Разработка методики определения количества пектиновых веществ в сырье и продуктах его переработки

Одним из основных путей повышения экономической эффективности и экологической безопасности любого производства, в том числе и принадлежащего пищевой отрасли, является внедрение малоотходных и безотходных технологий, основанных, в том числе, на вовлечении в производственный цикл и вторичных сырьевых ресурсов. Ярким примером этой группы технологий является производство пектина и пектинопродуктов из отходов переработки на продовольственные нужды растительных объектов — различных плодов. В настоящее время в Россию ежегодно импортируется в среднем 3,0−3,5 тыс. т. пектина различного назначения. Анализ характеристик пектиновых веществ отечественного вторичного продовольственного сырья показал его пригодность к использованию в направлении производства пектина. Так, нами разработан ряд способов получения пектинопродуктов из нетрадиционных сырьевых объектов и на их основании предложены технологии получения товарного пектина и пектиновых экстрактов из плодовых оболочек сои, эспарцета, клещевины, тунга и ореха черного, в целях оперативного аналитического контроля пектинового комплекса которых разработаны две методики, одна из которых представлена в статье. Предложенная методика позволяет при минимальных затратах труда и энергии определять количество пектина по его фракциям на любом предприятии пектинового производства.

Полисахаридный комплекс таких видов вторичных сырьевых ресурсов, как плодовые оболочки сои [1, 2], эспарцета [3], клещевины [4, 5], тунга [6] и ореха черного [7], которые по своей сути являются альтернативной сырьевой базой пектиновых веществ, долгое время был не изучен на предмет количества и качества содержащегося в них пектина. При этом важным этапом является анализ количества целевого продукта в исходном сырье, для чего существует необходимость в разработке подходящих для этого простых в исполнении методик с высокой сходимостью результатов параллельных опытов, позволяющих получать точные данные за короткое время при минимальных энергои трудозатратах.

Предлагаемые нами разработки, безусловно, будут стимулировать процесс импортозамещения на рынке пищевых добавок. Кроме того, эти разработки способствуют совершенствованию технологии глубокой переработки плодов таких культур, как соя, эспарцет, клещевина, тунг и орех черный с получением товарного пектина и пектиновых экстрактов, что, в итоге определит существенное снижение себестоимости основных целевых продуктов переработки этого сырья и повысит экономическую эффективность производства.

Материал и методика исследований В качестве объектов исследования были выбраны плодовые оболочки сои, эспарцета, клещевины, тунга и ореха черного.

При разработке оригинальной методики [8] исследования фракционного состава и массовой доли фракций пектиновых веществ использовали данные, полученные общепринятыми методами — «объемным» и «кальций-пектатным»; образцы пектиновых веществ из предварительно приготовленных экстрактов сырья выделяли методом спиртоосаждения [9].

Статистическую оценку достоверности полученных экспериментальных данных вели по методикам с применением офисного редактора Microsoft Excel [10].

Состояние проблемы Предложенная нами методика относится к технической биохимии, а именно к определению количества пектиновых веществ в растительном сырье.

Вне зависимости от природы растительного материала и методики количественного определения содержания пектиновых веществ в нем, первым шагом всегда является приготовление «стандартизированных» растворов гидратопектина и протопектина, суть которого заключается в поэтапном и максимально полном извлечение всего гидратопектина и протопектина из растительной ткани. Полученные таким образом экстракты гидратопектина и протопектина исследуют по одной из существующих общепринятых методик.

Известна методика количественного определения пектиновых веществ, который основан на осаждении пектиновых кислот сильными минеральными кислотами в условиях повышенного тяготения («объемный» метод). К 200 мл «стандартизованного» раствора гидратопектина или протопектина, отобранных для исследования, прибавляют 2,5 мл 40%-ного раствора NaOH и выдерживают при комнатной температуре 15 мин. Образовавшуюся пектиновую кислоту осаждают 10 мл концентрированной HCl и центрифугируют при 3000 об/мин в течение 10−15 мин. в некотором количестве градуированных центрифужных пробирок. В результате центрифугирования пектиновые коллоиды образуют осадок, объем которого измеряют в каждой пробирке. Объемы осадков во всех пробирках суммируют. Затем, пользуясь калибровочной кривой и объемом полученного осадка, определяют концентрацию пектиновых веществ [11].

