Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук харчових технологій

УТВОРЕННЯ ЗАБАРВЛЕНИХ РЕЧОВИН У ЦУКРОВОМУ ВИРОБНИЦТВІ ТА РОЗРОБКА МЕТОДІВ ЙОГО ІНГІБУВАННЯ

05.18.05 - технологія цукристих речовин

РУДЕНКО ВІРА МИКОЛАЇВНА

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий консультант:

Доктор технічних наук, професор Бобрівник Леонід Дем'янович, Український державний університет харчових технологій, завідувач кафедри органічної хімії.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Олійник Іван Алактионович, Українська Академія державного управління при Президентові України, начальник відділу атестації і розподілу кадрів;

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

доктор технічних наук, професор Ліпєц Антон Адамович, Український державний університет харчових технологій, професор кафедри цукристих речовин.

Провідна установа:

Інститут підвищення кваліфікації і перепідготовки керівних працівників і спеціалістів харчової та переробної промисловості Міністерства агропромислового комплексу України, кафедра технології цукристих речовин, м. Київ.

Захист відбудеться " 6 ” жовтня 1999 р. о 14.00 годині на засіданні 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 реакційноздатних функціональних груп, як гідроксильна (ОН), аміно (NH₂), карбоксильна (СООН) і карбонільна (С=О). Серед реакцій, які можливі між цими групами, амінокарбонільна реакція - унікальна і розглядається як фундаментальна в величезному різноманітті природних явищ, більшість з яких відіграють важливу роль у біологічних та виробничих процесах. Природа надала винятково реакційну систему, у якій сахари і амінокислоти або інші азотовмісні сполуки дуже легко, без участі біокаталізаторів, зазнають глибоких перетворень, що призводять до зміни забарвлення, аромату, розчинності та багатьох інших властивостей природних сполук

Амінокарбонільна реакція є серцем харчової хімії, оскільки саме ця реакція визначає кінцевий результат термічно оброблених продуктів: їхній смак, колір, аромат. Тому дослідження амінокарбонільної реакції в першу чергу пов'язано з вирішенням багатьох практичних завдань - як краще і надійно зберегти поживну цінність харчових продуктів, поліпшити їхні органолептичні показники або звести до мінімуму небажані наслідки цієї реакції.

Амінокарбонільна реакція є надзвичайно складним процесом перетворень сахарів, що містить достатньо велику кількість реакцій, перебіг яких в значній мірі визначається умовами відповідних харчових виробництв.

У виробництві цукру із цукрового буряка та цукрової тростини амінокарбонільна реакція призводить до утворення забарвлених речовин, що знижує якість цукру і вимагає додаткових значних витрат на одержання цукру відповідної якості. А для того, щоб науково-обгрунтовано контролювати процес утворення забарвлених речовин цукрового виробництва необхідно мати достатні знання про характер хімічних перетворень сахарів в умовах цукрового виробництва і особливо тих її стадій, які ініціюють побуріння.

Дослідження амінокарбонільної реакції має певний прогрес, проте проблема утворення забарвлення все ж залишається ще не до кінця з'ясованою. Ставляться під сумнів класичні уявлення про хімізм процесу побуріння, не визначений внесок реакції мутаротації в загальну схему амінокарбонільної реакції, не має єдиного погляду на склад забарвлених речовин цукрового виробництва, не вивчений в повній мірі ефект інгібуючих реагентів в реакції розкладу моносахаридів.

Вирішення таких проблем і стало предметом даного наукового дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися у відповідності з тематикою науково-дослідних робіт УДУХТ, згідно:

пріоритетного наукового напрямку "Розробка нових технологічних процесів та високоефективного обладнання харчових виробництв”;

програми "Удосконалення існуючих і створення нових ресурсозаощаджуючих технологій для переробних галузей АПК”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення закономірностей перебігу реакції побуріння, яка призводить до утворення забарвлених речовин в технологічних умовах цукрового виробництва і визначення природи впливу різних реактантів (нуклеофілів, окисників) на процес утворення забарвлення. Для реалізації поставленої проблеми передбачалося:

визначити місце таутомерних перетворень моносахаридів в загальному перебігу реакції побуріння і з'ясувати вплив умов і реагентів реакції на кількісний вміст ациклічних форм D-глюкози та D-фруктози у водних розчинах;

забарвлення речовина цукровий окисник

вивчити вплив зовнішніх параметрів (рН, температури) на перебіг реакції розкладу D-глюкози і знайти закономірності між утворенням основних інтермедіатів і забарвлених речовин;

оцінити роль реагентів амінокарбонільної реакції, їхньої природи і будови в утворенні основних проміжних сполук і забарвлених речовин;

змоделювати процес утворення різних типів забарвлених речовин цукрового 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 окисників на різних стадіях амінокарбонільної реакції в модельних системах і на заводських розчинах напівпродуктів цукрового виробництва;

розробити ефективні методи інгібування утворення забарвлення та його знебарвлення.

