На каком свойстве дубильных веществ основано их определение

Общие понятия о дубильных веществах и их распространении

Дубильные вещества — это неядовитые и безазотистые, аморфные соединения, большинство из которых растворяются в воде и спирте, обладающие сильным вяжущим свойством.

Рисунок №1.  Дубильные вещества

Дубильными веществами можно назвать растительные полифенольные соединения, молекулярная масса которых от 500 до 3000, они способны образовывать достаточно прочные связи с алкалоидами и белками, обладают дубящими свойствами.

Способность этих веществ основывается на их взаимодействии с коллагеном, образовывать устойчивую поперечносвязанную структуру кожи при помощи образования водородных соединений молекул коллагена и фенольных гидроксил дубильных веществ.

Впервые употребление термина «дубильные вещества» было использовано в 1796 году исследователем Франции Сегеном. С его помощью обозначалось присутствие в экстрактах растений веществ, которые способствуют осуществлению процесса дубления. Кожевенная промышленность заложила начало изучению химизма дубильных веществ. (Рис. 1)

Рисунок №2. Дуб

Иное определение дубильным веществам — «танниды». Оно происходит от латинской формы названия кельтского дуба — «тан». (Рисунок №2)

Первые исследования в научной области химизации дубильных веществ начинаются с середины 18 века.

Первая публикация — работа Гледича от 1754 года с названием «Об использовании плодов черники, как сырья для получения дубильных веществ». Первая монография была в 1913 году Деккера, обобщала весь известный материал по дубильным веществам.

Исследованием свойств дубильных веществ занимались крупнейшие зарубежные химики: Г. Проктер, Э. Фишер, К. Фрейденберг, П. Каррер.

В природе множество растений (в большинстве двудольные) которые могут содержать дубильные вещества. Растения, обладающие дубильными веществами, распространяются во всех поясах земного шара. Особо насыщены ими тропические пояса. Содержание в растениях дубящих веществ в зависимости от факторов: возраст, фаза развития, место произрастания, климатические и почвенные условия. С самым высоким содержанием ДВ признаны растения семейств: сумаховых, розоцветных, буковых, гречишных, вересковых, березовых.

Классификация дубильных веществ

Дубильные вещества (ДВ) по сути — это смесь разных полифенолов. Из-за многообразия их химического состава классифицировать однозначно невозможно.

Согласно классифицированию Г. Проктера (1894г) разделил дубильные вещества на две объёмные группы (в зависимости от природы продуктов, их разложении при температуре от 180 до 2000С (без поступления воздуха) (Таблица № 1):

1. пирогалловые (при разложении выделяют пирогаллол);
2. пирокатехиновые (образуют пирокатехин).

По результатам дальнейших исследований химии таннидов Фрейденберг (в 1933 г) скорректировал классификацию Проктера. Им было  рекомендовано определить первую группу (пирогалловые ДВ) — как гидролизуемые, а вторую (пирокатехиновые ДВ) — как конденсированные.

В растениях, зачастую, содержатся смеси дубильных веществ относящиеся к обеим группам. В связи с этим, многие виды  веществ дубильных в растениях однозначно нельзя отнести к одному выделенному типу. В наше время применяется классификация Фрейденберга, которая обозначила две основные группы: (Таблица №2):

1.Гидролизуемые (эфиры кислот и сахаров) (

• • галлотанины — галловой ;
• • несахаридные — фенолкарбоновых ;
• • эллаготанины —  эллаговой .

2. Конденсированные (негидролизуемые):

• • флавандиолов — 3, 4;
• • флаванолов — 3;
• • оксистильбенов.

Дубильные вещества их применение.

Рисунок №3. Свойства дубильных веществ.

Благодаря свойствам дубильных веществ образовывать связи с солями тяжелых металлов, сердечными гликозидами и алкалоидами их применяют при отравлении как антидоты. Действие основано на способности соединяться с белками и образовывать плотные альбуминаты. (Рис. 3)

Сырьё, богатое дубильными веществами, применяют для изготовления лекарственных препаратов, с целью использования как вяжущее, кровоостанавливающее, противовоспалительное, антимикробное средства. Данные вещества (гидролизуемые и конденсированные) применяются как антиоксиданты, потому как они проявляют высокую витаминную ценность, антигипоксические и антисклеротические действия. В больших дозах танниды обладают противоопухолевым эффектом, в средних дозах — радиосенсибилизирующим действие, а в маленьких — противолучевым. Содержание количества дубильных веществ в продукте необходимо контролировать. Для расчета количества дубильных веществ, присутствующих в БАД существуют разнообразные методики их определения:

1) Гравиметрический или весовой.

2) Титриметрический  ( желатиновый, перманганатометрический).

