ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УГЛЕВОДНОГО СОСТАВА КОРНЕЙ ЦИКОРИЯ ОБЫКНОВЕННОГО (CICHORIUM INTIBUS L.)

Углеводы являются важнейшим классом биологически активных соединений необходимых для жизнедеятельности человека. Содержание углеводных запасов в массе тела человека составляет не более 1%, а суточная потребность человека в углеводах составляет 400-500 г. Низкомолекулярные полисахариды живой природы играют активнейшую роль в формировании иммунитета, являясь носителями химической информации о любой живой клетке. Наиболее интересными источниками углеводов являются сельскохозяйственные культуры, содержащие в большом количестве такие соединения, как инулин и олигофруктозу

Корни цикория обыкновенного обладают широким спектром биологического действия. Полисахариды, выделенные из корней цикория, активизируют энтеро-гепатическую циркуляцию, способствуют выделению из организма излишнего холестерина и ионов свинца (Pb2+) из костной ткани, играют важную роль в профилактике атеросклероза

ЦНР – это порошок водного экстракта измельченных обжаренных корней цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.). В настоящее время для контроля качества цикория растворимого натурального применяется техническое условие «Цикорий натуральный растворимый»

Целью исследования являлось установление качественного и количественного состава углеводов корней цикория обыкновенного и продукта его переработки – цикория растворимого натурального, а также изучение сорбционной способности и кинетики этого процесса для полученных из цикория отдельных фракций полисахаридов.

Объектами исследования были выбраны:

1) корни цикория, заготовленные Пшуковой Ириной Васильевной в конце октября после отмирания надземной части растения на территории ботанического сада ПМФИ;

2) цикорий натуральный растворимый порошкообразный «Русский цикорий» – ГОСТ Р 55512-2013, изготовитель – торгово-производственная компания «СТОКРОС», г. Ярославль.

Методика получения отдельных фракций полисахаридов. Выделение водорастворимых полисахаридов (ВРПС), пектиновых веществ (ПВ), гемицеллюлозы А и гемицеллюлозы Б (ГЦ А и ГЦ Б) проводили по методике

Определение суммы фруктозидов и фруктозанов проводили по методике, разработанной на кафедре фармакогнозии и ботаники Волгоградского государственного медицинского университета

Инулин хорошо растворим в воде, но плохо растворим в спирте этиловом 96%, а фруктозиды хорошо растворимы и в воде, и в спирте этиловом. Из сырья цикория готовили два извлечения: водное, в которое переходил инулин и спиртовое, в которое экстрагировались только фруктозиды. Далее получали красный комплекс с резорцином в кислоте соляной и измеряли оптическую плотность на спектрофотометре при длине волны (480 ± 2) нм в кювете с толщиной слоя 10 мм относительно раствора сравнения, полученного с использованием дистиллированной воды.

Определение сорбционных характеристик. Изучение сорбционной способности и кинетики этого процесса для полученных из цикория водорастворимых полисахаридов, пектиновых веществ, гемицеллюлозы А и гемицеллюлозы Б проводили по методике определения комплексообразующей способности (КС) полисахаридов при обработке этих растворов стандартным раствором свинца. Пектинат свинца осаждался, а в надосадочной жидкости с помощью комплексонометрического титрования определялось содержание ионов свинца. Сорбционная емкость пектинов определялась по разнице между вносимым и остаточным количеством ионов свинца в расчете на 1 г пектина.

Навеску полисахаридов (0,20 г) помещали в колбу объемом 100 мл, добавляли 30 мл воды очищенной. С помощью магнитной мешалки раствор перемешивали до полного растворения полисахаридов. При добавлении раствора ацетата свинца (0,035 М) выпадал осадок пектата свинца, который разбавляли водой очищенной до 100 мл.

Через определенный промежуток времени (10, 20, 30, 40, 60 мин) растворы центрифугировали, фильтровали. В колбу на 100 мл помещали 10 мл фильтрата, добавляли 10 мл ацетатного буферного раствора (рН = 5,5), доводили водой очищенной до метки.