Наукова новизна одержаних результатів. В комплексі розв'язується важлива для цукрового виробництва проблема встановлення закономірностей перебігу реакції утворення забарвлених речовин, що забезпечує розробку ефективних методів його інгібування.

Із застосуванням методу КР-спектроскопії з'ясований вплив гідроксид - і водневих іонів та температури на вміст ациклічних (енольних і карбонільних) форм D-глюкози і D-фруктози та обчислені 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 послідовність і показано, що початком таких перетворень є реакція мутаротації.

Визначені закономірності впливу природи і будови амінокомпоненти на утворення основних інтермедіатів ранніх стадій і забарвлених речовин кінцевої стадії і показано, що нуклеофільність амінокомпоненти має визначальний вплив на перебіг ранніх стадій амінокарбонільної реакції.

З'ясована дія сірковмісних сполук як конкурентів амінокислоти 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 гідроксид - та водневих іонів на перебіг ранніх і кінцевої стадій реакції побуріння, що дозволило виділити зони значень рН, в межах яких відбуваються певні процеси перетворень D-глюкози.

Доказано, що аміновмісні сполуки здатні реагувати із сформованими забарвленими речовинами (продуктами лужного розкладу редукуючих сахарів, карамелями), що не тільки поставило під сумнів існування групи безазотних забарвлених речовин цукрового виробництва, але й показало помилковість класичних положень класифікації забарвлених речовин цукрового виробництва.

Спектроскопічним та хроматографічним дослідженнями доведено, що окисники впливають на всі стадії реакції лужного розкладу D-глюкози і амінокарбонільної реакції. Вони руйнують подвійні зв'язки, починаючи вже із стартової ендіольної форми і закінчуючи хромофорними фрагментами кінцевих забарвлених речовин, 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. Експериментальні та теоретичні дані дослідження перебігу амінокарбонільної реакції мають загальне значення для хімії амінокарбонільної реакції зокрема і харчової хімії в цілому. Вони пов'язані з вирішенням фундаментальних проблем харчової хімії - взаємозв'язку стану реакційної системи (зовнішньому і внутрішньому) і її реакційної здатності для пояснення та завбачення наслідків відповідних перетворень, які формують харчові якості продуктів.

Подані в роботі дані впливу нуклеофільності і будови компонентів амінокарбонільної реакції на утворення проміжних сполук ранніх стадій реакції, які ініціюють утворення забарвлення, і кінцевих забарвлених речовин дозволять вирішувати проблему раціонального 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 основою для розробки способу інгібування процесу утворення забарвлених речовин під час обробки соку на дефекації та підвищення термостійкості соків. Ефективність запропонованого способу була перевірена на напівпродуктах Яготинського експериментального заводу (1994 р.) та Ульянівського цукрового заводу (1995 р.). Спосіб був впроваджений на Золочівському цукровому заводі (1995 р.).

Здатність окисників розщеплювати подвійні зв'язки сформованих хромофорів забарвлених речовин була покладена в основу методу зменшення забарвлення напівпродуктів переробки цукру-сирцю. Метод був перевірений на напівпродуктах Салівонківського цукрового заводу (1996 р.).

Достовірність роботи. Достовірність отриманих результатів досліджень, висновків і рекомендацій забезпечена використанням сучасних методів досліджень і підтверджується адекватністю результатів 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 розкладу редукуючих сахарів; оброблені та узагальнені чисельні дані спектроскопічного дослідження; розроблені теоретичні концепції впливу реагентів та окисників на структуру проміжних сполук та забарвлених речовин в реакціях розкладу редукуючих сахарів; проведено дослідження способу інгібування процесу утворення забарвлених речовин з використанням комбінованого окисника (суміші хлорного вапна з повітрям) на гарячій дефекації і способу знебарвлення вже сформованих забарвлених речовин під час переробки тростинного цукру-сирцю. Постановку ряду задач, аналіз та узагальнення результатів досліджень проведено спільно з науковим консультантом д. т. н. Бобрівником Л.Д., дослідження методом КР-спектроскопії - з к. х. н. Клімовичем В.М. Ряд досліджень виконано в процесі керування науковою роботою аспіранта Совершенної І. О.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи подавалися і обговорювалися на Міжнародній науковій сесії "Научните изследвания и технологичният трансфер-фактори за обновление на ХВП" (Пловдив, жовтень, 1988 р.), 20-й Генеральній асамблеї C.I. T. S. (Мюнхен, червень, 1995 р.), конференції C.I. T. S. (Прага, травень, 1997 р.), 25-й Генеральній асамблеї C.I. T. S. (Антверпен, травень, 1999 р.), Міжнародному семінарі "Підвищення ефективності бурякоцукрового виробництва та проблеми екології і відходів" (Київ, листопад, 1994 р.), Республіканській науково-технічній конференції "Интенсификация технологий и совершенствование оборудования перерабатывающих отраслей АПК" (Київ, 1989 р.), Республіканській науково-технічній конференції "Разработка и внедрение высокоэффективных ресурсосберегающих технологий, оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающую отрасли АПК" (Київ, 1991 р.), Всеукраїнській 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 спеціалістів цукрових заводів, асоціацій та групових лабораторій "Підвищення ефективності бурякоцукрового виробництва" (Київ, квітень, 1999 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладений в 32 статтях у фахових наукових журналах і збірниках наукових праць, 12 тезах доповідей на міжнародних і Республіканських конференціях та семінарах. Одержано 1 патент України та 1 заявка на патент України знаходиться на розгляді Комітету.

