Research Collection

Doctoral Thesis

Untersuchungen an azetylierten Pektinstoffen

Author(s): Solms, Jürgen

Publication Date: 1951

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000087759

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ETH Library

Prom. Nr. 2031

Untersuchungen an azetyliertenPektinstoffen

Von der

EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN

HOCHSCHULE IN ZÜRICH

zur Erlangung der Würde eines Doktors

der technischen Wissenschaften

genehmigtePROMOTIONSARBEIT

vorgelegt von

Jürgen Sohns

aus Berlin (Deutschland)

Referent: Herr Prof. Dr. H. Deuel

Korreferent: Herr Prof. Dr. A. Frey-Wyssling

Zürich 1951

Buchdruckerei Fluntern

Plattenstrasse 27

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MEINEN LIEBEN ELTERN

Herrn Schulratspräsident Professor Dr. H. Pallmann, ehemals Vor¬

stand des Agrikulturchemischen Institutes der Eidgenössischen Techni¬

schen Hochschule in Zürich, danke ich für das wohlwollende Interesse

und die Förderung bei der Ausführung der vorliegenden Arbeit.

Herrn Professor Dr. H. Deuel, Vorstand des AgrikulturchemischenInstitutes der Eidgenössischen Technischen Hochschule, bin ich für

manche wertvolle Belehrung, die vielseitigen Anregungen, die ich von

ihm empfangen durfte, und seine stete Hilfsbereitschaft, mit welcher er

mir beim Fortgang der Untersuchungen zur Seite stand, zu grossemDank verpflichtet.

INHALTSVERZEICHNIS

1. Einleitung 7

2. Besprechung der neueren Literatur über Pektinstoffe unter besonderer

Berücksichtigung azetylierter Pektinstoffe 8

2.1. Konstitution 8

2.2. Vorkommen in der Natur 9

2.3. Einige Eigenschaften 9

2.4. Stabilität gegenüber Säuren, Basen und Oxydationsmitteln 11

2.5. Enzymatischer Abbau 13

2.6. Derivate 13

3. Gewinnung und Charakterisierung von azetylierten Pektinstoffen 16

3.1. Charakterisierung der verwendeten Ausgangspräparate 16

3.2. Herstellung von azetylierten Pektinstoffen 17

3.3. Charakterisierung der azetylierten Pektinstoffe 18

4. Gewinnung und Charakterisierung von azetyliertem Carubin 22

5. Eigenschaften der Azetylierungsprodukte 23

5.1. Einige physikalische Eigenschaften der azetylierten Pektinstoffe

in Abhängigkeit vom Azetylierungsgrad 23

5.11. Löslichkeit 23

5.12. Koagulierbarkeit 23

5.13. Viskosität 25

5.14. Geliervermögen 25

5.2. Stabilität der Azetylierungsprodukte 26

5.21. Stabilität in saurem Milieu 26

5.22. Stabilität in alkalischem Milieu 29

5.23. Stabilität gegenüber Perjodsäure 34

5.3. Einwirkung von Enzym auf azetylierte Pektinstoffe 37

5.31. Einwirkung von Pektinase 37

5.32. Einwirkung von Azetylesterase 39

6. Besprechung der Untersuchungsergebnisse 40

6.1. Allgemeines 40

6.2. Löslichkeit, Viskosität und Koagulierbarkeit 41

6.3. Stabilität 43

6.4. Einwirkung von Enzym 45

6.5. Geliervermögen 46

7. Zusammenfassung 49

8. Literaturverzeichnis 51

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— 7 —

1. EINLEITUNG.

Die wesentlichsten Fortschritte in der hochmolekularen Chemie sind

vor allem durch die Synthese von Hochpolymeren bekannter Konstitu¬

tion und die Erfassung ihrer Eigenschaften ermöglicht worden (14, 150,

151, 158, 229).Nach diesen Untersuchungen besteht zwischen niedermolekularen

und hochmolekularen Verbindungen nur ein gradueller Unterschied, da

mit wachsendem Molekulargewicht eine kontinuierliche Aenderung der

Eigenschaften beobachtet werden kann. Dieses Verhalten kann auf eine

Anhäufung funktioneller Gruppen in einer einzigen Makromolekel zu¬

rückgeführt werden. So muss z. B. eine Häufung polarer hydrophileroder hydrophober Gruppen, eng in einer Molekel verknüpft, deren Ei¬

genschaften bedeutend beeinflussen. Handelt es sich bei dem Monomeren

um eine Säure oder Base, so nimmt mit steigendem Polymerisationsgradder Polyelektrolytcharakter der Molekel zu. Es entstehen aufgeladeneMakroionen, die durch ihre zahlreichen eng verknüpften Gruppen ein

grosses elektrostatisches Wirkungsfeld aufweisen. Polyelektrolyte von

bestimmter Struktur finden z. B. als Ionenaustauscher weite Anwendung(167). Auch die Struktur und Gestalt der Molekel sind von Wichtigkeit.So haben z. B. der Verknäuelungsgrad, die Innenzugänglichkeit der" Mo¬

lekel und die Grösse und Verteilung von Seitengruppen auf physikalischeund chemische Eigenschaften einen bedeutenden Einfluss.

Von einer Eigengesetzlichkeit der Kolloide, einer Ansicht, die frü¬

her allgemein vertreten wurde (76, 177), kann heute nicht mehr gespro¬chen werden.

In der vorliegenden Arbeit sollen, am Beispiel der Pektinstoffe, die

noch vielfach unklaren Beziehungen zwischen Konstitution und Eigen¬schaften von Fadenmolekeln, insbesondere von Polyelektrolyten, unter¬

sucht werden. Die Pektinstoffe, teilweise mit Methanol veresterte Poly-galakturonsäure, stellen einen wasserlöslichen, fadenförmigen Polyelek¬trolyten dar. Sie sind als Studienobjekt gut geeignet, da hier auf ein¬

fache Weise die Grösse, die Aufladung und der Substitutionsgrad der

Makromolekeln kontinuierlich variiert werden kann. Die Pektinstoffe ver¬

mögen unter geeigneten Bedingungen thermo-reversible Nebenvalenz-

gele zu bilden. Es sind Pektinstoffe aus einigen Pflanzen isoliert worden,

die zusätzlich Azetylgruppen enthalten. Diese Azetylpektine weisen ge¬

genüber den azetylfreien Verbindungen veränderte Eigenschaften auf.

Im folgenden werden Azetylgruppen künstlich in Pektinstoffe ver¬

schiedenen Methoxylgehaltes eingeführt. Es wird die Veränderung ver¬

schiedener Eigenschaften der Azetylderivate in Abhängigkeit vom Sub¬

stitutionsgrad untersucht.

— 8 —

2. BESPRECHUNG DER NEUEREN LITERATUR UEBER PEKTIN¬STOFFE UNTER BESONDERER BERÜCKSICHTIGUNG

AZETYLIERTER PEKTINSTOFFE.

In zahlreichen Arbeiten sind die bisherigen Ergebnisse der Pek¬

tinforschung zusammengestellt (67, 104, 107, 110, 113, 186, 193, 199).Im folgenden sollen anhand der neueren Literatur einige allgemeineBetrachtungen, die zum Verständnis der vorliegenden Untersuchungenbeitragen, angestellt werden.

2,1. Konstitution.

Die Fadenmolekel besteht aus D-Anhydrogalakturonsäurebaustei-nen in Pyranosekonfiguration, die a-glykosidisch zwischen den C-Ato-men 1 und 4 verknüpft sind. Die Polygalakturonsäure ist meist teilweisemit Methylalkohol verestert. Zusätzlich können sekundäre Hydroxylgrup¬pen mit Essigsäure verestert sein (vgl. 186). Die Pektinpräparate sindausserdem polydispers. Wegen der Variation der Kettenlänge und derverschiedenen Menge und Verteilung an Substituenten (Methoxyl- und

Azetylgruppen) ist kaum anzunehmen, dass auch nur zwei Makromole¬keln eines Präparates miteinander identisch sind.

0 OCH, C 0 OCH, Ç

H0 C H OH C

l 0' «1 fl' OH

0' VCH,

In der vorliegenden Arbeit wird folgende Nomenklatur verwendet:

Bezeichnung Salz Charakterisierung

Pektinsäure Pektat Unveresterte Polygalakturonsäure.

Pektin Pektinat unterschiedlich mit Methanol ver-

esterte Polygalakturonsäure.

azetylierte Pektin¬

säure

azetyliertes Pektat Polygalakturonsäure, deren Car-

boxylgruppen frei und deren se¬

kundäre Hydroxylgruppen partielloder total mit Essigsäure verestert

azetyliertes Pektin azetyliertesPektinat

Polygalakturonsäure, deren Car-

boxylgruppen partiell oder total

mit Methanol und deren sekundä¬

re Hydroxylgruppen partiell oder

total mit Essigsäure verestert sind.

— 9 —

2.2. Vorkommen in der Natur.

Die Pektinstoffe sind in den wachstumsfähigen Geweben fast aller

höheren Pflanzen anzutreffen (68, 104, 113). Sie sind als sog. Proto-

pektin im Gewebe verankert und gehen meist erst durch Hydrolyse in

Lösung. Ueber die Art der Verankerung ist wenig bekannt (188). Die

Carboxylgruppen des Apfelpektins sind hoch mit Methanol verestert

(66, 205). Eine umfangreiche esterartige Bindung der Uronsäurecar-

boxyle des Protopektins der Zuckerrübe an Cellulose oder andere Zell-

wandbestandteile kann nicht nachgewiesen werden (86, 87).

Die Pektinstoffe der meisten Pflanzen stellen einen partiellen Me¬

thylester der Polygalakturonsäure dar. Die isolierten Präparate unter¬

scheiden sich wesentlich im Gehalt an Ballaststoffen (102, 108, 109,

144, 225), meist schwer abtrennbaren Hemizellulosen. Doch zeichnen

sich die Pektinstoffe einiger Pflanzen, vor allem die aus Rüben (Beta

vulgaris L.), Flachs (Linum usitatissimum L.) (69) und Tabak (Nico-tiana tabacum L.) (170) gewonnenen, durch einen hohen Gehalt an

Azetylgruppen aus. Hier sind sekundäre Hydroxylgruppen zusätzlich mit

Essigsäure verestert. Eingehende Untersuchungen wurden vor allem über

den Azetylgehalt des Rübenpektins ausgeführt (67, 99, 168, 201, 202.

204, 217. 218, 219, 235). Danach schwankt der Essigsäuregehalt des

Rübenpektins zwischen 3,4—11,0 Gewichtsprozent. Obwohl sich diese

Rübenpektine durch ein hohes Molekulargewicht auszeichnen (20, 204,

232), besitzen sie eine schlechte Gelierfähigkeit (15, 38, 162, 202). Diese

dürfte kaum auf einem Abbau der Molekel während der Extraktion (1,

94, 206) oder auf die hochmolekularen Begleitstoffe zurückzuführen

sein (15, 149). Vielmehr können die Azetylgruppen für die mangelnde

Gelierfähigkeit verantwortlich gemacht werden (16. 194. 196). EinigeAutoren beschreiben gelierfähige Rübenpektine (106, 134. 154, 241).

bei denen wohl die Azetylgruppen zum gröbsten Teil durch die Extrak¬

tion abgespalten wurden. Es konnte auch ein geringer Gehalt esterartig

gebundener Phosphorsäure nachgewiesen werden (97).

2.3. Einige Eigenschaften.

Die Eigenschaften der Pektinstoffe werden weitgehend durch Ket¬

tenlänge, Aufladung der Molekel und Substitutionsgrad der reaktions¬

fähigen Gruppen bedingt.

