УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

РУДЕНКО ВІРА МИКОЛАЇВНА

УДК 664.1.039

УТВОРЕННЯ ЗАБАРВЛЕНИХ РЕЧОВИН У ЦУКРОВОМУ ВИРОБНИЦТВІ ТА РОЗРОБКА МЕТОДІВ ЙОГО ІНГІБУВАННЯ

05.18.05 – технологія цукристих речовин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти України.

Науковий консультант:

-

Офіційні опоненти:

-

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник Чернявська Людмила Іванівна, Український науково-дослідний інститут цукрової промисловості, завіду-вач відділу сировини, контролю та обліку виробництва;

-

Провідна установа:

-

Захист відбудеться “ 6 ” жовтня 1999 р. о 14.00 годині на засі-данні спеціалізованої вченої ради Д.26.058.04 Українського державного університету харчових технологій за адресою: 252033, м.Київ-17, вул. Володимирська, 68, корпус А, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою:

252033, м.Київ-17, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “ 6 ” вересня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н., с.н.с. Л.О.Федоренченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Природні сполуки і численні структурні елементи біологічних систем мають порівняно невеликий набір реа-кційноздатних функціо-нальних груп, як гідроксильна (ОН), аміно (NH2), карбоксильна (СООН) і карбонільна (С=О). Серед реакцій, які можливі між цими групами, амінокарбонільна ре-акція - унікальна і розглядається як фундаментальна в величезному різно-манітті при-родних явищ, біль-шість з яких відіграють важливу роль у біоло-гіч-них та виробничих процесах. Природа надала винятково реакційну сис-тему, у якій са-хари і амінокислоти або інші азотовмісні сполуки дуже легко, без уча-сті біокаталізаторів, зазнають глибоких перетво-рень, що призво-дять до зміни забарвлення, аромату, розчинності та багатьох інших влас-тивостей природних сполук

Амінокарбонільна реакція є серцем харчової хімії, оскільки саме ця реакція визначає кінцевий результат термічно оброблених продуктів: їхній смак, ко-лір, аромат. Тому дослідження амінокарбо-нільної реакції в першу чергу пов’язано з вирішенням багатьох пра-ктичних завдань – як краще і надійно зберегти поживну цінність харчових продуктів, по-ліпшити їхні органолептичні показники або звести до мінімуму не-бажані на-слідки цієї реакції.

Амінокарбонільна реакція є надзвичайно складним процесом пе-ретворень сахарів, що містить достатньо велику кількість реак-цій, перебіг яких в значній мірі ви-значається умовами від-повідних хар-чових виро-бництв.

У виробни-цтві цу-кру із цукрового буряка та цукрової трос-тини амінокарбо-нільна реак-ція призводить до утво-рення заба-р-вле-них ре-чо-вин, що знижує якість цукру і вима-гає додатко-вих значних витрат на одержання цукру відповідної якості . А для того, щоб науково-об-грунтовано контро-лю-вати процес утворення забарвлених речовин цу-крового ви-робни-цтва не-обхідно мати достатні знання про харак-тер хі-мічних пере-тво-рень са-харів в умовах цукрового ви-робни-цтва і особливо тих її ста-дій, які іні-цію-ють побуріння.

Дослідження амі-нокарбонільної реакції має певний прогрес, проте проблема утво-рення забарвлення все ж залишається ще не до кі-нця з’ясованою. Ставля-ться під сумнів класичні уявлення про хі-мізм процесу побуріння, не визначений внесок реа-кції мутаротації в за-гальну схему амінокар-бонільної реакції, не має єдиного погляду на склад забарвлених речо-вин цукрового виробни-цтва, не вивчений в пов-ній мірі ефект інгібую-чих реагентів в реакції розкладу моносаха-ридів.

Вирішення таких проблем і стало предме-том даного науко-вого дослідження.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослі-дження виконувалися у відповідності з темати-кою нау-ково-до-слідних робіт УДУХТ, згідно:

-

- програми “Удосконалення існую-чих і створення нових ресурсо-заощаджуючих технологій для перероб-них галузей АПК”.

Мета і задачі до-слідження. Метою ро-боти є встановлення за-кономірностей перебігу реакції побуріння, яка призводить до утво-рення забар-влених речовин в технологіч-них умовах цукрового виро-бництва і визначення природи впливу різних реактантів (нуклеофі-лів, окисників) на процес утворення забарвлення. Для реалізації поставленої проблеми передбачалося:

-

- вивчити вплив зов-нішніх параметрів (рН, температури) на пере-біг реакції розкладу D-глю-кози і знайти закономір-ності між утво-ренням основних інтермедіатів і забарвлених речовин;

-

- змоделювати процес утворення різних типів забарвлених речовин цу-крового виробництва і визначити їхній якісний склад;

- знайти ті стадії в загальному перебігу реакції побуріння, на які найдоцільніше впливати для запобігання утворення забарвлених речовин;

- з’ясувати дію окисни-ків на різних стадіях амі-нокарбонільної ре-акції в модельних системах і на заводських розчинах на-півпродуктів цукрового виробництва;

- розробити ефективні методи інгібування утворення забарвлення та його знебарвлення.

Наукова новизна одержаних результатів. В комплексі розв’язується важлива для цукрового виробни-цтва проблема встано-влення закономірностей перебігу реакції утво-рення забарвлених ре-човин, що забезпечує розробку ефективних методів його інгібу-вання.

Із застосуванням методу КР-спектроскопії з’ясований вплив гі-дроксид- і водневих іонів та температури на вміст ациклічних (енольних і карбонільних) форм D-глюкози і D-фрук-този та обчис-лені їхні відносні концентрації.

Отримані дані про температурні зони по всій шкалі значень рН, в межах яких здійснюються різні за характером перетворення на ранніх стадіях реакції розкладу D-глюкози. Визначена їхня послі-до-вність і показано, що початком таких перетворень є реакція мута-ро-тації.

