Реферат: Розкладання пектинових речовин Хімізм Збудники в анаеробних і аеробних умовах
СН3ОН + СН3СООН
метиловий оцтова
спирт кислота
Продукти розпаду пектинової кислоти підлягають окисленню або зброджуванню різноманітними мікроорганізмами. А саме, при анаеробіозі вони зброджуються маслянокислими бактеріями, які відносяться до роду Clostridium .
Продуктами бродіння Clostridium pectinovorum являються масляна і оцтова кислоти, а також гази водень і вуглекислий, а Clostridium felsineum, крім вказаних речовин, утворює і невелику кількість ацетону і бутилового спирту.
Пектинове бродіння спостерігається при вимочуванні лубоволокнистих рослин – льону, коноплі, канатника, кенафу. Целюлозні волокна цих рослин, які мають промислове значення, склеєні з оточуючими їх тканинами пектинам. Для відокремлення волокон необхідне розкладання пектину, що здійснюється під дією пектинорозкладаючих ферментів аеробних бактерій.
При водяному вимочуванні після занурення стебел льону у воду вони набухають. При цьому екстрагуються водорозчинні речовини ( цукор, глюкоза, розчинні сполуки азоту, пігменти) і починають розвиватися бактерії. Спочатку розмножуються аеробні форми, так як вода містить кисень і поживні речовини, які сприяють їхньому розвитку. Дріждні і плісняві гриби розвиваються на поверхні середовища. Поглинання кисну в рідині анаеробними мікроорганізмами зумовлює створення в середовищі анаеробних умов. При цьому починають розвиватися факультативно – анаеробні безспорові бактерії, близькі до Escherrichia coli і в середовищі утворюється органічні кислоти ( в тому числі і молочна) і виділяється газ вуглекислий і водень.
Відокремлення волокон відбувається під час основної стадії бродіння. В цей період анаеробні бактерії типу Clostridium pectinovorum починають розмножуватись і розщеплювати пектин. Накопичення органічних кислот в рідинні призводить до припинення діяльності Clostridium pectinovorum, якого змінює більш кислотостійкий організм Clostridium felsineum. В результаті дії ферментів цих мікроорганізмів на пектинові речовини паренхімної тканини від кори і деревини відділяються пучки волокон.
На льонозаводах проводять теплове вимочування льонового волокна в особливих чанах при 32 – 38 градусах Цельсія протягом 3 – 5 діб. З метою прискорення вимочування льону і збільшення виходу довгого волокна Всезоюзним Н І І сільськогосподарської мікробіології запропонований препарат пектолітин, який містить спори активного пектинрозкладаючого мікроорганізма – Clostridium felsineum. Внесення пектоліну в вимочувальну рідину призводить до прискорення процесу вимочування льону в середньому на 27%, підвищується вихід довгого волокна і його якість.
На практиці застосовують також аеробне вимочування льону інших лубоволокнистих культур. В цьому випадку пектинові речовини руйнуються аеробними мікроорганізмами. Попередньо проходить гідроліз пектинових речовин до галактуронових кислот, галактози, арабінози, ксилози, оцтової кислоти і метилового спирту, а потім – окислення мікроорганізмами до СО2 і Н2О.
Існує декілька способів аеробного вимочування льону. Ростил, або росяне вимочування – самий старий і найбільш примітивний біологічний спосіб отримання волокна. При цьому способі вимочування льон в осінній час розстилають на траві, що і дало назву методу. Широкий доступ повітря, систематична і іноді довгочасна відсутність крапельно-рідинної вологи, дія світла і атмосферних опадів, добові коливання температури зумовлюють тривалість процесу ( 3 – 8 тижнів) і переважання в ньому не бактерій, а пліснявих грибів – Cladosporium herbarum, Alternaria ( іноді Rhodotorulas). Видовий склад основної мікрофлори визначається географічними і грунтово-кліматичними умовами. При вимочуванні розстилом існує небезпека, пов`язана з тим, що багато грибів здатні руйнувати клітковинну, тобто зачіпати і волокно. Це відбувається при перележані розісланої соломи. При сприятливих атмосферних умовах ( тепла і волога погода) і ретельному догляді за соломою ( захист від зпутування, перевертання рядків, своєчасний збір), розстилання дає досить задовільне по якості і виходу волокно. Пектинове бродіння широко використовується для отримання волокна з луб`яних рослин (льон, коноплі, кендирь). Луб`яні волокна, які використовують на виготовлення пряжі, повинні бути відокремленні від клітин паркнхімної тканини кори і від деревини, а це можливо тоді, коли паренхіма після руйнування пектинових речовин розпадається на окркмі клітини. Після руйнування пектинових речовин луб`яні волокна відокремлюються від стебла механічно. Для руйнування пектинових речовин і застосовується анаеробне водяне вимочування, при ньому пектин розкладається анаеробними бактеріями, і аеробне росяне вимочування, коли в розкладанні пектину приймають участь деякі аеробні бактерії і плісняві гриби.