Die Wasserlöslichkeit der Pektinstoffe nimmt einerseits mit ab¬

nehmender Kettenlänge, anderseits mit zunehmendem Umfang der Ver¬

esterung der Carboxylgruppen mit Alkohol zu (222). Pektinsäure ist

wasserunlöslich und wird durch die Einführung von Methylolseiten-ketten wasserlöslich (46). Vollständig mit Methanol verestertes Pektin

ist ebenfalls wasserlöslich (51). Bei Veresterung der sekundären Hydro¬

xylgruppen mit organischen Säuren nimmt mit steigendem Veresterungs-

— 10 —

grad die Wasserlöslichkeit ab (36, 37). In den meisten organischenLösungsmitteln sind Pektinstoffe unlöslich, Derivate der Pektinstoffe mit

organischen Säuren dagegen z.T. löslich (37).Löslichkeit und Koagulationsbereitschaft stehen in gegenseitiger Be¬

ziehung. Je leichter ein Pektin wasserlöslich ist, umso schwerer kann es

mit anorganischen (4, 7, 24, 31, 71, 80, 90) und organischen Elektro¬

lyten, wie Alkaloiden (30) und Eiweissen (128), geflockt werden. Die

zur Koagulation benötigten Elektrolytmengen steigen mit zunehmendem

Veresterungsgrad (Methoxyl) (4) und mit abnehmender Kettenlänge (4,104). Vollständig verestertes Pektin ist elektrolytunempfindlich (4, 51).Für die Koagulation gelten die Schulze-Hardy'sche Wertigkeitsregel(78) und die Hofmeister'sehen Ionenreihen (30). Alkohol und Elektro-

lyte können sich in ihrer flockenden Wirkung gegenseitig vertreten (4).Die Dissoziation der Carboxylgruppen bedingt eine Aufladung der

Fadenmolekel. Aehnlich anderen polybasischen Carboxylsäuren (132,133, 180) ist die Dissoziationskonstante von der Konzentration der Lö¬

sung und dem Neutralisationsgrad, sowie vom Umfang der Veresterungder Säuregruppen abhängig (24, 42, 43, 221, 226). Die Titrationskurven

ähneln denen einbasischer Säuren. Die durch die Dissoziation der Mo¬

lekel erteilte Aufladung ist für die Stabilität der Lösung von Bedeutung.Die Viskosität der wässrigen Lösungen gestattet eine Abschätzung

der Kettenlänge der Molekel und deren Veränderung (61, 141, 213).Sie ist besonders von der Konzentration und Temperatur der Messlösungund von Elektrolytzusätzen abhängig. Durch die Einführung von Sei¬

tengruppen wird eine Erhöhung der Viskosität beobachtet (42, 47), die

auf eine Streckung der Kettenmolekeln durch diese Gruppen schliessen

lässt (50). Die gleiche Beobachtung kann an Alginsäure gemacht wer¬

den (56). Eine Abnahme der Viskosität der Pektinlösungen bei Einfüh¬

rung von Methoxylgruppen in die Pektinmolekel (238) beruht auf ei¬

nem Kettenabbau während der Methylierung. Durch Zusätze von nieder¬

molekularen Säuren und Neutralsalzen wird die Viskosität wässrigerLösungen stark beeinflusst (42, 61, 100, 141).

Das Geliervermögen der Pektinstoffe beruht auf der Eigenschaft,unter geeigneten Bedingungen dreidimensionale Nebenvalenzgelnetzeauszubilden (vgl. 172). Niederveresterte Pektine und Pektate bilden

zuckerarme Gele in Gegenwart mehrwertiger Kationen (8, 9, 103). Lö¬

sungen hochveresterter Pektine gelieren mit Zusatz von Säure und 60—

65°/o Zucker (10, 104, 129). Vollständig verestertes, neutrales Pektin ge¬liert nach Zusatz von Zucker; Säure ist nicht erforderlich (51). Aehn¬

lich vermögen Tamarindenschleim und Polyvinylalkohol, die auch keine

Säuregruppen besitzen, in wässriger Lösung zuckerreiche Gele ohne

Säurezusatz zu bilden (173).Die Natur der Haftpunkte, die die Ausbildung eines Gelnetzes er¬

möglichen, ist oft diskutiert worden. Als assoziationsfähige Gruppensind vor allem die Carboxylgruppen und die sekundären Hydroxyl-

— 11 —

gruppen betrachtet worden, deren Fähigkeit zur Ausbildung von Was¬

serstoffbrücken bekannt ist (171, 172, 182, 207). Einige Autoren ver¬

muten eine Assoziationstendenz der Methoxylgruppen (144, 145) oder

die Ausbildung von Zuckerbrücken zwischen den einzelnen Molekeln

(226). Die Anschauung, dass niederveresterte Pektine durch Ca-Brücken

zwischen den Carboxylgruppen zu einem Gelnetz verknüpft werden kön¬

nen (6, 20, 96, 223, 226), ist theoretisch und experimentell nicht be¬

gründet (52). Bemerkenswert ist der Einfluss der Temperatur auf die

Gelierung und Kaltgelierung (49). Ein geringer Gehalt von Azetylester-gruppen vermindert das ' Geliervermögen bedeutend (16, 196). Pektin¬

stoffe mit einem Azetylgehalt von 5 Gewichtsprozent gelieren nicht

mehr. Ein analoges Verhalten kann bei Polyvinylalkohol beobachtet

werden (173).

2,4. Stabilität gegenüber Säuren, Basen und Oxydationsmitteln.

In saurer, wässriger Lösung lassen sich zwei unabhängig voneinan¬

der verlaufende Vorgänge verfolgen: die Spaltung der glykosidischenBindungen und die Verseifung der Estergruppen. Beide Reaktionen las¬

sen sich durch die Gleichung für Reaktionen erster Ordnung befriedi¬

gend beschreiben. Durch eine Erhöhung der H+ -Ionenaktivität wird

vor allem die Verseifung, durch eine Erhöhung der Temperatur der

Kettenabbau beschleunigt (174, 244). Der Kettenabbau ist verschiedent¬

lich genau verfolgt worden (155, 156, 203, 244). Die Aktivierungsener¬gie von rund 25000 cal • mol * entspricht grössenordnungsmässig den bei

Cellulose und Stärke gefundenen Werten (74). Bei der sauren Verseifungder Methylester (156, 225, 244) konnte eine Aktivierungsenergie von

17400 cal • mol x berechnet werden (225). Bei fortgeschrittener Reak¬

tion wird eine Abweichung von den Reaktionsgesetzen (225) und eine

Ausflockung des partiell verseiften Pektins beobachtet (244). Beobach¬

tungen an azetylierten Pektinen zeigten, dass auch die saure Verseifungder Azetylgruppen einer Reaktion erster Ordnung folgt (99, 196), wobei

sich eine Aktivierungsenergie von 17000 cal • mol"1 berechnen Hess.

Diese Werte entsprechen weitgehend denen niedermolekularer Ester. —

Bei hoher Temperatur und in stark saurem Milieu treten verschiedene

Nebenreaktionen, wie z.B. Dekarboxylierung der Uronsäure (115, 244),

auf. Dabei wird u. a. Furfurol und Reduktinsäure gebildet.

In alkalischem Milieu findet eine rasche Verseifung aller Ester¬

gruppen statt. Die Reaktionsverhältnisse können nicht mit denen nieder¬

molekularer Ester verglichen werden. Während der Verseifung nimmt

die «Reaktionskonstante» ab (42, 153). Es werden Carboxylgruppen

freigesetzt, die durch Dissoziation die Makromolekel aufladen können

und dadurch die Reaktionsverhältnisse zu beeinflussen scheinen.

Durch Zusatz von Elektrolyten kann die Reaktion beschleunigt wer¬

den (139, 153). Bei Zimmertemperatur dürfte in alkalischem Milieu,

— 12 —

entgegen den Untersuchungen anderer Autoren (144, 236, 237), kein

bedeutender Pektinabbau eintreten (61). Bei erhöhter Temperatur er¬

folgt ein unübersichtlicher Kettenabbau (3).Pektin wird durch Oxydationsmittel wie Wasserstoffperoxyd, Per-

manganat, Sauerstoff in alkalischer Lösung, oxydierte Ascorbinsäure.

Brom und Chlor in verschiedener Weise angegriffen (44, 45. 185, 200).In der vorliegenden Arbeit wird der Abbau mit Perjodsäure an Pektin¬

stoffen untersucht. Bei der Konstitutionsermittlung von Polysacchari¬den wird dieses Oxydationsmittel sehr viel verwendet. Es soll daher

im folgenden kurz auf seine spezifische Wirkungsweise hingewiesenwerden.

Perjodsäure (41, 120, 148. 193) spaltet bevorzugt a-Glykole in fol¬

gender Weise:

Ri Ri

I I

H--C—OH H-C=0

] + HJÜ4 * + HJOs + H20

H—C-OH H—C=0I IR2 Ro

Es werden auch Q-Ketole, Q-Diketone, a-Oxyaldehyde und «Ketoaldehyde an"

gegriffen. Primäre und sekundäre Aminogruppen reagieren wie Hydroxylgruppen.Polyhexosane in Pyranosekonfiguration und mit 1,4-glykosidischer Bindung ver¬

brauchen pro Kettenglied unter Dialdehydbildung eine Molekel Perjodsäure. Das

Kettenglied mit der reduzierenden Endgruppe spaltet bei Verbrauch von 4 Molekeln

Perjodsäure 2 Molekeln Ameisensäure und 1 Molekel Formaldehyd ab. Das nicht

reduzierende Endglied spaltet bei Verbrauch von 2 Molekeln Perjodsäure 1 Molekel

Ameisensäure ab. Es wird angenommen, dass die Makromolekel erhalten bleibt.

Durch Kettenverzweigungen werden die Verhältnisse verändert. Der Perjodsäurever-brauch (33, 119), die gebildete Menge Ameisensäure (83, 84, 159) und Formal¬

dehyd (33, 125) können quantitativ bestimmt werden und geben Aufschluss über

Konstitution, Molekulargewicht, Verzweigungsgrad, Art der glykosidischen Bindungu. a. Analoge Verhältnisse herrschen bei Pentosanen.

Polysaccharide in 1,6-glykosidischer Bindung spalten pro Kettenglied 1 Molekel

Ameisensäure ab (z.B. Dextran (124)). solche in 1,3-glykosidischer weisen keine

benachbarten OH-Gruppen auf und werden daher nicht angegriffen, mit Ausnahme

ihrer Endgruppen (z.B. Agar (11), Laminarin (11)). Verzweigungspunkte in Poly-saccharidketten führen zur Abdeckung von Glykolgruppen und können derart nach¬

gewiesen werden (z. B. Stärke (85), Xylan (85)). Auch die Konstitution künstlich

hergestellter Derivate von Polysacchariden kann mit Perjodsäure untersucht wer¬

den (39). Um reproduzierbare Werte zu erhalten, müssen optimale Reaktionsbe¬

dingungen eingehalten werden, die eine Ueberoxydation verunmöglichen. Der pH-Wert der Reaktionslösung, die Temperatur und die Belichtung beeinflussen den

Reaktionsverlauf (28, 91, 92, 119, 160, 197). Auch die sterische Konfiguration des

Polysaccharids ist von Einfluss. Dextran wird im Gegensatz zu Stärke nicht über¬

oxydiert (124). Glykole in cis-Stellung reagieren rascher als solche in trans-Stellung(2). Maltose reagiert rascher als Cellobiose (84).

Das Verhalten der Polyuronsäuren gegenüber Perjodsäure ist be¬

sonders geprüft worden. Polyuronsäuren werden, entgegen früheren Un¬

tersuchungen (138. 143), nicht nur bis zum Dialdehyd oxydiert, son¬

dern weisen einen starken Kettenabbau auf (45). Dieser Abbau dürfte

— 13 —

vom nicht-reduzierenden Kettenendglied her erfolgen und ist wie folgtformuliert worden. Die Endgruppe wird zuerst, unter Bildung von Amei¬

sensäure, zum Dialdehyd oxydiert (A). Nun ist das C-Atom 5 zwei

Carbonylgruppen benachbart. Es kann in dieser Stellung oxydiert werden

(B), und der Abbau vom Kettenendglied her schreitet weiter (84, 117).

0 OH 0 OH» • * '

c c

A B

Es ist bekannt, dass~C-H-Gruppen durch Perjodsäure zu =C-OH-

Gruppen oxydiert werden, wenn diesem C-Atom zwei Carbonylgruppenbenachbart sind (227).

2.5. Enzymatischer Abbau.

Die Pektin angreifenden Enzyme lassen sich in kettenspaltende und

esterspaltende einteilen.