Визначені закономірності впливу природи і будови аміноком-поненти на утворення основних інтермедіатів ранніх стадій і забарв-лених речовин кінцевої стадії і показано, що нуклеофільність аміно-компоненти має визначальний вплив на перебіг ранніх стадій аміно-карбонільної реакції.

З’ясована дія сірковмісних сполук як конкурентів амінокис-лоти в реакціях нуклеофільного приєднання до карбонільної групи D-глюкози на ранніх стадіях амінокарбонільної реакції і виявлений інгібуючий ефект тіогліколевої кислоти в процесі побуріння.

Виконано систематичне дослідження характеру впливу гідро-ксид- та во-дневих іонів на перебіг ранніх і кінцевої стадій реакції побуріння, що дозволило виділити зони значень рН, в межах яких від-буваються певні процеси перетворень D-глюкози.

Доказано, що аміновмісні сполуки здатні реагувати із сформо-ваними забарвленими речовинами (продуктами лужного розкладу ре-дукуючих сахарів, карамелями), що не тільки поставило під сум-нів існування групи безазотних забарвлених речовин цукрового ви-роб-ництва, але й показало помилковість класичних положень кла-сифі-кації забарвлених речовин цукрового виробництва.

Спектроскопічним та хроматографічним дослідженнями дове-дено, що окисники впливають на всі стадії реакції лужного роз-кладу D-глюкози і амінокарбонільної реакції. Вони руйнують подвійні зв’язки, починаючи вже із стартової ендіольної форми і за-кінчуючи хромофорними фрагментами кінцевих забарвлених речо-вин, що і дає сильний ефект знебарвлення. Саме ці теоретичні положення стали основою для розробки двох способів (інгібування та знебарвлення) як у бурякоцукровому, так і в тростинноцукровому виробництвах.

Практична цінність одержаних результатів. Експеримен-тальні та теоретичні дані дослідження перебігу амінокарбонільної реакції мають загальне значення для хімії аміно-карбонільної реакції зокрема і харчової хімії в цілому. Вони пов’язані з вирішенням фун-даментальних проблем харчової хімії – взаємозв’язку стану реак-ційної системи (зовнішньому і внутріш-ньому) і її реакційної здатно-сті для пояснення та завбачення наслід-ків відповідних перетворень, які формують харчові якості продуктів.

Подані в роботі дані впливу нуклеофільності і будови компо-нентів амінокарбонільної реакції на утворення проміжних сполук ранніх стадій реакції, які ініціюють утворення забарвлення, і кінце-вих забарвлених речовин дозволять вирішувати проблему раціо-нального підбору реагентів (відповідно вимогам) як для інгібування процесу побуріння, так і для його інтенсифікації.

Дослідження процесу окиснення (в межах реакції лужного розкладу D-глюкози і амінокарбонільної реакції) виявило сильний знебарвлюючий ефект суміші хлорного вапна і повітря, що стало ос-новою для розробки способу інгібування процесу утворення заба-рв-лених речовин під час обробки соку на дефекації та підвищення термостійкості соків. Ефективність запропонованого способу була переві-рена на напівпродуктах Яготинського експериментального за-воду (1994 р.) та Ульянівського цукрового заводу (1995 р.). Спосіб був впроваджений на Золочівському цукровому заводі (1995 р.).

Здатність окисників розщеплювати подвійні зв’язки сформо-ваних хромофорів забарвлених речовин була покладена в основу ме-тоду зменшення забарвлення напівпродуктів переробки цукру-си-рцю. Метод був перевірений на напівпродуктах Салівонківського цу-крового заводу (1996 р.).

Достовірність роботи. Достовірність отриманих результатів досліджень, висновків і рекомендацій забезпечена використанням сучасних методів досліджень і підтверджується адекватністю ре-зультатів експерименту і дослідно-промислових випробувань.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто зроблена постановка експерименту, проведені дослідження впливу зовнішніх та внутрішніх параметрів на утворення забарвлення в реакціях роз-кладу редукуючих сахарів; оброблені та узагальнені чисельні дані спектроскопічного дослідження; розроблені теоретичні концепції впливу реагентів та окисників на структуру проміжних сполук та за-барвлених речовин в реакціях розкладу редукуючих сахарів; прове-дено дослідження способу інгібування процесу утворення забарвле-них речовин з використанням комбінованого окисника (суміші хло-рного вапна з повітрям) на гарячій дефекації і способу знебарвлення вже сформованих забарвлених речовин під час переробки тростин-ного цукру-сирцю. Постановку ряду задач, аналіз та узагальнення результатів досліджень проведено спільно з науковим консультан-том д.т.н. Бобрівником Л.Д., дослідження методом КР-спектроско-пії – з к.х.н. Клімовичем В.М. Ряд досліджень виконано в процесі керування науковою робо-тою аспіранта Совершенної І.О.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи подава-лися і обговорю-валися на Міжнародній науковій сесії “Научните изследвания и технологичният трансфер-фактори за обновление на ХВП” (Плов-див, жовтень, 1988 р.), 20-й Генеральній асамблеї C.I.T.S. (Мюнхен, червень, 1995 р.), конференції C.I.T.S. (Прага, тра-вень, 1997 р.), 25-й Генеральній асамблеї C.I.T.S. (Антвер-пен, травень, 1999 р.), Міжнародному семінарі “Підвищення ефекти-вності бурякоцукрового виробництва та проблеми екології і відхо-дів“ (Київ, листопад, 1994 р.), Республіканській науково-технічній конференції “Интенсификация технологий и совершенст-вование оборудования перерабатывающих отраслей АПК“ (Київ, 1989 р.), Республіканській науково-технічній конференції “Разработка и вне-дрение высокоэф-фективных ресурсо-сберегающих технологий, обо-рудования и новых видов пищевых продуктов в пи-щевую и перера-батывающую отрасли АПК“ (Київ, 1991 р.), Всеук-раїнській науково-технічній конференції “Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробну промисловість“ (Київ, 1995 р.), наукових конференціях УДУХТ (1992 р., 1996 р.), семінарі головних спеціаліс-тів цукрових заводів, асоціацій та групо-вих лабораторій “Підвищення ефектив-но-сті буря-коцукрового вироб-ництва” (Київ, квітень, 1999 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладений в 32 стат-тях у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць, 12 тезах доповідей на міжнародних і Республіканських конферен-ціях та се-мінарах. Одержано 1 патент України та 1 заявка на патент України знаходиться на розгляді Комітету.