Об'єм дисертації. Робота складається із вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел з 327 найменувань і додатків. Робота викладена на 261 сторінці машинописного тексту (без врахування 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 забарвлених 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 виробництва. Дана класифікація забарвлених речовин цукрового виробництва і ілюструються механізми їхнього утворення. Описані джерела виникнення різних груп забарвлених речовин на різних ділянках технологічного процесу виробництва цукру і наведена їхня характеристика. Розглянуто вплив деяких допоміжних реагентів (формальдегід, SO₂ і сульфіти, Н₂О₂ і О₂) як інгібіторів реакції побуріння в цукровому виробництві.

Розділ 2. "Об'єкти та методи досліджень”.

Реакція побуріння, яка вважається основною в утворенні забарвлених речовин цукрового виробництва є складним процесом перетворень редукуючих сахарів. І це однозначно визначило вибір моносаридів як об'єктів дослідження в модельних системах: водні розчини моносахариду (D-глюкоза, D-фруктоза); моносахарид/аміносполука. Модельне вивчення реакції - один з найзручніших методів спостереження природних систем, оскільки дозволяє досліджувати окремі процеси перетворень ізольовано від багатьох інших, які завжди мають місце в реальних умовах реакції.

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

Для ідентифікації таких проміжних сполук з метою встановлення закономірностей в перебігу основних стадій реакції, які призводять до забарвлення, використовувалися загальноприйняті спектральні методи (УФ-, ІЧ-, КР-спектроскопія, ЯМР-спектрометрія) і хроматографічні методи аналізу (HPLC-розділення, гельхроматографічне 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 складових надзвичайно складного процесу перетворень сахарів в амінокарбонільній реакції і окреслити його реальні шляхи на першому етапі дослідження були вибрані модельні системи, що складалися з простих карбонільних сполук (ацетальдегід, гліцеральдегід, дигідроксіацетон) і для порівняння із D-глюкози за наявності або у відсутності амінокислоти.

Методами УФ-спектроскопії доведено, що проміжні карбонілвмісні сполуки ранніх стадій реакції досліджуваних систем утворилися від подібних частинок і зазнали схожих перетворень: ацетальдегід, тріози - реакцій альдолізації, а гексоза - реакцій деальдолізації (фрагментації) з наступною альдолізацією.

Дані ІЧ-спектроскопії і елементного аналізу забарвлених речовин, виділених із досліджуваних модельних систем, також свідчать про схожість перетворень ацетальдегіду, тріоз і D-глюкози (а це може бути, якщо припустити деальдолізацію останньої) і певні відмінності від перетворень ацетальдегіду.

Хроматографічне розділення на Sephadex G-15 проміжних продуктів перетвореннях дигідроксіацетону і подальший аналіз (GC-MS-спектрометрія і ІЧ-спектроскопія) головних фракцій припускають альдольну конденсацію і дають інформацію про можливу структуру відповідних проміжних сполук.

Спостереження за перетвореннями карбонілвмісних сполук свідчать про те, що процес побуріння в нейтральному та лужних середовищах проходить, в основному, через деальдолізацію (фрагментацію) сахарів з наступною альдозацію, а аміносполуки 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 карбонільні смуги поглинання D-глюкози (1718, 1726 і 1733 см^-1) і D-фруктози (1716, 1728 і 1733 см¹), кожна з яких відповідає існуванню трьох таутомерних форм: 3-кето, 2-кето, альдегідо. Три смуги поглинання D-глюкози і D-фруктози надзвичайно чутливі до рН, що дозволило контролювати вміст відкритих форм в розчинах відібраних сахарів як функції рН.

На основі інтегральних інтенсивностей карбонільних смуг D-глюкози і D-фруктози для кожного сахару були обчислені відносні концентрації ациклічних форм (в %). Для розрахунку, як репер, була взята концентрація ациклічної форми D-глюкози 0,04% (в нейтральному розчині) і концентрація ациклічної форми D-фруктози 0,7% (табл.1).