Pektinase (Pektolase, Polygalakturonase) (19, 135, 152, 192) ver¬

mag die glykosidischen Bindungen der Pektinstoffe aufzuspalten. Sie

kommt vor allem in Mikroorganismen, Pilzen und Bakterien vor. Der

enzymatische Abbau kann durch die Zunahme der Aldehydendgruppen,Abnahme der Viskosität oder Aenderung der Fällbarkeit des Pektins ver¬

folgt werden (152). Das Optimum der Wirksamkeit liegt bei pH 3,5—4,2. Je höher ein Pektin verestert ist, umso langsamer erfolgt der An¬

griff des Enzyms (121, 152, 187). Hochveresterte Präparate werden be¬

vorzugt vom Rande her, niederveresterte und Natriumpektat dagegenstatistisch angegriffen (152). Elektrolytzusatz beschleunigt den enzy-matischen Abbau (121, 187).

Pektase (Pektinesterase, Pektindemethoxylase) (135, 146, 147, 192)findet sich in einzelnen Pflanzen und Pilzen. Sie vermag unter geeignetenBedingungen Pektin unter Methanolabspaltung zu verseifen. Die Ver¬

seifung erfolgt nicht statistisch (213, 223). Elektrolytzusatz beschleunigtden enzymatischen Abbau (140).

Ein Enzym, das die Azetylgruppen des Pektins abzuspalten vermag,ist bisher nicht beschrieben worden. Aus Citrusschalen, die bekanntlich

auch sehr viel Pektin enthalten, gelang die Isolierung einer Azetylester-ase (123). Diese greift Azetylpektin nicht an (196).

2.6. Derivate.

Die Pektinstoffe weisen, wenn man von den wenigen Aldehydend¬gruppen absieht, zwei verschiedene Arten reaktionsfähiger Gruppen auf.

— 14 —

Ein Galakturonsäurebaustein besitzt eine — eventuell mit Methanol ver-

esterte — Carboxylgruppe und zwei sekundäre Hydroxylgruppen. Da

eine Kettenmolekel zahlreiche Bausteine aufweist, kann jede Umsetzungpartiell erfolgen. Die Eigenschaften des Derivates ändern sich in der

Regel kontinuierlich je nach dem Umfang der erfolgten Reaktion. Um

ein Reaktionsprodukt mit ausgeglichenen Eigenschaften zu erhalten,muss in einem möglichst homogenen Reaktionssystem gearbeitet werden.

Wenn die Reaktionsmischung nicht homogen ist, entstehen Derivate mit

Makromolekeln verschiedenen Umsetzungsgrades. Die Herstellung von

Derivaten der Polysaccharide ist häufig mit einem Abbau der Ketten¬

molekel verbunden. Dieser ist oft unerwünscht und kann durch die Wahl

milder Reaktionsbedingungen auf ein Minimum reduziert werden.

Von Umsetzungen an den Carboxylgruppen ist vor allem die Dar¬

stellung der Methylester beschrieben worden. Die Umsetzung von Me¬

thanol mit Polygalakturonsäure bei 100° C (15, 32, 175, 218), von Me-

thyljodid und Methanol mit Silberpektaten bei 95° C (15, 32, 175, 176)und von trockenem, salzsäurehaltigem Methanol mit Polygalakturonsäure(122, 163) führte meist nur zu abgebauten Präparaten. Neben einer

Veresterung trat häufig auch eine Verätherung der sekundären Hydroxyl¬gruppen ein. Andere Autoren beschreiben eine Veresterung von Nitro-

pektinen mit Dimethylsulfat (104, 105). Eine Veresterung mit Diazo-

methan ist verschiedentlich versucht worden (172). Sie erfolgt, ähnlich

den Untersuchungen an Alginsäure (93, 142), bei —20° C ohne Abbau

und vollständig (51, 237, 239). Aethylester sind durch Einwirkung von

Diazoäthan auf Pektinsäure hergestellt worden (172).Die freien Carboxylgruppen der Pektinstoffe reagieren in wässriger

Lösung mit Epoxyden, wie Aethylenoxyd, Epichlorhydrin, Glycid und

Propylenoxyd, unter Bildung der entsprechenden Ester (47, 48, 230).Die Reaktion erfolgt ohne wesentlichen Abbau der Kettenmolekeln. Die

Glykolester zeigen ein den Methylestern ähnliches Verhalten. Die Ver¬

esterung mit Erythritdioxyd in wässrigem Milieu kann zur Bildung von

Hauptvalenzgelen führen (47). Bemerkenswert sind die Umsetzungendes Methylesters mit Aminen (34, 35), Diaminen (54) und Hydrazin(161). Es entstehen zum Teil Verbindungen, die Eiweisscharakter auf¬

weisen (54). Ferner kann Pektin durch Behandlung mit Ammoniak in

Alkohol in das Säureamid übergeführt werden (29). Durch Einwirken

von Senfgas auf wässrige Pektinatlösungen lassen sich durch Thio-diäthy-lenbrücken hauptvalenzmässig vernetzte Derivate herstellen (55).

Die Umsetzungen an den sekundären Hydroxylgruppen erfolgen ana¬

log denen der Cellulose und Stärke. Für die Ermittlung der Konsti¬

tution wurden zahlreiche Methoden zur Verätherung der Hydroxyle aus¬

gearbeitet und auch auf Pektinstoffe angewendet (vgl. 110). Sie be¬

schränken sich meistens auf die Herstellung der Methyläther.

Formaldehyd reagiert in wässriger Lösung in stark saurem Milieu

mit den Hydroxylgruppen unter Bildung von Methylolseitenketten oder

— 15 —

Methylenbrücken (46). Methylolseitenketten bedingen eine erhöhte Lös¬lichkeit und Viskosität der Derivate. Methylenbrücken bewirken eine

hauptvalenzmässige Verknüpfung der Fadenmolekeln.Zahlreich sind die Untersuchungen über Derivate der organischen

und anorganischen Säuren. Am eingehendsten sind die Nitrate unter¬

sucht worden. Die Umsetzung von Pektin mit Salpetersäure (26. 27),rauchender Salpetersäure (220) und Nitriersäure (98) führte meistens

zu abgebauten Produkten. Ohne Abbau konnten Pektine bei 0° C mit

roter rauchender Salpetersäure (224) und bei —10° C mit Salpeter¬säureanhydrid und Natriumfluorid als Katalysator (205) zum Dinitrat

umgesetzt werden. Zahlreiche Untersuchungen an den Nitraten dienten

zum Nachweis des hochpolymeren Baues der Pektine (21, 22. 23, 206,207, 208, 209). Von den anorganischen Säuren sind ferner die Esterder Schwefelsäure (18, 130) bekannt. Es wurden Präparate mit Heparin-wirkung erhalten. Durch die Umsetzung von Pektin mit POCI3 in Chlo¬roform konnte eine Phosphorylierung geringen Umfanges erzielt wer¬

den (97).

Acylierungen mit Monocarbonsäuren sind häufig ausgeführt wor¬

den. Untersuchungen über Derivate von Dicarbonsäuren sind kaum be¬

kannt. Die Reaktion von Pektinstoffen mit Ameisensäure führte zu ab¬

gebauten Formylestern (210). Untersuchungen über die Darstellung von

Stärkeformiaten zeigten, dass 95-proz. Ameisensäure bevorzugt mit den

primären Hydroxylgruppen eines Polysaccharides reagiert (81). Es

ist daher verständlich, dass Pektinstoffe, die nur sekundäre Hydroxyl¬gruppen aufweisen, mit 95-proz. Ameisensäure nur sehr unvollständigreagieren.

Die Azetylderivate der Pektinstoffe sind häufig beschrieben worden,

für ihre Herstellung wurden meistens die Methoden der Cellulosechemie

herangezogen (63, 101, 178) : Einwirkung von Eisessig, Säureanhydridoder Säurechlorid unter Verwendung eines Katalysators wie z. B. Schwe¬

felsäure oder Zinkchlorid. Häufig wurden Pyridin zum Abfangen der

entstehenden Säure und Formamid als Quell- und Lösungsmittel ver¬

wendet. Durch Erhitzen von Pektin mit Essigsäureanhydrid. Essigsäureund Schwefelsäure wurde ein stark abgebautes Diazetat erhalten (220),Die direkte Umsetzung von Essigsäureanhydrid mit Pektin und Nitro-

pektin (210) führte nie zu homogenen und hochmolekularen Derivaten.

Durch Vorquellung in organischen Lösungsmitteln, vor allem in Form¬

amid, und anschliessende Azetylierung mit Essigsäureanhydrid konn¬

ten bedeutend bessere Reaktionsprodukte erhalten werden (116). Car¬

son und Maclay gelang die Herstellung vollständig veresterter Azetyl¬derivate, deren Methoxylgehalt und Kettenlänge sich von denen der

Ausgangspräparate kaum unterschieden (36. 37). Pektin wurde vor

der Reaktion in Formamid vorgequollen und anschliessend mit Essig¬säureanhydrid und Pyridin als Katalysator bei Zimmertemperatur um¬

gesetzt. Untersuchungen an diesen polymerhomologen Derivaten zeigten.

— 16 —

dass bereits durch die Einführung von einer Azetylgruppe auf 4—8

Galakturonsäurebausteine das Pektin seine Gelierfähigkeit einbüsst

(196). Azetylierungen mit Keten, wie sie bei Alginsäure ohne Abbau

durchgeführt worden sind (243), sind mit Pektinstoffen nicht bekannt.

Von den Derivaten höherer Fetfsäuren sind das Dipropionat und

Dibutyrat, hergestellt mit Hilfe von Säureanhydriden, und das Laurat,

Myristat, Palmitat und Benzoat, hergestellt mit Hilfe der Säurechloride,beschrieben (37).

Eine neuere, sehr rasche und milde Acylierungsmethode, die auf

der Anwendung von Trifluoressigsäureanhydrid als Katalysator beruht,ist für Pektinstoffe noch nicht angewendet worden (228).

3. GEWINNUNG UND CHARAKTERISIERUNG VON

AZETYLIERTEN PEKTINSTOFFEN.

3,1. Charakterisierung der verwendeten Ausgangspräparate.

Für die Untersuchungen wurden zwei Pektinpräparate des Han¬

dels*) mit verschiedenem Methoxylgehalt verwendet. Sie zeichneten sich

durch ein hohes Molekulargewicht und einen geringen Gehalt an Bal¬

laststoffen aus. Das Ausgangspektin wurde umgefällt und mit alkoho¬

lischer Salzsäure (3-proz. HCl) ausgewaschen, mit 50-proz. Alkohol nach¬

gewaschen und bei 50° C im Vakuum getrocknet. Das getrockneteAusgangsprodukt wurde nach den üblichen Methoden charakterisiert

(17, 95, 102, 186, 221).

Die freien, unveresterten Carboxylgruppen werden in einer Lösungbekannter Konzentration direkt titrimetrisch bestimmt (42). Die unlös¬

liche Pektinsäure wird durch vorsichtige Neutralisation gelöst und ti¬

triert. In der neutralisierten Lösung können durch Zugabe eines bekann¬

ten Ueberschusses an Natronlauge alle Methoxylgruppen verseift werden

(42, 68, 165). Durch Rücktitration mit Säure wird die verbrauchte Lau¬

genmenge, die den Methoxylgruppen entspricht, ermittelt. Aus den er¬

haltenen Werten lassen sich der Gehalt an Reinpektin und dessen Ver¬

esterungsgrad berechnen (5, 42).Gehalt an Reinpektin in g

= 176 x + 190 y

Veresterungsgrad (Methoxyl) in °/o =

x + y

x = freie, unveresterte Carboxylgruppen in Aequivalenteny= mit Methanol veresterte Carboxylgruppen in Aequivalenten

Der Methoxylgehalt kann ausserdem nach Zeisel (157, 234, 247)bestimmt werden.

Der Wassergehalt wird durch Trocknung während drei Stunden bei

] 05° C ermittelt. Anschliessend werden die Proben verascht und geglüht,

*) Das Pektin wurde in freundlicher Weise von der Firma Unipektin A. G., Zürich,zur Verfügung gestellt.

