Изолиране и характеристики

Изследвaния, извършени по поръчка и със съдействие на  ЧАРОДЕЙЦИ – ЕООД в рамките на проект „Топинамбур в България”

Пантелей П. Денев1, Найден Д. Делчев2, Георги Т. Добрев, Иван Н. Панчев, Николай А. Кирчев

Университет по хранителни технологии – Пловдив
Катедра „Органична химия и микробиология”

Резюме
Изолиран е инулин от четири сорта топинамбур („Енергина”, „Верона”, „Топстар”, „Спиндел”). Определени са добивът, чистотата и основните физикохимични характеристики (специфичен ъгъл на оптично въртене, молекулна маса, температура на топене, вискозитет на водни разтвори) на получения полизахарид. Направена е сравнителна характеристика на съдържанието на инулин и общи фруктани в посочените сортове топинамбур. Резултатите пoказват, че получените количества на целевия продукт от четирите сорта са близки като различията са в рамките на 1–3%.С малко по-висок добив (18, 7%) и чистота (91%) се отличава инулинът, изолиран от сорт „Енергина”,отглеждан в Биологично стопанство № 086001 на ЧАРОДЕЙЦИ ЕООД. Това определя посочения сорт топинамбур като най-перспективен източник за получаване на инулин.

Ключови думи: топинамбур, инулин, изолиране, физикохимична характеристика
Въведение
Инулинът е резервен полизахарид, отнасящ се към групата на фруктаните. Той е широко разпространен в растителния свят, но в най-големи количества се открива в корените, коренищата и клубените на представители от сем. Сложноцветни (Asteraceae). В химично отношение представлява линеен полимер, изграден от ß-(2→1) свързани единици на D-фруктозата. Биосинтезът на фруктаните е тясно свързан с метаболизма на захарозата, тъй като те са продукти на нейното фруктозилиране [2]. Поради това всяка от техните молекули съдържа и един остатък от α-D-глюкоза.

През последните години интересът към инулина значително нарастна главно поради неговите здравословни ефекти (подобрява абсорбцията на калция, хиполипидемично действие, прoбиотичен ефект) и функционални свойства (гелообразуване, емулсионни свойства, пеностабилизираща способност и др.). В хранителните продукти той се влага с цел коригиране на някои органолептични и технологични показатели, както и за обогатяването им с растителни влакнини [9]. Разработени са редица методи за изолиране на инулин, различаващи се главно по вида на екстрагентите, условия за провеждане на екстракцията, пречистването и концентрирането [1,4,5,6]. Основна растителна суровина за промишленото му получаване е цикорията (Cichorium intybus L.). Напоследък вниманието на изследователи и производители е насочено към други  нетрадиционни растителни видове, какъвто е топинамбурът (Helianthus tuberosus L.). Той е известен още като земна ябълка или гулия, в чиито клубени съдържанието на инулин варира между 7 и 20 % от свежата маса [8].

Топинамбурът е изключително непретенциозен по отношение на почва, климат и култивиране. Дава висок добив, вирее и се развива успешно на територията на цялата страна. Въпреки това растението у нас е все още подценявано и данните за неговия химичен състав са оскъдни. Липсват сведения за определяне, изолиране и характеристика на инулин от различни наши сортове топинамбур.

Целта на настоящата работа е да се изолира инулин от четири сорта топинамбур, отглеждани у нас и да се определят основните му физикохимични характеристики.
Материали и методи
1. Изходни суровини за получаване на инулин.
В изследванията са използвани клубени от следните сортове топинамбур: „Енергина” (от района на гр. Първомай, Пловдивска област), „Верона”, „Топстар” и „Спиндел” (от района на гр. Берковица, обл. Монтана). Посочените растителни източници бяха във фаза технологична зрялост на клубените.
2. Метод за екстракция на инулина:
100 g от предварително смляната растителна суровина се екстрахират с гореща  вода (t°~90°C) за 2-3 min. Към остатъка от първата екстракция се добавя определено количество вода и процедурата се повтаря. Двата филтрата се смесват. Прибавя се разтвор на Ca(OH)2 до рН 8.0 и сместа престоява 1 h при стайна температура. Отделената утайка се филтрува. Филтратът се неутрализира (при t° 60-65°С) с оксалова киселина до рН 7.0, прибавя се малко активен въглен, разбърква се и се филтрува. При t° 2-5°С филтратът се охлажда в продължение на 24 h. Утаената аморфна маса се филтрува през бюхнерова фуния, след което се промива двукратно с 95 %-ен етанол и еднократно с ацетон. Суши се при 40°С.
3. Аналитични методи.
3.1 Спектрофотометричен метод за определяне на инулин:
2,0 сm3 воден разтвор на инулин се смесват с 2,0 сm3 10 %-на HCl и се нагряват 10 min на кипяща водна баня. Прибавят се 0,5 сm3 реактив на Селиванов (0,5 %-ен разтвор на резорцинол в 20 %-на HCl) и се нагрява още 1 min. Измерва се абсорбцията при 520 nm. За построяване на стандартната права (фиг. 1) е използвана фруктоза, спектрофотометър „Camspec M107”, реактивите са с квалификация р.а.

Фиг. 1 Стандартна права за количествено определяне на инулин.