Таблиця 1

Вплив концентрацій Н⁺ і ОН на вміст карбонільних таутомерів 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 ендіольне утворення, показували смугу поглинання при 1650 см^-1 (область поглинання енолів). Засвідчено, що ендіольна смуга в такій самій мірі, як і карбонільна смуга, чутлива до концентрації гідроксид-іонів.

Таблиця 2

Вплив температури на відносну концентрацію ациклічних форм D-глюкози і D-фруктози

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 зафіксовано за зміненням їхніх інтегральних інтенсивностей в температурному діапазоні 20-95С в разі значень рН 2,0-9,0 (табл.2), і до того ж температура мала значно більший вплив на таутомерне перетворення D-глюкози і D-фруктози, ніж рН.

Інтенсивність смуг карбонільного (1710-1740 см^-1) і енольного (1650 см^-1) поглинання розчину D-глюкози (рН 7,0) помітно збільшується за наявності гліцину, порівняно з відповідними смугами 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 складовою початкової стадії амінокарбонільної реакції і її необхідно враховувати в загальній схемі перетворень, оскільки зовнішні параметри реакції Майяра (рН, температура) вже впливають на перебіг таутомерних перетворень редукуючих сахарів.

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

Методом УФ-спектроскопії досліджено утворення інтермедіатів і забарвлених продуктів лужного розкладу D-глюкози (в діапазоні рН 9,0-13,0 і температури 20-95С). Доведено, що концентрація ОН-іонів має визначальний вплив на напрямок перетворень дикарбонільних сполук під час нагрівання розчинів D-глюкози.

В разі низьких концентраціях ОН-іонів (рН 8,0-9,0): (1) в значній мірі йде кислотоутворення, напевно, через бензилокислотне перегрупування дикарбонільних сполук і -дикарбонільне розщеплення; (2) розклад D-глюкози 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-іонів, тому зберігаються і продовжують перетворення лише в нейтральних та кислих середовищах; (4) проміжні сполуки з _max280 нм [ (ди) карбонільні сполуки] існують і активно перетворюються в лужних розчинах.

З підвищенням концентрації ОН-іонів (рН9,0) кислотоутворення знижується, починають все більше переважати реакції розщеплення дикарбонільних сполук і навіть ендіольних структур з утворенням реакційноздатних карбонілвмісних сполук (_max265 нм), середовище залишається лужним і створюються надзвичайно сприятливі умови для подальших реакцій конденсацій, які закінчуються полімеризаційним процесом і активним утворенням забарвлених речовин.

З використанням хроматографічних методів аналізу (GC-MS-спектрометрія) досліджувався склад низькомолекулярних продуктів розкладу D-глюкози (рН 11,0), серед яких ідентифіковані не описані в літературі похідні фурану, кислоти та карбонілвмісні сполуки.

Підрозділ 4.3 "Ефект температури на утворення проміжних сполук і забарвлених речовин в реакції лужного розкладу D-глюкози”.

Спектральне дослідження (методами КР - і УФ-спектроскопії) лужних розчинів D-глюкози в діапазоні рН 8,0-10,0 і в інтервалі температур 20-95С указує на існування температурних зон, в межах яких відбуваються різні процеси перетворень (рис.2):

інтервал 20-40С - зона таутомерних перетворень D-глюкози, в якій з підвищенням температури швидко зростає інтенсивність карбонільного поглинання;

інтервал 40-60С - зона ранніх стадій реакції розкладу D-глюкози, де спостерігаються активні перетворення карбонільних форм D-глюкози, концентрація яких з підвищенням температури при рН 8,0 вже не змінюється і навіть зменшується при рН 9,0-10,0;

інтервал 60-95С - зона подальших перетворень ранніх стадій реакції розкладу D-глюкози, коли має місце активне утворення (ди) карбонілвмісних проміжних сполук. З підвищенням температури інтенсивність карбонільного поглинання починає знову зростати і чим вище концентрація ОН-іонів, тим швидше збільшується концентрація карбонілвмісних інтермедіатів, особливо при t>80C.

Підрозділ 4.4 "Ефект концентрації водневих іонів на утворення проміжних сполук в реакції розкладу D-глюкози”.