К недостаткам данной методики можно отнести приведенные унифицированные параметры центрифугирования, которые на практике не обеспечивают точности анализа, так как пектиновые кислоты, выделенные из различного вида сырья, обладают неодинаковой способностью к образованию осадка в условиях повышенного тяготения. В результате осадки получаются различной плотности, что неизбежно сказывается на занимаемом ими объеме, и, кроме того, часть сгустков пектиновых кислот нередко свободно размещается в объеме жидкости центрифужной пробирки, так и не перейдя в осадок. Кроме того, объем осадков в пробирках бывает настолько мал, что по градуировке пробирки точно определить его количество не удается. Все это неизбежно приводит к высокой погрешности и неточному результату анализа. К недостаткам методики также следует отнести необходимость использования специфического оборудования (центрифуга и градуированные центрифужные пробирки).

Известна методика количественного определения пектиновых веществ, который основан на осаждении пектиновых кислот в виде кальциевых солей — пектатов — и учете их количества весовым способом («кальций-пектатный» метод).

Началу проведения анализа предшествует высушивание необходимого количества бумажных складчатых фильтров при температуре 100−105 С до постоянной массы.

Раствор протопектина подготавливают к омылению, нейтрализуя кислую реакцию среды, при которой проводилось экстрагирование протопектина, гидроксидом натрия.

Далее следует стадия омыления гидратопектина или протопектина, (в зависимости от исследуемого «стандартизованного» раствора), для чего отбирают по 50 мл соответствующего «стандартизированного» раствора. В эту же колбу прибавляют такой же объем 0,1 н (0,4%) раствора NaOH. Колбу закрывают и оставляют на 8−10 ч при комнатной температуре для проведения процесса омыления карбоксильных групп пектина.

По истечении указанного времени растворы подкисляют 50 мл 1 н уксусной кислоты и выдерживают в течение 30 мин. Образовавшиеся пектиновые кислоты осаждают 50 мл 11,1% раствора CaCl₂. Полученные осадки пектата кальция отфильтровывают через заранее высушенные до постоянной массы фильтры. Осадки на фильтрах промывают 0,5% раствором CaCl₂ порциями по 50 мл, после чего осадки многократно промывают холодной дистиллированной водой для полного удаления ионов хлора. Полноту отмывки осадка пектата кальция от ионов Cl^- определяют по качественной реакции фильтрата с АgNO₃. С целью снижения зольности осадок на фильтре несколько раз промывают горячей дистиллированной водой.

Фильтры с промытым осадком аккуратно переносят в бюксы и сушат при температуре 100−105 С до постоянной массы.

Если масса осадка, полученная из разности между массой бюкса с высушенными фильтром и осадком пектина и массой бюкса с высушенным фильтром до фильтрования осадка не превышает 0,03 г, то расчет содержания отдельных фракций пектина в растительной ткани осуществляют по формуле (1):

(1).

где X — содержание соответствующей фракции пектина в исследуемом материале, % от сырой массы;

m_ф+п — масса бюкса с фильтром и высушенным до постоянной массы осадком, г;

m_ф — масса бюкса с высушенным фильтром до фильтрования, г.

V_колбы — объем мерной колбы со «стандартизированным» раствором, мл;

• 0,9235 — коэффициент пересчета на пектовую кислоту;
• 100 — коэффициент пересчета в проценты.

m_{навески} — масса навески исследуемого материала, г;

V_экстр — объем «стандартизированного» раствора, который необходимо взять для проведения эксперимента.

Если масса осадка, полученная из разности между массой бюкса с высушенными фильтром и осадком пектина и массой бюкса с высушенным фильтром до фильтрования осадка превышает 0,03 г, то эксперимент следует повторить с меньшим количеством «стандартизированного» раствора, объем которого определяется по формуле (2) [12]:

(2).

К недостаткам описанной методики следует отнести высокую погрешность определения, равную 0,3%, что может быть связано с переходом в осадок пектата кальция непектиновых примесей, а также высокую трудоемкость и большую продолжительность процесса анализа (нередко появляется необходимость переделывать анализ по причине превышения массы пектата кальция 0,03 г).

Результаты исследований Техническим результатом проведенных нами исследований является разработка методики, способствующей повышению точности определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье, сокращению затрат труда и времени, необходимых для проведения анализов, а также исключению использования специфического оборудования.

Технический результат достигается тем, что в известной методике, включающей высушивание бумажных складчатых фильтров до постоянной массы, приготовление «стандартизованных» растворов протопектина и гидратопектина, отбор проб, нейтрализацию кислой среды раствора протопектина, омыление фракций пектиновых веществ в отобранных пробах, осаждение пектиновых веществ, фильтрование осадков, промывание осадков на фильтре дистиллированной водой, высушивание фильтров с осадками до постоянной массы, расчет массовой доли пектиновых веществ по фракциям согласно предлагаемой методике омыление пектиновых веществ в анализируемых растворах проводят 40%-ным раствором NaOH в течение 15 мин., пектиновые вещества осаждают концентрированной HCl, а массовую долю пектиновых веществ рассчитывают по формулам (3) и (4):

— для гидратопектина.

