CC BY
64
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №3_
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 544.777 : 541.24
А.С.Джонмуродов, Х.И.Тешаев, Ш.Ё.Холов, С.Р.Усманова, З.К.Мухидинов, Х.К.Чау*, Л.С.Лиу* ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕКТИНОВЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ ПОДСОЛНЕЧНИКА
Институт химии им.В.И.Никитина АН Республики Таджикистан, Восточный региональный научно-исследовательский центр Госдепартамента США по сельскому хозяйству
(Представлено академиком АН Республики Таджикистан ДХХаликовым 11.02.2015 г.)
Приведены результаты физико-химических и гидродинамических свойств пектиновых полисахаридов подсолнечника, полученные фракционным растворением с помощью растворов соли, кислоты и воды. Показано, что пектиновые фракции отличались как по содержанию галактуроновой кислоты и степени этерификации, так и по молекулярной массе, молекулярно-массовому распределению, форме и размеру макромолекул.
Ключевые слова: физико-химические свойства - гидродинамические свойства - пектиновые полисахариды - молекулярная масса.
Сегодня пектины как лечебно-профилактический продукт (пищевые волокна и антиоксидан-ты) привлекают внимание производителей пищевых и фармацевтических продуктов. Лечебно-профилактическое действие пектинов зависит не столько от вводимого их количества, сколько от функционального состава пектиновых полисахаридов (1111) [1]. В последние годы, кроме гелеобра-зующих, сорбционных и стабилизирующих свойств, они нашли широкое применение в фармацевтической промышленности и медицине [2]. 1111 - жизненно важные биополимеры для стабилизации обмена веществ, они снижают содержание холестерина в организме, улучшают периферическое кровообращение, а также перистальтику кишечника. Но, самое ценное их свойство в том, что они обладают способностью очищать живые организмы от вредных веществ и радиоактивных металлов [3,4]. Кроме радиопротекторного и гипохолестеринемического действия, пектин оказывает положительное влияние на некоторые показатели иммунитета, проявляет антибактериальные свойства [1].
Физико-химические свойства этих соединений обусловлены сырьём, из которого их получают, так как различные фрукты, овощи, лекарственные растения содержат только им присущие компоненты. Республика Таджикистан является страной с огромным потенциалом сырьевых ресурсов, из которых можно получить не только 1111, но и другие растительные продукты профилактического назначения. Учитывая огромный сырьевой потенциал, а также ежегодно возрастающую потребность населения в функциональных пищевых продуктах, разработка универсальных технологий для получения полисахаридов является крайне актуальной.
Адрес для корреспонденции: Мухидинов Зайниддин Камарович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/2, Институт химии АН РТ. E-mail: [email protected]
I II I в зависимости от вида сырья и способа получения экстрагируются в виде различных по-лисахаридных фракций, проявляют различные физико-химические и гидродинамические свойства [5,6], которые определяют направление их применения.
В настоящей работе I II I были фракционно экстрагированы из корзинок подсолнечника различными реагентами для детального анализа структуры, молекулярной массы (Mw), молекулярно-массового распределения (ММР) и гидродинамических свойств выделенных фракций.
Материалы и методы исследований
Корзинки подсолнечника (урожай 2013 г.) измельчали на лабораторной мельнице (Retsch, Германия), отделяли фракции с размером частиц 0.2-0.3 мм. I II I последовательно экстрагировали с помощью растворов NaCl, водой и HCl при соотношении сырьё:раствор - 1:10, температуре 60 и 850С соответственно. Остаток клеточной стенки отделяли фильтрованием через плотный лавсан и высушивали. Полученные фильтраты центрифугировали при 3500 об/мин в течение часа, осадок пектинового геля (IF) сушили при 55-60°С. Слученные фракции I II I последовательно очищались спиртовым осаждением и диаультрафильтрацией (ДУФ) перед анализом. Олигосахариды (ОС) в данной работе оставались не характеризованными в спиртовом растворе или в виде фильтрата после ДУФ.