Спостереження за зміненням вихідного рН і УФ-поглинання під час нагрівання досліджуваних кислих розчинів D-глюкози (рис.3) дозволили постулювати, що в слабкокислих розчинах реалізуються два напрямки перетворень дикарбонільних сполук: (1) дегідратація з утворенням реакційноздатних ненасичених карбонілвмісних інтермедіатів (ізомерів 3,4-дидезокси-D-глюкозону), які поглинають 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 структури і наступні реакції дегідратації, але зводять до мінімуму можливі реакції альдолізація (ди) карбонільних сполук, ось чому в кислих розчинах можна зафіксувати такі реакційноздатні інтермедіати, як ненасичені озони, що поглинають в дальній УФ-області ( 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 забезпечує стабільність D-глюкози і не сприяє швидкому утворенню ендіольної структури, як стартового інтермедіата для подальших перетворень. 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 реакції кислотного розкладу D-глюкози (рис.4):

t 20-60С - зона таутомерних перетворень D-глюкози;

t 60-80C - початок перетворення ациклічних форм (карбонільних і ендіольних) D-глюкози;

t 80-95C - активне утворення (ди) карбонільних проміжних сполук в швидких перетвореннях нестабільних і реакційноздатних інтермедіатів попередніх стадій.

Спостереження за змінами під час нагрівання водних розчинів D-глюкози в діапазоні всієї шкали значень рН (1,0-13,0) дозволили виявити подібність і відмінність в перебігу ранніх стадій реакції розкладу D-глюкози. Можна постулювати, що перетворення редукуючих сахарів мають загальну послідовність, яка реалізується в таких основних етапах:

І етап - перетворення D-глюкози починаються з реакції мутаротації, 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 інтермедіати в лужних розчинах легко зазнають подальших перетворень, тому фіксуються лише в разі слабколужних і кислих значень рН і їхня стабільність збільшується із зниженням рН.

Подальші перетворення, в першу чергу інтермедіатів попередніх етапів, в повній мірі залежать від концентрації гідроксид - і водневих іонів:

в лужних розчинах гідроксид-іони каталізують реакції конденсації карбонілвмісних інтермедіатів, що швидко призводить до утворення низькомолекулярних і високомолекулярних забарвлених сполук;

в кислих розчинах водневі іони каталізують реакції дегідратації і до того ж зводять до мінімуму реакції конденсації і вони ж сприяють швидкому 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 реакції розкладу редукуючих сахарів”

З погляду на те, що в загальному перебігу процесу побуріння основною реакцією є перетворення моносахаридів досліджувався характер впливу амінокомпоненти на перебіг реакції розкладу редукуючих сахарів в амінокарбонільній реакції в температурному інтервалі t 5-95C.

Методом УФ-спектроскопії показано, що вже за низьких температур аміновмісні сполуки легко вступають в реакцію нуклеофільного приєднання до подвійного зв'язку ненасичених озонів і тому в реакційній системі D-глюкоза/гліцин не спостерігається поглинання в дальній УФ-області при 225 нм (рис.5).

Утворення кислих продуктів в процесі перетворення D-глюкози йде різними шляхами в її чистих лужних розчинах і в реакційній суміші з гліцином. Гідроксид-іони в лужних розчинах D-глюкози разом з каталізом ендіольних перетворень і реакцій альдолізації каталізують і конкуруючі реакції бензилокислотного перегрупування і -дикарбонільного розщеплення (утворення відповідних кислот). Амінокислота в більшій мірі, ніж ОН-іони, сприяє реакціям альдолізації (ди) карбонільних сполук, а зниження рН, що спостерігається, напевно, спричиняється утворенням низькомолекулярних кислих продуктів реакцій альдолізації. Амінокислота продовжує активізувати перетворення стабільніших інтермедіатів з 285 нм на проміжній стадії реакції побуріння.

Показано, що за наявності гліцину утворення забарвлених полімерів включає не тільки полімеризаційний процес, але і, можливо, реакції приєднання, елімінування, в той час, як в лужному розчині D-глюкози утворення забарвлених речовин являє собою доволі постійний і однорідний процес, дуже схожий на просту полімеризаційну реакцію (рис.6).

Порівняльний аналіз КР-спектрів досліджуваних систем D-глюкоза/ОН і D-глюкоза/гліцин/ОН добре узгоджуються з даними УФ-спектроскопії про взаємодію гліцину з проміжними сполуками реакції розкладу D-глюкози (ненасиченими озонами, (ди) карбонільними сполуками).

Підрозділ 5.2 "Вплив азотовмісних сполук на утворення проміжних і забарвлених речовин”.

Досліджувалась дія різних азотовмісних сполук (амінів: н-бутиламін, дибутиламін, триетиламін; амінокислот: лізин, -феніл - -аланін, -феніл--аланін, гліцин, глутамінова кислота, лейцин, триптофан, аспарагінова кислота, валін, аспарагін, -аланін, -аланін, пролін, цистеїн; амідів: ацетамід, карбамід; тіоамідів: тіокарбамід, тіоацетамід) в модельній реакційній системі D-глюкоза/азотовмісна сполука.