Об’єм дисертації. Робота складається із вступу, 7 розділів, ви-сновків, списку використаних джерел з 327 найменувань і додатків. Робота викладена на 261 сторінці машинописного тексту (без враху-вання списку використаних джерел та додатків), має 113 рисунків та 36 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і задачі дослідження, наукову та практичну цінність роботи.

Розділ 1. “Реакція побуріння: хімічні аспекти, утворення за-барвлених речовин цукрового виробництва та їхня характеристика”.

Розглянуто хімічні основи реакцій перетворень моносахаридів, детально описані закономірності перебігу амінокарбонільної реакції, як основної в утворенні забарвлених речовин цукрового виробниц-тва. Дана класифікація забарвлених речовин цукрового виробництва і ілюструються механізми їхнього утворення. Описані джерела ви-никнення різних груп забарвлених речовин на різних ділянках тех-нологічного процесу виробництва цукру і наведена їхня характери-стика. Розглянуто вплив деяких допоміжних реагентів (формальде-гід, SO2 і сульфіти, Н2О2 і О2) як інгібіторів реакції побуріння в цук-ровому виробництві.

Розділ 2. “Об’єкти та методи досліджень”.

Реакція побуріння, яка вважається основною в утворенні заба-рвлених речовин цукрового виробництва є складним процесом пере-творень редукуючих сахарів. І це однозначно визначило вибір моно-саридів як об’єктів дослі-дження в модельних системах: водні роз-чини моносахариду (D-глюкоза, D-фруктоза); моносаха-рид/аміно-сполука. Модельне вивчення реакції - один з найз-ручні-ших методів спостереження природних си-стем, оскільки дозволяє до-сліджувати окремі процеси перетворень ізольовано від багатьох інших, які зав-жди мають місце в реальних умовах реакції.

В процесі утворення забарвлення відбуваються складні хімічні реакції, під час яких в реакційній системі виникають і зникають різ-номанітні проміжні сполуки. Через нестабільність і нетривалий час існування їх не можна виділити або виявити звичайними хімічними методами.

Для ідентифікації таких проміжних сполук з метою встанов-лення закономірностей в перебігу основних стадій реакції, які при-зводять до забарвлення, використовувалися загальноприйняті спект-ральні ме-тоди (УФ-, ІЧ-, КР-спектроскопія, ЯМР-спектрометрія) і хроматог-рафічні методи аналізу (HPLC-розділення, гельхроматог-рафічне розділення, GC-MS-спектрометрія).

Як основні були використані методи УФ- і КР-спектроскопії для вивчення дії окисників на ранніх стадій реакції побуріння, що дозволило знайти ті її стадії, на які найбільш доцільно впливати в перебігу процесу утворення забарвлених речовин.

Розділ 3. “Реакція побуріння в модельній системі карбонільна сполука/амінокислота”.

Щоб обмежити, до певної міри, коло скла-дових надзви-чайно складного процесу пере-творень сахарів в амінокарбонільній реакції і окреслити його реальні шляхи на першому етапі дослідження були вибрані мо-дельні сис-теми, що складалися з простих карбонільних сполук (ацетальдегід, гліцеральдегід, дигідроксіацетон) і для порів-няння із D-глю-ко-зи за на-яв-но-сті або у від-сут-ності амінокислоти.

Методами УФ-спектроскопії доведено, що проміжні кар-боніл-вмісні сполуки ранніх стадій реакції досліджуваних систем утвори-лися від подібних частинок і зазнали схожих перетворень: ацеталь-дегід, тріози - реакцій альдолізації, а гексоза - реак-цій деальдо-лізації (фра-гментації) з на-ступною альдолізацією.

Дані ІЧ-спектроскопії і елементного аналізу забарвлених ре-чо-вин, виділених із до-сліджуваних модельних систем, також свід-чать про схожість пере-тво-рень ацетальдегіду, тріоз і D-глюкози (а це може бути, якщо при-пустити деальдолі-зацію останньої) і певні від-мінності від перетво-рень ацетальдегіду.

Хроматографічне розділення на Sephadex G-15 проміжних продуктів перетво-реннях дигідроксіацетону і подальший аналіз (GC-MS-спектрометрія і ІЧ-спектроскопія) головних фракцій припуска-ють альдольну конденсацію і дають інформацію про можливу струк-туру відповідних проміжних сполук.

Спостереження за перетвореннями карбонілвмісних сполук свідчать про те, що процес побуріння в нейтральному та лужних се-редовищах проходить, в основному, через деа-льдолізацію (фраг-ментацію) сахарів з наступною альдозацію, а аміноспо-луки на цьому етапі є активними каталізаторами таких реакцій.

Розділ 4 “Перетворення моносахаридів у водних розчинах” складається з п’яти підрозділів.

Підрозділ 4.1. “Таутомерні перетворення редукуючих сахарів”.

Методом КР-спектроскопії зафіксовано три ка-рбоні-льні смуги поглинання D-глюкози (1718, 1726 і 1733 см-1) і D-фрук-този (1716, 1728 і 1733 см1), кожна з яких відпо-ві-дає існуванню трьох таутоме-рних форм: 3-кето, 2-кето, аль-дегідо. Три смуги погли-нання D-глюкози і D-фруктози надзвичайно чутливі до рН, що до-зволило контро-лювати вміст відкритих форм в роз-чинах відібраних сахарів як функції рН.

На основі інтегральних інтенсивностей карбонільних смуг D-глюкози і D-фруктози для кожного сахару були обчислені від-но-сні концентрації ациклічних форм (в %). Для розрахунку, як ре-пер, була взята концентрація ациклічної форми D-глюкози 0,04% (в ней-траль-ному розчині) і концентра-ція ациклічної форми D-фруктози 0,7% (табл.1).

