групп (C=O) в метиловых эфирах галактуроновой кислоты, указывая на степень метилирования пектина. Полоса  характерна для кислых полисахаридов и пектиновых веществ, имеющих основную полисахаридную цепь, состоящую из остатков Д-галактуроновой кислоты. Эта полоса соответствует колебанию карбонила корбоксильной группы.
• Полосы при 1621 и 1423 см^-1: характеризуют ионизированные карбоксильные группы (COO⁻), что типично для карбоксиполисахаридов.
• Полосы поглощения в области 1328 и 1241 см^-1 вызваны колебаниями сложноэфирной, метильной и гидроксильной групп.
• Полосы в области 1000–1150 см^-1: соответствуют валентным колебаниям C–C, C–O и C–O–C связей в пиранозных кольцах, составляющих основную цепь пектина.
• Полосы при 886 и 832 см^-1: указывают на наличие α-1→4-гликозидных связей между остатками D-галактуроновой кислоты, что подтверждает структуру пектина.

Полученные результаты спектральных характеристик совпадают с данными, представленными в других исследованиях пектинов, полученных из различных источников, включая яблочные выжимки.

Ряд полос  поглощения в области 1000–1150 (1016, 1046, 1074, 1101,1104) представляет собой валентные колебание пиранозного цикла (С-С, С-О, С-О-С), эти полосы характерны и для других полисахаридов нейтрального характера.

Далее в ИК спектре яблочного ПВ следует полоса поглощения 931см^-1, которая отражает деформационные колебания метильных и метиленовых групп. Следующие две полосы являются характерными для ИК-спектров ПВ: 886 см^-1 полоса, характеризующая 1→4 тип гликозидной связи; 832см^-1  показывает α-конфигурацию этой связи. Полосы поглощения, расположенные в низкочастотной области 777, 685, 634 и 531 см^-1 соответствуют колебаниям С-С-О, С-О-С и другим связям пиранозных циклов.

Сравнительный анализ яблочного и виноградного пектина

ИК-спектры пектина из яблок и винограда показали характерные пики, соответствующие различным функциональным группам. Анализ спектров позволил получить представление о структурных особенностях пектина, таких как степень эфирного связывания и взаимодействия между молекулами.

Таблица 1.

Анализ ИК-спектров

ИК-спектры пектинов из виноградных и яблочных выжимок выявили в их структуре:

• Гидроксильные группы (OH) → широкая интенсивная полоса ~3360–3425 см^-1.
• СН-группы → полоса ~2927–2932 см^-1 (индикатор метилирования).
• Карбоксильные группы (С=О):
  • Сильная полоса ~1744 см^-1 в яблочном пектине;
  • У виноградного — менее выражена, метилирование меньше.
• COO⁻ группы (ионизированный карбоксил) → 1611–1621 см^-1 и 1418–1423 см^-1.
• Цепи пиранозных колец и эфирные мостики → 1046–1237 см^-1.
• Гликозидные связи α-1→4 → полосы 815–886 см^-1.
• β-связи — ~889 см^-1, связаны с нейтральными сахаридами.

Результаты  сравнения указывают на то, что пектины, полученные из яблок и виноградных выжимок, обладают различными физико-химическими свойствами, имеют  различия в моносахаридном составе, вязкости и структурных характеристиках.

Заключение

В результате исследования были установлены различия пектина из яблочных и виноградных выжимок, полученных по разработанной автором данной статьи технологии. Эти результаты способствуют пониманию процесса извлечения пектина и его потенциального применения в различных отраслях промышленности.

Список литературы:

1. Аверьянова Е.В., Школьникова М.Н. Пектин: методы выделения и свойства. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2015. – 42 с.
2. Икласова А.Ш., Сакипова З.Б., Бекболатова Э.Н.  Пектин: состав, технология получения, применение в пищевой и фармацевтической промышленности // Вестник Казахского национального медицинского университета. – 2018. – № 3. – С. 243–246.
3. Соболь И.В., Родионова Л.Я., Барышева И.Н. Изучение возможности получения пектиновых экстрактов высокой чистоты // Научный журнал КубГАУ. – 2016. – № 123(09). – С. 54–59.
4. Artikova R., Khuzhanazarova M., Azimova D., Temirova M. Isolation of pectin from vegetable waste and study of its physical and chemical properties // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 389. – Pp. 03104.
5. Aymuxamedova G.B., Shpuxina N.P., Pektin moddalari va ularni aniqlash usullari. – Bishkek: Ilim, 1994. – 120 b.
6. Boboyev A.X., Hasanov H.T., Zakirova M.R., Akbarova N.A. Enzymatic Hydrolysis of Various Proteins of Wheart in Heterogeneous Conditions // Int. J.Bioautomation. – 2010. – № 14(3). – P.197–202.