КИСЛОТНЫЙ  ГОМОГЕННЫЙ  И  ГЕТЕРОГЕННЫЙ  КАТАЛИТИЧЕСКИЙ  ГИДРОЛИЗ  ИНУЛИНА  ИЗ  КОРНЯ  ЦИКОРИЯ

Билявичюс  Роман  Эугениюсович

магистрант  2  курса,  кафедра  биотехнологии  и  химии  ТвГТУ,  РФ,  г.  Тверь

E-mail : 

Хенрик  Гренман

научный  руководитель,  доктор  наук,  химико-технологический  факультет,

Университет  Або  Академи,  РФ,  г.  Турку

Сидоров  Александр  Иванович

научный  руководитель,  канд.  хим.  наук,  профессор  ТвГТУ,  РФ,  г.  Тверь

Введение

В  последнее  время  большое  количество  литературы  посвящено  изучению  процесса  гидролиза  инулина,  как  способа  получения  фруктозы.  Как  правило,  сообщается  о  происхождении  и  свойствах  сырья,  об  использовании  реакторов  для  производства  фруктозы,  об  условиях  проведения  реакции.  Но,  несмотря  на  это,  полные  кинетические  исследования  не  проводились,  ограничиваясь  оптимизацией  реакторов  для  гидролиза  и  прогнозированием  результатов  [6,  c.  1110].  Фруктоза  имеет  много  преимуществ  по  сравнению  с  другими  сахарами:

·     по  сравнению  с  обычным  сахаром  фруктоза  имеет  более  приятный  медовый  вкус.  Фруктоза  на  60—70  %  слаще  сахарозы,  это  свойство  помогает  уменьшить  калорийность  продукта  и,  следовательно,  имеет  большое  значение  в  диетологии;

·     фруктозу,  в  отличие  от  глюкозы  могут  использовать  больные  сахарным  диабетом;

·     фруктоза  менее  вредна  для  зубов,  чем  сахар;

·     она  имеет  хорошую  растворимость  и  низкую  вязкость;

·     фруктоза  оказывает  положительное  влияние  на  организм  человека,  повышает  активность  бифидобактерий;

·     фруктоза  способствует  удалению  спирта  из  крови  больных  алкоголизмом;

·     улучшает  всасывание  железа  у  детей;

·     снижает  уровень  холестерина  в  крови;

·     фруктоза  более  стабильна  по  сравнению  со  многими  другими  моносахаридами.

Характеристика  исходного  сырья 

Инулин  относится  к  классу  углеводов,  известных  как  фруктаны  и  представляет  собой  линейный  полимер,  мономерные  звенья  которого  представлены  остатками  фруктозы.  Инулин  имеет  низкую  молекулярную  массу  по  сравнению  с  другими  полисахаридами  [7,  c,  27].  Степень  полимеризации  (СП)  инулина  полученного  из  корня  цикория  колеблется  обычно  от  2  до  60  [5,  c.  1110].  Инулин  встречается  в  клубнях  и  корнях  нарцисса,  гиацинта,  георгина,  одуванчика,  цикория,  топинамбура  и  других  растений  и  является  запасным  углеводом.  Экстракт  сырого  корня  цикория  содержит  инулин  (10—12  %),  пектин,  сахарозу  и  белки.  Рисунок  1  иллюстрирует  структуру  инулина  [5,  c.  1111].

Инулин  используется  в  промышленности  для  изготовления  фруктозы  или  олигофруктозных  сиропов.  Олигофруктоза  является  пребиотиком  и  имеет  положительное  влияние  на  здоровье  человека  [7,  c.  27].  Инулин  может  быть  использован  для  замены  жира,  сахара  и  муки.  Он  увеличивает  всасывание  кальция  и  магния  и  усиливает  рост  полезных  кишечных  бактерий.

Фруктозу,  как  продукт  полного  гидролиза  инулина,  используют  в  качестве  подсластителя.  Она  слаще  сахарозы  (в  1,5  раза),  имеет  низкую  стоимость  и  функциональные  свойства,  которые  улучшают  вкус,  цвет  и  стабильность  продукта.  Фруктозные  сиропы  могут  быть  использованы  для  профилактики  диабета,  ожирения  и  кариеса  зубов.

Рисунок  1.  Химическая  структура  инулина  (GFm ,  m  =  2–60),  где  G  соответствует  глюкозильной  части,  F  —  фруктозильной  части  и  m  степень  полимеризации

Химический  гидролиз  инулина  может  быть  осуществлен  путем  взаимодействия  с  органическими  или  минеральными  кислотами,  а  также  с  помощью  гетерогенного  катализа  с  использованием  твердых  кислотных  катализаторов,  таких  как  кислоты  катионообменных  смол,  цеолитов  или  окисленного  активированного  угля.  Однако  данный  химический  подход  в  настоящее  время  связан  с  некоторым  недостатком,  а  именно,  образованием  нежелательных  побочных  продуктов  [7,  c.  28].