Таблиця 1

Вплив концентрацій Н+ і ОН на вміст карбонільних

таутоме-рів в реакції мутаротації водних розчинів D-глюкози

Вихідні значення рН | 2,0 | 4,0 | 6,0 | 7,0 | 8,0 | 9,0

Вміст карбонільних форм

D-глюкози, % | 0,05 | 0,040 | 0,039 | 0,04 | 0,057 | 0,058

Вміст карбонільних форм

D-фруктози, % | 0,83 | 0,58 | 0,5 | 0,7 | 0,81 | 0,95

D-глюкоза і D-фруктоза, виявляючи міграцію карбонільної групи, яка відбувається лише через ен-діольне утворення, по-казували смугу поглинання при 1650 см-1 (об-ласть поглинання ено-лів). За-свідчено, що ендіольна смуга в такій самій мірі, як і кар-боні-льна смуга, чутлива до концентрації гідроксид-іонів.

Таблиця 2

Вплив температури на відносну концентрацію ациклічних

форм D-глюкози і D-фрук-този

Вміст

карбонільних форм | Темпер.

t, С | Вихідне значення рН

2,0 | 4,0 | 6,0 | 7,0 | 8,0 | 9,0

D-глюкози, % | 20 | 0,046 | 0,040 | 0,039 | 0,04 | 0,057 | 0,058

40 | 0,13 | 0,11 | 0,10 | 0,12 | 0,17 | 0,175

60 | 0,26 | 0,22 | 0,20 | 0,28

D-фруктози, % | 20 | 0,83 | 0,58 | 0,50 | 0,7 | 0,81 | 0,95

40 | 3,0 | 2,1 | 1,87 | 2,9 | 3,24 | 3,68

60 | 7,3 | 5,1 | 4,4 | 7,2

Смуги карбонільного і ендіольного поглинання D-глюкози і D-фруктози надзвичайно чутливі до температури, що було зафіксо-вано за зміненням їхніх інте-гральних ін-тенсивностей в температур-ному діапазоні 20-95С в разі значень рН 2,0-9,0 (табл.2), і до того ж темпе-ратура мала значно більший вплив на таутомерне перетво-рення D-глюкози і D-фрук-този, ніж рН.

Інтенсивність смуг карбонільного (1710-1740 см-1) і еноль-ного (1650 см-1) поглинання розчину D-глюкози (рН 7,0) помітно збільшується за наявності гліцину, порівняно з відповідними сму-гами поглинання чистих розчинів D-глюкози і гліцину (рис.1), що вказує на каталітичну дію амінокислоти в реакції мутаротації.

Отже доведено, що реакція мутаротації є лімітуючою складо-вою початко-вої стадії амі-нокарбонільної реакції і її необхідно врахо-вувати в за-гальній схемі перетворень, оскільки зовнішні параметри реакції Майяра (рН, температура) вже впли-вають на перебіг таутомерних перетворень реду-куючих сахарів.

Підрозділ 4.2. “Ефект концентрації гідроксид-іонів на утво-рення проміжних сполук і забарвлених речовин в реакції розкладу D-глюкози”.

Методом УФ-спектроскопії досліджено утворення ін-термедіа-тів і забарвлених продуктів лу-жного розкладу D-глюкози (в діапа-зоні рН 9,0-13,0 і температури 20-95С). Доведено, що кон-центрація ОН-іонів має визначальний вплив на напрямок перетворень дикар-бонільних сполук під час нагрівання розчинів D-глюкози.

В разі низьких кон-центра-ціях ОН-іонів (рН 8,0-9,0): (1) в зна-чній мірі йде кислотоут-ворення, напевно, через бензило-кислотне пе-регрупування дикарбо-нільних сполук і -дикарбонільне розщеп-лення; (2) розклад D-глю-кози відбувається з утворенням проміжних сполук, які поглинають в УФ-області при max225 нм і max280 нм і по-різному відносяться до концентрації ОН-іонів; (3) інтермедіати з max225 нм (ненасичені карбонілвмісні сполуки) надзвичайно чутливі до концентрації ОН-іо-нів, тому збе-рігаються і продовжують пере-творення лише в нейт-ральних та кис-лих середовищах; (4) проміжні сполуки з max280 нм [(ди)карбонільні сполуки] існують і активно перетворюються в луж-них роз-чинах.

З підвищенням концентрації ОН-іонів (рН9,0) кислотоутво-рення зни-жується, починають все більше переважати реакції розще-плення ди-карбонільних сполук і навіть ендіольних структур з утво-рен-ням реакційно-здатних карбонілвмісних сполук (max265 нм), се-редовище залишається лу-жним і створюються надзвичайно спри-ят-ливі умови для подальших реак-цій кон-денсацій, які закінчуються полімеризаційним процесом і активним утворен-ням забарвлених ре-човин.

З використанням хроматографічних методів аналізу (GC-MS-спектрометрія) досліджувався склад низькомолекулярних про-дуктів розкладу D-глюкози (рН 11,0), серед яких іден-тифіковані не описані в літературі похідні фурану, кислоти та карбонілвмісні спо-луки.

Підрозділ 4.3. “Ефект температури на утворення проміжних сполук і забарвлених речовин в реакції лужного розкладу D-глю-кози”.

Спектральне до-слідження (методами КР- і УФ-спектро-скопії) лужних розчинів D-глю-кози в діапазоні рН 8,0-10,0 і в ін-тервалі темпе-ратур-20-95С ука-зує на існування темпе-ратур-них зон, в межах яких відбу-ваються різні процеси перетво-рень (рис.2):

-

-

- інтервал 60-95С - зона по-дальших перетворень ранніх стадій ре-акції розкладу D-глюкози, коли має місце активне утво-рення (ди)карбонілвміс-них проміжних сполук. З підвищенням тем-пера-тури інтенсив-ність кар-бонільного поглинання починає знову зро-с-тати і чим вище концент-рація ОН-іонів, тим швидше збільшує-ться кон-цен-трація карбоніл-вмісних інтермедіатів, особливо при t>80C.

