ВВЕДЕНИЕ

Природный полисахарид пектин – уникальный биополимер, один из основных строительных материалов клеточных стенок высших растений, обладает широким спектром функциональных свойств. В сочетании с водой и некоторыми другими веществами он проявляет себя в качестве загустителя, студнеобразователя, стабилизатора, эмульгатора, агента связывающего катионы металлов [1].

Наличие у одного носителя столь разнообразных качеств, каждый из которых представляет самостоятельный технологический интерес, определяет пектин как биополимер, особенно ценный для медицины и продуктов питания.

Разработка продуктов питания в том числе лечебно-профилактического назначения, с добавками пектина и пектинсодержащих продуктов – важный фактор снижения риска ряда заболеваний, таких как ожирение, сахарный диабет, артериальная гипертония, гастрит, колит [2].

В настоящее время предполагается ряд способов получения пектина из отходов перерабатывающих производств: свекловичного жома, корзинок подсолнечника, яблочных и виноградных выжимок, однако трудности с технологической и материальной базой приостанавливает их внедрение, и поиск новых не менее доступных источников сырья для получения пектина до сих пор остается актуальным [3].

Одним из перспективных источников получения пектина в Алтайском крае могут быть выжимки тыквы, которые являются отходами сокового производства и несмотря на многочисленные исследования, проводимые в области совершенствования безотходной утилизации сырья, не находят должного применения.

В связи с этим целью работы было получение пектина из различных сортов тыквы и анализ его качества. Задачи поставленные нами для достижения данной цели:

1. Изучение физико-химических показателей выжимок тыквы;

2. Оптимизация условий кислотного и ферментативного гидролиз-экстрагирования пектина из тыквы;

3. Физико-химический анализ тыквенного пектина.

1 Аналитический обзор

1. Пектиновые вещества и их свойства

1.1.1.Номенклатура и химическая структура пектиновых веществ

Пектиновые вещества как полисахаридный компонент растительного сырья открыты итальянским ученым Браконно в 1825 г. Свое название они получили от греческого слова означающего «застывающий». В 19 веке и первой половине 20 века были, выполнены исследования химического строения пектиновых веществ, разработаны методы определения их количественного содержания во многих плодах, ягодах и корнеплодах, определено влияние пектинов на структурные составляющие растительной клетки.

В течение длительного времени не существовало четко сформулированной номенклатуры пектиновых веществ. В научной литературе находили применение около 50 различных терминов для обозначения их.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что состав и структуру многих пектиновых веществ все еще нельзя считать окончательно установленными.

Рисунок 1- Структурная формуав пектина

Основным структурным признаком пектиновых веществ являются линейные молекулы полигалактуроновой кислоты, в которой мономерные звенья связаны гликозидной связью. Мономер имеет конфигурацию поэтому гликозидные связи являются диаксиальными. У пектинов сахарной свеклы, подсолнечника, картофеля, груши в некоторых мономерных звеньях галактуронана спиртовые группы в положениях и ацетил ацетилированы[4].

Гетерополисахаридный характер пектина обусловлен присутствием трех структурных единиц: пектовой кислоты, галактана и арабинана. Пектовая кислота, кроме Д- галактуроновой кислоты, включает нейтральные сахара: L-арабинозу, Д-галактозу.

Существуют различные теории относительно распределения L-рамнозы в основной цепи молекулы пектина.

Длина полигалактуроновых последовательностей между звеньями L-рамнозы постоянна и составляет 25 единиц. С основной галактуроновой цепью ковалентно связаны нейтральные сахара в виде боковых групп или даже боковых цепей [3].

Однако, другие исследователи, использовавшие подобные условия частичного кислотного гидролиза цитрусового пектина, но проводя затем фракционирование полученных продуктов методом ионообменной хроматографии, не подтвердили эту гипотезу.

Исследования Pilnic W. и др., проведенные с яблочным пектином, показали, что

L-рамнопиразольные единицы неравномерно распределены пределах основной цепи галактуронана. Молекула яблочного пектина, как наиболее изученного, по их мнению, состоит из «гладких» (линейных) участков и разветвленных фрагментов. Линейные фрагменты пектина являются гомогалактуронаном со степенью этерификации 70 – 80%.

К рамногалактуроновой цепи могут присоединяться и другие нейтральные сахара: манноза, фруктоза, глюкоза. Общее количество нейтральных Сахаров варьирует в зависимости от вида сырья, условий экстрагирования и последующих обработок.

Результаты исследований, проведенных нидерландским ученым Ворагеном, показали, что рамногапактуронан-1 (RG-1) состоит из 100 чередующихся звеньев: дисахарид а-b-рамнозил-а-Д-галактозипуроновая кислота. В зависимости от источника полисахарида от 20 % до 80 % L-рамнозильных остатков связаны через С 4 с арабинозой и галактозой.

Результаты исследований показали, что длина боковых цепей может колебаться от одного до 50 и более гликозидных остатков. Иногда к концу боковых цепей присоединяются фукозил-. глюкоронозил- или 4-0-метил- глюкоронозил- остатки. Остатки ксилозы составляют около 1 % RG-1. но их местоположение в молекуле не определено. Структура и механизм расщепления боковых цепей до настоящего времени изучены недостаточно. Фракционирование смеси боковых цепей RG-1 при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии и последующий масс-спектроскопический анализ показали наличие по крайней мере 30 различных боковых цепей.

По мнению исследователей, наличие рамнозы в составе цепи пектиновых веществ свидетельствует о существовании двух различных видов гликозидных связей:

а) кислотоустойчивых - между остатками галактуроновой кислоты, а также ее звеньями и рамнозой:

б) менее кислотоустойчивых - между остатками рамнозы и галактуроновой кислоты [5].

1.1.2 Пектиновые вещества - составной компонент растительного сырья

Механизм биосинтеза пектиновых веществ в растениях также не может считаться до конца выясненным.

Принятая большинством исследователей в настоящее время теория базируется на том, что основным исходным веществом для биосинтеза пектина в растительной клетке является галактуроновая и глюкоуроновая кислоты, а местом биосинтеза в растительной клетке фрагментов молекулы пектина считают аппарат Гольджи, откуда совершается их переход в оболочки клеток для формирования и полимеризации компонентов молекулы.

