Методы количественного и качественного анализа углеводов в сельскохозяйственных растениях

Анализ углеводного состава растений необходим для оценки питательности кормов, прогнозирования лежкости овощей и контроля созревания культур. Разные группы углеводов — от простых сахаров до структурной целлюлозы и лигнина — требуют специфических подходов в лаборатории. Точные данные помогают агроному вовремя скорректировать технологию возделывания, сроки уборки и режимы хранения продукции.

Анализ простых сахаров и пектинов

Определение простых (редуцирующих) сахаров основано на их способности легко окисляться и восстанавливать другие соединения. В лабораторной практике для этого чаще всего используют феллингову жидкость — щелочную смесь медного купороса с сегнетовой солью. Благодаря присутствию сегнетовой соли гидроксид меди в щелочной среде не выпадает в осадок, образуя комплексное соединение. Реактив окисляет альдегидные и кетонные группы сахаров, в результате чего образуется осадок закиси меди.

Количество образовавшейся закиси меди, по которому судят о концентрации сахара в пробе, определяют объемным способом:

1. На осадок закиси меди воздействуют сернокислым окисным железом или железоаммиачными квасцами в кислом растворе, переводя медь в окисную форму и восстанавливая железо.
2. Количество образовавшегося двухвалентного железа определяют титрованием перманганатом калия в кислой среде.

Для быстрого определения общего количества всех растворимых сахаров удобно использовать экспресс-метод на основе цветной реакции с фенолом. Он включает следующие последовательные этапы:

1. Извлечение растворимых сахаров из растительного материала этиловым спиртом.
2. Удаление спирта выпариванием и последующее растворение сухого остатка сахаров в воде.
3. Добавление к водному раствору фенола и концентрированной серной кислоты для окрашивания смеси в желто-оранжевый цвет.
4. Определение интенсивности окраски раствора на фотоэлектроколориметре или спектрофотометре.

Точный качественный и количественный анализ отдельных сахаров проводят методами газожидкостной, ионообменной или жидкостной хроматографии. Также количественные определения выполняют методом ионометрии с помощью высокоселективных ферментных электродов.

Для анализа пектиновых веществ используют объемный метод, который состоит из трех этапов:

• Экстрагирование: водорастворимые вещества извлекают водой, нерастворимые — соляной кислотой и лимоннокислым аммонием.
• Осаждение: после омыления пектиновые вещества осаждают из раствора в виде медных комплексов.
• Анализ: содержание пектиновых веществ рассчитывают по количеству связанной меди, которое определяют объемным методом.

Методы определения крахмала и структурных углеводов

Методы анализа крахмала базируются на его ферментативном или кислотном расщеплении до глюкозы, либо на оценке интенсивности окраски крахмал-иодного комплекса. В лабораторной практике наиболее распространены три подхода.

Первый подход — метод кислотного гидролиза с предварительным извлечением крахмала. Он включает следующие этапы:

1. Экстракция крахмала из растительного материала хлорной кислотой и его осаждение в виде иодного комплекса.
2. Химическое разложение образовавшегося иодного комплекса.
3. Гидролиз высвобожденного крахмала до глюкозы.
4. Определение количества полученной глюкозы объемным методом с феллинговой жидкостью и последующий расчет содержания крахмала.

При использовании второго (объемного) метода крахмал переводят в раствор путем нагревания в растворе нитрата кальция и осаждают в виде иодного комплекса. Далее проводят следующие реакции:

1. Окисление крахмала в кислой среде бихроматом калия до диоксида углерода и воды.
2. Разрушение избытка бихромата калия добавлением иодистого калия.
3. Титрование выделившегося свободного иода гипосульфитом.
4. Вычисление содержания крахмала по количеству прореагировавшего титранта.

Колориметрический метод анализа крахмала включает следующие шаги:

1. Растворение крахмала в горячем растворе нитрата кальция.
2. Осаждение иодом в присутствии иодистого калия и нитрата кальция до образования темно-синего соединения.
3. Растворение полученного осадка в растворе едкого натра.
4. Разбавление смеси водой до определенного объема.
5. Проведение цветной реакции с иодом в кислой среде.
6. Измерение оптической плотности раствора и расчет концентрации по графику.

• Концентрация нитрата кальция для растворения — 80 %
• Содержание иода в крахмальном комплексе — 14–16 %
• Длина волн для колориметрии — 580–610 нм

Гемицеллюлоза. Анализ этого полисахарида строится на количественном определении восстанавливающих сахаров, образующихся после кислотного или щелочного гидролиза растительной ткани. Расчет ведут с использованием специальных переводных коэффициентов.

Целлюлоза. Содержание клетчатки определяют весовым методом. Для этого проводят гидролиз всех легкорастворимых углеводов пробы, после чего высушивают и взвешивают негидролизуемый остаток.

Лигнин. Вещество отделяют от других компонентов растительных тканей путем химической обработки. Процедура очистки включает последовательное воздействие на навеску селективными реактивами для удаления сопутствующих углеводов и белков.

• обработка 1 %-ой уксусной кислотой для удаления сахаров и органических кислот;
• обработка ацетоном или смесью этилового спирта и эфира (1:1) для удаления хлорофилла, липидов и смол;
• обработка 72%-ой серной кислотой для удаления целлюлозы и гемицеллюлозы;
• промывание остатка дистиллированной водой;
• окисление препарата лигнина бихроматом калия в присутствии серной кислоты;
• определение избытка бихромата калия титрованием солью Мора или иодометрическим методом.