Среди разнообразия нетрадиционных видов растений одним из перспективных для хозяйственного использования является топинамбур. Возрождение интереса к данной культуре связано с появлением новых аспектов его использования, в том числе в качестве основного сырья для пектиновых производств.
По мнению отечественных и зарубежных специалистов топинамбур является одним из самых дешевых видов сырья для пищевой промышлености, топинамбур характеризующий полноценным биохимическим составом с преобладанием в клубнях углеводов, в первую очередь инулин и пектиновых веществ [1].
Пектиновые вещества – это группа высокомолекулярных соединений, входящих в состав клеточных стенок и промежуточного вещества высших растений. Максимальное количество пектинов содержится в плодах и корнеплодах. В пищевой промышленности пектины получают из яблочного жмыха, свеклы, корзинок подсолнечника или кожуры цитрусовых.
Пектины применяются при переработке плодов и ягод в кондитером производстве джема, желе, фруктово-желейных масс и начинок, блогодаря высоким структурообразующим свойствам, а также способности их поддерживать натуральные фруктовые ароматизирующие свойства сырья. В кондитерском промышленности пектины используются при производстве желейного мармелада, начинок для шоколадных конфет и карамели, а также зефира, пастилы. В молочной промышленности пектины применяются в производстве фруктово-желейных начинок для кисломолочных продуктов и в качестве стабилизаторов кисломолочных напитков (йогуртов), фруктово-молочных десертов, полуфабрикатов для молочных коктейлей [2,3].
Как известно пектин и пектиновые препараты применялись в Европе в качестве домашнего лекарства при лечении поносов и дизентерий в течении нескольких столетий.
Комплексообразующая способность основана на взаимодействии молекулы пектина с ионами тяжелых металлов и радионуклейдов. Благодаря наличию в молекулах большого количества свободных карбоксильных групп именно низкоэтерифицированные пектины проявляют наибольшую эффективность. Специальные препараты, содержащие комплексы высоко- и низкоэтерифицированных пектинов, включают в рацион питания лиц, находящихся в среде, загрязненной радионуклейдами, и имеющих контакт с тяжелыми металлами. Специальные высокоочищенные пектины могут быть отнесены к незаменимому веществу для использования в производстве функциональных пищевых продуктов, а также продуктов здорового и специального (профилактического и лечебного) питания. Оптимальная профилактическая дозировка специального пектина составляет 5-8 г в сутки, а в условиях радиоактивного загрязнения – не менее 15-16.
Сухие яблочные препараты дают лучшие результаты, чем сырые яблоки, как например препараты применяющиеся в Германии. Для тех же целей применяются следующие комбинацмии: пектин – агар, каолин – пектин,. Эффективность пектинат никеля – сухая яблочная пульпа обусловлена также бактерицидным действием никеля.
Производство пектина – динамически развивающийся бизнес с ежегодным увеличением производства на 3-4 %. Мировое производство и рынок пектина сосредоточено в Европе (Германия, Швейцария и др.), Южной Америке (Аргентина, Бразилия), Южной Африке, Китае, Иране и др. Объём производства составляет приблизительно 28-30 тыс. т в год. На долю пектина из цитрусовых культур приходится до 70 % и на долю яблочных пектинов – до 30 %. Ведущими мировыми производителями этого продукта являются компании Herbstreith & Fox, Cargill, Danisco, CP Kelco, Yantai Andre Pectin. Крупнейшее предприятие «Kopenhagen pectin fabric» (Дания) вырабатывает около 20 типов пектинов с торговой маркой «GENU» для различных областей пищевой промышленности.
Яблочный пектин производится в основном в Англии, Франции, Австрии, Швейцарии, Германии, Мексике, Италии. Крупнейшими фирмами по выработке пектина из сушеных яблочных выжимок является «Grill & Grossman», «Grinstedt», «Cesalpina».Стоимость пектина составляет примерно 8 – 14 долл. США за 1 кг.