Из-за сложности и гетерогенности пектиновых веществ можно предполагать, что их биосинтез идет разными путями. На это косвенно указывают особенности превращений пектиновых веществ в онтогенезе растений и отличия, зависящие от фазы развития и органа, где накапливается пектин (лист, стебель, плод, корнеплод).

Как известно, в онтогенезе растений происходят изменения содержания общего пектина и соотношения растворимого пектина и протопектина, характерного для каждого вида растений. Так. у большинства плодов по мере созревания увеличивается количество растворимого пектина. У сахарной свеклы, напротив, в созревающих корнеплодах накапливается протопектин. Эти данные свидетельствуют о том, что роль пектиновых веществ в жизнедеятельности растений разнообразна[6].

Растворимый пектин и протопектин локализованы в разных частях растительной клетки и выполняют различные функции. Протопектин входит в состав клеточной оболочки, из него в значительной мере состоят срединные пластинки; растворимый пектин находится в соке вакуоли и межклеточных слоях ткани зрелых плодов. Общее содержание пектиновых веществ, соотношение протопектина и растворимого пектина, а также их локализация в клетке различаются в зависимости от вида, возраста, условий роста и развития растений. Это обусловливает различие в технологических параметрах извлечения пектиновых веществ и их физико-химических свойствах [7].

В обобщенном виде анатомическое строение клеточной стенки у растений можно представить в следующем виде.

Полисахаридная стенка растительной клетки состоит из нескольких слоев. Наружный слой образует первичную оболочку, внутренний - вторичную, которая, в свою очередь, состоит из внутреннего, среднего и внешнего слоев. Для каждого из них характерно других веществ. Химический состав и строение первичной клеточной стенки зависят от вида растительной ткани, но, в основном, ее анатомия одинакова: каркасные фибриллы целлюлозы, молекулы гемицеллюлоз и протопектина матрикса связаны друг с другом ковалентными сшивками и слабыми взаимодействиями различной природы в единую сложную структуру. В ней молекулы гемицеллюлоз связаны с поверхностью целлюлозных микрофибрилл водородными связями [4].

Целлюлоза является скелетным компонентом оболочки. Молекулы ее формируют очень длинные высокоупорядоченные кристаллоподобиые агрегаты - микрофибриллы, состоящие из 60-70 тесно прилегающих друг к другу параллельных и одинаково направленных целлюлозных цепей, связанных между собой водородными связями. Микрофибриллы создают структурный каркас оболочки и обусловливают ее высокую механическую прочность, варьирующую у разных видов сырья.

Гемицеллюлозы - второй полисахаридный компонент клеточной стенки. Они связаны водородными связями с поверхностью микрофибрилл и между собой, формируя вокруг каждой микрофибриллы своего рода оболочку, и также с помощью водородных связей сшивают их друг с другом в сложную пространственную сеть.

Пектины в растительной клетке представлены тремя полисахаридными компонентами: гомогалактуронаном, рамногалактуронаном-I и рамногалактуронаном-2. Каждый из этих полисахаридов содержит галактуроновую кислоту.

Гомогатактуронан состоит из остатков Д-гапактуроновой кислоты, связанных С – С

(1-4)-связями. Рамногалактуронан-I состоит из отрицательно заряженных остатков Д- галактуроновой кислоты, связанных в фрагменты. Между фрагментами находится трисахарид. состоящий из L-рамнопиранозы (1-4) Д-галактопиранозы-а (1-2) L-рамнопи- ранозы. Присутствие в рамногалактуронане-1 остатков L-рачнозы и (1-2) связей приводит к изгибу его молекулы. Эти изгибы служат местами прикрепления нейтральных пектинов (например, арабинанов и галактанов), связывающих молекулы рамногалактуронана-1 с молекулами гемицеллюлозы. Около половины L-рамнозильных остатков является разветвленными, по которым и присоединяются L-арабинозильиые, и небольшие количества L- фурозильных остатков [8].

Рамногалактуронан-2 структурно отличается от рамногалактуронана-1. Он состоит из глюкозильных остатков, в составе которых 2-о-метил-фукозил, 2-о-метил-ксилозид и

3-о-карбоксил-5-дезоксил-1-ксилозил. Кроме этого рамногалактуронан-2 содержит большое количество рамнозильиых остатков, которые связаны по 3; 3: 4: и 2, 3: 4-связям, отличие от рамногалактуронама-1, где рамнозильные остатки 2, 4 - связанные. Установлено, что рамноголактуронан-2 ковалентно связан с первичной клеточной стенкой через ряд несвязанных остатков галактозилуроновой кислоты.

Карбоксильная группа каждого остатка Д-галактуроновой кислоты может быть верифицирована метанолом с образованием метоксильной группы, может образовывать соли с ионами металлов, в частности, кальция, или может оставаться не этерифицированно.

Арабинаны и галактаны - нейтральные пектиновые полисахариды. Их доля по отношению к кислым пектиновым полисахаридам - гомогалактуронану и рамногапактуронанам I и II - составляет от 25 % до 30 %.

Таким образом, пектиновые полисахариды первичной клеточной оболочки представлены кислыми и нейтральными полисахаридами.

Помимо полисахаридов в состав матрикса клеточной стенки входит также структурный белок, называемый экстенсином. Пектиновые вещества составляют вместе с белками около 30 % сухой массы клетки, причем доля белка достигает 5 -10 %.

Химический состав и строение вторичной оболочки отличается от первичной. В ней содержится меньше воды и преобладают микрофибриллы целлюлозы, которые располагаются на близком расстоянии и параллельно друг другу. Содержание целлюлозы составляет 40-50 % от массы сухого вещества, гемицеллюлоз 20-30 %, лигнина 25-30 %. пектиновых веществ во вторичной оболочке очень мало, так как вторичная клеточная оболочка хорошо развита у одревесневших и отмирающих клеток [9].

Поверхность эпидермальных (покровных) клеток растений защищена гидрофобными веществами - кутином и восками. Слой кутина обычно пронизан полисахариднымн компонентами стенки (пектином, целлюлозой) и образует бесклеточную пленку - кутикулу.