Методом УФ-спектроскопії показано, що аміносполуки залежно від своєї будови і природи здатні (або не здатні) утворювати з інтермедіатами проміжні структури, які: (1) легко зазнають подальших перетворень до забарвлених речовин, або (2) внаслідок своєї стабільности і незначної активності в певній мірі вилучаються з подальших перетворень і концентруються 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, тіогліколь, тіоацетамід, тіокарбамід, тіогліколева кислота), ОН-іонів та гліцину на перебіг перетворень в реакційних системах D-глюкоза/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-глюкози, проте наступні перетворення вже залежать: (1) від реакційної здатності інтермедіатів, що утворилися, (2) від природи складових вихідної реакційної системи. Так, тіогліколева кислота з сильною нуклеофільною HS - групою, замість очікуваного зниження забарвлення, діє сінергітично з ОН-іонами, що призводить, навпаки, до збільшення забарвлення в системі D-глюкоза /ОН/тіосполука. Така ж сама тіогліколева кислота в реакційній системи D-глюкоза/гліцин/тіосполука виконує вже роль інгібітору реакції побуріння (табл.3), що є класичним прикладом конкуренції сильнішого реагенту за право брати участь в подальших перетвореннях карбонільної групи D-глюкози.

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 карбонільною групою D-глюкози і реагує з проміжними структурами реакційної системи D-глюкоза/гліцином з утворенням тіазолідинової структури І. А це означає, що за наявності тіогліколевої кислоти активні інтермедіати вилучаються з подальших перетворень і в такому разі спостерігається зменшення забарвлення.

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

Підрозділ 5.4 "Вплив гідроксид-іонів та гліцину на перебіг перетворень проміжних сполук реакції розкладу D-глюкози”.

Методами УФ-, КР-спектроскопії показано, що гліцин, порівняно з гідроксид-іонами, активніший до карбонілвмісних проміжних сполук ( 265-285 нм) і озонів ( 215-225 нм), проте гідроксид-іони, в більшій мірі, ніж гліцин, сприяють перетворенню їх у карбоксилвмісні 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 карбоксилвмісних сполук. Карбонілвмісні проміжні сполуки кислотного розкладу ( 280 нм) достатньо стійкі в кислому середовищі і гліцин не активує їх до подальших перетворень в забарвлені полімери.

Підрозділ 5.5 "Ефект концентрації водневих та гідроксид-іонів на перебіг перетворень ранніх і кінцевої стадій в реакційній системі D-глюкоза/гліцин”.

Спектральними методами доведено, що за впливом ОН - та Н-іонів на утворення (ди) карбонілвмісних інтермедіатів ранніх стадій амінокарбонільної реакції шкалу значень рН можна поділити на декілька зон (табл.4), в межах яких відбуваються певні процеси перетворень D-глюкози:

в області рН 1,0-2,0 високі концентрації Н-іонів сприяють достатньо швидким реакціям дегідратації D-глюкози з переважним утворенням (ди) карбонільних сполук (в тому числі 5-ГМФ);

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

Таблиця 4

Відносні швидкості утворення проміжних сполук в реакційній системі D-глюкоза/гліцин (0,05 моль/л D-глюкози 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 7,0-9,0 з підвищенням концентрації ОН-іонів збільшуються швидкості ранніх стадій загальної схеми амінокарбонільної реакції;

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

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

Таблиця 5

Відносні швидкості утворення забарвлених речовин в реакційній системі D-глюкоза/гліцин (0,5 моль/л D-глюкози 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 речовин в діапазоні рН 1,0-13,0 має деякі відмінності (табл.5): так, зі зростанням концентрації водневих іонів від рН 7,0 до 1,0 швидкості зменшуються рівномірно. В зоні кислих 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 утворення забарвлених продуктів під час зростання концентрації гідроксид-іонів.

Підрозділ 5.6 "Ефект концентрації реагентів на перебіг амінокарбонільної реакції”.

Кінетичне дослідження амінокарбонільної реакції на основі спектрального аналізу показало, що вплив концентрації D-глюкози на перебіг амінокарбонільної реакції в модельній системі D-глюкоза/гліцин визначається її зовнішніми чинниками, насамперед, концентрацією гідроксид - і водневих іонів і підтверджує припущення про існування певних зон шкали значень рН, в межах яких відбуваються дещо різні за характером перетворення D-глюкози під час амінокарбонільної реакції.

Участь гліцину у перетвореннях D-глюкози за всіх лужних значень рН (крім рН 13,0) призводить до сильнішого поглинання в УФ-області (O. D. _280нм) і видимій області, проте ефект концентрації гліцину на утворення карбонілвмісних інтермедіатів і забарвлених речовин в повній мірі визначається концентрацією гідроксид-іонів, яка відповідає певним областям шкали лужних значень рН (рис.7). При рН 13,0 перетворення D-глюкози на ранніх стадіях реакції відбуваються без участі гліцину, оскільки його наявність і навіть збільшення концентрації (до співвідношення 1: 5) не впливають на перебіг перетворень, лише високі концентрації гліцину (вище співвідношення 1: 5) дещо сповільнюють реакції утворення карбонілвмісних інтермедіатів, що спричиняє подальше зменшення барвоутворення.