Особенности  гидролиза  инулина

Как  написано  выше,  фруктоза  может  быть  получена  путем  кислотного  гидролиза  инулина  гомогенным  или  гетерогенным  катализом.  В  первом  случае  взаимодействие  кислоты  происходит  непосредственно  в  растворе,  тогда  как  во  втором  случае  необходимы  ионы  Н⁺,  которые  образуются  в  результате  взаимодействия  с  ионообменными  смолами  или  из  цеолитов  [3,  c.  430].  Инулин  в  силу  своей  структуры  обладает  стойкостью  к  окислительно-восстановительным  агентам.  Он  устойчив  к  гидролизу  в  водных  системах  при  комнатной  температуре  и  нейтральном  рН.  Тем  не  менее,  при  высоких  температурах  в  присутствии  кислоты,  гидролиз  инулина  протекает  активно,  что  приводит  к  распаду  полимера  на  составные  моносахариды.  Гидролиз  инулина  также  может  быть  вызван  щелочной  средой.  Это  процесс  может  произойти  только  с  инулином,  содержащим  восстанавливающий  конец  в  структурной  формуле  [1,  c.  117].

При  кислотном  гомогенном  каталитическом  гидролизе  изменение  структуры  и  молекулярная  изомеризация  может  происходить  при  комнатной  температуре.  Гидролиз  проходит  в  течение  нескольких  минут,  часов,  дней  и  даже  месяцев,  в  зависимости  от  рН  реакционной  смеси  или  концентрации  кислоты  [2,  c.  507].  Многие  неорганические  и  органические  кислоты  могут  быть  использованы  в  качестве  катализаторов  при  гидролизе  инулина,  например,  соляная,  серная,  фосфорная,  уксусная,  щавелевая,  и  т.  д.  Также  возможно  использование  смешанных  кислот,  таких  как  HCl  и  H₂SO₄,  H₂SO₄  и  H₃PO₄  и  т.  д.  Использование  слабых  органических  кислот  позволяет  исключить  стадию  нейтрализации  [4]. 

В  кислотном  гетерогенном  каталитическом  гидролизе  первым  шагом  является  адсорбция.  В  результате  диффузии,  молекулы  реагента  подходят  к  поверхности  катализатора,  где  они  адсорбируются.  Взаимодействие  частиц  реагентов  с  поверхностью  катализатора  приводит  к  увеличению  энергии.  Этот  процесс  называется  активная  адсорбция,  которая  происходит  только  в  определенных  местах,  активных  центрах  (различные  поверхностные  дефекты).  Число  активных  центров  определяет  активность  катализатора  и  зависит  от  его  способа  приготовления,  размера  и  поверхности.

Основная  положительная  сторона  гетерогенного  каталитического  процесса  гидролиза  инулина  заключается  в  значительном  уменьшении  побочных  продуктов,  легком  отделении  и  повторном  использовании  катализатора,  а  также  отсутствии  стадии  нейтрализации  [1,  c.  117].

Глубокое  понимание  кислотного  гидролиза  инулина  путем  гомогенного  и  гетерогенного  катализа  очень  важно  для  его  коммерческого  использования.

Экспериментальная  часть

Исходные  материалы. 

Для  получения  фруктозы  использовали  кристаллический  инулин  из  корня  цикория,  а  также  соляную  кислоту  (36—38  %)  и  Smopex-101  в  качестве  катализатора.

Оборудование

Для  проведения  экспериментов  был  использован  изотермический  реактор  периодического  действия.  Нагревание  и  охлаждение  реактора  осуществлялось  с  помощью  циркуляционного  термостата.  Контроль  и  поддержание  точной  температуры  в  реакторе  проводят,  используя  температурный  датчик.  Температура  фиксировалась  каждые  30  секунд  в  течение  всей  реакции.  Датчик  с  тефлоновым  покрытием  может  быть  использован  в  агрессивной  среде. 

Анализ  проводился  на  газовом  хроматографе  GC-2010  Plus.