— 17 -

und der Ascherückstand wird gravimetrisch bestimmt. Der Ballaststoff¬

gehalt in Prozent ergibt sich aus der Differenz der Summe aller in

Gewichtsprozent ausgedrückten Werte zu 100. Die Viskosität wird in

0,05-n. Natronlauge im Höppler-Viskosimeter bei 20,0° C bestimmt.

Die Zähigkeitszahl Z bedeutet tj spez. / c ; c=Milliäq. Uronsäure pro

100 cm3 Lösung (61). Die Resultate der analytischen Charakterisierungsind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1.

Charakterisierung der verwendeten Pektinpräparate.

Pektinsäure A Pektin B

inMilliäq./g in o/0 inMilliäq./g in o/0

1. unveresterte Carboxylgruppen 4,83 — 1,402. veresterte Carboxylgruppen 0,04 — 3,27 —

( Methoxylgruppen )3. Reinpektin (1 + 2) 4,87 85,8 4,67 86,64. Wassergehalt — 10,6 — 10,45. Aschengehalt — 1,5 — 0,916. Ballaststoffgehalt — 2,1 — 1,9

7. Veresterungsgrad in °/o 0,E 70,0

(Methoxvl)8. Viskosität Z 0.É 0 0,56

Aus dem Pektin B (Veresterungsgrad 70°/o) wurden noch Präparate verschie¬

denen Methoxylgehaltes mit einem Veresterungsgrad von 47% (B') und 25°/o (B")

gewonnen. Dazu wurden von dem charakterisierten Ausgangspektin Lösungen be¬

kannter Konzentration hergestellt. Diesen Lösungen wurden den freien und den zu

verseifenden Estergruppen äquivalente Mengen Natronlauge langsam unter starkem

Rühren zugesetzt. Die Verseifungsreaktion war nach zwei Tagen bei Zimmertem¬

peratur praktisch vollständig verlaufen. Die Reaktionsprodukte wurden in Alkohol

ausgefällt, mit Salzsäure-Alkohol und Alkohol gewaschen und bei 50° C im Vakuum

getrocknet.

3,2. Herstellung von azetylierten Pektinstoffen.

Von den zahlreichen in der Literatur beschriebenen Azetylierungs-methoden wurde diejenige von Carson und Maclay (37) angewendet.

Das Ausgangspräparat wird 15 Stunden im Vakuum bei 40° C getrocknet und

in Formamid eingetragen. Die Mischung wird während 1—3 Stunden bei 30—60° C

heftig gerührt, bis das Pektin gleichmässig gequollen ist. Nun wird auf ca. 10° C

abgekühlt, tropfenweise Pyridin und anschliessend rasch Essigsäureanhydrid zuge¬

geben. Die Reaktion wird zu verschiedenen Zeiten unterbrochen, indem das Pektin¬

derivat, je nach Umfang der erfolgten Umsetzung, in Wasser, Alkohol oder Alko-

hol-Aether-Mischung gefällt wird. Der Niederschlag wird über einem Tuchfilter ab¬

getrennt, mit Alkohol, Salzsäure-Alkohol (3-proz. HCl) und wieder mit Alkohol bis

zur Q~-Freiheit gewaschen, kurz mit Aether behandelt und bei 50° C im Vakuum

getrocknet.

Um Derivate verschiedenen Veresterungsgrades zu erhalten, wur¬

den die Reaktionsbedingungen, wie in Tabelle 2 beschrieben, variiert.

— 18 —

Die bei den verschiedenen Bedingungen erzielten Azetylierungsgradesind in Tabelle 2 mitangegeben.

Tabelle 2.

Herstellung von Pektinstoffen verschiedenen Azetylierungsgrades.Reaktionsbedingungen.

Pektinstoff pro Ansatz: 100 g

Azetyîierungsmethode I II III IV

Formamid in g 1500 -2200 1000—2500 1000—1500

Pyridin in g ca. 400 400—600 400—650 Nr. III

Essigsäureanhydrid in g ca. 100 200—250 350—400 einmal

Reaktionsdauer in min 8--12 ca. 10 10—20 wiederholt

Reaktionstemperaturin »C

_

Umfang der Azetylie-

10 10 10

20--30 45—55 65—75 über 80

rung in °/o

3,3. Charakterisierung der azetylierten Pektinstoffe.Die Charakterisierung der azetylierten Präparate erfolgt weitgehend

nach den üblichen und bereits besprochenen Methoden der Pektinana¬

lyse unter zusätzlicher Durchführung von Azetylbestimmungen. Die was¬

serlöslichen Präparate können unter Verwendung von Ionenaustauschern

auch rein titrimetrisch bestimmt werden (5). Für eine genaue Charak¬

terisierung dienten folgende Angaben:1. Gehalt an freien, unveresterten Carboxylgruppen2. Gehalt an veresterten Carboxylgruppen (Methoxyl)3. Gehalt an Azetylestergruppen4. Wassergehalt5. Aschegehalt6. Ballaststoffgehalt7. Viskosität

Die Werte 4.—7. wurden nach den üblichen Methoden der Pektin¬

analyse bestimmt; 1.—3. wurden folgendermassen ermittelt.

Zur Bestimmung der freien, unveresterten Carboxylgruppen wird

eine Pektinlösung genau bekannter Konzentration hergestellt und mit

0,1-n. Natronlauge titriert. Die verbrauchten Aequivalente an Natron¬

lauge entsprechen den freien Carboxylgruppen x. Nun werden durch

Zugabe eines genau bekannten Ueberschusses an Natronlauge zur neu¬

tralisierten Lösung alle Estergruppen verseift. Die nicht verbrauchte

Lauge wird mit 0,1-n. Schwefelsäure zurücktitriert. Die verbrauchten

Aequivalente Natronlauge entsprechen den gesamten Estergruppen e (5).Falls nur Methylester vorliegen, entspricht der erhaltene Wert dem Ge¬

halt an Methoxylgruppen. Enthält das Präparat nur Azetylgruppen (aze-

tylierte Pektinsäure), so entspricht der gefundene Wert dem Gehalt an

Azetylgruppen.

— 19 —

Die Methoxylgruppen y wurden nach der Zei,se/-Methode in derModifikation von Vieböck und Schwappach (157, 234) bestimmt.

Für die Ermittlung der Azetylgruppen in Pektinstoffen sind ver¬

schiedene Analysenmethoden bekannt. Sie beruhen alle auf einer Auf¬

spaltung der Ester und Bestimmung der abgespaltenen Essigsäure im

Destillat des Reaktionsgemisches. Nach älteren Arbeiten wurden die

Azetylgruppen durch längeres Kochen mit verdünnter Schwefelsäureoder verdünnter Natronlauge verseift, und die Essigsäure wurde durch

gewöhnliche Destillation oder Wasserdampfdestillation abgetrennt undtitrimetrisch bestimmt (68, 70, 168, 235). Doch wurde häufig eine

störende Zersetzung des Pektins beobachtet. Es entstand als Nebenpro¬dukt Ameisensäure, die mit Kaliumbichromat zerstört oder mit Mercuri-

chlorid bestimmt werden musste. Um die Bildung von Zersetzungspro¬dukten zu vermeiden, können die Azetylester mit Schwefelsäure bei100° C unter Luftabschluss (99) oder mit verdünnter Natronlauge bei

Zimmertemperatur abgespalten werden (195).In der vorliegenden Arbeit wurden die Azetylestergruppen nach der

Methode von Freudenberg und Harder ermittelt (72, 73, 75). Die Esterwurden dazu in wasserfreiem Milieu mit alkoholischer p-Toluolsulfo-säure abgespalten, bezw. zu Essigsäuremethylester umgesetzt. Der leicht¬

flüchtige Ester wurde abdestilliert, verseift und bestimmt. Die Bestim¬

mungsmethode zeigte eine befriedigende Genauigkeit (vgl. Tabelle 3).Eine störende Zersetzung des Pektins konnte, entgegen anderen Angabender Literatur (17), nicht beobachtet werden. Die Bestimmung wurde

zweckmässig in der modifizierten Apparatur von Cramer, Gardner und

Purves (40) ausgeführt, die für ähnliche Bestimmungen an Azetylcellu-lose ausgearbeitet wurde (Abbildung 1).

Analysenvorschrift :

Der Kolben A wird mit 0,3—0,4 g Substanz, 30 cm3 absolutem Methanol, 5 g

p-Toluolsulfosäure und einigen Siedesteinchen beschickt, mit dem Tropfansatz C

verbunden und an den Kühler a fest angeschlossen. Der Kolben B wird mit 10 cm3

absolutem Methanol beschickt, locker an den Kühler b angeschlossen und mit Eis¬wasser gekühlt. Nun wird folgendermassen vorgegangen:

1. Kühler a in Betrieb setzen. Kolben A 10 Minuten im Wasserbad bei 95° C erhitzen.

2. Kühler a entleeren, Kühler b in Betrieb setzen. Reaktionsmischung im KolbenA 15 Minuten abdestillieren.

3. Kühler a in Betrieb setzen, Kühler b ausschalten. Kolben A durch Tropf¬ansatz C mit 20 cm3 Methanol beschicken. Kolben A unter Rückfluss 10 Mi¬

nuten erhitzen.

4. Kühler a entleeren, Kühler b in Betrieb setzen. Kolbeninhalt A 10 Minuten

abdestillieren.

5. Schritte 3. und 4. einmal wiederholen.

6. Mit entleertem Kühler a und mit Kühler b in Betrieb in den Kolben A durch

Tropfansatz C 20 cm3 Methanol während 10 Minuten langsam zutropfen lassen,gleichzeitig erhitzen und abdestillieren. Anschliessend 10 Minuten weiterdestil¬lieren lassen.

7. Kolben B mit 30 cm3 0,1-n. Natronlauge versetzen, fest an Kühler b, der in

Betrieb steht, anschliessen und 10 Minuten unter Rückfluss am Wasserbad er¬

hitzen.

— 20 —

8, Kolben B abkühlen und die nicht verbrauchte Laugenmenge mit 0,1-n. Schwe¬

felsäure gegen Phenolphtalein zurücktitrieren.

Die verbrauchte Laugenmenge in Aequivalenten entspricht dem Gehalt an Essig¬säure (z). Vor jeder Versuchsreihe sind Blindbestimmungen auszuführen.

Aus den gefundenen Werten für freie Carboxylgruppen, veresterte

Carboxylgruppen und Azetylgruppen lässt sich der Gehalt an Rein¬

pektin und der Veresterungsgrad folgendermassen berechnen:

Gehalt an Reinpektin in g = 176 •

x + 190 •

y + 42 •

z

ai- i ./z'100

Azetylierungsgrad in "/» = — ——

i. (X "T y)x = freie, unveresterte Carboxylgruppen in Aequivalenteny = mit Methanol veresterte Carboxylgruppen in Aequivalentenz = mit Essigsäure veresterte sekundäre Hydroxylgruppen in Ae¬

quivalenten.

Abbildung 1.

Modifizierte Apparatur nach Cramer, Gardner und Purves für die Aze-

tylbestimmung nach Freudenberg und Harder.

Die azetylierten Pektinsäurepräparate, die aus der Pektinsäure A

gewonnen wurden, sind nach den beschriebenen Methoden charakteri¬

siert worden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Sie

zeigen eine gute Uebereinstimmung der nach verschiedenen Analysen¬methoden erhaltenen Resultate. Ein Vergleich der Viskosität des Aus¬

gangspräparates der Pektinsäure (Z= 0,60) mit dem azetylierten Deri¬

vat, das nach der Methode III hergestellt wurde (Z = 0,56), zeigt, dass

weder bei der Azetylierung, noch bei der alkalischen Verseifung ein

Kettenabbau eingetreten ist.

— 21 —

Tabelle 3.