Підрозділ 4.4. “Ефект концентрації водневих іонів на утво-рення проміжних сполук в реакції розкладу D-глюкози”.

Спостереження за зміненням ви-хідного рН і УФ-поглинання під час нагрівання досліджуваних кислих розчинів D-глюкози (рис.3) дозво-лили постулювати, що в слабкокислих розчинах реа-лізую-ться два напрямки перетворень дикарбонільних сполук: (1) де-гідратація з утворенням реакційноздатних ненасичених карбонілвмі-сних інтер-медіатів (ізомерів 3,4-дидезокси-D-глюкозону), які погли-нають в області 225 нм та 5-ГМФ з поглинанням в карбонільній області ( 285 нм); (2) перегрупування та розщеплення до кислих сполук. Збільшення концентрації Н+-іонів прискорює дегідратацію і сповільнює кислотоутворення. Водневі іони каталізують утворення ендіольної струк-тури і наступні реакції дегідратації, але зводять до мінімуму можливі реак-ції альдолізація (ди)карбонільних сполук, ось чому в кислих розчинах мо-жна зафік-сувати такі реакційноздатні ін-термедіати, як ненасичені озони, що поглинають в дальній УФ-об-ласті ( 225 нм) і 5-ГМФ.

Утворення карбонілвмісних сполук, в тому числі і 5-ГМФ, в найменшій мірі спостерігається в розчинах D-глюкози з рН 3,0. Це означає, що саме така концентрація водневих іонів за-без-печує ста-більність D-глюкози і не сприяє швидкому утворенню ендіольної структури, як стартового інтермедіата для подальших пе-ретворень. Такі дані корисні для вирішення питань утворення забарвлення крохмало-патокового та глюкозного виробництв.

Підрозділ 4.5. “Ефект температури на утворення проміжних сполук в реакції кислотного розкладу D-глюкози”.

Методами КР- і УФ-спектроскопії встановлена послідовність, по меншій мірі, трьох процесів на ранніх стадіях ре-ак-ції кислотного розкладу D-глюкози (рис.4):

-

-

-

Спостереження за змінами під час на-грі-вання во-дних розчинів D-глюкози в діапазоні всієї шкали значень рН (1,0-13,0) до-зволили виявити подібність і відмінність в перебігу ран-ніх стадій реакції роз-кладу D-глюкози. Можна постулю-вати, що пе-ретворення реду-кую-чих сахарів мають загальну по-слідовність, яка реалізується в та-ких основних етапах:

І етап - перетворення D-глюкози починаються з реакції мутаро-та-ції, яка забезпечує існування реакційноздатних ациклічних форм (карбонільних і ендіольних);

ІІ етап складається з подальших перетворень, в яких домінують реакції кислотоутворення, особливо в лужних розчинах;

ІІІ етап характеризується інтенсивним утворенням ненасичених карбонілвмісних інтермедіатів (можливо ненасичених озонів) з max225 нм і (ди)карбонільних проміжних сполук, що поглинають в області 265-285 нм. Реакційноздатні ненасичені карбонілвмісні ін-термедіати в лужних розчинах легко зазнають подальших перетво-рень, тому фіксуються лише в разі слабколужних і кислих значень рН і їхня ста-більність збільшується із зниженням рН.

Подальші перетворення, в першу чергу інтермедіатів попере-дніх етапів, в повній мірі залежать від концентрації гідроксид- і вод-невих іонів:

-

- в кислих розчинах водневі іони каталізують реакції дегідратації і до того ж зводять до мінімуму реакції конденсації і вони ж спри-я-ють швид-кому перетворенню ненасичених озонів в 5-ГМФ, ось чому в кислих розчинах спостерігаються високі концентрації 5-ГМФ.

Розділ 5 “Перетворення моносахаридів в амінокарбонільній реакції” складається з 7 підрозділів.

Підрозділ 5.1. “Вплив амнокислот на перебіг ранніх стадій ре-акції розкладу редукуючих сахарів”

З погляду на те, що в загальному перебігу про-цесу по-буріння основною реакцією є перетворення моносахаридів досліджувався характер впливу амінокомпоненти на перебіг реакції розкладу реду-куючих са-харів в амінокарбонільній реакції в температурному ін-тервалі t 5-95C.

Методом УФ-спектроскопії показано, що вже за низьких тем-ператур аміновмісні спо-луки легко вступають в реак-цію нуклеофі-льного приєднання до подвій-ного зв’язку ненаси-чених озонів і тому в реакційній системі D-глю-коза/гліцин не спо-стерігається по-гли-нання в дальній УФ-області при 225 нм (рис.5).

Утворення кис-лих продуктів в процесі пере-творення D-глю-кози йде різ-ними шляхами в її чистих лужних роз-чинах і в реакцій-ній суміші з гліцином. Гідроксид-іони в лужних розчинах D-глю-кози разом з ка-талізом ен-діольних перетворень і реакцій альдо-лізації ка-талізують і конкуру-ючі реакції бензилокислотного пере-гру-пування і -дикарбо-нільного розщеп-лення (утворення відповід-них кис-лот). Амі-но-кис-лота в більшій мірі, ніж ОН-іони, сприяє реа-к-ціям альдо-лізації (ди)карбонільних сполук, а зни-ження рН, що спо-стерігається, напе-вно, спричи-няється утворенням низькомолекуляр-них кислих проду-ктів реакцій альдо-лізації. Амінокислота продовжує ак-тивізу-вати пе-ретворення стабільніших інтермедіатів з 285 нм на промі-жній стадії реак-ції побуріння.

Показано, що за на-явності гліцину утворення забарвлених по-лімерів включає не тільки полімеризаційний процес, але і, можливо, реакції приєднання, елімі-нування, в той час, як в лужному розчині D-глюкози утворення забарвлених ре-чо-вин являє собою до-волі постійний і однорідний про-цес, дуже схожий на просту поліме-риза-ційну реакцію (рис.6).