3) Физико — химические:

• фотоэлектроколориметрический,

• спектрофотометрический,

• хроматографический,

• амперометрический,

• потенциометрическое титрование,

• кулонометрическое титрование,

Далее мы подробнее рассмотрим методику контроля качества, используемую в ООО «КоролёвФарм». Предприятие производит косметическую и пищевую продукцию, БАД к пище, экстракты. При производстве БАД  проводится контроль микробиологический, физико-химический. Для проведения различных исследований на предприятии имеется лаборатория для проведения физико-химических испытаний .

Методика определения количества дубильных веществ в пересчете на танин.

Для этого точной навеской (около 2г)  сырья измельченного, просеянного через сито(отверстия диаметра 3 мм), далее помещают в колбу вместимость которой 500 мл, необходимо залить 250 мл воды, нагретой до кипения и далее кипятить ещё 30 мин, периодически перемешивая используем электрическую плитку, чтобы спираль была закрытой и с обратным холодильником . Далее жидкость охлаждаем до комнатной температуры, процеживаем отделяя около 100мл в  колбу размером 200-250 мл тщательно через вату, чтобы частички использованного сырья не попали в колбу. Пипеткой отбираем 25 мл от полученного содержимого в другой конический сосуд объёмом 750мл, прибавляем 500мл воды, 25 мл индикаторной жидкости. Титруем, постоянно перемешивая содержимое с перманганатом калия (0,02 моль на литр) до окрашивания в золотисто-желтый цвет .

Параллельно проводим контрольное испытание.

Соотношение 1 мл KMnO4 (0,02 моль на литр) равное 0,004157 г дубильным веществам .

Количество определяемых веществ (Х) (в %) с помощью формулы пересчитываем на абсолютное сухое сырьё :

где:

V— объём KMnO4 (0,02моль/л), использованного на титрование (миллилитры);

V 1 — объём KMnO4 (0,02моль/л), использованного на титрование в контрольном испытании (миллилитры);

0,04157 – количество дубильных веществ, (1 мл марганцевокислый (0,02моль/л) граммы);

m – масса сырья (граммы);

W – потеря массы при высушивании сырья (проценты);

250 –объём извлечения общий (миллилитры);

25 – объём извлеченного раствора для титрования (миллилитры).

Задачей проведения исследования стоит выяснить соответствуют  ли полученные показатели заданным нормам. Концентрация дубильных веществ в продукте должна соответствовать определенным нормам, только в том случае будут подтверждены заявленные свойства продукта. Результаты испытания, удовлетворяющие требования НД, считают соответствующими и на исследуемый вид продукции выдается документ, подтверждающий соответствие качества продукта.

Дубильными веществами (танидами) называют растительные высокомолекулярные фенольные соединения, способные осаждать белки и обладающие вяжущим вкусом.

Термин “дубильные вещества” сложился исторически, благодаря способности этих соединений превращать сырую шкуру животных в прочную кожу, устойчивую к воздействию влаги и микроорганизмов. Использовать этот термин официально предложил в 1796 г Сеген для обозначения в экстрактах некоторых растений веществ, способных осуществлять процесс дубления.

Дубление — это сложное химическое взаимодействие танидов с молекулами коллагена — основного белка соединительной ткани. Дубящими свойствами обладают многоядерные фенолы, содержащие в молекуле более одного гидроксила. При плоском расположении танида на белковой молекуле между ними возникают устойчивые водородные связи:

­ ­

Фрагмент молекулы белка Фрагмент молекулы танида

Прочность взаимодействия танида с белком зависит от числа водородных связей и лимитируется величиной молекулы полифенольного соединения. Молекулярная масса дубильных веществ может составлять до 20 000. При этом на 100 единиц молекулярной массы в танидах приходится по 1-2 фенольные оксигруппы. Поэтому количество образующихся водородных связей многочисленно и процесс дубления является необратимым. Гидрофобные радикалы, ориентированные во внешнюю среду, делают кожу недоступной для влаги и микроорганизмов.

Не все дубильные вещества способны к истинному дублению. Этим свойством отличаются соединения, имеющие молекулярную массу 1 000 и более. Полифенольные соединения с массой менее 1 000 не способны дубить кожу и обладают только вяжущим действием.

Дубильные вещества очень широко применяются в промышленности. Достаточно сказать, что мировое производство танидов превышает 1 500 000 тонн в год, а доля растительных танидов составляет до 50-60% от общего количества.

Распространение в растительном мире и роль дубильных веществ в растениях. Дубильные вещества широко встречаются у представителей покрыто- и голосемянных, водорослей, грибов, лишайников, в плаунах и папоротниках. Они содержатся во многих высших растениях, особенно двудольных. Наибольшее их количество выявлено в ряде представителей семейств Fabaceae, Myrtaceae, Rosaceae, Anacardiaceae, Fagaceae, Polygonaceae.

