Оптические свойства йод-полисахаридов крахмала пшеницы

Молекула крахмала состоит из двух полисахаридов – амилозы и амилопектина. Амилоза построена из молекул глюкозы, связанных между собой α-1–4 связями, закрученными в прямую двойную спираль правого вращения. Амилопектин представляет собой разветвленный полимер, состоящий из отрезков амилозы разной длины, соединенных α-1–6 связями с основной цепочкой. Точки ветвления повторяются примерно через 25 глюкозных единиц. Содержание амилозы и амилопектина в крахмале бывает разным в зависимости от биологического вида растения. От этого зависят химические и физико-химические свойства крахмала и его использование в различных областях народного хозяйства.

Крахмал и составляющие его полисахариды образуют с йодом соединения-включения. Под действием йода водные растворы крахмала и амилозы окрашиваются в синий цвет, амилопектина – в красно-фиолетовый. Это связано с различием в строении этих полисахаридов.

Объектом исследования были йод-полисахаридные соединения-включения крахмала пшеницы.

Цель работы – изучить оптические свойства йод-полисахаридов крахмала пшеницы и выявить сходство и различие оптических свойств от полисахаридов других видов крахмалов.

Материалы и методы

Объекты исследования: крахмал зерна пшеницы (ГОСТ 32092-2014) и его полисахариды, амилоза, амилопектин, их смеси в разных соотношениях.

Амилозу и амилопектин получали с использованием бутанола-1, изоамилового спирта, этанола согласно [1,2], используя способность амилозы в отличие от амилопектина образовывать кристаллический комплекс с бутанолом-1.

Осаждение осадков амилозы и амилопектина проводили на центрифуге лабораторной пробирочной ОС-6М (5500 об/мин, 15 мин).

Исходные растворы йода, амилозы, амилопектина, их смесей, крахмала приготавливали концентрацией 1 мг/см3 согласно [1, 2], исследуемые растворы – согласно условиям экспериментов. Полисахариды растворяли в 0,1 н растворе гидрооксида натрия при нагревании в кипящей водяной бане в течение 5 мин, подкисляли до рН 5,0–5,3 и разбавляли до концентрации 0,1 мг/см3.

Исходные растворы амилозы, амилопектина, крахмала, йода приготавливали концентрацией 1 мг/см3 [1, 2]. Взвешивали 100 мг безводного вещества в стакане вместимостью 100 см3, приливали 20 см3 0,1 н раствора NаОН. Стакан погружали в кипящую водяную баню, установленную на обогреваемую магнитную мешалку на 5 мин, затем вынимали, охлаждали, подкисляли уксусной кислотой до рН 5,0–5,3 и доливали дистиллированной водой до объема 100 см3.

Исследуемые растворы приготавливали согласно условиям экспериментов.

В мерную колбу вместимостью 100 см3 вносили исходные растворы, например, по 1; 2; 3; 4; 5; 6 см3 раствора амилозы и по 9; 8; 7; 6; 5; 4 см3 раствора амилопектина, чтобы их суммарная концентрация всегда была 0,1 мг/см3 в 100 см3. Концентрация йода и йодистого калия была разной в зависимости от условий опыта: йода 0,03–0,08 мг/см3 в 100 см3 при соотношении калия йодистого к йоду от 5 до 15. Таким образом, исследуемый раствор содержал от 0,01 до 0,06 мг/см3 амилозы (10–60%) и от 0,09 до 0,04 мг/см3 (90–40%) амилопектина и 0,03–0,08 мг/см3 йода.

Измерение оптических характеристик исследуемых растворов йод-полисахаридных комплексов амилозы, амилопектина, их смесей и крахмала проводили на отечественном спектрофотометре СФ-2000 в диапазоне 200–800 и 400–800 нм.

Результаты и обсуждение

Оптические свойства йод-полисахаридов, интенсивность их окраски зависят от многих факторов – от ботанического вида и сорта крахмала, степени его полимеризации, длины спиралей амилозы, как в амилопектине, так и в амилозе, его модификации (механической, химической или физико-химической). Они зависят от почвенноклиматических и агрохимических условий произрастания крахмалоносов и др.

Оптические свойства йод-полисахаридных комплексов пшеницы отличаются от аналогичных комплексов родственной культуры тритикале (гибрида пшеницы и ржи). Так, амилоза пшеницы имеет величину максимума оптической плотности λ mах при 600 нм, тогда как тритикале – 567 нм. Амилопектин пшеницы имеет λ mах при 565 нм (амилопектин тритикале его не имеет). Кроме этих природных факторов, есть факторы, влияющие на величину оптической плотности исследуемых растворов йод-полисахаридов в процессе приготовления исследуемых растворов. К ним относятся йод и калий йодистый.

