Химия биологически активных соединений (Теория и практика). Учебное пособие

HO O

OH

OH OH

OH

Присутствие в структуре антоцианов фенольных фрагментов придает этим соединениям такие типичные свойства фенолов как антиоксидантная активность, взаимодействие с альдегидами (фурфуролом) в кислой среде, комплексообразование с катионами металлов за счет рядом расположенных гидроксильных групп, взаимодействие с аминогруппой аминокислот и белков и некоторые другие свойства.

Антоцианидины (агликоны) из-за высоких гидрофобных свойств не растворяются в воде, а поэтому в природе растворимость антоцианов в воде обуславливают молекулы углеводовсвязанных с агликоном через гликозидный гидроксил молекулы углевода в виде моно- и (или) дисахарида.

Гликозидированный цианидин–цианин имеет строение:

41

Отличительной особенностью химических свойств антоциановых соединений является изменение цвета водного раствора в зависимости от кислотности раствора: в кислой среде – красный, а в щелочной – синий.

В природе антоцианы содержатся в лепестках красных цветов (гвоздики, тюльпаны, красные розы и другие) и таких плодах как вишня, малина, клубника, сливы, темные сорта винограда, черная и красная смородина. Интенсивный красный цвет антоцианов в кислой среде позволяет их использовать в качестве красителей в пищевой промышленности (краситель Е163).

Отнесение антоцианов к биологически активным веществам связано с антиоксидантной активностью и капилляроукрепляющими свойствами кровеносных сосудов (витамин Р).

Выделяют антоцианы из природного сырья экстрагированием с применением подкисленного водного раствора в качестве экстрагента и водно-спиртовых растворов.

Ход работы

В трёхгорлую круглодонную колбу загружается измельченное подсушенное растительное сырьё в количестве50-100г (лепестки красных цветов).

Вотдельном химическом стакане приготавливают подкисленный водный раствор экстрагента добавлением к100-300 см3 дистиллированной воды небольшого количества конц. НCI до pH=2 при перемешивании раствора стеклянной палочкой.

Вколбу заливается100-200 см3 (до полного закрытия поверхности лепестков растворителем) дистиллированной воды, включаются электромешалка и электроплитка.

Процесс экстрагирования пигментов проводят при темпе-

ратуре водяной бани 70-80 °С в течение 40-60 мин с периодическом контролем содержания сухих веществ (СВ, %) в составе экстракта отбором стеклянной пипеткой по0,5 см3 экстракта через каждые 5 мин. Содержание сухих веществ контролируется на рефрактометре типа УРЛ. В процессе выполнения работы строится графическая зависимость в координатах СВ–время процесса экстрагирования (τ, мин). Экстрагирование завершается при достижении постоянного содержания сухих веществ в состав экстракта.

42

По окончании процесса содержание колбы разделяется фильтрованием с использованием фильтровальной бумаги. Фильтрат разделяется на3 порции в пробирки:1 пробирка – контрольная (исходный цвет раствора антоциана), ко 2 пробирке добавляется разбавленный раствор щелочи, к 3 пробирке – раствор треххлористого железа. Наблюдаем за изменением окраски исходного раствора антоциана.

При необходимости водный экстракт антациановых пигментов концентрируется отгонкой растворителя под вакуумом при температуре не более 60 °С.

Контрольные вопросы

1.Какие органические соединения относят к антоцианам?

2.Какова структура углеводных остатков молекул анто-

цианов?

3.Каковы химические реакции, характерные для антоцианов?

4.Каково равновесие антоцианов в водном растворе при различной кислотности среды?

5.Укажите природные источники, содержащие антоцианы

ивозможности их применения в качестве биологически активных соединений и пищевых добавок.

Лабораторная работа № 6.

Выделение и изучение свойств флавонолов из растительного сырья

Цель работы: изучить процесс экстрагирования и свойства флавонолов из растительного сырья.

Реактивы:

шелуха репчатого лука, дистиллированная вода

Посуда и оборудование:

трехгорлая колба объемом 200–300 см3, водяной холодильник, пипетка для отбора проб; концентрационный фотоэлектроколориметр КФК-2, набор оптических кювет.

Работа выполняется на установке для экстрагирования

(рис. 2).

43

Теоретические сведения

Флавонолы представляют широко распространенные в растительном мире фенольные соединения, относящиеся к группе флавоноидов. Флавонолы вместе с флавонами и каротиноидами обеспечивают в природе желтый цвет цветов и ягод.

Наиболее распространенным в природе флавонолом является кверцетин в виде рутина (кверцетин–3–рутинозида):

Рутин содержится в коре дуба, лиственницы, хмеля, листьях чая, цветах красной розы, луковой шелухе и других природных источниках.