(3).

где _гп — массовая доля фракции гидратопектина, %;

m₁ — масса навески исследуемого сырья, взятой для анализа, г;

m₂ — масса осадка, г;

• 0,8 — коэффициент пересчета объема «стандартизованного» раствора гидратопектина, взятого для исследований, к общему объему «стандартизованного» раствора гидратопектина;
• 100 — коэффициент пересчета в проценты;
• — для протопектина

(4).

где _пп — массовая доля фракции протопектина, %;

0,4 — коэффициент пересчета объема «стандартизованного» раствора протопектина, взятого для исследований, к общему объему «стандартизованного» раствора протопектина.

Реализацию описанной методики осуществляют согласно приведенным ниже примерам.

Пример 1.

Подготавливают необходимое количество бумажных складчатых фильтров, высушивая их в бюксах в сушильном шкафу при температуре 105 С до постоянной массы.

Определения проводят в трех повторностях.

Берут навеску 10 г сухого измельченного материала — плодовых оболочек эспарцета — и готовят «стандартизированные» растворы гидратопектина и протопектина.

После этого из общего количества приготовленных растворов фракций пектиновых веществ отбирают пробы объемом по 200 мл и в пробе раствора протопектина нейтрализуют кислую реакцию среды титрованием 0,1 н раствором NaOH в присутствии индикатора фенолфталеина (до появления устойчивой слабо-розовой окраски).

Затем, к отобранным и подготовленным для исследования пробам «стандартизованных» растворов гидратопектина и протопектина, прибавляют по 2,5 мл 40%-ного раствора NaOH и выдерживают при комнатной температуре 15 мин., омыляя пектиновые вещества. При этом индикатор окрашивает растворы в насыщенный малиновый цвет.

По прошествии указанного времени образовавшуюся пектиновую кислоту осаждают 10 мл концентрированной HCl. Образовавшиеся осадки фильтруют через высушенные до постоянной массы бумажные складчатые фильтры и многократно промывают холодной дистиллированной водой для полного удаления ионов хлора. Полноту отмывки осадка от ионов хлора определяют по качественной реакции промывных вод с АgNO₃.

По окончании фильтрования фильтры с осадками аккуратно укладывают в бюксы и высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 С до постоянной массы.

После этого определяют массу осадков, вычитая из массы высушенных фильтров с осадками, массу высушенных фильтров до фильтрования, а массовую долю пектиновых веществ в исследуемом сырье определяют, используя формулы (3) и (4):

1.; ;

2.; ;

3.; .

Результаты произведенных расчетов заносят в таблицу 1.

Таблица 1.

Результаты расчетов количества пектиновых веществ исследуемых образцов сухого сырья по фракциям.

Пример 2.

Подготавливают необходимое количество бумажных складчатых фильтров, высушивая их в бюксах в сушильном шкафу при температуре 105 С до постоянной массы.

Определения проводят в трех повторностях.

Берут навеску 25 г влажного исследуемого материала — плодовых оболочек ореха черного — и готовят «стандартизированные» растворы гидратопектина и протопектина.

После этого из общего количества приготовленных растворов фракций пектиновых веществ отбирают пробы объемом по 200 мл и в пробе раствора протопектина нейтрализуют кислую реакцию среды титрованием 0,1 н раствором NaOH в присутствии индикатора фенолфталеина (до появления устойчивой слабо-розовой окраски).

Затем, к отобранным и подготовленным для исследования пробам «стандартизованных» растворов гидратопектина и протопектина, прибавляют по 2,5 мл 40%-ного раствора NaOH и выдерживают при комнатной температуре 15 мин., омыляя пектиновые вещества. При этом индикатор окрашивает растворы в насыщенный малиновый цвет.

По прошествии указанного времени образовавшуюся пектиновую кислоту осаждают 10 мл концентрированной HCl. Образовавшиеся осадки фильтруют через высушенные до постоянной массы бумажные складчатые фильтры и многократно промывают холодной дистиллированной водой для полного удаления ионов хлора. Полноту отмывки осадка от ионов хлора определяют по качественной реакции промывных вод с АgNO₃.

По окончании фильтрования фильтры с осадками аккуратно укладывают в бюксы и высушивают в сушильном шкафу при температуре 105 С до постоянной массы.

После этого определяют массу осадков, вычитая из массы высушенных фильтров с осадками, массу высушенных фильтров до фильтрования, а массовую долю пектиновых веществ в исследуемом сырье определяют, используя формулы (3) и (4):

1.; ;

2.; ;

3.; .

Результаты произведенных расчетов заносят в таблицу 2.

Таблица 2.

Результаты расчетов количества пектиновых веществ исследуемых образцов влажного сырья по фракциям.