Покровная ткань - эпидерма - отличается у различного пектиносодержащего сырья и имеет разное строение. У крупноплодных цитрусовых под эпидермой залегает многорядный слой тангенциаль вытянутых клеток флаведо, содержащих мелкие желтые или оранжевые хромопласты. В толще флаведо на разной глубине располагаются эфирномасличные железки. Флаведо постепенно переходит в альбедо, состоящее из звездчатых или рогатых клеток, благодаря чему альбедо характеризуется наличием крупных воздухоносных полостей - межклеточников. Оболочка плода пронизана во внутренней части ветвящимися проводящими пучками. Такое строение и химический состав обуславливает при извлечении пектиновых веществ необходимость экстрагирования эфирных масел и применение мягких режимов гидролиза протопектина [6].

Корнеплоды (свекла сахарная и кормовая, морковь) имеют мощную кутикулу, покрывающую с наружной стороны эпидерму. На границе кутикулы и целлюлозного слоя находится прослойка пектиновых веществ. Эта прослойка непосредственно связана с пектиновыми веществами срединной пластинки, разделяющей соседние клетки эпидермы. С пектиновой прослойкой связана также система очень тонких и разветвленных канальцев (прожилок), пронизывающих толщу кутикулы.

У плодов, в частности яблок, кутикула неоднородна, внутри ее вкраплены включения твердых растительных восков, понижающих водопроницаемость поверхности плода и определяющих ее повышенную химическую стойкость по отношению к микроорганизмам.

Существенная особенность кутикулы состоит в том, что во влажном состоянии она более проницаема для воды, а при подсушивании ее проницаемость резко снижается. Это необходимо учитывать при подготовке растительного сырья к экстрагированию пектиновых веществ.

Пектиновые вещества в плодах и ягодах находятся в растворимой и нерастворимой (протопектин) форме и тесно связаны с другими полисахаридными компонентами растительной клетки. Фракционный состав пектиновых веществ обусловливает отличие в структуре и строении растительной ткани. Так, например, протопектин, локализуясь в клеточной стенке и межклетниках, выполняет структурные функции наряду с целлюлозой и гемицеллюлозой. Растворимый пектин находится, в основном, в вакуолях [4]. Менее сочные ягоды содержат больше пектина; при этом при прессовании значительная часть нерастворимого пектина остается в выжимках. Большое количество общего содержания пектина и протопектина отмечено у поздно созревающих сортов. При "мягких режимах" гидролиза он переходит в водорастворимую форму [5]. В онтогенезе растений происходят изменения содержания общего пектина и соотношения растворимого пектина и протопектина, характерного для каждого вида, возраста, условий роста и созревания растений. Так, у большинства плодов по мере созревания увеличивается количество растворимого пектина [4].

В растениях встречаются пектиновые вещества с одной стороны в форме нерастворимых пектоцеллюлоз и протопектина, которые заполняют межклеточное пространство растений, а с другой стороны как коллоидные растворы пектинов, содержащихся в клеточном соке. 11сктоцеллюлозы бывают причиной твердости незрелых фруктов, а по мере созревания они под действием пектолитических ферментов переходят в протопектины вплоть до самих пектинов, что вызывает размягчение плодов. К такому же размягчению приводит хранение сырья в кислой среде.

Пектины являются важными веществами в технологии консервирования, потому что при подходящих условиях, т.е. при наличии большого количества сахара и н кислой среде, способны образовать при нагревании прочные желе. Применяются также в естественном виде как сырье или добавка к подобным препаратам, производимым промышленностью. Однако стоит обратить внимание на то, что длинные цепи пектиновых молекул при длительном хранении фруктов могут разорваться и желеобразующие способности пектина снизятся. В произведенном желе пектин снижает проникновение кислорода к продуктам и тем самым сохраняет, подобно сахару в высокой концентрации, ценные вещества, неустойчивые к кислороду. Сырьем для производства пектина являются сушеные яблоки и корки с цитрусовых плодов.

1.1.3 Физико-химические свойства пектиновых веществ и использование их в процессе производства

Общим для пектиносодержащего сырья является пористость его структуры. Морфологическая особенность измельченной растительной ткани даст основание сушеное измельченное пектиносодержащее сырье считать изотропным. Наличие пор, их размеры и геометрия, а также химический состав частиц сырья определяют не только скорость массообменных процессов в системе пектиносодержащее сырье-жидкость, но и предопределяют методы извлечения целевого вещества.

Скорость проникновения воды в пористую частицу пектиносодержащего сырья зависит от многих факторов. Кинетика этого проникновения исследовалась Б. В. Дерягиным, М А. Альтшулером, Г. А. Аксельрудом [7]. Причиной, побуждающей жидкость заполнять поры, являются силы поверхностного натяжения.

Пектиносодержащее сырье представляет собой в основном капиллярно-пористое тело с тупиковыми капиллярами. Учитывая его изотропность и свойство воды, как смачивающей жидкости, полнота и скорость заполнения капилляров будут зависеть от температуры и рН среды, продолжительности контакта сырья с жидкостью, разности осмотического давления клеточного сока и тургорного (гидросгатического) давления в клетке, размера частиц и пор.

1.1.3.1 Растворимость

Пектин, как и другие студнеобразователи, не растворяется в среде, где существуют тип для студнеобразоваиия.

Наилучшим растворителем пектиновых веществ является вода. В водном растворе пектиновая молекула имеет форму спирали, карбоксильные группы которой расположены в соседних витках.

Карбоксильные группы пектина способны к диссоциации. Константа диссоциации тем меньше, чем выше плотность заряда нитевидной молекулы и чем сильнее ионная сила. При высокой степени диссоциации карбоксильных групп в результате взаимодействия одноименно заряженных электрических центров, спиральная конформация молекул пекти­новых веществ нарушается, их линейные размеры возрастают. Водным растворам пектиновых веществ, как и золям других лиофильньгх коллоидов, свойственны высокая относительная вязкость, резко возрастающая при увеличении концентрации, а также структурная или аномальная вязкость. Пектиновые вещества помимо воды хорошо растворяются в 84 %-ной фосфорной кислоте и жидком аммиаке; в глицерине и формамиде они набухают. Во многих других органических и неорганических растворителях они практически нерастворимы.