В Казахстане производство пектиновых промышленности нет. Поскольку пектиновые вещества производятся только в зарубежных странах. Поэтому в Казахстане средная цена за кг пектина довольно высока ≈ 333$ США. Что свидетельствует о необходимости налодить производство пектина в республике [4].
Цель работы. Исследование и идентификация пектиновых веществ выделенных из клубней топинамбура.
Объекты исследования. Объектам исследования является клубни топинамбура сорта “Интерес” из Алматнской области Карасайского района и Южно-Казахстанской области Мактааральского района, отобранные в конце октября и в середине ноября 2011-2013 гг.
Ранее нами было изучено полный химический состав топинамбура, приведенный в работе [5]. Разработана схема получения пектиновых веществ из топинамбура, а также проведен идентификация пектиновых веществ физико-химическими методами.
Экспериментальная часть. Для выделения водорастворимых полисахаридных комплексов использовали измелченный порошок клубней топинамбура. 100 г сухого порошка сырья экстрагировали горячим 80 % этиловым спиртом, в течение 30 минут. Повторное извлечение полисахаридов проводили дважды при соотоношении сырье-экстрагент 1:10. Растительный материал отделяли центрифугированием, а объединеннные экстракты упаривали до 1/5 первоначального объема. Из остатка растительного сырья выделяли пектиновые вещества. Экстракцию сырья проводили смесью 0,5 % растворов щавелевой кислоты и оксалата аммония (1:1) в соотношении 1:20 при 80-85°С в течение 2 часов. Полученное экстракций сырье отфильтровывали, затем объедененные экстракты концентрировали и осаждали пятикратным объемом 96 % этилового спирта. Осадок экстракта отделяли центрифугированием, а осадок пектиновых веществ высушивали и взвешивали. Чтобы очистить их от примесей промывали 80 % этиловым спиртом, высушивали и взвешивали [6].
Выход полученных пектиновых веществ в Карасайском районе составляет 17-18 %, а в Мактааральском районе 20 %. Проведено идентификация выделенных пектиновых веществ из топинамбура (Helianthus tuberosuse) физико-химическими методами.
Таблица 1
Микроанализ выделенных пектиновых веществ из клубней топинамбура
|
№ |
Наименование сырья |
Выход, % |
Тплав˚С |
Рассчитано, % |
Формула Брутто |
Найдено, % |
||||
|
С |
Н |
О |
С |
Н |
О |
|||||
|
1 |
Карасайский район |
18 |
190 |
27,3 |
43,5 |
29,2 |
С14Н21О12 |
28 |
42 |
24 |
|
2 |
Мактаараль ский район |
20 |
220 |
28,5 |
44,2 |
27,3 |
С14Н21О12 |
28 |
42 |
24 |
Выделенные пектиновые вещества из клубней топинамбура (табл. 1) соответсвуют формуле Ходнева С14Н21О12. Эти пектиновые вещества представляют собой светло-коричневые аморфные кристалы. Кроме того определены температура их плавления на электронно-нагревательном аппарате «Boetius». Температура плавления выделенных пектиновых веществ из клубней топинамбура отобранного Карасайском районе составляет 190°С, а из Макатааральского района составляет 220˚С. Для идентификации выделенных пектиновых веществ использованы элементный микроанализ, сняты ИК-спектры на ИК-Фурье спектометре марки Impact 410 «Nicolet» в области 400 – 4000 см-1 в таблетках KBr. А также были сняты ЯМР спектры 1Н и 13С. Данные результаты приведены в рис. 5-8.