Рутин относится к биологически активным соединениям и обладает антиоксидантными и фотостабилизирующими свойствами, Р–витаминной активностью (уменьшает хрупкость и повышает эластичность кровеносных сосудов), противовоспалительным и противоопухолевым действием, способствует эффективному использованию организмом человека аскорбиновой кислоты.

Ход работы

Втрёхгорлую круглодонную колбу загружается измельченное подсушенное растительное сырьё в количестве50-100 г (шелуха репчатого лука).

Вколбу заливается100-200 см3(до полного закрытия по-

44

Процесс экстрагирования пигментов проводят при температуре водяной бани 70-80°С в течение 40-60 мин с периодическом контролем содержания красящих веществ в составе экстракта отбором стеклянной пипеткой по 0,5 мл экстракта через каждые 10 мин. Содержание красящих веществ контролируется измерением оптической плотности экстракта при длине волны про-

нии на графике А490 – τ (мин) не менее 3 постоянных значений оптической плотности экстракта.

По окончании процесса содержание колбы разделяется фильтрованием с использованием фильтровальной бумаги.

При необходимости водный экстракт пигментов концентрируется отгонкой растворителя под вакуумом при температуре не более 60 °С.

Контрольные вопросы

1.Какие органические соединения относят к флавонолам? Приведите примеры.

2.Каковы возможности использования флавонолов в качестве фотостабилизаторов и антиоксидантов?

3.Напишите химические свойства флавонолов.

4.Какова роль углеводных остатков в молекулах флавонолов?

5.Каковы природные источники флавонолов?

6.Где применяются флавонолы в качестве биологически активных соединений.

Лабораторная работа № 7.

Выделение и изучение свойств каротиноидов из растительного сырья в экстракторе Сокслета

Цель работы: изучить процесс экстрагирования и свойства концентрата каротиноидов из растительного сырья.

45

Реактивы:

природное каротиноидсодержащее растительное сырье, экстрагент – этилацетат.

Посуда и оборудование:

экстрактор Сокслета или Зайченко, воронка Бюхнера, колба Бунзена, колба Вюрца (или круглодонная колба с насадкой Вюрца), термометр, холодильник Либиха, аллонж, приемник, нагреватель; концентрационный фотоэлектроколориметр КФК-2, набор оптических кювет. Работа выполняется на установке для экстрагирования в экстракторе Сокслета (рис. 3).

Теоретические сведения

Каротиноиды исключительно широко распространены в природе. Полагают, что природа ежегодно производит более 100 млн т каротиноидов. Каротиноидные соединения играют существенную роль в процессах фотосинтеза, дыхания и роста растений, переноса активного кислорода, фиксации света, стимулируют окислительно-восстановительные и регенеративные процессы. В растениях они находятся в хромо- и хлоропластах в жирорастворимом состоянии или в виде водорастворимых белковых комплексов.

В растительном мире широко распространены углеводо-

родные каротиноиды типа С Н (α-, β-, γ-каротины, ликопин) и

40 56

фитоксантины с одной гидроксильной группой С40Н56О (крипток-

Всоставе различных плодов и ягод обнаружено свыше 80 каротиноидов. Природные источники этих веществ многообразны: травы и зеленые листья, иглы хвойных деревьев, водоросли, различные корни, фрукты и ягоды. В странах с тропическим климатом источником для получения препаратов каротина служат красное пальмовое масло и клубни сладкого картофеля(батата).

Взначительных количествах каротиноиды накапливаются в корнеплодах моркови, в плодах шиповника, рябины обыкновенной, смородины, облепихи, томатов, абрикоса, тыквы, цветках календулы, листьях шпината, салата, крапивы, а также некоторых видах рыб и др.

46

Наиболее важным для жизнедеятельности человека и животных является β-каротин, который в результате гидролитического расщепления в организме образует две молекулы витамина А–ретинола, из остальных каротиноидов образуется только одна молекула.

β-каротин

Ретинол

Концентрация каротиноидов в растениях почти всегда низка. В зеленых листьях она составляет примерно0,07…0,2 % на сухое вещество.

β-Каротином богато красное пальмовое масло, из растительных продуктов России β-каротина больше всего в красной моркови (9 мг %), затем – в зеленом луке, красном перце (2 мг %), абрикосах

(1,6 мг %), тыкве (1,5 м %), помидорах (1 мг %).

В пищевой промышленностиβ-каротин синтетический (пищевая добавка Е160а (i)) и экстракты натуральных каротиноидов (добавка Е160а (ii)) применяют для окраски и витаминизации таких продуктов питания как сливочное масло, молочные жиры, маргарин, сухие завтраки, джемы, мармелады и другие.

Ход работы

После того, как наполнили экстрактор25 г измельченных корнеплодов моркови красной посевной, заполняют колбу экстра-

47

гентом (этиловым эфиром уксусной кислоты), включают нагреватель и начинают процесс экстрагирования, который продолжается до тех пор, пока растворитель в сосуде экстрактора перестанет окрашиваться в жёлтый цвет (при этом морковь обесцветится).