По-рівняльний ана-ліз КР-спектрів досліджуваних систем D-глюкоза/ОН і D-глю-коза/гліцин/ОН добре узгоджуються з даними УФ-спектроскопії про взаємодію гліцину з проміжними сполуками реакції розкладу D-глюкози (нена-сиченими озонами, (ди)-карбоніль-ними сполуками).

Підрозділ 5.2. “Вплив азотовмісних сполук на утворення про-міжних і забарвлених речовин”.

Досліджувалась дія різних азотовмісних сполук (амінів: н-бу-тиламін, дибутиламін, триетиламін; аміно-кислот: лізин, -феніл- -аланін, -феніл--ала-нін, гліцин, глутамі-нова кислота, лейцин, трип-тофан, аспарагінова кис-лота, валін, аспа-рагін, -аланін, -ала-нін, пролін, цистеїн; амідів: ацетамід, карбамід; тіоамідів: тіокарбамід, тіоацетамід) в модельній реакційній системі D-глю-коза/азотовмісна сполука.

Методом УФ-спектроскопії показано, що аміносполуки зале-жно від своєї будови і при-роди здатні (або не здатні) утворювати з інтермедіатами проміжні структури, які: (1) легко зазнають по-даль-ших перетво-рень до забар-влених речовин, або (2) внаслідок своєї стабільности і незначної ак-тивності в певній мірі вилучаються з по-дальших пере-творень і кон-центруються в реакційній суміші, що сповільнює процес утворення забарвлених речовин.

Підрозділ 5.3. “Нуклеофільність реагентів як важливий чинник в утворенні проміжних сполук і забарвлених речовин”.

Досліджувалася дія сірковмісних сполук (н-бутантіол, тіоглі-коль, тіоацетамід, тіокарбамід, тіогліколева кис-лота), ОН-іонів та гліцину на перебіг перетворень в реакційних си-стемах D-глю-коза/ОН/тіосполука та D-глюкоза/гліцин/тіосполука.

Виконані досліди показали, що природа реагенту, а саме його нуклеофільна здатність, безумовно, визначають перебіг початкової стадії реакції розкладу D-глю-кози, проте наступні пере-творення вже залежать: (1) від реакційної здатності інтермедіатів, що утворилися, (2) від природи складових вихідної реакційної сис-теми. Так, тіоглі-колева кислота з сильною нуклеофільною HS- гру-пою, замість очі-куваного зниження забарвлення, діє сінергітично з ОН-іонами, що призводить, навпаки, до збіль-шення забарвлення в си-стемі D-глю-коза /ОН/тіосполука. Така ж сама тіогліколева кислота в реакцій-ній системи D-глю-коза/гліцин/тіосполука виконує вже роль інгібі-тору реакції побу-ріння (табл.3), що є класичним прикладом конку-рен-ції сильнішого реагенту за право брати участь в подальших пере-твореннях карбонільної групи D-глю-кози.

Таблиця 3

Поглинання у видимій області розчинів досліджуваних

реакційних систем після 5 год. нагрівання

Реакційна модельна система | рН | Поглин.у вид. обл.

D460 нм

D-глюкоза/гліцин (рН 9,0) | 6,95 | 1,3

D-глюкоза/гліцин/

(рН 9,0) | н-бутантіол | 7,0 | 0,7

тіогліколь | 7,45 | 0,6

тіоацетамід | 7,55 | 0,4

тіокарбамід | 7,2 | 0,5

тіогліколева

кислота | 5,9 | 0,2

Напевно, тіогліколева кислота не здатна утворювати стабільні перехідні структури з самою карбо-нільною групою D-глюкози і реа-гує з проміжними структурами реакційної системи D-глюкоза/гліци-ном з утворенням тіа-золідинової структури І. А це означає, що за наявно-сті тіоглі-колевої кислоти активні інтерме-діати вилучаються з по-дальших пе-ретворень і в такому разі спо-стерігається зменшення за-барвлення.

Методами УФ-, КР-спектроскопії та хроматографічним аналі-зом (HPLC-розділення) підтверджено таке припущення.

Підрозділ 5.4. “Вплив гідроксид-іонів та гліцину на перебіг пе-ретворень проміжних сполук реакції розкладу D-глюкози”.

Методами УФ-, КР-спектроскопії показано, що гліцин, порів-няно з гідроксид-іонами, активніший до карбонілв-місних проміжних сполук ( 265-285 нм) і озонів ( 215-225 нм), проте гідроксид-іони, в більшій мірі, ніж гліцин, сприяють перетворенню їх у карбоксил-в-місні сполуки.

З ненасиченими продуктами кислотного розкладу D-глюкози ( 225 нм) гліцин реагує вже за кімнатної температури, але в цьому разі не виявляє впливу на утворення забарвлених речовин і карбок-силв-місних сполук. Карбонілвмісні проміжні сполуки кислотного розкладу ( 280 нм) достатньо стійкі в кислому середовищі і гліцин не активує їх до по-дальших пе-ретворень в забарвлені полімери.

Підрозділ 5.5. “Ефект концентрації водневих та гідроксид-іо-нів на перебіг перетворень ранніх і кінцевої стадій в реакційній сис-темі D-глюкоза/гліцин”.

Спектральними методами доведено, що за впливом ОН- та Н-іонів на утворення (ди)карбонілвмісних інтермедіатів ранніх ста-дій амінокарбонільної реакції шкалу значень рН можна поділити на декілька зон (табл.4), в межах яких відбуваються пе-вні процеси пе-ретворень D-глю-кози:

-

- область рН 3,0-6,0 характеризується низькими швидкостями утворення (ди)карбонільних та карбоксилвмісних сполук і най-менші швидкості спостерігаються при рН 3,0-4,0;

Таблиця 4

Відносні швидкості утворення проміжних

сполук в реакційній системі D-глю-коза/гліцин

(0,05 моль/л D-глю-кози і гліцину, Н2О, 95С, 4 год.)