Выводы и заключения

В ходе проведенных исследований нами была разработана и предложена методика определения количества пектиновых веществ в сырье и продуктах его переработки, реализуемая согласно описанным выше примерам.

Применение 40%-ного раствора NaOH вместо 0,1 н раствора NaOH для омыления пектиновых веществ позволяет сократить требуемое для этого время с 8−10 ч до 15-ти мин.

Применение концентрированной HCl обеспечивает быструю и качественную нейтрализацию щелочной среды омыленных растворов (вместо предшествующего осаждению 11,1%-ным раствором CaCl₂ подкисления растворов 50 мл 1 н уксусной кислоты с 30-ти минутной экспозицией) и полное осаждение омыленных фракций пектиновых веществ, что повышает достоверность результатов определения.

Технический результат достигается только при сочетании описанных параметров процесса, что позволяет получить точные данные при высокой сходимости параллельных анализов. Положительный эффект при реализации разработанной нами методики заключается в простоте выполнения и экономии затрат труда и времени на всех стадиях процесса.

• 1. Пат. 2 553 232 Российская Федерация: МПК А23L 1/0524 (2007.01). Способ получения пектинового экстракта из створки бобов сои / Ольховатов Е. А., Щербакова Е. В., Родионова Л. Я., Айрумян В. Ю., Пивень М. М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». № 2 014 108 460/13; заявл. 04.03.2014; опубл. 10.06.2015, бюлл. № 16.
• 2. Ольховатов Е. А. Разработка способа получения пектинового экстракта из створки бобов сои / Ольховатов Е. А., Степовой А. В., Щербакова Е. В., Родионова Л. Я., Пивень М. М. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. Краснодар: КубГАУ, 2016. № 09(123). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2016/09/pdf/107.pdf, 0,875 у.п.л. IDA [article ID]: 1 221 608 107. http://dx.doi.org/10.21 515/1990;4665−123−107.
• 3. Пат. 2 414 826 Российская Федерация, МПК А23L 1/0524. Способ получения пектинового экстракта из плодовых оболочек эспарцета / Щербакова Е. В., Ольховатов Е. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». № 2 009 136 098/13; заявл. 29.09.2009; опубл. 27.03.2011, бюлл. № 9.
• 4. Пат. 2 415 608 Российская Федерация, МПК А23L 1/0524. Способ получения пектина из плодовых оболочек клещевины / Щербакова Е. В., Ольховатов Е. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». № 2 009 136 278/13; заявл. 30.09.2009; опубл. 10.04.2011, бюлл. № 10.
• 5. Ольховатов, Е. А. Совершенствование технологии комплексной переработки плодов клещевины: монография / Е. А. Ольховатов. Краснодар: КубГАУ, 2011. 107 с.
• 6. Пат. 2 346 465 Российская Федерация, МПК А23 L 1/0524. Способ получения пектина / Донченко Л. В., Щербакова Е. В., Ольховатов Е. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». № 2 007 131 636/13; заявл. 20.08.2007; опубл. 20.02.2009; бюлл. № 5.
• 7. Пат. 2 414 145 Российская Федерация, МПК А23L 1/0524. Способ получения пектина из плодовых оболочек ореха черного / Щербакова Е. В., Ольховатов Е. А., Дробицкая З. И.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». № 2 009 136 166/13; заявл. 29.09.2009; опубл. 20.03.2011; бюлл. № 8.
• 8. Пат. 2 434 532 Российская Федерация, МПК А23L 1/0524 (2006.01), В01Д 21/00 (2006.01). Способ определения массовой доли пектиновых веществ в растительном сырье / Ольховатов Е. А., Родионова Л. Я., Щербакова Е. В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». № 2 010 119 897/13; заявл. 18.05.2010; опубл. 27.11.2011, Бюлл. № 33.
• 9. Донченко, Л. В. Пектин: основные свойства, производство и применение: учебное пособие / Л. В. Донченко, Г. Г. Фирсов. М.: ДеЛи принт, 2007. 276 с.
• 10. Кокшарова, Т. Е. Методические указания по математической обработке результатов исследования с использованием табличного процессора EXCEL / Т. Е. Кокшарова, Ц. Ц. Цыдыпов. Улан-Удэ: ВСГТУ, 2002. 40 с.
• 11. Шелухина, Н. П. Научные основы технологии пектина / Н. П. Шелухина. Фрунзе: Илим, 1988. 168 с.
• 12. Донченко, Л. В. Методы количественного определения пектиновых веществ в растительном сырье: методические указания к практическим занятиям / Л. В. Донченко, В. В. Кондратенко, Т. Ю. Кондратенко. Краснодар: КубГАУ, 2005. 30 с.