Charakterisierung der azetylierten Pektinsäurepräparate.Ausgangsprodukt: Pektinsäure A

Azetylierungsmethode III IV

1. unveresterte Carboxylgruppen titrimetrisch be¬ 3,81 3,42stimmt. Milliäq./g

2. gesamte Estergruppen (Methoxyl und Azetyl) 5,69 —

titrimetrisch bestimmt. Milliäq./g2a. Methoxylgruppen nach Zeisel bestimmt. 0,03 0,02

Milliäq./g2b. Azetylgruppen nach Freudenberg und Harder 5,68 6,70

bestimmt. Milliäq./g3. Reinpektin in °/o (aus 1 und 2 berechnet) 91,50 87,904. Wassergehalt in %> 5,40 8,905. Aschegehalt in °/o 1,60 1,106. Ballaststoffgehalt in °/o 1,50 1,307. Veresterungsgrad in °/o

Azetylgruppen 73,90 97,40Methoxylgruppen 0,79 0,58

8. Viskosität Z 0,5686 0,4532

Die azetylierten Pektine, die aus dem Pektinpräparat B und dessen

alkalischen Verseifungsprodukten (B' und B") gewonnen wurden, sind

ebenfalls charakterisiert worden und sind in Tabelle 4 zusammenge¬stellt. Der Veresterungsgrad mit Methanol betrug für Pektin B 70.0%>,für B' 47,0%» und für B" 25,0%. Die Ergebnisse der Tabelle 4 zeigen,dass bei der Azetylierung kaum Methanolabspaltung eingetreten ist.

Tabelle 4.

Charakterisierung der azetylierten Pektinpräparate B.

Ausgangsprodukt: Pektin B und dessen alkalische Verseifungsprodukte

Ausgangspräparate

Azetylierungsmethode

B" B' B

I

B" B' B

II

B" B' B

III

1. unveresterte Carboxyl¬gruppen. Milliäq./g

2a. MethoxylgruppenMilliäq./g

2b. AzetylgruppenMilliäq./g

3. Reinpektin in %

3,18 2,20 1,41

1,00 1,90 2,93

1,93 2,68 1,88

83,0 86,0 88,3

3,20 2,03 1,38

1.01 1,80 2,84

4.02 4,10 4,14

92,4 87,1 95,5

2,80 1,94 1,20

0,90 1,70 2,50

5,53 5,14 5,45

89,6 88,0 91,5

VeresterungsgradAzetylgruppen in %>

Methoxylgruppen in %23,1 32,6' 21,624,0 46,3 67,5

47,7 53,5 49,024,0 46,9 67,4

74,7 70,6 73,6

24,3 46,7 67,6

— 22 —

Die folgenden Untersuchungen wurden, mit Ausnahme der Gelier¬

versuche, ausschliesslich an azetylierter Pektinsäure mit einem Azetylie-rungsgrad von 0,5 bis 73,9°/« ausgeführt. Pektinsäure, deren sekundäre

Hydroxylgruppen höher als zu etwa 75°/o verestert sind, ist äusserst

schlecht wasserlöslich und sehr koagulationsempfindlich und wurde für

die folgenden Untersuchungen nicht verwendet.

Azetylierte Pektinsäure verschiedenen Azetylierungsgrades wurde aus dem zu

73,9°/o veresterten Präparat durch partielle Verseifung mit Natronlauge hergestellt.Viermal je 50,00 g Ausgangspräparat wurden genau abgewogen, in 3,0 Liter Wasser

gelöst und mit je 190,5; 283,0; 379,0 und 474,0 Milliäq. 0,5-n. Natronlauge unter hef¬

tigem Rühren langsam versetzt und 2 Tage bei Zimmertemperatur stehen gelassen.Die Lösungen wurden nun zur Entfernung der niedermolekularen Elektrolyte über

Kationen- und Anionenaustauscher perkoliert und genau auf 5,0 Liter aufgefüllt.Das Makroion der Pektinsäure wurde im Austauscher nicht zurückgehalten (5, 60).

Die Lösungen enthielten nun ca. l°/o azetylierte Pektinsäure oder 192,0 Milliäq.Uronsäure pro Liter mit einem unterschiedlichen Veresterungsgrad an Essigsäure von

73,9%, 50,0%, 25,0°/o und 0,5%.

Für die Untersuchungen über die Aktivität der Pektinase wurden nach der

gleichen Vorschrift Lösungen mit einem Veresterungsgrad von 66,0°/o, 36,0% und

0,05% in einer Konzentration von 19,0 Milliäq. Pektinsäure pro Liter hergestellt.

4. GEWINNUNG UND CHARAKTERISIERUNG VON

AZETYLIERTEM CARUBIN.

Carubin ist ein wasserlösliches, hochpolymeres Galaktomannan, das

im Samen von Ceratonia Siliqua L. vorkommt und aus 16—20°/o D-

Galaktose und 80—84% D-Mannose besteht. Die Hauptkette wird aus

1,4-glykosidisch verknüpften Mannosebausteinen gebildet, während Ga-

laktosereste durch 1,6-glykosidische Bindungen an der Hauptkette fixiert

sind Uli, 216). Carubin wird als Beispiel für ein Polysaccharid ver¬

wendet, das im Gegensatz zu Pektinsäure keine Carboxylgruppen auf¬

weist. Es steht zu erwarten, dass sich der Azetylester des Carubins an¬

ders verhält als der Azetylester der Pektinsäure.

60 g Carubin wurden in 10 Liter heissem Wasser gelöst, die Lösung zentrifugiertund in Alkohol gefällt. Das gefällte Produkt wurde gut mit Alkohol und Aether

ausgewaschen und bei 40° C im Vakuum getrocknet. 50 g gereinigtes Carubin wur¬

den bei 40° C 2 Stunden in 700 g Formamid gequollen, auf 10° C abgekühlt und mit

300 g Pyridin versetzt. Nun wurden langsam 150 cm3 Essigsäureanhydrid zugetropftund während 10 Minuten einwirken gelassen. Die Reaktionsmischung wurde in

Aether-Alkohol (1:1) gefällt. Das ausgefällte azetylierte Carubin wurde mit Alko¬

hol gut ausgewaschen, mit Aether nachgespült und bei 40° C im Vakuum getrocknet.1 g des azetylierten Produktes wurde zur Charakterisierung in 100 cm3 Wasser ge¬

löst. Ein aliquoter Teil der Lösung wurde zur Hydrolyse des Carubins mit 0,5-n.Schwefelsäure 12 Stunden bei 95" C am Rückfluss gekocht. Der Gehalt an Hexose

wurde nach Schoorl (211) bestimmt und betrug 5,022 Milliäq. pro 1 g Substanz.

Der Gehalt an Estergruppen wurde durch alkalische Verseifung, analog wie bei den

Pektinstoffen, ermittelt und betrug 3,025 Milliäq. pro g Substanz. Eine Estergruppeentfällt also auf 1.66 Hexosebausteine.

- 23 —

5. EIGENSCHAFTEN DER AZETYLIERUNGSPRODUKTE.

5,1. Einige physikalische Eigenschaften der azetylierten Pektinstoffein Abhängigkeit vom Azetylierungsgrad.

5,11. Löslichkeit.

Die Löslichkeit azetylierter Pektinsäure verschiedenen Veresterungs¬grades in Wasser und organischen Lösungsmitteln ist geprüft worden,und die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengestellt.

Je 0,2 g Substanz wurden in 10 cm3 Flüssigkeit gegeben und gutvermischt. Nach 12 Stunden wurde das Verhalten beobachtet. Pektin-

säure ist in Wasser und in organischen Lösungsmitteln unlöslich. Durch

die Einführung weniger Azetylgruppen steigt die Löslichkeit in Wasser,bei umfangreicher Veresterung steigt die Löslichkeit in organischen Lö¬

sungsmitteln. Die Präparate sind in Aceton unlöslich. HochazetyliertesPektin ist in Aceton löslich.

Tabelle 5.

Löslichkeit von Pektinsäuren verschiedenen Azetylierungsgrades in

Wasser und organischen Lösungsmitteln.

+ gut löslich

"•" wenig löslich, gequollen

— unlöslich, nicht gequollen

Lösungsmittel97.4

Vereste

73,9

rungsgra

47,0

i in o/0

25,0 0,5

Aceton —— — — —

Aceton-Wasser (1 : 1)+

+

+

+

+

++ —

Aethanol + — __ ——

Aether + 4-— — —

Amylazetat + 4- — — —

Benzol —— -- _

—

Chloroform + + — ——

Formamid ++

t-

+

+

+

++

Wasser —

+ + +

+

5.12. Ko a g u 1 i e r b ar ke i t.

In Tabelle 6 wird der Einfluss des Veresterungsgrades auf die Koa¬

gulationsempfindlichkeit von azetylierter Pektinsäure dargestellt.Je 2 cm3 wässrige Lösung (enthaltend 27,54 Milliäq. azetylierte Pektinsäure

pro 1 Liter Lösung) wurden zu 2 cm3 Elektrolytlösung gegeben und gut geschüttelt.Die Konzentrationen der Elektrolytlösungen wurden zwischen 2-n. und 0,001-n. va¬

riiert. Nach einer Stunde wurde das Verhalten der Lösungen beobachtet. Es wurde

— 24 —

die minimal zur Flockung nötige Koagulatormenge, ausgedrückt in Milliäq. pro

Liter Mischung, berechnet.

Aus Tabelle 6 geht hervor, dass die zur Koagulation benötigtenElektrolytmengen mit steigendem Veresterungsgrad progressiv zuneh¬

men. Hochazetylierte Pektinsäure ist mit 1- und 2-wertigen Leichtmetall¬

kationen nicht mehr zu flocken. Bemerkenswert ist das Verhalten gegen¬über Säuren. Während Pektinsäure und hochazetylierte Pektinsäure sehr

flockungsempfindlich sind, kann das zu 50°/o und 25% veresterte Deri¬

vat mit Säure nicht geflockt werden.

Tabelle 6.

Koagulationsverhalten von Pektinsäure verschiedenen Azetylierungs-grades gegenüber Elektrolyten in wässriger Lösung,

Veresterungsgrad in o/0Koagulatoren

73,9 47,0 23,0 0,5

Zur Koagulation nötige Elektrolytmenge in Milliäq. pro LiterMischung

NaCl > 1000 > 1000 > 1000 500

KCl > 1000 > 1000 > 1000 250

CsCl > 500 > 500 > 500 500

AgNOs 250 50 25 5

MgCla > 1000 > 1000 500 25

CaCk > 1000 500 50 2.5

SrCl2 > 1000 250 25 2,5BaCla > 1000 50 5 2,5CuCb 25 2,5 2.5 2,5AlCls 1 1 1 1

HCl 25 > 1000 > 1000 25

H2SO4 50 > 1000 > 1000 25

Auch die Koagulationsbereitschaft gegenüber Alkohol und Aceton

nimmt mit steigendem Azetylierungsgrad ab (Tabelle 7).Es wurden jeweils 2 cm3 wässriger Lösung azetylierter Pektinsäure gleicher

Konzentration wie im vorangehenden Versuch verwendet. Diese wurden jeweils in

4 cm3 Alkohol bezw. Aceton, die mit Wasser auf verschiedene Konzentrationen ge¬

bracht wurden, gegeben. Nach einer Stunde wurde das Verhalten der Mischung be¬

obachtet. Es wurde die minimale zur Flockung nötige Konzentration an Alkohol und

Aceton in der Koagulationsmischung in Volumenprozent berechnet.

Tabelle 7.

Koagulationsverhalten von Pektinsäure verschiedenen Azetylierungs-grades gegenüber Alkohol und Aceton.

Koagulatoren73,9

Veresterungsgrad in 0/0

47.0 I 25,0 0,5

Zur Koagulation nötige Menge in Volumenprozent

Alkohol

Aceton

66

66

50

50

40

50

33

33

— 25 —

5,13. Viskosität.

Es ist bekannt, dass die Viskosität wässriger Lösungen von Pektinen

vom Umfange der Veresterung der Carboxylgruppen abhängig ist. Wenn

dieser Effekt auf eine Streckung der Makromolekeln zurückgeführt wer¬

den kann (42, 47, 50), so sollte die Viskosität auch durch die Einfüh¬

rung von Azetylestergruppen zunehmen. Tabelle 8 zeigt, dass mit stei¬

gendem Veresterungsgrad der sekundären Hydroxylgruppen mit Essig¬säure die Viskosität der Lösung ansteigt.