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 кінетичним рівнянням оборотної реакції першого порядку:

де Р - продукт реакції

Обчислені константи швидкості k₁ і k₂ кінетичного рівняння оборотної реакції першого порядку:

lg ( ) lg (_o - ) 0,434 (k₁ k₂).

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

k_еф. ³/₂ ³/₂.

Розділ 6 "Дія окисників як інгібіторів утворення проміжних сполук і забарвлених речовин в реакціях розкладу D-глюкози" складається з двох підрозділів.

Підрозділ 6.1 "Модельна система D-глюкоза/ОН.

Вивчався ефект різних окисників (розведеного розчину перманганату калію KMnO₄, розчину брому у воді HBrO, кисню О₂, хлорного вапна CaOCl₂) на утворення інтермедіатів ранніх стадій перетворень 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) показав значне зниження інтегральної інтенсивності смуги 1650 см^-1, що вказує на руйнування ненасичення в ендіольних інтермедіатах реакції мутаротації D-глюкози (рис.8), що вже призводить до загального сповільнення подальших перетворень D-глюкози.

Введення окисника повністю змінило УФ-поглинання розчину D-глюкози (рис.9): зникла смуга поглинання ненасиченого озону (_max225 нм), а смуга карбонільного поглинання (_max280 нм) гіпсохромно змістилася (_max260 нм) і її інтенсивність значно зменшилась. Отже, дія окисника спрямована на руйнування подвійних зв'язків основних проміжних сполук - ненасичених озонів і енольних форм (ди) карбонільних інтермедіатів.

В КР-спектрах досліджуваних розчинів з окисниками (KMnO₄, HBrO) мало місце помітне зниження інтенсивностей в області характеристичних частот поглинання карбонільної групи (1740-1720 см¹) і подвійних С=С зв'язків (рис.10), що підтверджує руйнування під дією окисників проміжних сполук ранніх стадій реакції лужного розкладу D-глюкози.

Аналіз УФ-поглинання розчинів реакційної системи D-глюкоза/ОН з окисниками показує, що кисень і навіть повітря виявляють помітну окиснювальню дію щодо проміжних сполук ранніх стадій перетворень D-глюкози: ненасичених озонів ( 225 нм) і [ди] карбонільних інтермедіатів ( 280 нм).

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

Високі концентрації гідроксид-іонів самі вже спричиняють руйнування хромофорних структурних фрагментів забарвлених речовин і тому вплив окисника за таких умов зменшується.

Досліджувалася реакція лужного розкладу D-глюкози в атмосфері 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 ранніх стадій і забарвлених речовин кінцевої стадії амінокарбонільної реакції визначається наявністю водневих та гідроксид-іонів та їхньої концентрацією і залежить від перебігу ранніх стадій амінокарбонільної реакції в межах певних зон шкали значень рН.

В кислих розчинах системи D-глюкоза/гліцин кисень повітря нездатний руйнувати проміжні сполуки кислотного розкладу D-глюкози і сприяє їхнім подальшим перетворенням до карбоніл - і карбоксилвмісних інтермедіатів (рис.12). Зі зменшенням концентрації водневих іонів (рН 4,0 6,0) вплив кисню на утворення карбонілвмісних інтермедіатів зменшується і в цьому разі збільшується утворення карбоксилвмісних інтермедіатів, оскільки з наближенням до лужної області змінюється і перебіг початкових стадій реакції. В області рН 3,0 кисень повітря виявляє незначний вплив на утворення (ди) карбонільних інтермедіатів.

В лужних розчинах системи D-глюкоза/гліцин кисень повітря, через руйнування стартового ендіольного інтермедіата, сповільнює утворення карбонілвмісних інтермедіатів і можливо, навіть частково окиснює останні, внаслідок чого прискорюються процеси утворення карбоксилвмісних інтермедіатів і зменшується забарвлення. На ефективність інгібуючої дії кисню повітря впливає концентрація гідроксид-іонів: високі концентрації ОН-іонів (рН 12,0-13,0) руйнують стартові ендіольні інтермедіати, і в такому разі вплив кисню повітря знижується, а з часом нагрівання він навіть не виявляє інгібуючої дії на утворення забарвлення (рис.13).

Спектроскопічне і хроматографічне дослідження (HPLC-розділення) поведінки проміжних сполук, які утворилися в системі D-глюкоза/гліцин з CaOCl₂ (1:

1) показало, що за зазначених умов експерименту окисник руйнує подвійні зв'язки інтермедіатів.