Содержание галактуроновой кислоты (ГК) и степени этерификации (СЭ) карбоксильных групп определяли по методам, описанным в работах [7,8] соответственно. Молекулярный вес (Mw) был определен методом высокоэффективной эксклюзионной жидкостной хроматографии (ЭЖХ) как с помощью вискозиметрического детектора (Viscostar, Wyatt Technology, США) в сочетании с рефрактометрическим (Waters 2410 Differential Refractometer) детектором [5], так и с использованием детектора многоуглового лазерного светорассеивания (МУЛС) (HELEOS II Wyatt Technology, США) в сочетании с УФ (UV, Wyatt Technology, США), вискозиметрического (Viscostar II, Wyatt Technology) и рефрактометрического (REX, Wyatt Technology) детекторов [9]. В зависимости от вязкости раствора пектина, высушенный образец растворяют в 0.05М NaNO3 до конечной концентрации 1-2 мг/мл, центрифугируют при 20000 об/мин в течение 20 мин. для отделения агрегированной фракции, микрогеля (МГ) и фильтруют через мембранный фильтр (0.45 мкм, Millipore Millex - HN). Раствор в количестве 0.1 - 0.2 мл автоматически вводится в хроматограф автоинжектором (717 Plus Auto Injector, Waters). Скорость потока элюента - 0.8 мл/мин. Система доставки растворителя состоит из двухканального вакуумного дегазатора и насоса высокого давления. Для ЭЖХ разделения II в первом методе использовали две колонки, содержащие PL-Aquagel 0H40 и PL-Aquagel 0H60, а во втором методе колонки фирмы Tosoh GMPWxl columns - TSKgel GMPWxl (7.8 mm ID x 30 cm, 13 Mw в области 5 x 10 -2-8 x 10-6). Молекулярная масса пектинов определялась с помощью программного обеспечения ASTRA 5.3.4.13 (Wyatt Technology). Значения для Mw были получены с использованием универсальной калибровки и Zimm 1st order для многоуглового лазерного светорассеивания соответственно. ЭЖХ колонки калибровались с использованием молекулярных стандартов !уллулана (Showa Denko K.K., Japan) и серии декстранов (Т10-Т500). Значение инкремента dn/dc, равного 0.134, было заимствовано из работы [9].
Результаты и их обсуждение
Фракции 1111 были получены в зависимости от их способности к растворению в различных средах, как описано в экспериментальной части данной работы, что привело к значительным отличиям физико-химических свойств и гидродинамического поведения данных биополимеров (табл. 1 - 3). Во время выделения 1111, полученных солевым и кислотным растворами, спиртом, осадок после центрифугирования разделился ещё на две субфракции, часть которых всплыла вверх, а другая часть осаждалась на дне центрифужной пробирки. Характеристика фракций пектинов, полученных таким образом, даётся в табл. 1-3. Солерастворимая фракция, полученная раствором №С1, имела наибольший выход растворимого пектина - 6.32%. Выход пектинового геля оказался высоким во всех фракциях: 7.37% у первой фракции; вся водная фракция 6.5% и 8.28% у нижней части фракции 1111, экстрагированной кислотой. Мы предполагаем, что эта фракция (ПГ) представляет собой полисахарид-ный матрикс с низкой СЭ, частично связанной с двухвалентными металлами.
Таблица 1
Физико-химические свойства пектиновых фракций, полученных из корзинок подсолнечника
Фракции ПП Выход фракции ПП, % ГК, СЭ, % МГ,
ПВ ПГ ОС % %
F1 (NaCl) верхняя часть 2.74 7.37 14.2 65.4 39.2 12.0
F1 (NaCl) нижняячасть 3.58 75.5 49.5 10.2
F2 (H2O) - 6.5 21.5 45.8 49.8 70.0
F3 (HCl) верхняя часть 1.02 8.28 6.54 69.2 44.8 2.2
F3 (HCl) нижняя часть - 40.1 36.0 40.5
Основными показателями качества ПП как биополимеров, кроме содержания основного компонента ПП - галактуроновой кислоты и степени их этерификации, является молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение (ММР). Установлено, что ММР и степень этерификации пектинов регулируют их чувствительность и активность в комплексообразовании.
Таблица 2
Молекулярная масса и гидродинамические свойства пектиновых фракций корзинки подсолнечника,
полученные методом МУЛС
Фракции ПП %Rec Mw/Mn Mw, КД м, дл/г Rgz, нм Rhz, нм p=Rg/Rh a
F1 (NaCl) нижняячасть 75.7 2.28 777 1.39 54.5 58.3 0.93 0.909
F1 (NaCl) верхняя часть 78.5 2.63 904 1.19 55.9 60.3 0.93 0.794
F2 (H2O) 53.6 1.93 187 5.18 51.2 36.4 1.41 0.898
F3 (HCl) нижняя часть 58.5 2.09 238 5.09 47.9 39.0 1.23 0.695
F3 (HCl) верхняя часть 92.4 2.81 320 4.51 46.6 42.1 1.11 0.617
Так как содержание галактуроновой кислоты пектиновых фракций полисахаридов, полученных солевым раствором, и верхняя часть фракции, полученная кислотой, были высокими, то эти фракции, возможно, составляют гомогалактуронановую (HG) часть цепей ПП. Фракции, экстрагиро-
ванные водой, и нижняя субфракция кислотой скорее состоят из гетерополисахаридов рамногалактуронановRGI и RGИ.