Дубильные вещества в растении находятся в клеточных вакуолях и при старении клеток адсорбируются на клеточных стенках. В больших количествах накапливаются в подземных органах, коре, но могут быть в листьях и плодах.

Дубильные вещества выполняют в растениях в основном защитные функции. При механическом повреждении тканей начинается усиленное образование дубильных веществ, сопровождающееся их окислительной конденсацией в поверхностных слоях, защищая тем самым растение от дальнейшего повреждения и негативного влияния болезнетворных микроорганизмов. Благодаря большому количеству фенольных гидроксилов дубильные вещества обладают выраженными бактериостатическими и фунгицидными свойствами, предохраняя тем самым растительные организмы от различных заболеваний.

Классификация дубильных веществ. В 1894 г. Г. Проктер, изучая конечные продукты пиролиза дубильных веществ, обнаружил 2 группы соединений — пирогалловые (образуется пирогаллол) и пирокатехиновые (при разложении образуется пирокатехин):

К. Фрейденберг в 1933 г. уточнил классификацию Г. Проктера. Он, как и Проктер, классифицировал дубильные вещества по конечным продуктам их распада, но не в условиях пиролиза, а при кислотном гидролизе. В зависимости от способности к гидролизу К. Фрейденберг предложил выделить две группы дубильных веществ:гидролизуемые и конденсированные. В настоящее время более часто пользуются класификацией К. Фрейденберга.

К группе гидролизуемых дубильных веществ относятся соединения, построенные по типу сложных эфиров и распадающиеся при кислотном гидролизе на составляющие компоненты. Центральным звеном чаще всего бывает глюкоза, реже — другие сахара или алициклические соединения (например, хинная кислота). Спиртовые гидроксилы центрального остатка могут быть связаны эфирной связью с галловой кислотой, образуя при этом группу галлотанинов, или эллаговой кислотой, образуя группу эллаготанинов.

Галлотанины— эфиры галловой кислоты, наиболее часто встречаемые в группе гидролизуемых дубильных веществ. Существуют моно-, ди-, три-, тетра-, пента- и полигаллоильные эфиры. Представителем моногаллоильных эфиров является b-D-глюкогаллин:

Примером полигаллоильных эфиров может служить китайский танин, структура которого впервые была установлена в 1963 г. Хэуорсом:

Эллаготанины являются сложными эфирами сахара и эллаговой кислоты или ее производными. Эллаговая кислота образуется при окислении двух молекул галловой кислоты до гексаоксидифеновой, которая тотчас же образует лактон – эллаговую кислоту:

Как и в предыдущем случае, сахарным компонентом эллаготанинов чаще всего выступает глюкоза.

Несахарные эфиры галловых кислот представляют собой сложные эфиры галловой кислоты и несахарного компонента, такого как хинная кислота, оксикоричная и др. Примером данной группы веществ может служить 3,4,5-тригаллоилхинная кислота.

Конденсированные дубильные вещества отличаются от гидролизуемых тем, что при кислотном гидролизе не происходит их расщепления на составляющие компоненты, а наоборот, под действием минеральных кислот образуются плотные красно-коричневые продукты полимеризации — флобафены.

Конденсированные дубильные вещества образованы главным образом катехинами и лейкоцианидинами, и, гораздо реже, другими восстановленными формами флавоноидов. Конденсированные дубильные вещества не относятся к группе «Гликозиды»: в конденсированных дубильных веществах сахарный компонент отсутствует.

Образование конденсированных дубильных веществ может происходить двумя путями. К. Фрейденберг (30-е годы XX в) установил, что образование конденсированных дубильных веществ — это неферментативный процесс аутоконденсации катехинов или лейкоцианидинов (или их перекрестная конденсация) в результате воздействия кислорода воздуха, тепла и кислой среды. Аутоконденсация сопровождается разрывом пиранового кольца катехинов и С-2 углеродный атом одной молекулы соединяется углерод-углеродной связью с С-6 или С-8 углеродным атомом другой молекулы. При этом может образовываться достаточно протяженная цепь:

По мнению другого ученого — Д. Хатуэя, конденсированные дубильные вещества могут образовываться в результате ферментативной окислительной конденсации молекул по типу “голова к хвосту” (кольцо А к кольцу В) или “хвост к хвосту” (кольцо В к кольцу В):

В растениях, содержащих конденсированные дубильные вещества, обязательно есть их предшественники — свободные катехины или лейкоцианидины. Часто встречаются смешанные конденсированные полимеры, состоящие из катехинов и лейкоцианидинов.