Содержание связавшихся ионов свинца в надосадочной жидкости находили титриметрическим методом, используя раствор натрия этилен диамин тетра ацетат двузамещенного (0,01М) в присутствии ксиленового оранжевого до перехода малиновой окраски в лимонно-желтую

1. Из корней цикория обыкновенного были выделены четыре фракции полисахаридов: ВРПС – 3%, ПВ – 5,5%, ГЦА – 8,6%, ГЦБ – 0,5%. А из растворимого порошка цикория выделены две фракции: ВРПС – 12%, ПВ – 10%;

2. Определено содержание основных биологически активных соединений водорастворимых полисахаридов – суммы фруктозидов и фруктозанов: в корнях цикория обыкновенного 27,27 + 0,24%, а в порошке растворимого цикория 11,34 + 0,14%. Также установлено количество фруктозидов: в корнях цикория 19,22 + 0,18%, а в порошке растворимого цикория 9,14 + 0,13%;

3. Для всех полученных фракций полисахаридов (ПВ, ВРПС, ГЦ А и ГЦ Б) из измельченных корней цикория была исследована сорбционная емкость по отношению к ионам свинца (Pb2+), извлекаемых из водного раствора ацетата свинца;

4. Установлено, что время достижения сорбционного равновесия в системе «раствор – сорбент» составляет 0,5 часа;

5. Изучение механизма протекания процесса образования пектатов свинца показало, что процесс комплексообразования протекает по реакции первого порядка;

6. Установлено, что комплексообразующая способность по отношению к ионам свинца (Pb2+) фракций полисахаридов – ВРПС (559,6 мк/г) и ПВ (456,0 мк/г) более выражена, чем для целлюлозных фракций ГЦ А (145,2 мк/г) и ГЦ Б (166 мг/г);

7. Определено, что максимальное извлечение ионов свинца (Pb2+) наблюдается при их сорбции на ВРПС (67,5%) и ПВ (55%). Извлечение ионов свинца (Pb2+) целлюлозосодержащими сорбентами значительно ниже и составило 20% и 17,5% для Гц Б и Гц А соответственно;

8. Показано, что предел насыщения адсорбционного слоя (А∞) у ВРПС и ПВ достигается быстрее, чем у целлюлозных сорбентов, что подтверждает их более высокую сорбционную активность;

9. Установлено, что эмпирическая константа Фрейндлиха (К), характеризующая природу адсорбента и адсорбата, имеет большую величину для ВРПС и ПВ. Значит и сродство адсорбента к адсорбату в этом случае больше;

10. Отмечено, что аналитически адсорбционные изотермы ВРПС и ПВ лучше описываются уравнением Лэнгмюра. Адсорбция является локализованной и вызывается силами близкими к химическим;

11. Сорбенты ВРПС и ПВ могут быть предложены в качестве альтернативы для решения одной из проблем экологической пищевой промышленности и медицины, обусловленной поступлением в организм человека избыточных количеств тяжелых металлов.

Углеводы являются одним из ведущих классов биологически активных соединений корней цикория обыкновенного. По классической методике

Наиболее интересным и важным для характеристики продуктов на основе корней цикория обыкновенного является показатель содержания растворимого в воде полисахарида инулина. Инулин – это полифруктозан, состоящий из остатков фруктозы (30-35) в фуранозной форме. Инулин, как полисахарид, можно отнести к классу растворимых пищевых волокон, обладающих широчайшим спектром биологической активности. Его можно рассматривать как пребиотик, входящий в состав функциональных продуктов питания.

Количественное определение суммы фруктозидов и фруктозанов в корнях цикория и в порошке растворимого цикория определяли методом спектрофотометрии. Данный метод основан на измерении оптической плотности продуктов взаимодействия фруктозы, образующейся после гидролиза инулина с резорцином в кислой среде

Содержание суммы фруктозидов и фруктозанов в пересчете на инулин и абсолютно сухое сырье в процентах (Х1) и суммы фруктозидов (Х2) вычисляли по формулам:

(1)

где D – оптическая плотность анализируемого образца;

498 – удельный показатель поглощения продуктов взаимодействия инулина с резорцином в кислой среде;

m – масса сырья, г;

W – влажность.

Количественное содержание суммы фруктозидов в пересчете на инулин и абсолютно сухое сырье в процентах (Х2) вычисляли по формуле:

(2)

где D – оптическая плотность анализируемого образца;

498 – удельный показатель поглощения продуктов взаимодействия инулина с резорцином в кислой среде;

m – масса сырья, г;

W – влажность.

Определение фруктозанов. Содержание фруктозанов (Х3) в пересчете на инулин и абсолютно сухое сырье в процентах вычисляли по разности содержания фруктозидов и фруктозанов (Х1) и фруктозидов (Х2).

Результаты приведены в таблице 1.