Растворимость пектина зависит от степени его полимеризации и степени этерификации. Растворимость пектина в воде увеличивается при повышении степени этерификации и уменьшении молекулярной массы. Из двух пектинов с разными молекулярными массами легче растворяется пектин с меньшей длиной цепи, но с большим количеством метоксильных групп. Пектины со степенью этерификации 66% хорошо растворимы в воде, при степени 39,6 % и менее –малорастворимы [10].

Для получения однородного раствора необходимо предварительно порошок пектина перемешать с сахаром или смочить спиртом. Без такой подготовки при комнатной температуре можно получить водные растворы, содержащие не более 3 % пектиновых веществ.

Удобный способ растворения порошка пектина с использованием смесителя со скоростью вращения мешалки 20...30 об/мин. Смешанный в сухом виде с 5 частями сахара тонко измельченный пектин легко растворяется в воде. Чтобы пектин растворился полностью, рекомендуется прокипятить суспензию в течение 1 минуты. Так как растворение пектина затрудняется при увеличении содержания растворимых сухих веществ, большую часть сахара в рецептуре следует добавлять лишь после растворения пектина.

Растворы пектинов обладают также способностью к двойному лучепреломлению. С уменьшением длины пектиновой молекулы под воздействием ферментов или действия щелочей двойное лучепреломление уменьшается. При очистке пектина и нейтрализации карбоксильных групп двойное лучепреломление увеличивается до тех пор, пока не произойдет коагуляция системы [8].

1.1.3.2 Вязкость

Повышенная вязкость является одним из характерных свойств водных растворов пектиновых веществ, являющихся лиофильными коллоидами. Молекулы пектина в растворе легко ассоциируются либо друг с другом, либо с крупными молекулами сопутствующих веществ. Являясь высокомолекулярными веществами, пектины не диффундируют из растворов через клеточные мембраны растений. Это свойство используют для отделения пектиновых веществ от низкомолекулярных веществ в процессе диффузии свекловичного сахара. Ограниченная способность к диффузии может и должна быть использована в производстве пектина, в частности, в процессах концентрирования и нормализации среды пектиновых растворов по рН. Это позволит снизить расход химических реагентов и получить целевые продукты с высоким содержанием пектиновых веществ.

Молекулы пектина в воде подвергаются сольватации, то есть вокруг них образуется жидкостный слой, более плотный в первых слоях и рыхлый в участках, удаленных от частиц пектина. Взаимное расположение пектиновых молекул может изменяться в широких пределах в зависимости от химической природы растворителя, влияя на вязкость коллоида.

Различают следующие виды вязкости: абсолютную» относительную, удельную и приведенную.

Для пектиновых веществ характерна также структурная или аномальная вязкость.

Вязкость водных растворов пектинов зависит от различных факторов: концентрации, длины молекулярной цепи, степени этерификации, присутствия электролитов и температуры. С увеличением молекулярной массы пектина при прочих равных условиях вязкость увеличивается. При одной и той же молекулярной массе вязкость возрастает с увеличением электрического заряда макромолекулы, определяемого количеством свободных карбоксильных групп. Исследования, проведенные с пектиновыми веществами различной степени этерификации, показали, что при рН 6-7 вязкость максимальная, при рН 4 – минимальная. В интервале рН 3.5-8.0 пектиновый раствор ведет себя как раствор пучков элементарных фибрилл. При добавлении небольших количеств NaCl в растворы пектина вязкость раствора сначала заметно снижается, а затем принимает постоянное значение для любого образца пектина [9].

Высокая относительная вязкость обусловлена явлением сольватации. Для разъяснения явления структурной вязкости была предложена гипотеза о существовании внутри золя сетки из соединяющихся между собой частиц. Упругие силы коллоидной «сетки» препятствуют течению золя по капилляру вискозиметра, что обусловливает большее значение вязкости при опыте, чем у неструктурированных золей той же концентрации. При нарушении эластичной структуры внешним давлением вязкость раствора быстро падает [2].

При изменении вида растворителя и температуры равновесие, существующее между сольватацией цепных молекул пектина и их взаимной ассоциацией, смещается в ту или другую сторону. При повышении температуры вязкость снижается вследствие разрушения суперструктуры пектиновых веществ. При увеличении взаимной ассоциации молекул пектина при добавлении сахара или спирта образуются стойкие агрегаты молекул - золь переходит в гель. Структурирование во время застудневания пектиновых гелей идет непрерывно, сопровождаясь постепенным увеличением относительной вязкости системы. При этом различные сахара оказывают влияние на вязкость в разной степени. Глюкоза, мальтоза и сахароза увеличивают приведенную вязкость пектиновых растворов, в то время как декстрины понижают ее. Увеличение вязкости является обязательным при формировании пространственных агрегатов между пектиновыми молекулами.

Вязкостные свойства пектинов также в определенной степени зависят от содержания метоксильных групп в их молекуле. Поведение пектинов с содержанием метоксильных групп в интервале 20-50 % анатогично поведению высокомолекулярных веществ. Пектины с содержанием метоксильных групп свыше 50 % проявляют в растворах свойства характерные низкомолекулярным соединениям.

Измерение вязкости пектиновых растворов используют для характеристики молекулярной массы пектиновых веществ.

Абсолютную или характеристическую вязкость раствора определяют графическим путем. На оси ординат откладывают значение приведенной вязкости, на оси абсцисс - концентрацию пектина (С) в 100 мл раствора. Отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, дает величину абсолютной вязкости [10].

В последние годы расширились исследования гибкости молекулярных цепей пектиновых полисахаридов.