Анализ ЭЖХ данных позволяет сделать вывод о структуре и конформации выделенных фракций 1111 подсолнечника.
Для примера на рисунке приводятся полученные хроматограммы солерастворимой фракции (верхней части) 1111. Они почти одинаковые для нижней части данной фракции. Однако хроматограммы 1111 водной и кислотной фракций отличались по сигналу УФ детектора, что свидетельствует о присутствии белка и полифенолов, а также о неодинаковых по строению компонентов, составляющих 1111.
На первый взгляд, из профиля распределения хроматограмм видно (рисунок), что эти фракции мономодальные по ММР, отличаются как по (составу, так и по конформации макромолекул.
time (min)
Рис. Хроматограммы фракций ПП подсолнечника, полученных с помощью солевого раствора. Хроматограммы соответствуют сигналам: МУЛС (1); визкозиметрического (2); рефрактометрического (3) и УФ (4) детекторов.
Относительно высокое значение Mw и низкое значение характеристической вязкости солерас-творимых фракций, найденных методом МУЛС, объясняется цепной агрегацией вытянутых макромолекул, что подтверждается найденным значением Mw методом универсальной калибровки с помощью визкозиметрического детектора (табл.3).
Таблица 3
Молекулярная масса и гидродинамические свойства пектиновых фракций корзинки подсолнечника, полученных методом ЭЖХ с использованием универсальной калибровки
Пектиновые полисахариды % Rec Mw/Mn Mw, КД М, дл/г Mz, КД Rhz, нм b
Fl (NaCl) верхняя часть 111 1.57 126 1.04 173.1 15.9 0.60
F2 (H2O) 64 3.729 540.6 6.30 3044.0 69.0 0.48
F3 (HCl) верхняя часть 106 4.485 493.0 3.01 2216.0 49.3 0.49
Отличие значений М№ полученных методом ЭЖХ с использованием МУЛС и вискозиметри-ческого детекторов, указывает на тенденции пектинов к агрегации, что может привести к снижению значения М№ например для водорастворимой фракции. Обращает внимание процент выхода образцов (%Rec) из ЭЖХ колонок для данной фракции ПП. Столь низкое процентное значение значение Rec как в случае с TSKgel (53.6%), так и с PL-Aquagel колонок (64%) однозначно свидетельствует об агрегирующих свойства данных фракций. Это подтверждает количество МГ в этих фракциях.
Представленные в табл.2 и 3 результаты М№ ММР и гидродинамические характеристики фракций пектинов подсолнечника, полученные в различных средах и разными методами, свидетельствуют о наличии в ПП подсолнечника высокомолекулярных фрагментов HG, RGI и RGИ с различными гидродинамическим поведением. Фракции солерастворимых ПП отличались высокой М№ значением радиусов инерции (Rg) и гидродинамического радиуса (И^Ь), но имели низкое значение характеристической вязкости. Эти данные, наряду с содержанием ГК (табл.1), подтверждают гипотезу о наличии HG области ПП фракций, экстрагированных раствором соли. Значения параметра уравнения Марка-Хаувинка (а) для солерастворимой фракции равнялись 0.909 и 0.794, соответственно, для нижней и верхней субфракций. Эти фракции имеют такую высокую плотность заряда, что ПП макромолекулы у них принимают форму вытянутых клубков, в то время как кислоторастворимые фракции ПП принимают слегка свернутую конформацию. Это подтверждается также значениями параметра (Ь), найденного из логарифмической зависимости визкозиметрическго радиуса от Mw (табл.3). Несогласие в значениях Mw и [п] также обусловлено гидродинамическим поведением макромолекул [10], связанных со степенью их компактности (уплотнённость) и разветвлённости макромолекул ПП. Другим количественным параметром, характеризирующим архитектуру полимеров, является отношение среднеквадратичных гидродинамических радиусов макромолекул (p=Rg/Rh), найденных методами статистического и динамического светорассеивания [11]. Показано, что с ростом степени разветвления макромолекулы значение р уменьшается. Найденные значения параметра р для фракции ПП подсолнечника указывают еще на разветвленность солерастворимой фракции, что также является причиной уменьшения характеристической вязкости.