Von den vier verschiedenen Ausgangslösungen, die in gleicher KonzentrationPektinsäure verschiedenen Azetylierungsgrades enthielten, wurden gleiche Mengen,entsprechend 1 Milliäq. Pektinsäure, entnommen und in 100 cm3 Messkolben pi¬pettiert. Die Lösungen wurden mit 0,1-n. Natronlauge neutralisiert und mit je 25 cm3

0,2-n. Natriumchloridlösung versetzt. Die Messkolben wurden bis zur Marke auf¬

gefüllt und 10 Stunden stehen gelassen. Die Viskosität wurde bei 20,0° C im

Höppler-Viskosimeter gemessen. Die Zähigkeitszahl Z bedeutet f] spez./c;c = Mil¬

liäq. Uronsäure pro 100 cm3 Lösung (61).

Tabelle 8.

Viskosität der wässrigen Lösungen von Pektinsäure (Na-Salz) verschie¬

denen Azetylierungsgrades in 0,05-n. NaCl.

(Viskosität des Na-Pektates in 0,05-n. Natronlauge Z = 0.56)

73,9

Veresterung

47,0

sgrad in 0/0

25,0 0,5

Viskosität Z 1,13 0,91 0,78 0,65

5,14. Geliervermögen.Der Azetylgehalt der Pektinstoffe hat einen ausserordentlich grossen

Einfluss auf ihr Geliervermögen. Mit den azetylierten Pektinstoffen ver¬

schiedenen Veresterungsgrades wurden daher systematisch Gelierversuche

ausgeführt. Es wurde die Fähigkeit geprüft, zuckerreiche Gele unter Zu¬

satz von Säure oder zuckerarme Gele unter Zusatz von Salzen mehrwerti¬

ger Kationen zu bilden. Zur Gewinnung der zuckerarmen Gele kann Ma¬

germilch, die Ca-Salze enthält, zugesetzt werden.

Die Gele wurden unter Variation der Standardbedingungen nach

folgenden Vorschriften hergestellt.

Zuckerreiche Gele unter Zusatz von Säure:

0,5—2,0 g Pektin werden mit wenig Alkohol angefeuchtet, mit 33 cm3 Wasser

versetzt und kurz aufgekocht. Nun werden 65 g Zucker zugegeben, und die Mi¬

schung wird auf ein Gewicht von 98 g eingekocht. Nach Zusatz von 1.5 bis 6 cm3

10-proz. Weinsäurelösung wird die Mischung in Geliergläser abgefüllt und nach

Uebersehichtung mit Paraffinöl bei Zimmertemperatur 24 Stunden stehen gelassen.

Zuckerarme Gele unter Zusatz von Magermilch:0,5—2,0 g Pektin, 12 g Zucker und 0,1—0,7 g Natriumpyrophosphat werden

trocken gemischt und zu 85 cm3 warmer Magermilch (enthaltend 7 g Magermilch¬pulver) gegeben und aufgelöst. Die Mischung wird vorsichtig erhitzt, auf 100 g ein-

- 26 -

gekocht, in Geliergläser abgefüllt und nach Ueberschichtung mit Paraffinöl bei

Zimmertemperatur 24 Stunden stehen gelassen.

Die Messung der Reissfestigkeit der Gele erfolgte mit Hilfe des TARR-BAKER-

Geltesters (171, 172). Dabei wird ein Stempel mit einer bestimmten Geschwindig¬keit in das Gel gedrückt, und es wird der Druck in cm Wassersäule gemessen, bei

dem das Gel reisst.

Die Ergebnisse der Gelierversuche sind in Tabelle 9 zusammenge¬

stellt. Die niederveresterten Ausgangspektinstoffe bilden in Gegenwartmehrwertiger Kationen zuckerarme Gele. Die hochveresterten Ausgangs¬pektinstoffe bilden unter Zusatz von Säure zuckerreiche Gele. Durch

Einführung von Azetylgruppen verlieren sie ihre Gelierfähigkeit, teil¬

weise auch ihre Löslichkeit in Wasser. Die wasserlöslichen, azetyliertenPräparate vermögen keine Gele zu bilden." mit Ausnahme der hochaze-

tylierten und nahezu methoxylfreien Pektinsäure. Die azetylierte Pektin¬

säure mit einem Veresterungsgrad an Essigsäure von 65—75°/» vermag

mit 65°/o Zucker und Säure — und nicht mit mehrwertigen Kationen —

feste Ca-unempfindliche Gele zu bilden. Azetylierte Pektinsäure mit einem

Azetylgehalt von 45—55°/o ergibt nur sehr weiche Gele. Durch saure

oder alkalische Abspalturg der Azetylgruppen werden wieder Produkte

normaler Gelierfähigkeit erhalten.

Tabelle 9.

Geliervermögen azetylierter Pektinstoffe.gutes Geliervermögen: Angabe der Reissfestigkeit in cm Wassersäule,

gemessen im TARR-BAKER-Geltester.

kein Geliervermögen: —

zuckerreiche Gele unter Zusatz von Säure: *

zuckerarme Gele in Gegenwart mehrwertiger Kationen: **

der sekundären Hydroxyle mit EssigsäureVeresterungsgrad in °/o

0 20—30 40—55 05—75 über 80

der Carboxvl- 0,3 42** — angeliert* 28* unlöslich

gruppen mit ca. 24 38** — — — unlöslich

Methanol ca. 47 24* — unlöslich unlöslich unlöslich

ca. 68 44* — unlöslich unlöslich unlöslich

5.2. Stabilität der Azetylierungsprodukte.

5,21. Stabilität in saurem Milieu.

Bei einer sauren Verseifung eines Esters handelt es sich um eine

säurekatalysierte Hydrolyse. Sie verläuft, da Wasser im Ueberschuss

vorhanden ist, pseudomonomolekular. Die Verseifungsreaktion kann fol-

gendermassen formuliert werden (62. 127).

— 27 -

c° Hw c?R-C JL R-C + 0-H

(0R-Ç-O-HH-0 H

i

(+10

R-C-O-H

H-0 h

Ubergongszust'öncl

ï ! I Ë

Der Ester I bildet durch Anlagerung von Protonen das Oxoniumion II.

Dieses reagiert mit Wasser zum Uebergangszustand III. Durch Abspal¬tung des Alkohols entsteht die Säure IV. Die Protonenkonzentration

ist am Anfang und am Ende der Reaktion dieselbe.

Die Berechnung der Reaktionskonstante erfolgt nach der Gleichungfür Reaktionen erster Ordnung (169, 215).

. 2,303,

bk =

• log-t Bb- x

k = Reaktionskonstante (min1)b = Milliäq. Estergruppen, die zur Verseifung verfügbar

sind, pro Liter Reaktionsmischung, zur Zeit t = 0

x = Milliäq. verseifte Estergruppen zur Zeit t pro Liter Re-

aktionsmischungt = Reaktionszeit in Minuten

Die Verseifungsversuche wurden in genau 0,1-n. Salzsäure ausge¬

führt, wobei die Konzentration an Pektinsäure und deren Veresterungs¬grad variiert wurden. Unter diesen Bedingungen ist praktisch keine Hy¬drolyse der glykosidischen Bindungen und auch keine Dekarboxylierungfestzustellen.

Je 25 cm3 Pektinsäureazetylester wurden bei bekannter Temperatur mit 25 cm3

0,2-n. Salzsäure versetzt. Nach verschiedenen Zeiten wurde die Reaktionslösungrasch auf 20° C abgekühlt und mit Hilfe einer Glaselektrode elektrometrisch ti¬

triert. Aus den Wendepunkten der Titrationskurven Hessen sich die verseiften Men¬

gen Ester leicht berechnen. Die Verseifungsreaktion wurde ein erstes Mal jeweilsnach 5 Minuten unterbrochen. Der erhaltene Wert wurde als Anfangswert für die

folgenden Bestimmungen verwendet, um Abweichungen vom Reaktionsverhalten,wie sie beim Beginn der Reaktion entstehen können, auszuschalten. Jede Versei-

fungsserie wurde dreifach ausgeführt. Die Reproduzierbarkeit war befriedigend.

Die Mittelwerte sind in Tabelle 13 zusammengestellt. Sie zeigen,dass die saure Verseifung befriedigend durch die Reaktionsgleichungerster Ordnung beschrieben werden kann. Bei fortgeschrittener Deazety-lierung tritt wegen gesteigerter Elektrolytempfindlichkeit Flockung ein.

Untersuchungen über die Stabilität der Ester in 0,5-n. Salzsäure

ergaben keine reproduzierbaren Werte, da die azetylierte Pektinsäure

im stark sauren Milieu rasch ausgeflockt wurde.

— 28 —

Tabelle 10.

Saure Verseifung azetylierter Pektinsäure in wässriger Salzsäure.

Azetylierte Pektinsäure A, Azetylierungsgrad 73,9°/o.

Versuchsplan :

Nr. Reaktions- Pektinsäure pro Salzsäure pro Ester pro Liter

temperatur Liter Reaktions¬ Liter Reaktions¬ ReaktionslösungOC lösung Milliäq. lösung Milliäq. für Verseifung

verfügbar

Milliäq.

37 32,0 100,0 42.50

55 32,0 100.0 42,0570 32,0 100.0 40,35

Nr.

Reaktions¬

zeit in min

Ester

verseift in

Milliäq.

pro Liter

Reaktions¬

konstante

k 103

1 365

1385

1860

2945

4235

2.9

11,015.2

19,3

23,1

0,1940,2260,2370,206

geflockt

0,216

2 235

375

535

1325

1985

11.55

15,7018,85

20,6033,40

1.366

1,247

1,1120.982

geflockt

1,177

3 140

300

440

545

1345

15,5025.70

29.40

31,30

34,10

3,463

3,3892,9672,743

geflockt

3,141

Aus den bei verschiedenen Temperaturen gemessenen Reaktions¬

konstanten lässt sich die Aktivierungsenergie der sauren Verseifung nach

Arrhenius (215) berechnen. Sind die Geschwindigkeitskonstanten bei

den Temperaturen Ti und T2 gleich ki und k2, so ist

ki = A-e-W.

Es ist daher

daraus folgt

k2 = A-e-E/KT2

kj/ka = e-E/RT. + E/RT2

und In (kt/k2) = E/RT2 — E/RTi

Tx T,E = In (ki/k2) R

T,—T,

— 29 —

k = Reaktionskonstante (Milliäq.-1 min-1)

A = Konstante (min *)

R = Gaskonstame = 1.9867 cal • grad"1 • mol"1

E = Aktivierungsenergie (cal-mol"1)

T = absolute Temperatur = 273 + °C

Es konnten aus den Reaktionskonstanten von 37,0 und 55.0° C so¬

wie von 37,0 und 70,0° C folgende Aktivierungsenergien berechnet wer¬

den:

E 37,0-55,0= 19020 caL mol"1

E 37,0 - 70,0= 17140 cal mol l

5,22. Stabilität in alkalischem Milieu.

Bei einer alkalischen Verseifung eines Esters handelt es sich um

eine bimolekulare Reaktion, die von der Konzentration der (OH)"-Ionenund des Esters in der Reaktionslösung abhängig ist. Die Reaktion kann

folgendermassen formuliert werden (62, 127).

R-C.(-'

0H

0I

R"

(0R-C-OH

V-'

oi

__R-C-OH

0»

-c-o

0-Hf

Üb«rgong«us|-ond

Das positivierte C-Atom der Carboxylgruppe (I) reagiert mit der starken

Base (OH)" zum Uebergangszustand (II). Von diesem erfolgt die Ab¬

spaltung des Alkoholatanions (III), das durch Aufnahme des abdisso¬

ziierenden Protons der Carboxylgruppe in den Alkohol übergeht (IV).Das Säureanion steht selbstverständlich mit dem Kation (z.B. Na.+) das

während der Reaktion vom Hydroxylanion an das Säureanion abgege¬ben wurde, in heteropolarer Beziehung. Die alkalische Verseifung ver¬

läuft stöchiometrisch.

