doi: 10.15389/agrobiology.2021.3.591rus
УДК 582.663.2:581.19:547.458.88
ВЫДЕЛЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПЕКТИНОВЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ ИЗ ЛИСТЬЕВ АМАРАНТА
С.Т. МИНЗАНОВА1 ✉, В.Ф. МИРОНОВ1, А.З. МИНДУБАЕВ1,
О.В. ЦЕПАЕВА1, Л.Г. МИРОНОВА1, В.А. МИЛЮКОВ1, В.К. ГИНС2,
М.С. ГИНС2, П.Ф. КОНОНКОВ2, В.М. БАБАЕВ1, В.Ф. ПИВОВАРОВ2
Наряду с традиционными химическими сырьевыми ресурсами (нефть, газ, уголь) все большее значение приобретает растительное сырье. Растения — возобновляемый ресурс, они служат практически единственным источником ценных природных соединений — полисахаридов, которые имеют широкое применение в различных областях науки и техники. Особое место среди них занимает пектин, который входит в состав структурных элементов клеточной ткани высших растений и выполняет функции связывающих и упрочняющих компонентов клеточной стенки, а также регулирует водный обмен. Самым доступным источником пектина служат овощные растения. В настоящей работе впервые показано влияние характера гидролизующего агента и воздействия ультразвуком с частотой 22 кГц на эффективность гидролиза-экстракции и выход пектина из растений Amaranthus tricolor L. сорта Валентина в сравнении с классическим методом. Нашей целью была разработка способов выделения пектиновых полисахаридов из растений A. tricolor сорта Валентина, характеристика их физико-химических свойств и структурных особенностей. В экспериментах использовали высушенные листья овощного амаранта сорта Валентина селекции Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур. Для исследования сахаров в боковых звеньях пектиновых полимеров проводили частичный гидролиз. Навеску образца гидролизовали трифторуксусной кислотой (ТФК) при 120 °С в течение 1 ч, затем ТФК отгоняли под вакуумом. Для определения моносахаридного состава навеску образца пектина гидролизовали 2 н. серной кислотой при 110 °С в течение 5 ч. Гидролизат нейтрализовали гидроксидом бария, осадок отделяли фильтрованием. Фильтраты исследовали методом бумажной хроматографии в системе н-бутанол:уксусная кислота:вода (5:1:4), проявляя хроматограмму анилинофталатным реактивом. Количественное содержание сахаров определяли на жидкостном хроматографе Shimadzu 20-AD Prominence («Shimadzu Corporation», Япония) c рефрактометрическим детектором Shimadzu RID-10A. Инфракрасные спектры были сняты на приборе IRS-113 («Bruker», Германия) с разрешением 1 см-1 в диапазоне 400-4000 см-1 в таблетках KBr. Элементный состав определяли на элементном CHNSO-высокотемпературном анализаторе Euro EA 3028-HT-OM («EuroVector Instruments & Software», Италия). Все измерения методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) осуществляли на сканирующем зондовом микроскопе MultiMode V («Veeco Instruments, Inc.», США) в прерывисто-контактном режиме. Была проведена серия экспериментов по выделению амарантина из листьев амаранта посредством водной экстракции с последующим экстрагированием пектиновых веществ. В качестве гидролизующих агентов на стадии гидролиза-экстракции использовали щавелевую и лимонную кислоты. Оптимизировали температуру, pH, гидромодуль и продолжительность обработки. С целью интенсификации переработки сырья использовали обработку на ультразвуковом дезинтеграторе УЗДН-1 (Россия). Структурное изучение выделенных полисахаридов методом инфракрасной спектрометрии показало их соответствие пектиновым веществам. Методом тонкослойной хроматографии установили, что в составе выделенных полисахаридных фракций значительную долю составляли полимеры арабинозы и галактозы (арабинаны и галактаны либо арабиногалактаны), а также присутствовали следы рамнозы. Методом бумажной хроматографии были получены аналогичные результаты. Согласно данным высокоэффективной жидкостной хроматографии, в пектиновых фракциях содержались глюкоза, галактоза, рамноза, арабиноза и галактуроновая кислота. Выявлено низкое содержание галактуроновой кислоты в гидролизате, полученном под действием как Н2SО4, так и ТФК, — соответственно 0,63 и 1,68 %. Установлены условия гидролиза-экстракции, обеспечивающие максимальный выход пектиновых веществ: 0,5 % раствор щавелевой кислоты с комплексоном (0,5 % гексаметиленодиаминотетрауксусная кислота), 50-55 °С, 4 ч, гидромодуль 1:15. После переосаждения этот образец пектина содержал интенсивную полосу поглощения валентных колебаний карбонилов карбоксильных групп и сложноэфирных групп в области 1742 см-1. Данные термогравиметрии/дифференциально-сканирующей калориметрии (ТГ/ДСК) амарантового пектина указывали на двухступенчатую потерю массы. ИК-Фурье спектр газообразных продуктов термического разложения амарантового пектина показал, что вода была основным компонентом газовой фазы на первой стадии потери массы, на второй стадии происходило декарбоксилирование пектина. Максимальный размер агрегатов по данным атомно-силовой микроскопии составлял 2,4-2,5 мкм, минимальный — ~330 нм.