3.2 Ензимен метод за количествено определяне на фруктани.
Фруктаните са определени със стандартен ензимен кит на Megazyme (Megazyme: fructan assay procedure, 2008).
3.3 Определяне молекулната маса на инулина.
Използвана е HPSEC система (Waters) на колони Ultrahydrogel 500 и Ultrahydrogel 120, стандартизирани с Pullulan, при елуент 0,1 М NaNO3 и скорост на потока 0,8 cm³/min.
3.4 Определяне на специфичния ъгъл на оптично въртене.
Използван е Automatuc digital polarimeter Р3001RS, KRÜSS (Germany), при λ=589 nm.
3.5 Определяне температурата на топене.
Използван е апарат BÜCHI 510 (Switzerland).
3.6 Определяне на редуциращи захари.
Редуциращите захари са определени по метода на Шоорл [ 3].
3.7 Определяне на влага и пепел.
Определени са тегловно:
влага – след сушене на пробата при 105°С до постоянно тегло;
пепел – след изгаряне на пробата при 600°С за 8 h.
3.8 Определяне на динамичния вискозитет.
Използван е капилярен вискозиметър тип „Убелоде” с диаметър на капилярата 0,54 nm. Времето за изтичане на контролната проба (дестилирана вода) е 90,3 s при температура 25±0,1°С. Изследваните проби са с концентрация на инулин 1, 3, 5, 7 и 10 %. Всеки разтвор е изследван при десетократно повторение, а за изчисленията е използвана класическа процедура за статистическа обработка на опитните данни по метода на Гаус. Плътността на разтворите е определена с пикнометър на Гей-Люсак. За изчисляване на динамичния вискозитет на разтворите е използвана формулата на Пуазьой:

където η0 е динамичен вискозитет на водата, mPa.s;
ρ и t – плътността и времето за изтичане на разтвора;
ρ0 и t0 – плътността и времето за изтичане на водата.
Резултати и обсъждане
В таблица 1 са представени данни за съдържанието на инулин и общи фруктани от инулинов тип в четирите изследвани сорта топинамбур.

Табл. 1 Съдържание на инулин и общи фруктани в клубени от топинамбур.

Проба №	Сорт топинамбур	Сухо вещество, %	Добив * на >инулин, %	Чистота на инулина, %	Съдържание на инулин, % свежа маса	Съдържание на инулин, % от а.с.в.	Съдържание на фруктани, % а.с.в.
1	Енергина	23,0	18,7	91	17,0	73,9	74,4
2	Верона	21,9	17,2	88	15,1	68,9	70,1
3	Топстар	20,8	16,4	89	14,6	70,2	72,5
4	Спиндел	23,1	17,8	88	15,7	67,9	69,4

а.с.в. – абсолютно сухо вещество
* – Добив на изолирания продукт спрямо свежата растителна маса

От представените данни се вижда, че добивите на инулин и при четирите сорта са близки като различията са в рамките на 1-3 %. С по-висок добив и чистота се отличава инулинът, изолиран от сорт „Енергина”. Това определя посочения сорт като най-перспективен източник за получаване на инулин. Съдържанието на фруктани в сравнение с инулина е малко по-високо, което е нормално, тъй като използваният ензимен метод определя общото съдържание на фруктани, включително по-нискомолекулните фруктоолигозахариди (без захароза).

В таблица 2 са отразени получените резултати от сравнителните изследвания върху основните физикохимични показатели на инулина, изолиран от четирите сорта топинамбур.

Табл. 2 Физикохимична характеристика на инулин от топинамбур.

СП – степен на полимеризация; Тт – температура на топене; [α]D20 – специфичен ъгъл на оптично въртене.

Важна характеристика на инулина е неговата молекулна маса, която определя до голяма степен и функционалните му свойства. В изследваните четири проби тя варира между 4882-5600 Da, което дава основание инулинът да се определи като средноверижен със СП 28-33. Това се потвърждава и от специфичния ъгъл на оптично въртене, който по литературни данни се движи в границите от -32 до -40° в зависимост от  СП. Високомолекулният инулин, който се получава чрез прекристализация от водни разтвори има [α]D20=-40° [5]. Освен използваният спектрофотометричен метод, за чистотата на получения инулин може да се съди и по неговите физикохимични характеристики. По отношение съдържанието на влага, пепел, редуциращи захари, температура на топене и рН на водни разтвори нашите данни са сходни с известните в литературата за инулин, изолиран от корените на цикория (Radix Cichorii) [7]. Средните стойности на динамичния вискозитет η в зависимост от концентрацията на инулина (от сорт „Енергина”) са представени на фигура 2.

Фиг. 2 Динамичен вискозитет на водни разтвори на инулин.

Аналитичният вид на зависимостта η=f(c) е намерен по метода на регресионния анализ и се подчинява на линейна зависимост от вида η=a+b.c, където c е концентрацията на инулиновите разтвори; a и b – регресионни коефициенти. За изследваните разтвори η=0,9874+0,0682.c, при коефициент на линейна корелация R=0,9962. Това позволява да се прогнозира вискозитетът на инулиновите водни разтвори в зависимост от концентрацията на полизихирида. Получените резултати показват, че до с≤10 % водните разтвори на инулина имат поведение на Нютонови течности.

Заключение
С използвания метод за изолиране на инулин при подбрани оптимални условия се получават сравнително високи добиви и чистота на целевия продукт. Сравнително по-високото инулиново съдържание на сорт „Енергина” го определя като най-перспективен източник за получаване на инулин. Установените молекулни маси на изследвания полизахарид го характеризират като средноверижен, със СП 28-33, което и определя до голяма степен неговите функционални свойства (водоразтворимост, гелообразуване и др.).

Измерването на вискозитета на разтворите е стандартен метод, който характеризира реологичното им поведение. Използването на инулина в хранителните технологии изисква наред с другите негови физикохимични характеристики познаване и на числените стойности на неговия вискозитет. Представените на фиг. 2 резултати позволяват да се определя вискозитетът на инулинови водни разтвори с известна концентрация.

Предложеният спектрофотометричен метод (3.1) може да се използва успешно, както за определяне чистотата на инулина, така и за количествената му идентификация в различни хранителни суровини и продукти.