Известно, что пектиновые молекулы имеют преимущественно нитчатую структуру и принадлежат к линейным коллоидам В водных растворах пектиновая молекула приобретает форму спирали. Эту конформацию обычно принимают макромолекулы, у которых дальний конформационный порядок в виде спирали иммобилизован, например водородными связями. Конформационные характеристики определяют такое важное для полимеров свойство, как гибкость цепи, т. е. способность изменять свою конформацию в результате внутримолекулярного теплового движения или вследствие действия внешних сил. Радиус вращения пектиновой молекулы, имеющей трансконформацию. в водных растворах равен 320° А. По термодинамической гибкости пектиновая молекула относится к полугибким полимерам, так как параметр гибкости Флори. Это значит, что переход от макромолекул, неспособных изменять свою конфигурацию, к макромолекулам, содержащим гибкие связи, то есть связи, вокруг которых возможно вращение, происходит при fo=0,63. Следовательно, в водных растворах пектины представляют собой полугибкую макромолекулу, имеющую конформацию спирали с постоянным поперечным сечением. При этом карбоксильные группы располагаются друг над другом. Локальная гибкость пектиновой цепи определяется ее длиной: причем чем больше длина цепи, тем больше ее гибкость. Такое предположение было высказано автором при объяснении так называемого «феномена пектиновых веществ» в 1990 г. Позже, в 1996 г., французский ученый Rinaudo М. результатами своих исследований подтвердил эту гипотезу. Было установлено, что на гибкость пектиновой молекулы помимо ее длины существенное влияние оказывает ее молекулярная масса, величина отрицательного заряда диссоциированных карбоксильных групп и сила электростатического отталкивания

1.1.3.4 Комплексообразующая способность

Одним из важнейших свойств пектиновых веществ является их комплексообразующая способность, основанная на взаимодействии молекулы пектина с ионами тяжелых и радиоактивных металлов. Это свойство дает основание рекомендовать пектин для включения в рацион питания лиц. находящихся в среде, загрязненной радионуклидами и имеющих контакт с тяжелыми металлами. Для организма человека особенно опасны долго живущие изотопы цезия (Cs¹³⁷), стронция (Sr⁹⁰), иттрия (I⁹¹) и др. Комплексообрапюшис свойства пектиновых веществ зависят от содержания свободных карбоксильных групп, т. е. степени этерификации карбоксильных групп метанолом. Степень этерификации определяет линейную плотность заряда макромолекулы, а, следовательно, силу и способ связи катионов.

При высокой степени этерификации пектина (свыше 90 %) свободные карбоксильные группы, в которые включены атомы С6, в значительной степени удалены друг от друга. При этом кальциевые или стронциевые соли пектовой кислоты практически полностью диссоциируют. С уменьшением степени этерификации, то есть при увеличении заряда макромолекулы, связь пектиновых веществ с катионами возрастает, а константа стабильности пектатов увеличивается в функции, близкой к логарифмической зависимости. При степени тарификации 40 % происходит изменение конформации, приводящей к агрегатированию пектиновых макромолекул и образованию прочной внутримолекулярной хелатной связи.

Комплексообразующая способность не зависит от молекулярной массы пектина и определяется коэффициентом селективности катионного обмена, являющийся характеристикой насыщения пектиновых веществ двухвалентным катионом.

Комплексообразуюшая способность пектина зависит от рН среды. При разных значениях рН пектиновые вещества имеют различные значения комплексообразующей способности. Для пектина из свекловичного жома высокая комплексообразующая способность достигается при рН 10. При таких значениях свекловичный пектин связывал до 64-68 % от общего количества введенного стронция. Для пектина из соцветий подсол­нечника наибольшая комплексообразующая способность наблюдается при рН 9 (455,0 мг РЬ²/г)„ пектина из кормового арбуза - при рН 5 (380,0 мг РЬ² /г), яблочного пектина - при рН 5. пектина из виноградных выжимок - при рН 10 (283,0 мг) [11].

Таким образом, оптимальное значение рН среды, при котором происходит максимальное комплексообразованнс, для каждого типа пектина индивидуальное и зависит от вида псктнносодержащего сырья. Высокая комплексообразующая способность у всех пектиновых веществ наблюдается в интервале рН 4-12, причем максимальные значения - достигаются для многих пектинов при рН 5 и рН 9.

В литературе приводятся противоречивые сведения, предполагающие либо влияние количественного соотношения металл-пектин на комплексообразующую способность, либо совершенно отрицающие это влияние. Проведенные нами исследования позволили установить, что при разных значениях концентрации пектиновых веществ их комплексообразующие свойства различны, хотя с увеличением концентрации для всех пектинов комплексообразующая способность возрастает прямопропорционально. Следует однако отметить, что в более разбавленных растворах пектин проявляет большую способность к комплексообразованию. При этом с увеличением концентрации пектина в растворе первоначально наблюдается даже снижение комплексообразующей способности. Это, вероятно, связано с взаимной блокировкой карбоксильных групп.

Существенное влияние на комплексообразующую способность оказывает парный эффект пектина и соли тяжелого металла. Одновременное снижение концентрации пектина в растворе при увеличении концентрации тяжелого металла в нем приводит к значительному увеличению константы связывания. Так, при взаимодействии в растворе 1 части кобальта c 10 частями пектина, полученного из соцветий подсолнечника, связывается 7,8 % металла, а при соотношении 1:100 — 80,2 %, аналогично этому при снижении концентраций до 0,5 % свекловичного пектина им связывается 75 % стронция.

Благодаря комплексообразующему свойству по отношению к металлам пектин является незаменимым веществом в производстве пищевой продукции профилактического и лечебного питания. Оптимальная профилактическая доза пектина составляет не более 24 г в сутки для контактирующих с тяжелыми металлами, а в условиях радиоактивного загрязнения - не менее 15-16 г.

С уменьшением степени этсрификации, то есть при увеличении заряда макромолекулы, связь пектиновых веществ с катионами возрастает, а константа стабильности пектатов увеличивается в функции, близкой к логарифмической зависимости. При степени этерифнкации 40 % происходит изменение конформации, приводящей к агрегатированию пектиновых макромолекул и образованию прочной внутримолекулярной хелатной связи.

Комплексообразуюшая способность не зависит от молекулярной массы пектина и определяется коэффициентом селективности катионного обмена, являющийся характеристикой насыщения пектиновых веществ двухвалентным катионом.

Комплексообразуюшая способность пектина зависит от рН среды. При разных значениях рН пектиновые вещества имеют различные значения комплексообразующей способности. Для пектина из свекловичного жома высокая комплексообразуюшая способность достигается при рН 5 (505,0 мг РЬ²⁺г) и рН 10 (503,7 мг РЪ²⁺г). При таких значениях свекловичный пектин связывал до 64...68 % от общего количества введенного стронция. Для пектина из соцветий подсолнечника наибольшая комплексообразуюшая способность наблюдается при рН 9 (455,0 мг РЬ²⁺/г), пектина из кормового арбуза - при рН 5 (380.0 мг РЬ²⁺г), яблочного пектина – при рН 5 (312,3 мг РЬ ⁺г), пектина из виноградных выжимок г при рН 10 (283.0 мг РЬ^э'г) [12].