Феномен пектинових речовин
Досліджуючи процеси виробництва пектину з рослинної сировини та стабільність одержаних елементів, виявили явище синусоїдної зміни концентрації пектинових речовин у водних розчинах. Ця закономірність спостерігалася в екстрактів, одержаних з використанням різних гідролізуючих агентів, рН середовища і температури процесу. Для її вивчення автори досліджували кінетику зміни концентрації пектинових речовин в екстракті за різних технологічних параметрів.
Гіпотеза синусоїдальної зміни концентрації П Р ( пектинових речовин) в екстракті від тривалості процесу гідролізу екстрагування полягає в слідуючому.
П Р – це вуглеводовмісні біополімери, які мають складну хімічну макромолекулу. Конфігурація і конформація її змінюються в залежності від температури, тривалості процесу, рН середовища. Надзвичайно різні по молекулярній масі П Р розрізняються по будові ланцюгів і характеру надмолекулярних структур. Пектинові молекули мають переважно нитчасту структуру і відносяться до лінійних колоїдів з довжиною молекули близько 0,00001 см. В водних розчинах пектинова молекула набуває форму спіралі. Цю конформацію звичайно набувають макромолекули, у яких дальній конформаційний порядок у вигляді спіралі іммобілізований наприклад, водневими зв`язками. Конформаційні характеристики визначають також важливу для полімера якість, як гнучкого ланцюга, тобто здатність змінювати свою конформацію в результаті внутрішньомолекулярного теплового руху або дії інших сил.
В водних розчинах пектин являє собою напівгнучку макромолекулу, що має конформацію спіралі з постійним поперечним розтином, карбоксильні групи якої розташовані одна під другою. Під дією температури і рН середовища дисоціація вільних карбоксильних груп посилюється, при цьому кожна дисоційована група отримує протилежний заряд. Виникають близько розташовані однойменно заряджені сили відштовхування, які випрямляють спіральну молекулу і збільшують її лінійні розміри і в`язкість розчину. Підвищення температури і концентрації водневих іонів прискорює реакцію гідролітичного розщеплення протопектипу, про що свідчить зменшення періоду синусоїдної кривої. При збільшенні тривалої дії (0,4 год) відбувається частинна деструкція основного ланцюга полімеру, що призводить до зменшення молекулярної маси, зниження концентрації П Р і збільшення вмісту галактуронової кислоти ( Г К). При збільшенні часу гідролізу до 0,8 год гідролітичне розщеплення протопектину продовжується, концентрація П Р збільшується і знижується вміст Г К. Утворені пектинові макромолекули структуються з частково деструктурованими пектинами, збільшуючи таким чином молекулярну масу полімера. Потім знову спостерігається кислотно-темічна деструкція П Р і збільшення вмісту Г К. При видаленні джерела сировини реакція полімеризації і деструкції продовжуються протягом 0,5 год, а потім відбувається деструкція П Р, чим і викликана необхідність різкого охолодження екстракту після закінчення процесу видалення цільового продукту – одного із нових прийомів в технології пектинового виробництва.
Підтвердженням гіпотези являється синусоїдальні зміни молекулярної маси і холодцевидних здатностей пектину в процесі гідролізу – екстрагування.
Таким чином, встановлено закономірність зміни концентрації, молекулярної маси і холодцеутвореної здатності П Р, зміни вмісту Г К у водних розчинах в залежності від тривалості процесу видалення пектину вказують на існування певного клітинного відношення (G) реакції деструкції ( Gg) і полімеризації ( Gn), тобто пектиновмісна сировина в процесі гідролізу-екстрагування розрізняється по кількості актів розриву або зливання при певних температурах і рН. Використання в виробничій практиці феномену П Р дозволяє розробити технологію отримання пектинових холодцеутворювачів з заданими якостями і максимальною ступінню видалення.