Ключевые слова: амарант, Amaranthus tricolor L., сорт Валентина, гидролиз-экстракция, ультразвуковой дезинтегратор, пектин, инфракрасная спектроскопия, термостабильность пектина, термогравиметрия/дифференциально-сканирующая калориметрия, ТГ/ДСК, атомно-силовая микроскопия.
EXTRACTION AND PHYSICOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF PECTIN POLYSACCHARIDES FROM AMARANTH LEAVES
S.T. Minzanova1 ✉, V.F. Mironov1, A.Z. Mindubaev1, O.V. Tsepaeva1, L.G. Mironova1, V.A. Milyukov1, V.K. Gins2, M.S. Gins2, P.F. Kononkov2, V.M. Babayev1, V.F. Pivovarov2
Polysaccharides are one of the most important classes of natural compounds that have practical application in various fields of science and technology. Pectin remains one of the most essential polysaccharides, being a primary constituent of the structural elements of the cell wall in higher plants, performs the functions of binding and strengthening components of the cell wall, and also regulates water metabolism. Pectic substances are widely used in medicine as detoxicants of heavy metals and regulators of metabolic processes in the human body. In addition, they are also a universal food additive (E440). Despite significant amounts of traditional raw material resources (apple and citrus pomace, beet pulp), new alternative sources of raw materials are being searched for, including vegetable plants introduced in Russia for the production of pectins and their use in the production of functional foods. Among non-traditional plant resources, amaranth (Amaranthaceae) holds a significant rank. Due to its high yield and high content of biologically active substances and antioxidants, this crop acts as a potential source of obtaining valuable plant-derived substances for medicine, agriculture and the food industry. The Amaranthus tricolor L. cv. Valentina plants were used to isolate pectic substances by the classical method and ultrasonic treatment at a frequency of 22 kHz. Sugars were quantified using a Shimadzu 20-AD Prominence liquid chromatograph (Shimadzu Corporation, Japan) with a Shimadzu RID-10A refractometric detector. Infrared spectra were recorded on an IRS-113 instrument (Bruker, Germany) with a resolution of 1 cm-1 in the range 400-4000 cm-1. The elemental composition was determined (a CHNSO-high-temperature analyzer Euro EA 3028-HT-OM, EuroVector Instruments & Software, Italy). All measurements by atomic force microscopy (AFM) were carried out on a Multi Mode V scanning probe microscope (Veeco Instruments, Inc., USA) in an intermittent contact mode. Structural study of the isolated polysaccharides by the IR spectroscopy method showed their possible affiliation to pectin substances. To study the monosaccharide composition, the samples of pectins were hydrolyzed with sulfuric acid (2 N) and partially hydrolyzed with trifluoroacetic acid (TFA). The high-performance liquid chromatography (HPLC) identified glucose, galactose, rhamnose, arabinose and galacturonic acid in the pectin fractions. Low galacturonic acid contents of 0.63 % and 1.68 % were determined in H2SO4 and TFA hydrolyzates, respectively. The conditions for hydrolysis-extraction which ensure the maximum yield of pectin substances were 0.5 % oxalic acid with complexone (0.5 % HDTA), 50-55 °С, 4 h, feed to extractant volume (hydromodule) ratio of 1:15. The physicochemical properties of pectin obtained under these conditions were studied using atomic force microscopy (AFM) and thermogravimetric/differential scanning calorimetry (TG/DSC) methods. After ethanol re-precipitation, this pectin sample showed an intense absorption band of stretching vibrations of carbonyls of carboxyl groups and ester groups at 1742 cm-1. The TG/DSC indicated a two-step weight loss. The Fourier-transform infrared (FTIR) spectrum of the gaseous products derived from thermal decomposition of pectin sample showed that water was the main component of the gas phase at the first stage of weight loss and at the second stage, pectin was decarboxylated. According to atomic force microscopy, the size of the aggregates was 2.4-2.5 μm maximum and ~ 330 nm minimum.
Keywords: Amaranthus tricolor L., amaranth, cv. Valentina, hydrolysis-extraction, ultrasonic disintegrator, pectin, IR spectroscopy, pectin thermostability, TG/DSC, AFM.
1Институт органической и физической химии |
Поступила в редакцию |