2. Производство пектиновых веществ

Таким Образом, оптимальное значение рН среды, при котором происходит, максимальное комплексообразование. для каждого типа пектина индивидуальное и зависит пектиносодержащего сырья. Высокая комплексообразующая способность у всех ктиновых веществ наблюдается в интервале рН от 4-12, причем максимальные значения достигаются для многих пектинов при рН 5 и рН 9.

В литературе приводятся противоречивые сведения, предполагающие либо влияние количественного соотношения металл-пектин на комплексообразующую способность, либо рщенно отрицающие это влияние. Проведенные нами исследования позволили при разных значениях концентрации пектиновых веществ их свойства различны, хотя с увеличением концентрации для всех, пектинов комплексообразующая способность возрастает прямопропорционально. Следует отметить что в более разбавленных растворах пектин проявляет большую способность к комплексообразованию. При этом с увеличением концентрации пектина в растворе первоначально наблюдается даже снижение комплексообразующей способности. Это, вероятно, связано с взаимной блокировкой карбоксильных групп.

Существенное влияние на комплексообразующую способность оказывает парный эффект пектина и соли тяжелых металла. Одновременное снижение концентрации пектина в растворе при увеличении концентрации тяжелого металла в нем приводит к значительному увеличению константы связывания. Так, при взаимодействии в растворе 1 части кобальта с 10 частями пектина, полученного из соцветий подсолнечника, связывается 7,8 % металла, а при соотношении 1:100 - 80,2 %, аналогично этому при снижении концентрации до 0,5 % свекловичного пектина им связывается 75 % стронция.

Благодаря комплексообразующему свойству по отношению к металлам пектин является незаменимым веществом в производстве пищевой продукции профилактического и лечебного питания. Оптимальная профилактическая доза пектина составляет не более 2.4 г в сутки для контактирующих с тяжелыми металлами, а в условиях радиоактивного загрязнения – не менее 15-16 г.

В зависимости от условий, при которых образуется студень, его структура создается при неодинаковом количественном участии различных связей. Прибавленная для студнеобразования кислота вытесняет катионы из псктиновой молекулы, создает свободные карбоксильные группы, уменьшает их диссоциацию, нейтрализуя электростатические силы отталкивания между молекулами пектовой кислоты.

Наиболее прочные студни образуются в присутствии лимонной, винной и триоксиглутаровой кислот.

Сахар в процессе студнеобразования выполняет роль дегидратирующего вещества. Способность к дегидратации у разных Сахаров - сахарозы, глюкозы, мальтозы различна, определяя характер их влияния на вязкость пектиновых растворов. Наибольшая прочность студня достигается при добавлении сахарозы, наименьшая -мальтозы.

Для образования прочного студня в трехкомпонентной системе пектин-сахар- кислота необходимо их оптимальное соотношение, которое не носит абсолютного характера, а зависит от вида пектина, определяющего пределы соотношения компонентов рецептурной смеси. В практике оптимальным условием является приблизительное соотношение пектина: сахара : кислоты - 1:60:1.

Студнеобразование пектина зависит от рН студня и температуры процесса. Для высокоэтерифицнрованных пектинов максимальная прочность студня достигается при

рН 3.0-3.3. для низкоэтернфнцнрованных - при рН 2,5-2.8. Снижение рН на 1/10 в определенных условиях студнеобразования может вызвать повышение оптимальной температуры на 5 °С.

Следует отметить, что, несмотря на то, что в литературе часто указывают оптимальное значение рН для получения студней максимальной прочности, научного объяснения взаимосвязи рН и студнеобразующей способности пектина не имеется.

Существенное влияние на студнеобразование оказывает химическое строение макромолекулы пектина. Пектовая кислота, у которой все остатки галактуроновой кислоты имеют карбоксильные группы, нерастворима в воде и не обладает студнеобразующей способностью. Наличие балластных веществ, связанных с пектином валентными связями (например, с другими полисахаридами), вызывает изменение конформации его макромолекулы и отрицательно сказывается на формировании и прочности студня

Ацетильные группы, связанные с гидрооксильными группами пектиновых веществ, значительно ухудшают их студнеобразующие свойства. Наибольшее количество ацетильных групп содержится в пектине из сахарной свеклы (0,38-0,80 %), из корзинок подсолнечника (0.45-0,90 %), обуславливая их низкую студнеобразующую способность. Нами изучена возможность повышения студнеобразующей способности пектинов сахарной свеклы путем их обработки химическими реагентами. Так, использование персульфата аммония или пе­рекиси водорода приводит к повышению молекулярной массы растворимых пектинов за счет окислительной сшивки и сопровождается образованием прочного студня. Полученные таким образом студни обладают высокой водоудерживающей способностью и могут найти широкое применение в пищевой промышленности.

Пектин, являясь поверхностно-активным веществом, обладает ярко выраженными эмульгирующими и пенообразующими свойствами.

Вязкость эмульсий пектина с жиром резко возрастает с увеличением концентрации эмульгатора и жира. Так, для 50 %-ной эмульсии с 0,5 % свекловичного пектина она равна 4,8 сантипуаза (сПс), а с 1 % -5880 сПс. При увеличении концентрации жира вязкость также повышается. Например, вязкость эмульсии при увеличении концентрации жира с 50 до 55 % возрастает с 4,8 до 13,5 сПс.

Лучшими эмульгирующими и пенообразующими свойствами обладают водные растворы солей подсолнечной пектовой кислоты с анилином, деметиланилином.

Пенообразующие свойства пектатов приближаются к свойствам яичного белка. При этом установлено, что соли смеси подсолнечной пектовой кислоты и яблочного пектина с о-толуидином обнаруживают лучшие эмульгирующие и пенообразующие свойства, чем чистые пектаты о-толуидина. К сожалению, до настоящего времени в доступной нам литературе отсутствуют данные о влиянии пищевых добавок на данные свойства пектиновых веществ [12].