Как правило, в растениях одновременно присутствуют дубильные вещества как конденсированной, так и гидролизуемой групп.

Физико-химические свойства дубильных веществ.Дубильные вещества отличаются высокой молекулярной массой — до 20 000. Природные дубильные вещества, за небольшим исключением, известны до настоящего времени только в аморфном состоянии. Причина этого заключается в том, что эти вещества представляют собой смеси соединений, сходные по химической структуре, но различающиеся по молекулярной массе.

Дубильные вещества — это желтые или бурые соединения, образующие в воде коллоидные растворы. Растворимы в этаноле, ацетоне, бутаноле и не растворимы в растворителях с выраженной гидрофобностью — хлороформе, бензоле и т.п.

Галлотанины плохо растворимы в холодной воде и относительно хорошо — в горячей.

Дубильные вещества обладают оптической активностью, легко окисляются на воздухе.

Благодаря наличию фенольных гидроксилов осаждаются солями тяжелых металлов и образуют окрашенные соединения с Fe+3.

Выделение дубильных веществ из растительного сырья. Поскольку дубильные вещества представляют собой смесь различных полифенолов, их выделение и анализ представляет определенную трудность.

Часто для получения суммы дубильных веществ сырье экстрагируют горячей водой (дубильные вещества плохо растворимы в холодной воде) и охлажденную вытяжку обрабатывают органическим растворителем (хлороформ, бензол и др.) для удаления липофильных веществ. Затем дубильные вещества осаждают солями тяжелых металлов с последующим разрушением комплекса серной кислотой или сульфидами.

Для получения фракции дубильных веществ, сходных по химической структуре, можно использовать экстракцию сырья диэтиловым эфиром, метиловым или этиловым спиртами с предварительным удалением липофильных компонентов с помощью растворителей с выраженной гидрофобностью – петролейным эфиром, бензолом, хлороформом.

Широко распространено выделение некоторых компонентов дубильных веществ осаждением из водных или водно-спиртовых растворов солями свинца. Полученные осадки затем обрабатывают разбавленной серной кислотой.

При выделении индивидуальных компонентов дубильных веществ используют хроматографические методы: адсорбционную хроматографию на целлюлозе, полиамиде; ионообменную на различных катионитах; распределительную на силикагеле; гельфильтрацию на молекулярных ситах.

Идентификацию индивидуальных компонентов дубильных веществ проводят с помощью хроматографии на бумаге или в тонком слое сорбента, с помощью спектрального анализа, качественных реакций и изучения продуктов расщепления.

Качественный анализ дубильных веществ.Качественные реакции на дубильные вещества можно разделить на две группы: реакции осаждения и цветные реакции. Для проведения качественных реакций сырье, чаще всего, экстрагируют горячей водой.

Реакции осаждения.1. При взаимодействии дубильных веществ с 1% раствором желатина, приготовленном на 10% растворе натрия хлорида, образуется осадок или возникает помутнение раствора. При добавлении избытка желатина помутнение исчезает.

2. Таниды дают обильные осадки с алкалоидами (кофеин, пахикарпин), а также некоторыми азотистыми основаниями (уротропин, новокаин, дибазол).

3. При взаимодействии с 10% раствором уксуснокислого свинца дубильные вещества гидролизуемой группы образуют хлопьевидный осадок.

4. Дубильные вещества конденсированной группы образуют хлопьевидный осадок в реакции с бромной водой.

Цветные реакции.Дубильные вещества гидролизуемой группы с раствором железоаммонийных квасцов образуют черно-синие окрашенные соединения, а конденсированной группы — черно-зеленые.

Если в растении одновременно содержатся дубильные вещества и гидролизуемой и конденсированной группы, то вначале гидролизуемые таниды осаждают 10% раствором ацетата свинца, осадок отфильтровывают, а затем проводят реакцию фильтрата с раствором железоаммонийных квасцов. Появление темно-зеленой окраски свидетельствует о наличии веществ конденсированной группы.

Количественное определение дубильных веществ.При том, что существует около 100 различных способов количественного определения дубильных веществ, точный количественный анализ этой группы биологически активных веществ затруднен.

Среди широко применяемых способ количественного определения дубильных веществ можно выделить следующие.

1. Гравиметрические — основаны на количественном осаждении дубильных веществ желатином, солями тяжелых металлов и т.п.

2. Титриметрические — основаны на окислительных реакциях, прежде всего с перманганатом калия.

3. Фотоэлектроколориметрические — основаны на способности дубильных веществ образовывать устойчивые окрашенные продукты реакции с солями окисного железа, фосфорновольфрамовой кислотой и т.д.

Государственной Фармакопеей X и XI изданий рекомендован титриметрический способ количественного определения дубильных веществ.