Die Berechnung der Reaktionskonstante k erfolgt nach der Glei¬

chung für Reaktionen zweiter Ordnung (169. 215):

— 30 —

2,303 1000,

(a-x) bk =

(a-b) • tl0g (b-x)T

= Reaktionskonstante (Milliäq. x • min"

Milliäq. NaOH, die zur Verseifung verfügbar sind, pro Liter Re¬

aktionslösung zur Zeit t = 0

b = Milliäq. Estergruppen, die zur Verseifung verfügbar sind, proLiter Reaktionslösung, zur Zeit t = 0

x = Milliäq. verseifter Ester, pro Liter Reaktionslösung zur Zeit t

t = Reaktionszeit in min

Für die Verseifungsversuche wurden die Konzentrationen an Polygalaktu-ronsäure und deren Veresterungsgrad und die Konzentration an Lauge,wie im Versuchsplan von Tabelle 11 dargestellt, variiert.

Je 25 cm3 Lösung wurden bei konstanter Temperatur mit einem bekannten

Leberschuss an 0,1-n. Natronlauge unter heftigem Schütteln versetzt. Die Reaktion

wurde zu verschiedenen Zeiten durch Zugabe einer der Laugenmenge äquivalentenMenge 0,1-n. Schwefelsäure unterbrochen. Die sauren Lösungen wurden sofort mit

einer Glaselektrode elektrometrisch titriert. Aus den Wendepunkten der Titrations¬

kurven Hessen sich die verseiften Ester leicht berechnen. Die Verseifungsreaktionwurde ein erstes Mal nach 30 Sekunden unterbrochen und erfasst. Dieser erhaltene

Wert wurde als Anfangswert für die folgenden Bestimmungen angesetzt. Jede Ver-

seifungsserie wurde dreifach ausgeführt. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisseist gut.

Die Werte der Verseifungskonstanten in Tabelle 11 zeigen, dass die

Reaktion befriedigend durch die Reaktionsgleichung zweiter Ordnungbeschrieben werden kann. Bei verschiedenen Konzentrationen und glei¬cher Temperatur ergibt sich eine Uebereinstimmung der Werte. Mit stei¬

gender Temperatur wird ein Anstieg der Konstanten beobachtet.

Tabelle 1 1.

Alkalische Verseifung azetylierter Pektinsäure in wässriger Natronlauge.Azetylierte Pektinsäure A, Azetylierungsgrad 73.9°/o.

Versuchsplan:

Nr. Reaktions- Pektinsäure pro Natronlauge pro Ester pro Liter

temperatur Liter Reaktions¬ Liter Reaktions¬ ReaktionslösungoC lösung Milliäq. lösung

für Verseifung

verfügbar

Milliäq.

für Verseifung

verfügbar

Milliäq.

17.5 15.15 41.50 19,5017,5 15.15 43.30 21,3017.5 9.96 40.32 13.26

28.0 9,96 40.32 13,2640,0 15.15 36.15 15,31

— 31 —

Nr. Reaktions¬

zeit in min

Ester ver

seift in

Milliäq.

pro Liter

Reaktion^-

konstante k

Xr. Reaktions¬

zeit in min

Ester ver¬

seift in

Milliäq.

pro Liter

Reaktions¬

konstante k

4 2

4

6

9

14

24

39

149

960

1.95

3.80

4.90

6.42

9.17

12.10

15.38

19.17

19.50

1.300

1.371

1.241

1.168

1.252

1.182

1.272

1,071

~~

1.232

5 2

5

10

15

40

150

950

2,335.17

7.26

11,06

16,8821,0121.30

1.380

1.382

1.237

1,3051.227

1.101

~~

L272

6 2

5

10

15

40

150

950

1.31

3.07

4.99

6.47

10.81

13.19

13.26

1.320

1.362

1.260

1.217

1,2711,224

1.276

7 1

3

6

14

30

40

119

1.10

3,045.06

8.52

11,5912,1812.78

2,178

2.243

2.1.34

2.138

2,135

1,985

""

2,135~~

8 2

4

9

20

60

3.60

6.11

10.44

13.73

15.30

3,9153.888

4,2874.302

"

"4.098~~

Die alkalische Verseifung von Pektin muss als eine Reaktion zwi¬

schen Pektinsäureanionen und Hydroxylanionen aufgefasst werden

(139). Es ist bekannt, dass Reaktionen zwischen Ionen in Lösung durch

den Neutralsalzgehalt der Lösung beeinflusst werden (64, 79. 136). Bei

Reaktionen zwischen Ionen gleichen Vorzeichens Iässt der «Neutral¬

salzeffekt» einen wesentlich rascheren Reaktionsverlauf erwarten. Durch

Zusatz von Neutralsalz wird die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich ge¬

steigert (Tabelle 12]. Zur Reaktionslösung wurden 1.1-Elektrolyte in

bekannter Konzentration zugesetzt. Bei Zusatz höherwertiger Elektrolytewar die Beschleunigung der Reaktion derart, dass eine sofortige Koa¬

gulation des verseiften Produktes eintrat. Es wurden gleiche Reaktions¬

bedingungen wie im vorangehenden Versuch Nr. 7 angewendet. Ein

Vergleich der Reaktionskonstanten zeigt, dass durch Zusatz von NaCl

und KCl ein Anstieg der Konstanten von 2.135 auf 3.835 bezw. 3.750

stattgefunden hat.

— 32 —

Tabelle 12.

Alkalische Verseifung azetylierter Pektinsäure in wässriger Natronlaugeunter Zusatz von Neutralsalz.

Azetylierte Pektinsäure A, Azetylierungsgrad 73,9°/o.

Versuchsplan :

\r. Zusätze Reaktions¬ Pektinsäure pro Natronlauge Ester pro Liter

pro Liter temperatur Liter Reaktions¬ pro Liter Reaktions¬

Reaktionalosung oC losung Milliäq. Reaktionslösung lösung

Milliäq. für Verseifung

verfügbar

Milliäq

für Verseifung

verfügbar

Milliäq.

9 NaCl 100,0 28,0 9,96 39,18 12.12

0 KCl 100,0 28.0 9,96 39,18 12.12

Nr. Reaktions¬ Eater ver¬ Reaktions¬ Xr. Reaktions¬ Ester ver¬ Reaktions¬

zeit in min seift in

Milliäq.

pro Liter

konstante k zeit in min seift in

Milliäq.

pro Liter

konstante k

9 1 1,84 4.306 10 1 1,84 4.306

3 4,56 4,291 3 4.36 4.040

6 6.94 4.036 6 6.84 3.937

14 10,10 3.944 14 9,96 3.780

30 11,14 2,687 30 11,14 2.687

60 11,34 — 60 11.34 —

120 11,54 — 120 11.54 —

3,853 3.750

Es ist anzunehmen, dass die Konstitution eines Polysaccharides,z. B. der Gehalt an Carboxylgruppen, auf die Verseifbarkeit der Ester¬

bindungen der sekundären Hydroxylgruppen einen Einfluss ausübt. Als

Beispiel eines azetylhaltigen Polysaccharides, das keine Carboxylgrup¬pen besitzt, wurde künstlich azetyliertes Carubin verwendet.

10 g azetyliertes Carubin wurden in 1000 cm3 Wasser gelöst. Je 20 cm3 Lösungwurden bei konstanter Temperatur mit einem bekannten Ueberschuss an 0,1-n. Na¬

tronlauge versetzt. Die Reaktion wurde zu verschiedenen Zeiten, wie bei der Pek¬

tinsäure beschrieben, durch Zugabe von 0,1-n. Schwefelsäure unterbrochen, und die

verseifte Menge Ester wurde bestimmt. Die Verseifungsreaktion wurde mit und ohne

Zusatz von Elektrolyten verfolgt. Jede Versuchsreihe wurde dreifach ausgeführt.

Die Mittelwerte sind in Tabelle 13 zusammengestellt und zeigen,dass die Hydrolyse des Carubinazetylesters viel rascher erfolgt als die¬

jenige des Pektinsäureazetylesters. Der Zusatz von Neutralsalz bewirkt

hier, im Gegensatz zur Verseifung von azetylierter Pektinsäure, keine

Beschleunigung der Reaktion, sondern eher eine Abnahme der Reak¬

tionsgeschwindigkeit.

— 33 —

Tabelle 13.

Alkalische Verseifung von azetyliertem Carubin in wässriger Natronlaugemit und ohne Neutralsalzzusatz.

Azetyliertes Carubin, Azetylgehalt 3,025 Milliaq. pro g Substanz.

Versuchsplan :

Nr.

11

12

13

Zusätze

pro Liter

Reaktionslosung

Milliäq

NaCl

KCl100,0100,0

Reaktions¬

temperatur

oC

28.0

28,028.0

Carubin

pro Liter

Reaktionslosung

Milliaq Hexose

25,1125,1125.11

Natronlauge

pro Liter

Reaktionslosungfur Verseifung

"verfügbar

Milliaq

32.83

30.75

30,75

Ester pio Liter

Reaktions¬

losungfur Verseifung

verfügbar

Milliaq

10,0310.03

10.03

Nr. Reaktions¬ Ester ver¬ Reaktions- Nr. Reaktions¬ Ester ver¬ Reaktions¬

zeit in mm seift in

Milliaq

pro Liter

konstante k zeit in min seift in

Milliaq.

pro Liter

konstante k

11 0.5 2.85 21,45 12 0,5 2,13 16,111.0 4.71 21,02 1,0 3,84 16,861,5 5.80 19,57 1,5 5,07 16,862,5 7,80 21,63 2,5 6,70 16.54

4.5 9,14 20,43 4,5 8,26 15,0010,0 9.94 19,10 10,0 9,95 15.31

30.0 10.03 — 30.0 10,02 —

20,53 16,11

Nr. Reaktions¬ Ester ver Reaktions¬

zeit in mm seift in

Milliaq

pro Liter

konstante K

13 0,5 2.13 16.11

1,0 3,79 16.61

1.5 5.01 16.58

2.5 6,70 16,54

4,5 8.32 15.30

10.0 9,73 15.28

30.0 10.02

16,07~

Den Untersuchungen über die alkalische Verseifung der Azetylestervon Pektinsäure und Carubin wird die Verseifung von Pektin (Methyl¬ester der Pektinsäure) gegenübergestellt. Die in der Literatur beschrie¬

benen Untersuchungen wurden reproduziert und zeigen (Tabelle 14),

dass die alkalische Verseifung des Methylesters nicht einer Reaktion

zweiter Ordnung folgt. Die «Reaktionskonstanten» nehmen im Verlaufe

der Reaktion stark ab. Es wurde experimentell wie bei den voranstehen¬

den Untersuchungen vorgegangen.

wur-Esunterworfen.PerjodsäureabbaudemGewichtsprozent3.21von

MethoxylgehalteinemmitPektineinsowie0,5°/o.und25,0%>73,9%.

vonVeresterungsgradeinemmitPektinsäureazetyliertewurdeEs

sein.Einflussvon

OxydationsvorgangdenaufsollteEstergruppenderVerteilungdieAuch

erwarten.zuPerjodsäureangriffkeinEssigsäuremitPektinsäurederVeresterungvollständigernachistTheoretischkann.werdenbeeinflusst

PerjodsäureabbauesdesUmfangderHydroxylgruppensekundärenderVeresterungdiedurchdasserwarten,zustehtEsgespalten.Bruchstücke

niedermolekulareinPerjodsäuredurchwerdenPolyuronsäuren

Perjodsäure.gegenüberStabilität5,23.

Lmolcal947040,0-17,5

28,0

-

17,5

E

-1molcal8730=28.o-i7.5E

werden:berechnetAktivierungsenergienfolgendeC40.0°und17,5beisowieC.28,0°und

17,5beiReaktionendenauskonntenEsberechnen.beschrieben,schnitt

Ab¬vorhergehendenimwieAktivierungsenergie,diesichlässt11)belle

(Ta¬PektinsäureazetyliertervonVerseifungalkalischenderkonstanten

Reaktions¬gemessenenTemperaturenverschiedenenbeidenAus

1.2010,66119.5

2,4210,6659,5

3.8710.3130.5

6,8310,0815,5

11.249,507,5

16.318,273,518,445,661,5

23.793,070.514

kkonstante

Literpro

Milliäq.

inseiftmininzeit

Reaktions¬ver¬EsterReaktions¬Nr.

11,2428.5825.028,014

Milliäq.

Milliäq.verfügbar

verfügbarVerseifungfürMilliäq.