Одними из факторов, влияющих на величину оптической плотности йод-полисахаридов, являются концентрации калия йодистого и йода в исследуемом растворе. Надо было установить концентрацию и количество йода, необходимого для полного насыщения полисахаридов йодом при образовании йод-полисахаридных комплексов и в то же время не допустить его большого избытка, так как он смещает максимум оптической плотности йод-полисахарида в коротковолновую область и в растворе с полисахаридами приводит к увеличению оптической плотности исследуемого раствора [4–10].

На рисунке 1а показаны спектры растворов йод-амилозы пшеницы (0,1 мг/см³) в зависимости от концентрации йода. Оптическая плотность растворов йод-амилозы пшеницы с повышением концентрации йода от 0,03 до 0,05 мг/см³ значительно возрастает, а при 0,06 и 0,07 мг/см³ кривые почти накладываются одна на другую. Это свидетельствует о насыщении обоих полисахаридов йодом. При дальнейшем исследовании использовали концентрацию йода 0,06 мг/см³.

b

a

Рисунок 1. Спектры растворов йод-амилозы ( a ) и йод-амилопектина ( b ) пшеницы (0,1 мг/см³) при разных концентрациях йода, мг/см³: 1 – 0,03; 2 – 0,04; 3 – 0,05; 4 – 0,06; 5 – 0,07; 6 – 0,08; 7 – 0,09; 8 – 0,1

Figure 1. The spectra of solutions of iodine-amylose ( a ) and iodine-amylopectin ( b ) of wheat (0.1 mg/cm³) at different concentrations of iodine, mg / cm3: 1 – 0.03; 2 – 0.04; 3 – 0.05; 4 – 0.06; 5 – 0.07; 6 – 0.08; 7 – 0.09; 8 – 0.1

На рисунке 1 b показаны спектры растворов йод-амилопектиновых соединений-включений пшеницы. Максимум оптической плотности йод-амилопектина находится при 565 нм. Хорошо видно влияние йода на йод-амилопекти-новые соединения-включения. Концентрация амилопектина в растворах одинаковая, изменяется только концентрация йода от 0,03 до 0,1 мг/см³. Оптическая плотность с увеличением концентрации йода повышается. При концентрации йода 0,07 и 0,08 мг/см³ и 0,09 и 0,1 мг/см³ кривые накладываются одна на другую. Достигнув максимального значения под влиянием йода, кривые расходятся – это проявляются оптические свойства йода в коротковолновой области спектра. При этом наблюдается незначительное смещение максимума кривых в коротковолновую область.

Как видно из рисунка 1, насыщение полисахаридов пшеницы йодом происходит при концентрации йода 0,06 мг/см3.

Смеси амилозы и амилопектина пшеницы имеют λ mах при 600 нм независимо от концентрации амилозы в смеси. Следует отметить, что величина оптической плотности D смеси больше, чем величина оптической плотности чистой амилозы (рисунок 2) .

Величина оптической плотности D характеризует количество амилозы, вступившей во взаимодействие с йодом. Увеличение оптической плотности в смесях при 600 нм не может быть объяснено наложением пика амилопектина в этой области, так как оптическая плотность D йод-амилопектина при 600 нм существенно ниже, чем оптическая плотность D йод-амилозы. Одним из возможных объяснений является образование в растворе смеси амилозы с амилопектином ассоциатов, в результате чего в мо ните мол

Содержание амилозы, % | Amylase content, %

Рису содержания амилозы и содержания амилозы в смеси с амилопектином пшеничного крахмала

Figure 2. The dependence of optical density on the amylose content and amylose content in a mixture with wheat starch amylopectin

Образование ассоциатов амилозы с амилопектином достигает максимума при соотношении амилозы и амилопектина 1:1.

Таким образом, спектры смесей амилозы и амилопектина не являются суммарным наложением спектров двух разных по свойствам соединений, а являются спектром единого комплекса соединений, находящихся в исследуемом растворе. Тем более что при 600 нм амилопектин имеет низкую оптическую плотность.

Выводы

• 1.    Спектры полисахаридов пшеницы отличаются по величине λ mах и форме кривых от родственных полисахаридов тритикале.

• 2.    Йод-амилоза пшеницы имеет максимум при 600 нм, йод-амилопектин – при 565 нм.

• 3.    Концентрация йода в исследуемом растворе должна быть равной 0,6 мг/см³.

• 4.    Мольное соотношение калия йодистого к йоду должно быть равным 5.