рН (1,0-7,0) | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0 | 7,0

| 0,0037 | 0,0008 | 0,0004 | 0,0003 | 0,0005 | 0,0007 | 0,0012

рН (7,0-13,0) | 7,0 | 8,0 | 9,0 | 10,0 | 11,0 | 12,0 | 13,0

| 0,0012 | 0,0040 | 0,0233 | 0,1638 | 0,3250 | 0,3555 | 0,2833

-

- в області рН 10,0-12,0 з підвищенням концентрації ОН-іонів ще спостерігається зростання швидкостей ранніх стадій реак-ції, але вже в меншій мірі;

- при рН 13,0 перетворення ранніх стадій сповільнюються внаслі-док руйнування гідроксид-іонами реакційноздатних інтермедіатів.

Таблиця 5

Відносні швидкості утворення забарвлених

речовин в реакційній системі D-глю-коза/гліцин

(0,5 моль/л D-глю-кози і гліцину, Н2О, 95С, 4 год.)

рН (1,0-7,0) | 1,0 | 2,0 | 3,0 | 4,0 | 5,0 | 6,0 | 7,0

| 0,0005 | 0,0006 | 0,0009 | 0,0017 | 0,0031 | 0,0053 | 0,0127

рН (7,0-13,0) | 7,0 | 8,0 | 9,0 | 10,0 | 11,0 | 12,0 | 13,0

| 0,0127 | 0,0369 | 0,1000 | 0,3638 | 0,5000 | 0,6238 | 0,4584

Картина змінення швидкостей утворення забарвлених речо-вин в діапазоні рН 1,0-13,0 має деякі відмінності (табл.5): так, зі зрос-танням кон-центра-ції водневих іонів від рН 7,0 до 1,0 швидкості зме-н-шуються рівномірно. В зоні кис-лих значень вже не існує області найменших швидкостей, а високі концентрації (ди)карбонільних сполук (рН 1,0-2,0) не реалізуються в перетвореннях до забарвлених речовин. Проте зберігається загальна закономірність збільшення швидкостей утво-рення забарвлених продуктів під час зростання концентрації гідро-ксид-іонів.

Підрозділ 5.6. “Ефект концентрації реагентів на перебіг аміно-карбонільної реакції”.

Кінетичне дослідження амінокарбонільної реакції на основі спектрального аналізу показало, що вплив концентрації D-глюкози на перебіг амінокарбонільної реакції в модельній системі D-глю-коза/гліцин визначається її зовнішніми чинниками, насампе-ред, кон-центрацією гідроксид- і водневих іонів і підтвер-джує припущення про іс-нування певних зон шкали значень рН, в межах яких відбуваються дещо різні за характером перетво-рення D-глюкози під час амінокар-бонільної реакції.

Участь гліцину у перетво-реннях D-глюкози за всіх лужних значень рН (крім рН 13,0) призводить до сильнішого поглинання в УФ-об-ласті (O.D.280нм) і видимій області, проте ефект концентрації глі-цину на утворення карбо-нілвмісних інтермедіатів і забарвлених речовин в по-вній мірі визначається концентрацією гідроксид-іонів, яка від-пові-дає пев-ним областям шкали луж-них значень рН (рис.7). При рН 13,0 пере-творення D-глюкози на ранніх ста-діях реакції відбуваються без участі глі-цину, оскільки його наявність і навіть збільшення кон-цен-трації (до спів-відношення 1:5) не впливають на перебіг пере-тво-рень, лише високі кон-центрації глі-цину (вище спів-від-ношення 1:5) дещо сповільнюють реакції утво-рення карбонілвмі-с-них інтермедіатів, що спричиняє по-дальше зме-ншення барвоутво-рення.

Підрозділ 5.7. “ Кінетика реакцій розкладу D-глюкози ”.

Дана кількісна характеристика реакції лужного розкладу D-глюкози. За формою кінетичної кривої реакція розкладу D-глюкози в лужному розчині (система D-глюкоза/ОН) описується кінетич-ним рівнянням оборотної реакції першого порядку:

де Р – продукт реакції

Обчислені константи швидкості k1 і k2 кінетич-ного рів-няння оборотної реакції першого порядку:

lg ( ) lg (o - ) 0,434 (k1 k2) .

За концентрацією D-глюкози і гліцину визначені порядки реа-кції, що відбувається в модельній системі D-глюкоза/гліцин і дано загальне рівняння для опису цього складного процесу:

kеф. 3/2 3/2.

Розділ 6 “Дія окисників як інгібіторів утворення проміжних сполук і забарвлених речовин в реакціях розкладу D-глюкози” скла-дається з двох підрозділів.

Підрозділ 6.1. “Модельна система D-глюкоза/ОН.

Вивчався ефект різних окисників (розведеного розчину перма-нганату калію KMnO4, розчину брому у воді HBrO, кисню О2, хлор-ного вапна CaOCl2) на утво-рення інтермедіатів ран-ніх стадій пере-творень D-глюкози в лужних розчинах.

Дія окисника починається вже з реакції мутаротації: КР-спектр розчину D-глюкози з окисником (кисень повітря за наявності хлорного вапна) по-ка-зав зна-чне зниження інтегральної інтенсивності смуги 1650 см-1, що вказує на руйнування ненасичення в ендіольних інтермедіатах реакції му-таро-тації D-глю-кози (рис.8), що вже при-зво-дить до загального сповільнення подальших перетворень D-глю-кози.

Введення окисника повністю змінило УФ-погли-нання розчину D-глюкози (рис.9): зникла смуга погли-нання ненасиченого озону (max225 нм), а смуга карбонільного погли-нання (max280 нм) гіпсох-ромно зміс-тилася (max260 нм) і її інтенсивність значно зменшилась. Отже, дія окис-ника спрямована на руйнування по-двійних зв’язків основ-них проміжних сполук - не-наси-чених озонів і еноль-них форм (ди)карбонільних інтерме-діатів.