Рис. 1. ИК-спектры выделенных пектиновых веществ из клубней топинамбура Алматинской области Карасайского района
Рис. 2. ИК-спектры выделенных пектиновых веществ из клубней топинамбура Южно-Казахстанской области Мактааральского района
Рис. 3. ЯМР 1Н спектр полученных пектиновых веществ из клубни топинамбура Алматинской области Карасайского района
В протонном спектре образца в области сильного поля (δ=0,97-1,01; δ=1,47-1,73 м.д.) наблюдается проявление сигналов СН-груп, находящихся в положении 4. Протоны атома углерода положения 1 пиранозного цикла резонируют при 3,94-3,38 м.д. Химические сдвиги 3,43-3,59 м.д. относятся к протонам углерода в положении 2 и 3 галактопиранозилуронового фрагмента. Протон углерода, непосредственно связанной с карбоксильной группой резонирует в области слабого поля (δ= 5,22-5,24 м.д.). Для метоксильной и карбоксильной групп свойственно проявление сигналов при 3,67 и 3,91 м.д. соответственно.
Данные ИК-спектроскопии позволил сделать заключение о том, что вещества полученные из двух районов клубней топинамбура описываются следующими полосами поглащения: 3460, 2460, 1740, 1640, 1443-1367 и 1200-1000 см-1, которые схожи со спектрами известных свекловичных пектинов [7, 8].
Рис. 4. ЯМР 13С спектр полученных пектиновых веществ из клубни топинамбура Алматинской области Карасайского района
Анализ спектра ЯМР на ядрах 13С показал наличие следующих групп в структуре: карбоксильной (δ=103,03-103,64 м.д.), метоксильной (δ=57,40 м.д.) и метиновой. Атомы углерода, находящиеся в положении 1 пиранозного фрагмента, дают сигнал в области сильного поля при 63,78; 72,50; 77,65 м.д. Для второго и третьего атомов С характерно проявление сигнала при 81,01 и 67,47; 76,92 м.д. Углерод положения 4, участвующий в соединении пиранозных фрагментов кислородным мостиком, резонирует при 44,05; 40,44 м.д. Под влиянием карбоксильных и метоксильных групп химический сдвиг пятого атома С галактопиранозилуронового звена равен 63,80; 74,19 м.д.
Рис. 5. ЯМР 1Н спектр полученных пектиновых веществ из клубни топинамбура Южно-Казахстанской области Мактааральского района
В протонном спектре образца в области сильного поля (δ=0,98-1,02; δ=1,43-1,77 м.д.) наблюдается проявление сигналов СН-групп, находящихся в положении 4. Протоны атома углерода положения 1 пиранозного цикла резонируют при 3,51 м.д. Химические сдвиги 3,36 и 3,92 м.д. относятся к протонам углерода в положении 2 и 3 галактопиранозилуронового фрагмента. Протон углерода, непосредственно связанной с карбоксильной группой резонирует в области слабого поля (δ= 4,67-5,07 м.д.). Для метоксильной и карбоксильной групп свойственно проявление сигналов при 3,60 и 3,86 м.д. соответственно.
Рис. 6. ЯМР 13С спектр полученных пектиновых веществ из клубни топинамбура Южно-Казахстанской области Мактааральского района
Анализ спектра ЯМР на ядрах 13С показал наличие следующих групп в структуре: карбоксильной (δ= 97,77-98,05; 103,03-103,64 м.д.), метоксильной (δ=57,40 м.д.) и метиновых групп. Атомы углерода, находящиеся в положении 1 пиранозного фрагмента, дают сигнал в области сильного поля при 63,78; 72,50; 77,65 м.д. Для второго и третьего атомов С характерно проявление при 77,33; 81,01 и 76,92 м.д. Углерод положения 4, участвующий в соединении пиранозных фрагментов кислородным мостиком, резонирует при 44,05; 40,44 м.д. Под влиянием карбоксильных и метоксильных групп химический сдвиг пятого атома С галактопиранозилуронового звена равен 63,80; 74,19 м.д. [9,10].
Выводы
1. Выход полученных пектиновых веществ в Карасайском районе составляет 17–18 %, а в Мактааральском районе составляет 20 %.
2. Проведено идентификация выделенных пектиновых веществ из топинамбура (Helianthus tuberosuse) физико-химическими методами (элементный анализ, ИК-спектроскопия, ЯМР-спектроскопия).