Таким образом, несмотря на гетерогенность строения ПП подсолнечника, они еще могут отличаться по форме, размеру и степени линейности макромолекул.
Работа выполнена в рамках проекта Международного научно-технического центра Т-1419 при финансовой поддержке Госдепартамента США по сельскому хозяйству.
Поступило 12.02.2015 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мухидинов З.К., Халиков Д.Х. Пектин - лечебно-профилактический продукт для здоровых и больных. Обзор.информ. - НПИЦентр. - Душанбе, 2005, 60 с.
2. Бобокалонов Д.Т., Мухидинов З.К., Исупов С.Д., Комилова Г.И. Применение пектинов в медицине и фармации. - Вестник Академии медицинских наук Таджикистана, 2013, №4 (08), с. 39-52.
3. KohnR., TibenskyV. - Collection of Czechoslovak Chem. Commun, 1971, № 36, рр. 92-100.
4. Овсянникова Л.М., Качалай Д.П., Любенко n.X., Соболева Л.П. Итоги оценки медицинских аварий на Чернобыльской АЭС: Тез докл. респ. науч-практ. конф. - Киев, 1991, с. 164-165.
5. Muhidinov Z.K., Teshaev Kh., Dzhonmurodov A., Khalikov D. аnd Fishman M. - Macromolecular Symposia, 2012, v. 317-318, issue 1, рp.142-148.
6. Muhidinov Z.K., Fishman M.L., Avloev Ch.Ch. et al. - Polymer Sciences Journal, Series A, 2010, v.52 (12), pр.1257-1263.
7. Filisetti-cozzi T.M.C., Carpita N.C. - Anal. Biochem., 1991. v. 197, pp.157-162.
8. CP Keko Control methods. - March 7, 2001, Р.3.
9. Fishman M.L., Walker P.N., Chau H.K. and Hotchkiss A.T. - Biomacromolecules, 2003, v. 4, pp.880-889.
10. Podzimek S. Light Scattering, Size Exclusion Chromatography and Asymmetric Flow Field Flow Fractionation. - Wiley, 2011, 333 р.
11. Burchard W., Schmidt M. and Stockmayer W.H. Information on Polydispersity and Branching from Combined Quasi-Elastic and Intergrated Scattering. - Macromolecules, 1980, v.13, р. 1265.
А.С.Ч,онмуродов, Х.И.Тешаев, Ш.Ё.Холов, С.Р.Усманова, З.^.Му^идинов, H.K.Chau*, L.S.Liu* ХУСУСИЯТХОИ ФИЗИКЙ-ХИМИЯВЙ ВА ГИДРОДИНАМИКИИ ПЕКТИЩОИ ПОЛИСАХАРИДИИ ОФТОБПАРАСТ
Институти химияи ба номи В.И.Никитини Академияи илмх;ои Цумхурии Тоцикистон, *Маркази тадцицотии Шарции Департаменти давлатии ИМА оид ба кишоварзи
Дар ма^ола натичаи тад^щотх,ои физикию химиявй ва гиродинамикии чузъх,ои бо ровдои хдлшавии дар ма^лули намакй, кислотагй ва об чудошудаи пектинх,ои полисахаридии офтобпараст оварда шудааст. Ташхис нишон дод, ки ин ^исмх,ои таркибии пектинх,о бо мивдори кислотах,ои галактуронй, дарачаи эфирнокии онх,о, массаи молекулавй, та^симоти макромолекулах^, шакл ва андозаи макромолекулах^ аз хдм фар^ият доранд. Калима^ои калиди: хусусиятуои физикию химиявй - хосияти гидродинамики - пектинуои полисахариды - массаи молекулавй.
A.S.Dzhonmurodov, Kh.I.Teshaev, Sh.E.Kholov, S.R.Usmanova, Z.K.Muhidinov, H.K.Chau*, L.S.Liu* PHISICOCHEMICAL AND HYDRODYNAMIC PROPERTIES OF PECTIC POLYSACCHARIDES FROM SUNFLOWER
V.I.Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, *Eastern Regional Research Center ARS USDA, USA
The result of physicochemical properties and hydrodynamics behaviors of pectic polysaccharides obtained by sequential dissolution of pectin fraction by salt, water and acid solution are presented. It's shown that sunflower pectic polysaccharides obtained thus are different in physicochemical properties, various in hydrodynamic behaviors, molar mass, MMD, size and form of macromolecules.
Key words: physicochemical properties - hydrodynamics behaviors - pectic polysaccharides - molar mass.