Структура пектиносодержащей растительной ткани, подвергнувшейся процессу гидролиза, в значительной мере определяет скорость диффузионого переноса вещества. Рассматриваемая двухфазная система (пектиносодержащее сырье - экстрагент) характеризуется большой вязкостью жидкой фазы, а частицы твердой фазы, находясь в соприкосновении друг с другом, имитируют состояние, близкое к свободному размещению их в пространстве.

Учитывая гидромеханические свойства прогидролизованной пектиносодержащей растительной ткани, ее можно отнести к объектам, не имеющим строго выраженной твердой и жидкой фазы. Поэтому создать в производственных условиях гидродинамический режим, при котором критерий Bi-»0, практически невозможно. В связи с этим скорость процесса экстрагирования пектиновых веществ из растительной ткани определяется в основном внешним диффузионным сопротивлением.

Известно, что это одна из самых медленных фаз в процессе массопередачи, что обуславливает необходимость совершенствования процесса и разработки способов его интенсификации. Наиболее эффективным является строгое разделение процессов гидратации, гидролиза и экстрагирования с последующим разделением суспензии с помощью прессования или центрифугирования.

Скорость процесса экстрагирования растворимого пектина из растительной ткани, как и любого массообменного процесса в системе твердое тело - жидкость, зависит от разности концентраций - движущей силы процесса; размера экстрагируемых частиц; температуры; скорости движения твердой и жидкой фаз. Соотношения расхода масс экстрагента и твердых частиц; характера относительного движения взаимодействующих фаз (противоток, прямоток, процесс в слое, комбинированный процесс и др.).

С целью изучения кинетики процесса экстрагирования, его расчета и регулирования определены основные кинетические коэффициенты процесса: коэффициент диффузии пектиновых веществ D и коэффициент массоотдачи.

На основе определения коэффициента диффузии в свекловичной стружке нами разработана методика определения коэффициента диффузии пектиновых веществ с учетом особенностей, присущих процессу экстрагирования пектина.

В качестве расчетного уравнения принято дифференциальное уравнение нестационарной диффузии в совокупности с балансовым. При условии, что избыточная концентрация в твердом теле Ь, отсчитывается от концентрации С находящегося с ним в контакте экстракции.

Физико-химических свойствах свекловичного и яблочного сырья: в свекловичной ткани между кутикулой и целлюлозным слоем находится прослойка пектиновых веществ, с которой связана система тонких и развитых канальцев, пронизывающих толщу кутикулы и содержащих пектин. Это и обуславливает более высокое значение коэффициента диффузии в начальный период экстрагирования в отличие от яблочного сырья.

Изменение коэффициента D в мандариновых отжимах в значительной степени отличается от яблочных выжимок и свекловичного жома. Коэффициент D в начальный период невысок. При увеличении продолжительности процесса коэффициент диффузии повышается. Наибольшее значение D на интервале 0,4-0,6 ч. Такой характер изменения диффузионной проводимости объясняется в основном структурой растительной ткани. Альбедо мандариновых выжимок характеризуется наличием крупных воздухоносных полос гей. Это приводит к тому, что в период времени 0,1-0,2 ч вследствие диффузии воздуха и высокого значения вязкости цитрусового пектина коэффициент D снижается. При более продолжительном контакте экстрагента с нулевой концентрацией блокирующее влияние частиц снижается, диффузионная проводимость сырья увеличивается и остается высокой на всем протяжении процесса.

Исходя из общих положений теории экстрагирования в системе твердое тело- жидкость, для того, чтобы ускорить процесс, необходимо увеличить движущую силу и уменьшить сопротивление его протеканию Для уменьшения диффузионного сопротивления необходимо увеличить коэффициент D, коэффициент массоотдачи Р и определить оптимальный размер экстрагируемых частиц R. При известном размере частиц единственный параметр, с помощью которого можно изменить коэффициент диффузии экстрагируемого вещества в твердом теле - это температура. С повышением температуры коэффициент диффузии возрастает. Под влиянием температуры и в результате извлечения из клеточных оболочек растворимых пектиновых веществ в ткани происходят физико- химические изменения. В процессе экстрагирования пектиновых веществ из свекловичного жома коэффициент диффузии изменяется более чем на порядок

Скорость диффузии в начальной стадии наибольшая, т.е. коэффициент диффузии имеет наиболее высокое значение. Это объясняется тем, что в начале процесса экстрактивные вещества, находящиеся на поверхности частиц и в близких к поверхности порах, легко переходят в эстрагент. Увеличение 'коэффициента диффузии при повышении температуры связано и с тем, что при высоких температурах отдельные звенья пектиновых веществ получают возможность колебаться более интенсивно, что вызывает падение вязкости. На втором участке коэффициент диффузии резко снижается. Здесь имеет место диффузия, на которую сильное торможение оказывает вязкость экстрагента. В дальнейшем коэффициент диффузии снижается монотонно [13].

Для более полного представления о кинетике экстрагирования нами рассчитан коэффициент массоотдачи. Характер изменения давления при повышении температуры процесса аналогичен изменению коэффициента диффузии D. Это вполне согласуется с реальными условиями протекания процесса - сырье меняет свои свойства, под воздействием температуры теряет упругость. Одновременно возрастает концентрация пектиновых веществ в экстрагенте, благодаря чему увеличивается вязкость. Все эти факторы ухудшают циркуляцию жидкости, т. е. гидродинамические условия массообменного процесса, что и приводит к снижению коэффициента массоотдачи.

Для улучшения массообменных условий проведения процесса проводят перемешивание. При этом важно не столько увеличение относительной скорости движения фаз. сколько создание условий для участия в процессе экстрагирования всей поверхности частиц сырья.

Установлено, что увеличение скорости движения экстрагируемого свекловичного жома до 6-10² м/с интенсифицирует процесс. Это подтверждается увеличением выхода пектина С 10,4 до 13,9 % и студнеобразующей способности от 42,56 до 45.66 кП.

Однако сильное перемешивание отрицательно сказывается на последующем разделении твердой и жилкой фаз. Поэтому рекомендуется перемешивание при относительной скорости движения частиц экстрагируемого пектиносодержащсго сырья 1,2х 10² м/с.