В процессе экстрагирования периодически отбираются пробы для измерения оптической плотности экстракта при длине волны света, проходящего через кювету 440 нм (А440). Измерения оптической плотности проводятся в кювете с толщиной оптического слоя раствора0,3- 0,5 см. Экстрагирование заканчивают

при получении на графике А – τ (мин) не менее 3 постоянных

440

значений оптической плотности экстракта.

Экстрагент от корнеплодов моркови разделяется фильтрованием с использованием складчатого фильтра при нормальном давлении или под вакуумом с использованием воронки Бюхнера и колбы Бунзена. Далее полученный фильтрат объединяется с экстрактом каротиноидных соединений и концентрируется.

Для концентрирования полученного экстракта каротиноидов проводят отгонку растворителя(этилацетата) с использованием установки для простой перегонки (рис. 4).

По окончании перегонки извлекают из колбы Вюрца концентрат экстракта каротиноидов.

Контрольные вопросы

1. Какие органические соединения относят к каротиноидам? Напишите химические структуры α–, β– и γ–каротино- идов. Почему некоторые каротиноиды относят к провитаминам?

2.Что такое ксантофиллы и укажите химические структуры этих соединений?

3.Витамины группы А. Укажите химические структуры и роль этих соединений в биохимических процессах организма человека.

4.Каковы природные источники каротиноидов?

5.Приведите примеры применения каротиноидов в качестве биологически активных соединений.

48

Лабораторная работа № 8.

Гидролиз крахмала и идентификация продуктов реакции

Цель работы: изучить процесс гидролиза крахмала до глюкозы в кислой среде и идентифицировать продукты реакции.

Реактивы:

природный полисахарид – крахмал, дистиллированная вода, раствор серной кислоты с массовой долей кислоты 40 %, раствор I2, водный раствор сульфата меди, реактив Фелинга, реактив Толленса.

Посуда:

плоскодонная коническая колба объемом 250–300 см3, пробирки, водяная баня.

Теоретические сведения

Крахмал является основным резервным углеводом растений, образующийся в зеленых листьях в процессе фотосинтеза и скапливающийся в подземных клубнях или зернах злаков. Наибольшее содержание крахмала в зернах следующих культур(%): рис – 62–82, кукуруза – 65–75, пшеница – 37–75, в клубнях кар-

тофеля – 12–24.

Крахмал неоднороден по своему составу и состоит из молекул глюкозы, образующих линейный полисахарид амилозу сα- 1,4-гликозидными связями (содержание в крахмале20–30%) и разветвленный амилопектин сα-1,4- и α-1,6-гликозидными связями (содержание 80–70 %).

По внешнему виду крахмал представляет собой белый аморфный порошок, похожий на муку (отсюда и название «картофельная мука»).

Из крахмала можно приготовить коллоидный водный раствор – крахмальный клейстер, для чего суспензию крахмала в небольшом количестве воды необходимо постепенно и при хорошем перемешивании выливать в кипящую воду. Настаивание крахмала с горячей водой вызывает набухание крахмальных зерен,

49

причем небольшая часть полисахаридов переходит в раствор. Раствор йода с йодистым калием вызывает синее окрашива-

ние растворов крахмала, которое исчезает при кипячении и вновь появляется при охлаждении. Йодкрахмальная реакция применяется для открытия как крахмала так и йода.

При действии на крахмал водных растворов сильных кислот или фермента амилазы макромолекула крахмала расщепляется.

Схема постепенно идущего гидролиза крахмала имеет вид:

где m, n – степень поликонденсации (n>m).

Декстрины окрашиваются йодом в сине-фиолетовый, фиолетовый, красно-фиолетовый, оранжевый и желтый цвета из-за образования комплекса между полисахаридом и йодом. Чем меньше макромолекула декстрина, тем больше окраска комплекса смещена в сторону желтого участка спектра.

Главным способом промышленного получения глюкозы является ферментативный или кислотный гидролиз крахмала или целлюлозы. Гидролиз крахмала с применением разбавленных минеральных кислот проводят в автоклавах при температуре 150°С и повышенном давлении. В зависимости от продолжительности процесса гидролиза образуется патока(содержит 32–40 % глюкозы) или техническая глюкоза (содержание основного про-

дукта 65–99 %).

Глюкозу для медицинских целей получают из технической глюкозы путем ее очистки перекристаллизацией из водных или водноспиртовых растворов.

Применяется глюкоза в пищевой промышленности в качестве сладкого вещества, в том числе и заменителя сахара. В медицине глюкоза используется как питательное вещество и как компонент кровезаменителей. В качестве восстановителя глюкоза применяется в текстильном и некоторых других производствах.

50