В КР-спектрах досліджуваних розчинів з окисниками (KMnO4, HBrO) мало місце помітне зниження інтенсивностей в області харак-терис-тичних частот поглинання кар-боніль-ної групи (1740-1720 см1) і подвійних С=С зв’язків (рис.10), що підтверджує руйнування під дією окисників проміжних сполук ранніх стадій реа-кції лужного розкладу D-глюкози.

Аналіз УФ-поглинання розчинів реак-ційної системи D-глю-коза/ОН з окисниками показує, що кисень і навіть повітря виявля-ють помітну окисню-вальню дію щодо проміжних сполук ранніх ста-дій перетворень D-глюкози: ненасичених озонів ( 225 нм) і [ди]карбонільних інтермедіатів ( 280 нм).

Вплив кисню повітря на утворення забарвлених речовин зале-жить від вихідного значення рН і часу нагрівання: при рН 11,0-12,0 знебарвлюючий ефект кисню по-вітря збільшується після 2 год. на-грівання, тоді як при рН 13,0 після 2 год. нагрівання такого ефекту не спостерігається (рис.11).

Високі концент-рації гідроксид-іонів самі вже спричиняють руйнування хромофор-них структурних фраг-ментів за-барвлених ре-човин і тому вплив оки-сника за таких умов зменшується.

Досліджувалася реакція лужного розкладу D-глю-кози в атмо-сфері азоту і доведений окиснювальний вплив кисню повітря на утворення проміжних сполук, які поглинають в області max225 нм і max280 нм та забарвлених речовин.

Підрозділ 6.2. “Модельна система D-глюкоза/гліцин”.

Ефект кисню повітря на утворення проміжних сполук ран-ніх стадій і забарвлених речовин кінцевої стадії амінокарбонільної ре-акції визначається наявністю водневих та гідроксид-іонів та їхньої концентрацією і залежить від перебігу ранніх стадій амінокарбо-ні-льної реакції в межах певних зон шкали значень рН.

В кислих розчинах системи D-глюкоза/гліцин кисень повітря нездатний руй-нувати проміжні сполуки кислотного розкладу D-глюкози і сприяє їхнім подальшим пере-творен-ням до карбоніл- і ка-рбоксилвмісних інтермедіатів (рис.12). Зі зме-ншенням концентра-ції водне-вих іонів (рН 4,0 6,0) вплив кисню на утворення карбоні-лв-місних інтермедіатів зменшується і в цьому разі збільшується утво-рення карбоксилвмісних інтермедіатів, оскільки з наближенням до лужної об-ласті змінюється і перебіг початкових стадій реакції. В області рН 3,0 кисень повітря виявляє незначний вплив на утворення (ди)карбонільних ін-термедіатів.

В лужних розчинах системи D-глюкоза/гліцин кисень повітря, через руйнування стартового ендіольного інтермедіата, сповільнює утворення карбонілвмісних інтермедіатів і можливо, навіть част-ково окиснює останні, внаслі-док чого прискорюються процеси утво-рення карбоксилвмісних ін-термедіатів і зменшується забарвлення. На ефективність інгібуючої дії кисню повітря впливає концентрація гідроксид-іонів: високі кон-центрації ОН-іонів (рН 12,0-13,0) руй-нують стартові ендіольні ін-термедіати, і в такому разі вплив ки-сню повітря знижується, а з часом нагрівання він навіть не вияв-ляє інгібуючої дії на утворення забарвлення (рис.13).

Спектроскопічне і хроматографічне дослідження (HPLC-роз-ділення) пове-дінки про-міжних сполук, які утворилися в системі D-глю-коза/гліцин з CaOCl2 (1:1) показало, що за за-значених умов екс-перименту окисник руйнує подвійні зв’язки ін-термедіатів.

Розділ 7 “Забарвлені речовини продуктів бурякоцукрового ви-робниц-тва” складається з трьох підрозділів.

Підрозділ 7.1. “Утворення забарвлених речовин за умов буря-коцукрового виробництва”.

Досліджувалась можливість взає-модії продуктів лужного роз-кладу редукуючих сахарів ПЛРРС і ка-рамелів з амінокислотами. ПЛРРС і карамелі (карамелан, карамелен, карамелін), що були ви-ділені із модельних систем за класичною методикою, нагрі-вали кожний (10 год.) з глутаміновою кислотою аналогічно утворенню мела-ноїдинів.

Елементний аналіз забарвлених речовин на основі ПЛРРС і карамелей з глутаміновою кислотою, виділених і очищених за за-гальною методикою, встановив наявність азоту.

Аналіз і порівняння ІЧ-спектрів ПЛРРС, карамелей та забарв-лених речовин на їхній основі (рис.14), дозволив засвідчити і пояс-нити зміни, які виникли в будові ПЛРРС, карамелей внаслідок взає-модії остан-ніх з глутаміновою кислотою.

В ІЧ-спек-трі забарвленого продукту взаємодії ПЛРРС з глута-міновою кислотою в області 3000-2500 см1 з’явилася група слабких смуг, типових для поглинання амонійних груп NH3+, поглинання С=С (1585 см1 ) замінено поглинанням аміногрупи NH2 (NH, NH3+) 1625 см1, з’явилася смуга поглинання біля 1380 см1, обумовлена, мож-ливо, валентними коливаннями зв’язку СN .

Отже, маємо певні докази безпосередньої взаємодії глу-таміно-вої кислоти з полімерними фрагментами продуктів лужного роз-кладу D-глюкози. Наявність в таких ПЛРРС подвійних зв’язків, ак-тивованих карбонільною групою, здатних відносно легко приєд-ну-вати амінофункцію робить таку взаємодію цілком реаль-ною.

Карамелі, які утворюються внаслідок глибокої дегід-ратації сахарози, є полімерами з лактонною структурою і великою кількістю гідроксильних і карбоксильних груп.

В ІЧ-спектрах продуктів, що утворилися після нагрівання ка-рамелей з глутаміновою кислотою, зникає смуга валентних коливань С=О лактону (1750 см1), а замість неї з’являється смуга деформа-ційних коливань NH2 (NH, NH3+)