Електромембранне очищення пектину
Дедалі ширше викоритовують біополярні мембрани для регулювання кислотно-основних властивостей водних систем. Приміром, впровадження їх глюкозо-фруктозне, пектинове, крохмальне виробництво дає змогу відмовитися від застосівання хімічних реагентів, зменшити вміст іонів в продуктах тощо. Найчастіше технологію застосовують при виробництві пектину. Технологічна інструкція затвержена Мінітерством охорони здоров`я України, а дослідна партія продукції одержала позитивні відгуки дегустаторів. Використання екстракту КТІХПу при виготовленні пектину істотно змінює технологію, з`являються можливості використання безкислотного гідролізу. В результаті цього пектинові екстракти можна виготовити практично на всіх цукрових заводах, лініях по переробці овочів та фруктів ( буряків, моркви) в умовах безвихідної та екологічно чистої технології. Експериментальні випробування пектинового екстракту на різних підприємствах з використанням елекромембранної обробки води дали позитивні результати. Випробування елекротехнології при випуску з рослинної сировини дає змогу підвищити його якість, збільшити вихід і скоротити тривалість процесу. Промивання і набухання, екстрагування гідролізу виключає застосування мінеральних кислот, робить продукт екологічно чистим. Завдяки цьому зменшується витрати спирту і палива, зменшується собівартість пектину.
Лікувальні властивості пектинів
Забезпечення населення продуктами лікувально-профілактичного призначення має велике методичне й соціально-економічне значення. Важливе місце в розв`язанні цієї проблеми належить пектиновмісним харчовим виробам.
Одним з основних ефектів терапевтичного впливу пектинових речовин їх детоксикуюча дія щодо катіонів важких і радіоактивних металів. Цю властивість пояснює наявність в пектинових речовинах вільних карбоксильних груп галактуронової кислоти, що спричиняє утворення в шлунково-кишковому тракті нерозчинних комплексів з катіонами полівогенних металів, у тому числі токсичним, важкими та радіоактивними. Аналогічні комплекси утворюються з токсичними, які потрапили або утворилися в організмі людини – фенолами, амінами тощо. Крім того, потрапляючи у кишечник, пектинові речовини посилюють кислотність середовища, бактерицидно впливають на хвороботворні бактерії.
Дослідами також встановлено, що пектини виявляють лікувальну дію при виразці шлунку регулюють вміст холестерину, підвищують стійкість до алергічних факторів, мають інші лікувальні властивості. Тож збільшувати виробництво продуктів, забезпечених пектином, необхідно не лише для лікувально-профілактичного харчування тих, хто працює в умовах підвищеного радіоактивного фону чи контактує з важкими металами, а й для масового споживання.
З цією метою спеціалісти нашої асоціації розробляють рецептури й технології приготування пектиновмісних виробів різних груп – хлібобулочних, кондитерських та безалкогольних напоїв.
Збільшивши найближчим часом виробництво пектину для цих продуктів за технологією яка передбачає використання мінеральних кислот практично неможливо. На подальших технологічних стадіях цей метод вимагає значної кількості хімічних реагентів на нейтралізацію й зчищення кінцевого продукту.
Тому для збільшення випуску пектиновмісних виробів наші спеціалісти оперативно розробили принципово новий спосіб одержання пектину й пектиновмісних драглеутворювачів з рослинної сировини. Він передбачає переробку вторинної сировини на консервних заводах за безвідхідною екологічно чистою технологією. Як гідролізуючий агент після спеціальної електромембранної обробки використовують воду. Це дає змогу обійтися без хімічних реагентів, які забруднюють кінцевий продукт.
Водночас з виробництвом пектину та інших готових пектинопродуктів технологічна схема переробки яблучних вичавок передбачає виробництво рідких і сухих екстрактів, пюре й порошків, які можна використовувати для виготовлення продуктів без додаткового очищення й обробки. Крім підвищеного вмісту пектину, такі продукти містять органічні кислоти, засвоювані цукри, цінний комплекс макро- і мікроелементів, харчові волокна.
Медико-біологічну оцінку пектинових драглеутворювачів і продуктів на їх основі дав П`ятигорський фармацевтичний інститут. Клінічну апробацію пектинового екстракту проведено на базі лікарні й поліклініки управління внутрішніх справ Краснодара й санаторію “Дубова роща”, що в Желєзноводську.