Розділ 7 "Забарвлені речовини продуктів бурякоцукрового виробництва" складається з трьох підрозділів.

Підрозділ 7.1 "Утворення забарвлених речовин за умов бурякоцукрового виробництва”.

Досліджувалась можливість взаємодії продуктів лужного розкладу редукуючих сахарів ПЛРРС і карамелів з амінокислотами. ПЛРРС і карамелі (карамелан, карамелен, карамелін), що були виділені із модельних систем за класичною методикою, нагрівали кожний (10 год.) з глутаміновою кислотою аналогічно утворенню меланоїдинів.

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

Аналіз і порівняння ІЧ-спектрів ПЛРРС, карамелей та забарвлених речовин на їхній основі (рис.14), дозволив засвідчити і пояснити зміни, які виникли в будові ПЛРРС, карамелей внаслідок взаємодії останніх з глутаміновою кислотою.

В ІЧ-спектрі забарвленого продукту взаємодії ПЛРРС з глутаміновою 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 NH_{2 (}NH, NH₃⁺) 1625 см¹, з'явилася смуга поглинання біля 1380 см¹, обумовлена, можливо, валентними коливаннями зв'язку СN.

Отже, маємо певні докази безпосередньої взаємодії глутамінової кислоти з полімерними фрагментами продуктів лужного розкладу D-глюкози. Наявність в таких ПЛРРС подвійних зв'язків, активованих карбонільною групою, здатних відносно легко приєднувати амінофункцію робить таку взаємодію цілком реальною.

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

В ІЧ-спектрах продуктів, що утворилися після нагрівання карамелей з глутаміновою кислотою, зникає смуга валентних коливань С=О лактону (1750 см¹), а замість неї з'являється смуга деформаційних коливань NH₂ (NH, NH₃⁺) біля 1650 см¹.

Отже, експериментальні дані свідчать про те, що карамелі, за наявності амінокислоти, реагують з останньою, і цілком можливо, що така взаємодія призводить до гідролізу лактонної структури карамелів.

Таким чином, малоймовірно, що за умов цукрових виробництв можливе утворення безазотних забарвлених речовин (ПЛРРС і карамелей). Результати дослідження показують, що аміновмісні сполуки (амінокислоти, пептиди, аміак) здатні реагувати з кінцевими полімерними структурами, хоча така взаємодія може реалізуватися і на проміжних стадіях перетворень редукуючих сахарів. Такі спостереження приводять до висновку, що всі забарвлені речовини продуктів цукрових виробництв є азотовмісними, в утворенні яких, незалежно від зовнішніх чинників, зокрема рН, беруть участь аміновмісні сполуки, що завжди присутні в будь-якому виробничому розчині на верстаті цукрового заводу.

Підрозділ 7.2 "Виділення та дослідження”.

Досліджувалися забарвлені речовини: соку ІІ сатурації, сиропу, зеленої патоки І продукту та меляси. Вибір об'єктів дослідження був визначений поставленою проблемою: простежити, як змінюються характеристики забарвлених речовин, які сформувалися за різних умов на протязі технологічного процесу бурякоцукрового виробництва. Сироп містить забарвлені речовини, що утворилися під час дефекосатурації у сильнолужному середовищі і під час упарювання соків за високих температур, що дозволяє вважати їх продуктами перетворень моносахаридів. Меляса містить крім забарвлених речовин, що перейшли із сиропу, і нові, що сформувалися під час кристалізації цукру в слабколужних і майже нейтральних умовах продуктового відділення і які є продуктами амінокарбонільної реакції.

З кожного продукту були виділені по дві фракції забарвлених речовин, які різнилися за молекулярною масою: І фракція - високомолекулярна, темнобрунатного кольору і ІІ фракція - низькомолекулярна світложовтого кольору. Забарвлені речовини перекристалізовували із етилового спирту і для сполук, виділених із сиропу і меляси визначали елементний склад (табл.6).

Таблиця 6

Елементний склад забарвлених речовин, виділених із сиропу і меляси

Забарвлені речовини	Елементний склад, %
	С	H	N	O
Сиропу	І фракція	40,63	6,13	4,46	48,78	0,1
	ІІ фракція	39,79	6,07	2,48	51,66	0,06
Меляси	І фракція	42,67	5,74	4,75	46,84	0,11
	ІІ фракція	38,57	7,82	1,7	51,91	0,04

Збільшення вмісту азоту (за співвідношенням ) і молекулярної маси під час формування високомолекулярних фракцій виділених забарвлених речовин чітко вказує на те, що за визначених умов виробничого процесу здійснюються реакції приєднання амінофункції азотовмісних сполук до структурних фрагментів забарвлених речовин, до того ж в мелясі реакції приєднання здійснюються активніше.