Как видно из результатов, приведенных в таблице 1, содержание инулина в продукте переработки корней цикория более чем в два раза меньше, чем в сырье . При пирогенетическом процессе переработки корней цикория происходит частичный гидролиз инулина. Доминирующим компонентом в корнях и растворимом цикории являются фруктозиды.

Для полученных фракций полисахаридов изучали сорбционную способность относительно ионов свинца (II), при взаимодействии которого с ПВ и ВРПС образуются пектаты, способные покидать кишечник вместе с токсичными ионами.

Исследования сорбционной активности всех полученных фракций полисахаридов из корней цикория проводили методом осаждения пектата свинца и титриметрического содержания связавшихся ионов свинца

(3)

где Э Pb2+ – молярная эквивалентная масса ионов свинца (Pb2+), моль/л;

V – объем раствора титранта, мл;

С m – концентрация раствора титранта, моль/л.

Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Отмечено, что сорбционная способность биополимеров по отношению к ионам Рв+2 находится в пределах от 20 до 67,5%. Время достижения равновесия не зависело от природы полисахарида и составило 0,5 часа. Однако наибольшей сорбционной способностью обладают ВРПС, выделенные из корня цикория обыкновенного, что позволяет рассматривать его как безопасный энтеросорбент.

Представляло интерес установление механизма протекания процесса образования пектатов свинца. Линейность графической зависимости ln C от времени (рисунок 1) для исследуемых образцов позволила предположить, что процесс протекает по реакции первого порядка.

Рисунок 1 - Зависимость ln C от t (мин.) для процесса сорбции ионов свинца (Pb2+).

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.8.3

Константу скорости определяли графически по тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс. Найденные величины составили для ВРПС, ПВ, Гц А и Гц Б соответственно: 1,22 × 10-2; 1,17 × 10-2; 3,5 × 10-3; 4 × 10-3 (мин -1).

Количественно сорбционную способность полисахаридов оценивали по величине адсорбции, рассчитанной по зависимости (4)

(4)

где А экс. – экспериментальная адсорбция (ммоль/г);

∆С – изменение концентрации ионов свинца (Pb2+), поглощенных адсорбентом (ммоль/л);

V – объем раствора (л);

g – масса навески адсорбента (г).

Кинетическая кривая сорбции ионов свинца (Pb2+), представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Кинетическая кривая сорбции ионов свинца (Pb2+).

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.8.4

Сорбционная способность у ВРПС выше, чем у ПВ, а изотермы сорбции на целлюлозных полисахаридах близки друг другу.

Теоретически адсорбция на поверхности «твердое тело – жидкость» описывается уравнениями Лэнгмюра (Ал) и Фрейндлиха (Аф). Их применимость связана с природой поверхности адсорбента и концентрацией адсорбтива.

Уравнение Фрейндлиха – (5)

(5)

где: С – равновесная концентрация адсорбата (ммоль/л);

К и 1/n – эмпирические константы.

Физический смысл константы К – это величина адсорбции при равновесной концентрации абсорбтива, равной 1 моль/л. Поэтому она зависит от природы абсорбата и абсорбтива, и колеблется в широких пределах. Показатель 1/n характеризует степень приближения изотермы адсорбции к прямой. Но так как константа 1/n < 1 для абсорбции ионов свинца (Pb2+) на всех углеводородных сорбентах, то уравнение Фрейндлиха более пригодно для интервалов средних концентраций.

Константы уравнения Фрейндлиха находили, используя уравнение Фрейндлиха в логарифмической форме (6):

(6)

Используя экспериментальные данные, строили график зависимости: lg Аэкс от lg ∆ C. На примере адсорбции ВРПС представлена линейность этой зависимости на рисунке 3.

Рисунок 3 - Графическое определение констант уравнения Фрейндлиха

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.8.5

Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс позволил определить константу 1/n, а отрезок отсекаемый прямой от оси ординат равен lg K. Тогда К = 10x , где x – величина отрезка.

Теория Лэнгмюра описывает явления как химической, так и физической адсорбции с известными ограничениями. В случае действия адсорбционных сил, имеющих природу, близкую к химической, каждый активный центр адсорбента адсорбирует только одну молекулу адсорбтива. Тогда на поверхности адсорбента и образуется монослой, характеризующийся величиной предельной адсорбции (А ∞). Для описания такой адсорбции используется уравнение Лэнгмюра.

Уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра (7)

(7)

где: С – равновесная концентрация (ммоль/л);

В, А∞ – константы.