Результаты  и  их  обсуждения

Для  понимания  процесса  кислотного  гидролиза  инулина  был  проведен  ряд  экспериментов  при  различных  условиях  с  разными  катализаторами.  На  рисунке  2  показаны  результаты  опыта,  в  котором,  в  качестве  катализатора  использовали  соляную  кислоту.  Максимальная  концентрация  фруктозы,  приблизительно  2900  µг/мл,  была  достигнута  к  30  минуте.  Далее  с  течением  времени  концентрация  моносахарида  уменьшалась  (к  200  минуте  снизилась  до  600  µг/мл),  возможно,  вследствие  денатурации.  К  30  минуте  концентрация  глюкозы  составила  200  µг/мл,  что  сопоставимо  с  соотношением  фруктозы  и  глюкозы  в  исходном  инулине.  Известно,  что  глюкоза  более  устойчива  к  процессам  деструкции,  по  сравнению  с  фруктозой.  Поэтому  до  160  минуты  мы  наблюдаем  рост  концентрации  глюкозы,  что  вероятно  связано  с  наличием  в  реакционной  массе  олигомерных  источников  глюкозы.  Это  подтверждают  и  результаты  качественного  анализа,  показанные  на  рисунке  3.  К  200  минуте  опыта  уменьшается  количество  как  фруктозы,  так  и  глюкозы,  поскольку  негидролизованные  источники  моносахаридов  исчерпаны  и  основным  является  процесс  деструкции.

Рисунок  2.  Выход  моносахаридов  в  результате  кислотного  гидролиза  при  использовании  инулина  (5  мг/мл)  и  соляной  кислоты  (36—38  %),  pH =0.5,  температура  95°C

Рисунок  3.  Выход  сахаров  в  результате  кислотного  гидролиза  при  использовании  инулина  (5  мг/мл)  и  соляной  кислоты  (36—38  %),  pH =0.5,  температура  95  °C

При  использовании  в  качестве  катализатора  Smopex-101  максимальная  концентрация  фруктозы,  приблизительно  3850  µг/мл,  была  достигнута  к  45  минуте  (рисунок  4).  Закономерности  процесса  аналогичны  полученным  для  гомогенной  системы.  Концентрация  глюкозы  в  гидролизате  увеличивалась  до  600  минуты,  и  далее  наблюдали  уменьшение  обоих  моносахаридов.

Рисунок  4.  Выход  моносахаридов  в  результате  кислотного  гидролиза  при  использовании  инулина  (5  мг/мл)  и  Smopex -101,  pH=0.5,  температура  95  °C

Полное  расщепление  негидролизованных  олигосахаридов  произошло  к  1320  минуте.  Количество  димеров  с  течением  времени  уменьшалось  (рисунок  4).

Заключение

Проведение  опытов  в  одинаковых  условиях  с  разными  катализаторами  показало  преимущество  гетерогенного  каталитического  гидролиза.  Наибольшая  полученная  концентрация  фруктозы  равняется  3850  µг/мл,  что  превышает  результат  полученный  при  использовании  гомогенного  катализатора  —  2900  µг/мл. 

Рисунок  4.  Выход  сахаров  в  результате  кислотного  гидролиза  при  использовании  инулина  (5  мг/мл)  и  Smopex -101,  pH=0.5,  температура  95°  C

Процесс  гетерогенного  гидролиза  более  технологичен,  благодаря  легкому  отделению  катализатора  и  возможности  его  повторного  использования,  а  также  отсутствию  стадии  нейтрализации.

Список   литературы:

1.Barclaya  T.,  Ginic-Markovic  M.,  Johnston  M.R.,  Cooper  P.D.,  Petrovsky  N.  Analysis  of  the  hydrolysis  of  inulin  using  real  time  ¹H  NMR  spectroscopy.  Carbohydrate  Research  352  (2012)  117—125.

2.Lam  M.K.,  Lee  K.T.,  Mohamed  A.  R.  Homogeneous,  heterogeneous  and  enzymatic  catalysis  for  transesterification  of  high  free  fatty  acid  oil  (waste  cooking  oil)  to  biodiesel:  A  review.  Biotechnology  Advances  28  (2010)  500—518.

3.Lima  D.M.,  Fernandes  P.,  Nascimento  D.S.,  Ribeiro  R.,  Aparecida  de  Assis  S.  Fructose  Syrup:  A  Biotechnology  Asset.  Fructose  Syrup,  Food  Technol.  Biotechnol.  49  (4)  424—434  (2011).

4.Mäki-Arvela  P.,  Salmi  T.,  Holmbom  B.,  Willför  S.,  Murzin  D.Y.  Synthesis  of  Sugars  by  Hydrolysis  of  Hemicelluloses  A  Review.  2010.

5.Morros  J.,  Levecke  B.,  Infante  M.R.  Hydrophobically  modified  inulin  from  alkenyl  succinic  anhydride  in  aqueous  media.  Carbohydrate  Polymers  84  (2011)  1110—1116.

6.Ricca  E.,  Calabro  V.,  Curcio  S.,  Iorio  G.  Fructose  production  by  chicory  inulin  enzymatic  hydrolysis:  A  kinetic  study  and  reaction  mechanism.  Process  Biochemistry  44  (2009)  466—470.

7.Rocha  J.R.,  Catana  R.,  Ferreira  B.S.,  Cabral  J.M.S.,  Fernandes  P.  Design  and  characterisation  of  an  enzyme  system  for  inulin  hydrolysis.  Food  Chemistry  95  (2006)  77—82.