Одним из значимых факторов, оказывающих существенное влияние на движущую силу процесса экстрагирования, является соотношение расхода масс экстрагента и твердых частиц.

Сведения об оптимальных соотношениях расхода масс (q) при экстрагировании пектиновых веществ в известной нам литературе отсутствуют.

Пектин содержится в соке зрелых яблок и груш, из которого при нагревании со спиртом и соляной кислотой осаждается в виде хлопьев. Для получения его сок совершенно зрелых груш обрабатывают щавелевой кислотой для осаждения извести и танином для удаления альбуминагов и затем осаждают пекши спиртом. Пектин представляет аморфное вещество, растворимое в воде.

Пектиновая кислот. Образуется при действии едкого кали и углекислых щелочей на пектин, а также при нагревании свекловичной мякоти с раствором едкого кали.

Пектоза, нерастворимое пектиновое вещество, содержащееся в незрелых плодах, также в свекле и моркови; переходит от действия пектаза в растворимый пектин или в пектиновые кислоты. Известно также еще несколько других пектиновых веществ, извлеченных из различных растений, а также некоторые продукты превращений вышеописанных пектиновых, веществ, но имеющиеся данные настолько неопределенны, что даже существование многих из этих веществ может быть подвержено сомнению, и вообще характеристика пектина веществ, отвечающая современным научным требованиям, может быть дана только после новых, более точных исследований этих веществ. Произведенные в недавнее время исследования Тромп-де-Гааса и Толленса над пектином из незрелых яблок, ревеня, вишен, смородины, корнеплодов и репы показывают, что состав его близок к составу углеводов. Отношение между содержащимися в нем количествами водорода и кислорода близко к отношению.

1.3 Общая характеристика тыквы

Считается, что победное шествие тыквы по всему миру началось из Центральной и Южной Америки, но при этом упускается из виду, что в 1926 году дикорастущую мелко­плодную тыкву обнаружила в Северной Африке экспедиция под руководством академика Н. И. Вавилова. Росла она в тех же самых местах, что и дикий арбуз [13].

Па вопрос о том. откуда и как появилась тыква в Европе, окончательного ответа нет. Вполне возможно, что крупноплодную тыкву привезли корабли с добычей испанских конкистадоров, а ее мелкоплодную сестру доставили повозки рыцарей-крестоносцев, возвратив­шихся в родные места с награбленным добром из очередного крестового похода.

В России тыква появилась в XVI веке либо с востока, вместе с персидскими купца­ми. приезжавшими в Дербент. Астрахань и другие города с товаром, либо с запада со сме­лыми н предприимчивыми московскими купцами, завязавшими к XVI веку тесные торговые отношения со странами Западной Европы, в которых к этому времени тыква была очень по­пулярным овощем. Российский климат позволял выращивать тыкву практически повсемест­но. но широкое распространение на угодьях русских помещиков она получила только начи­ная с XVIII века. Неприхотливый, дающий большие урожаи и удобный в хранении овощ на­столько прижился во многих южных областях России, что там и по сей день считают тыкву исконно русской культурой [13].

Тыква - однолетнее растение семейства тыквенных со стелющимися (плетистые формы) или прямостоячими (кустистые формы) побегами и ветвистыми усиками. Стебли гранистые. бороздчатые с шиловидным опушением. Листья очередные, черешковые, без прилистников, шершавые от опушения. Цветки желтые с прямыми заостренными лепестка­ми. Плод короткоовальный или короткоцилиндрический реже удлиненно-цилиндрический или округлый. Окраска незрелого плода темно-зеленая, при созревании оранжевая с пятни­стым иди полосатым рисунком. Мякоть от кремовой до светло-оранжевой окраски, волокни­стая. Семена средней величины, светло-кремовые, с ясно выраженным боковым ободком

Культивируется в средней и южной полосе европейской части России.

1.3.1 Химический состав

Семена тыквы (с кожурой) содержат на сухую массу в среднем 30 % сырого белка, 28-35 % сырого жира. 9 % растворимых углеводов, 18 % целлюлозы и 3,4 % золы. Ядра се­мян содержат 32-40 % масла, в состав которого входит лннолевая (43-57 %), олеиновая (24...41 %), пальмитиновая и стеариновая кислоты, сумма которых составляет 15-30 %. Масло семян тыквы невысыхающее, к нем содержится большое количество витамина Е.

Из белков в семенах преобладают глобулин (кукурбитин), в который входят амино­кислоты (%): аргинин 14,5. гистидин 3,3, лизни 2,2, тирозин 2,8, пролин 2,9, триптофан 3,8, аспарагиновая кислота 4,3. глутаминовая кислота 13,3, азот в разных формах - 18 %.

В мякоти плодов 70-94 % воды и 6-30 % сухого вещества, содержащего 1,5- 15 % Сахаров; 4-23 "о клетчатки и гемицеплюлозы; до 24 % крахмала; 0,3- 1,4 % пектинов; 1-3 % азотистых веществ; 0,5-0,7 % сырого жира, 0,1 % кислот; 0,4-1,4 % золы; 25-40 мг % аскорбиновой кислоты: 2-28 мг % каротина [13].

1.3.2. Применение тыквы

Мякоть улучшает функцию кишечника при запорах, усиливает выделение хлоридов из организма, повышает диурез, не оказывая раздражающего действия на почечную ткань. Незначительное количество клетчатки (15 %) и органических кислот позволяет включать ты­кву в рацион питания при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, а большое количество пектина оказывает особенно положительное действие при воспалении толстого кишечника. Тыква очень полезна при атеросклерозе, задержке жидкости в организме. Мякоть тыквы или тыквенный сок оказывает хороший эффект при кишечных расстройствах (дискенезии, коли­ты. запоры). Поскольку в тыкве содержится незначительное количество калия, блюда из ты­квы полезны при болезнях сердца и сосудов. Наличие железа позволяет рекомендовать ее и при малокровии. Тыквенную диету можно назначать и при гипертонической болезни, пече­ночной и почечной патологии, а так же при заболеваниях мочевого пузыря. Употребляют мякоть тыквы и при подагре.