Константы А∞ и В являются индивидуальными характеристиками процесса адсорбции каждого вещества на каждом адсорбенте. Адсорбционный коэффициент В показывает сродство адсорбтива к адсорбенту.

Константа А∞ – количество адсорбтива (ммоль), адсорбированное единицей массы адсорбента (г), соответствующее полному заполнению всех активных центров.

Константы уравнения Ленгмюра определяли по графической зависимости 1/Аэкс от 1/ ∆ С. На примере адсорбции ионов свинца (Pb2+) на ВРПС эта зависимость представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Графическое определение констант уравнения Лэнгмюра

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.8.6

График при экстраполяции отсекает от оси ординат отрезок равный 1/А∞. Величина константы 1/в=1/∆ С найдена через удвоение отрезка и нахождения величины на оси абсцисс = 2/А∞. Результаты найденных констант представлены в таблице 3.

Чем быстрее достигается предел насыщения поверхности сорбента, тем больше должна быть величина К – константа Фрейндлиха. Для ВРПС она оказалась выше (2,7), чем для ГЦ А (1,99), что хорошо согласуется со степенью связывания ионов свинца (Pb2+), – 67,5% и 17,5% соответственно. Предел насыщения адсорбционного слоя (А∞) у ВРПС и ПВ достигался быстрее, чем у целлюлозных сорбентов, что подтверждает их более высокую сорбционную эффективность. При этом и константа Фрейндлиха (К), характеризующая природу адсорбента и адсорбтива, у ВРПС и ПВ имеет большую величину. Значит, и в этом случае сродство адсорбтива и адсорбента больше.

В таблице 4 представлены сравнительные результаты найденных величин адсорбции и их соотношения.

Анализ сорбционного процесса показал, что при использовании полисахаридов ВРПС и ПВ из корня цикория процесс лучше описывается уравнением Лэнгмюра. В случае целлюлозосодержащих сорбентов подчинение уравнениям Лэнгмюра и Фрейндлиха оказалось сопоставимым.

Полученные данные показывают, что среди полисахаридов ВРПС и ПВ наибольшее сродство сорбента к ионам свинца (Pb2+), наблюдается у ВРПС. Возможно, на его поверхности большее число активных центров, поэтому параметр сорбционного взаимодействия адсорбата с адсорбентами так же оказался большей величиной. Среди целлюлозных сорбентов такая же зависимость наблюдается относительно Гц Б. Значительную роль при адсорбции выполняет строение поверхности раздела. На поверхности адсорбента одной и той же природы, но разной конфигурации поверхности: гладкой или шероховатой, адсорбция протекает различно. Судить об этом можно по характеру изученных изотерм и данным таблицы 4. Соотношение экспериментальных и рассчитанных по уравнениям Фрейндлиха и Лэнгмюра величин адсорбции показало, что функциональная зависимость величин сорбции от равновесной концентрации ионов свинца (Pb2+) больше подчиняется уравнению Лэнгмюра. Это может свидетельствовать о небольшой шероховатости поверхности сорбентов, с энергетически эквивалентными адсорбционными центрами.

На основании проведенных исследований фракционного состава полисахаридных фракций корней цикория обыкновенного и исследовании их физико-химических характеристик можно сделать вывод, что фракция водорастворимых полисахаридов является наиболее значимой. Полисахариды ВРПС обладают наиболее выраженной комплексообразующей способностью к токсичным ионам свинца (Pb2+). Во фракцию ВРПС переходит главный компонент корней цикория, ответственный за фармакологическую активность – инулин. С другой стороны, в настоящее время цикорий обыкновенный перестал быть заменителем кофе, а является самостоятельным вкусным и полезным напитком. Обладая энтеросорбирующими свойствами, он способствует очищению организма от биогенных токсинов, анаболиков, биологически вредных веществ (аммиака, желчных кислот, различных цитокинов). Учитывая вышеизложенное, целесообразно предложить применение корней цикория в формате добавки в лечебно-профилактической медицине и диетическом питании в качестве источника растворимых пищевых волокон. Они способствуют защите организма от солей тяжелых металлов, попадающих в него с пищей, водой и их выведению из организма.

Поэтому корни цикория и продукты его переработки можно предлагать в качестве функциональных продуктов питания – энтеросорбентов, способных связывать токсичные ионы свинца и выводить их из организма.

Проведенные исследования свидетельствуют о возможности использования корней цикория и порошка растворимого цикория в качестве энтеросорбентов и биологически активных добавок с лечебно-профилактическими целями.