VerseifungfürlösungReaktionslösungOC

ReaktionslösungReaktions¬LiterLiterprotemperatur

LiterproEsterproNatronlaugePolyuronsäureReaktions¬Nr.

:Versuchsplan

Natronlauge.wässriger

inPektinsäure)der(MethylesterPektinvonVerseifungAlkalische

14.Tabelle

34

— 35 —

den die verbrauchte Menge Perjodsäure nach der Arsenitmethode und

der Kettenabbau der Pektinmolekel viskosimetrisch erfasst.

0,1-n. Perjodsäurelösung wurde aus Kaliumperjodat hergestellt. 2,3 g Kalium-

perjodat wurden in 30 cm3 1-n. Schwefelsäure aufgelöst. Die Lösung wurde auf100 cm3 aufgefüllt und der Niederschlag abfiltriert (120, 131). Der Faktor wurde

mit Na-Arsenitlösung bestimmt. 0,1-n. Na-Arsenitlösung wurde aus Arsentrioxydhergestellt. 4,98 g Arsentrioxyd wurden in konzentrierter Natronlauge gelöst und

gegen Phenolphthalein mit Schwefelsäure neutralisiert. 20 g Na-Bikarbonat wurden

in 500 cm3 Wasser gelöst und zugegeben, und die Lösung wurde auf 1000 cm3 auf¬

gefüllt (233). Der Faktor der Na-Arsenitlösung wurde mit Jod bestimmt.

Es wurden je 10 cm3 der verdünnten Ausgangslösung der azetylierten Pektin¬

säure (mit einem Gehalt von 0,265 Milliäq. Polygalakturonsäure) mit 11 cm3 Per¬

jodsäure versetzt. Dies entspricht etwa einem 4,5-fachen Ueberschuss an Perjod¬säure, bezogen auf den Gehalt an Polygalakturonsäure. Die Reaktionslösung wurde

bei 18° C in diffusem Licht stehen gelassen. Die Reaktion wurde nach V2, 1, 3, 6,143/4, 24 und 47 Stunden unterbrochen, und die verbrauchte Perjodsäure wurde wie

folgt bestimmt. Die Lösung wurde gegen Phenolphthalein bis zu schwach alkalischer

Reaktion mit Natronlauge versetzt. Sodann wurden 10 cm3 kaltgesättigte Na-Bikar-

bonatlösung und 2 cm3 20-proz. Kaliumjodidlösung zugesetzt. Nach 5 Minuten

wurde das freigesetzte Jod mit arseniger Säure titriert. Aus der Differenz von vor¬

gelegter und zurücktitrierter Säure wurde der Verbrauch an Perjodsäure berechnet

(233). Die Reaktion verläuft nach folgender Reaktionsgleichung (77)

KJO4 + 2 KJ —^ K2O + KJO3 + h

Die Reaktion verläuft quantitativ nur in neutraler oder schwach alkalischer

Lösung.

Der Umfang der Oxydation wurde durch den Verbrauch an Perjodsäure in

Milliäq. pro Milliäq. Polygalakturonsäure charakterisiert.

Für die Bestimmung der Viskosität wurde die Reaktion nach V2. 3, 143/4 und

47 Stunden durch Zugabe von Glykol im Ueberschuss unterbrochen. Sodann wur¬

den, je nach Veresterungsgrad, steigende Mengen an Natronlauge zugesetzt, um

alle freien Carboxylgruppen und die Jodsäure zu neutralisieren, alle Estergruppenzu verseifen und einen Ueberschuss von genau 5 Milliäq. Natronlauge zu erzielen.

Die unterschiedlichen Konzentrationen an Na-Azetat wurden durch Zusätze ent¬

sprechender Mengen 0,1-n. Na-Azetat ausgeglichen. Die verschieden behandelten

Untersuchungslösungen enthielten nun alle gleiche Konzentrationen an Elektrolyten,sie wurden auf 100 cm3 verdünnt und 6 Stunden bei 20° C stehen gelassen. Die

Viskositäten wurden im Höppler-Viskosimeter bestimmt. Die Zähigkeitszahl Z be¬

deutet ~fj spez. / c ; c = Milliäq. Polyuronsäure in 100 cm3 Lösung. Der Abbau ist

charakterisiert durch den prozentualen Anteil der Viskosität der abgebauten Lösung(Z) an der Viskosität der Ausgangslösung (Zo).

Viskositätsabnahme und Perjodsäureverbrauch sind in Tabelle 15

zusammengestellt. Sie zeigen einen ähnlichen Verlauf in Abhängigkeitvom Veresterungsgrad. Die zu 73.9°/o veresterte Pektinsäure wird lang¬sam angegriffen, der Perjodsäureverbrauch führt zu einem nahezu kon¬

stanten Wert, und auch die Viskosität fällt nur langsam ab. Die nieder-

veresterten und azetylfreien Präparate weisen demgegenüber einen gros¬

sen Verbrauch an Perjodsäure auf. die Reaktion führt zu keinem End¬

wert, und es tritt eine bedeutende Ueberoxvdation ein. \uch die Visko¬

sität der Lösungen fällt rasch ab.

— 36

Tabelle 15.

Oxydation von azetylierter Pektinsäure und Pektin mit Perjodsäure.

zeit in Azetylierungsgrad in 0/0

Stunden73,9 | 50,0 | 25,0 | 0,5 | 0*) 73,9 | 50,0 25,0 0,5 0*)

Perjodsäureverbrauch in Milliäq. Viskosität Z in 0/ 0 von Z9

pro Milliäq. üronsäure

0,5 0,075 0,075 0,230 0,085 0,620 78.4 28.2 18.9 17,5 11,2

1/3 0,180 0,320 0.358 0,340 0,6203,0 0,170 0,300 0,700 0,766 1,020 17,8 10.5 7.4 4,5 —

6,0 0,132 0,415 0,850 0,955 1,180

14,75 0,245 0,510 0,962 1,170 1,500 12,1 7.9 4,5 3.0 —

24,0 0,245 0.641 1,020 1,300 1,58047,0 0,321 0,900 1,230 1,600 1.900 10.2 6,7 3,6 0 —

*) mit 3,21 Gewichtsprozent Methoxylgruppen

Für die Abklärung des Reaktionsmechanismus ist es von Interesse,den Perjodsäureverbrauch mit der Viskositätsabnahme zu vergleichen.Der Einfluss des Veresterungsgrades und der Reaktionsdauer auf den

oxydativen Abbau ist in Figur 1 dargestellt, indem die Zunahme des

Perjodsäureverbrauches auf der Abszisse und die Abnahme der Visko¬

sität auf der Ordinate eines Koordinatensystems aufgetragen sind. Die

Kurven liegen im gleichen Bereich des Koordinatensystems, sodass eine

einheitliche Beziehung zwischen Viskosität und Perjodsäureverbrauchbei allen Derivaten angenommen werden kann.

Perjodsäure¬verbrauch in

Milliäq. pro

Milliäq.Üronsäure

Veresterungsgrad

73,9 %50,0 °/o25,0 ° '„0 7o

Viskosität Z in °/o von Zo

Figur 1. Beziehung zwischen Perjodsäureverbrauch und Viskositäts¬

abnahme beim oxydativen Abbau von Pektinsäure verschiedenen Azety-lierungsgrades.

— 37 —

5,3. Einwirkung von Enzym auf azetylierte Pektinstoffe.

5,31. Einwirkung von Pektinase.

Bei den vorliegenden enzymatischen Untersuchungen an azetylierterPektinsäure wird der Umfang des Kettenabbaues durch das Enzym Pek¬

tinase in Abhängigkeit vom Veresterungsgrad mit Essigsäure studiert.

Für die Untersuchungen wurde ein reines Pektinasepräparat des Han¬

dels*) verwendet, das nicht zusätzlich gereinigt wurde. Der Einfluss der

Aktivität des Enzyms auf Pektinsäure verschiedenen Veresterungsgradeswurde nach bekannten Methoden, durch die Abnahme der Viskosität

(152) und die Zunahme der Aldehydendgruppen (152, 246), verfolgt.

Je 40 cm3 Lösung mit einem Gehalt an 0,76 Milliäq. Polygalakturonsäure(zu 0,05°/o, 36,0°/o und 66,0% mit Essigsäure verestert) wurden in 100 cm3 Mess¬kolben pipettiert, mit 5 cm3 verdünntem Zitratpuffer von pH 3,9 (Mischung glei¬cher Volumina 0,1-m. Dinatriumzitrat und 0,1-n. Salzsäure) versetzt und auf 30° C

erwärmt. Nun wurden je 5 cm3 1-proz. Pektinaselösung zugesetzt und einwirken

gelassen. Zu verschiedenen Zeiten wurde die Reaktion durch Zusatz von Natron¬

lauge unterbrochen. Je nach Veresterungsgrad wurden steigende Mengen Natron¬

lauge (6,3; 6,9 und 7,3 Milliäq.) zugesetzt, um alle freien Carboxylgruppenund den Pufferzusatz zu neutralisieren, alle Estergruppen zu verseifen und einen

Ueberschuss von genau 5,0 Milliäq. Natronlauge in allen Messkolben zu erzielen. Dieunterschiedlichen Konzentrationen an Natriumazetat, die durch die Verseifung des

Esters gebildet wurden, wurden durch entsprechende Zusätze an 0,1-n. Na-Azetat

ausgeglichen. Die Messkolben wurden nun bis zur Marke aufgefüllt und stehen

gelassen. Die verschieden behandelten Untersuchungslösungen enthielten so alle

gleiche Mengen an Natronlauge, Natriumazetat, Na-Pektat und sonstigen Elektro¬

lyten. Die Kettenlänge, als einzige Variable, wurde an den Untersuchungslösungenbestimmt. Die Reaktionslösungen wurden nach Unterbruch der Reaktion eine

Stunde stehen gelassen. Sodann wurden zwei mal je 20 cm3 für die Bestimmungder Aldehydendgruppen entnommen. Die restlichen 60 cm3 wurden nach weiteren 14

Stunden für Viskositätsmessungen verwendet.

Die Aldehydendgruppen wurden durch Oxydation mit alkalischer Hypojoditlö-sung nach WUlstätter und Schudel (246) bestimmt. Die Reaktion kann folgender-massen formuliert werden:

O

//— C + h + 3 NaOH >

\H

Die verbrauchte Jodmenge wird titrimetrisch ermittelt. Es wurden bestimmte Ar¬

beitsvorschriften eingehalten, um Nebenreaktionen und eine Ueberoxydation zu

verhindern. Je 20 cm3 Ausgangslösung werden mit 0,1-n. Schwefelsäure schwach

angesäuert und mit dem doppelten Ueberschuss an 0,1-n. Jodlösung versetzt. Nun

wird unter gutem Umschütteln tropfenweise während 2 Minuten die 1,5-fache Menge

") Pektinase wurde in freundlicher Weise von Herrn Dr. F. Weber, Küsnacht, zur

Verfügung gestellt.

O/

- C - 2 NaJ + 2 H20

ONa

— 38 —

0,1-n. Natronlauge (bezogen auf die Jodlösung) zugesetzt. Die alkalische Lösungwird genau 20 Minuten bei Zimmertemperatur stehen gelassen, mit Schwefelsäure

angesäuert und mit 0,1-n. Natriumthiosulfatlösung unter Zusatz von Stärke als In¬

dikator titriert. Die Bestimmungen wurden in sechsfacher Wiederholung ausgeführt.Von den erhaltenen Milliäq. Aldehydendgruppen des enzymatisch abgebauten Prä¬

parates sind die Milliäq. des unabgebauten Präparates abgezogen worden und

ergeben die Zunahme an Aldehydendgruppen in Milliäq. Diese Differenz wurde in

Prozent der Milliäq. Gesamturonsäure ausgedrückt und wird in Tabelle 16 als

Aldehydprozent bezeichnet. Diese Zahl kann als Mass für den enzymatischen Pek¬

tinabbau dienen. Die Aldehydendgruppen-Bestimmungen eignen sich für Messungenüber den ganzen Bereich des Abbaues und vor allem auch an niedermolekularen

Präparaten (152).Für die Messung der Viskosität wurden die Lösungen durch eine G-3 Glas-

filternutsche filtriert und im Höppler-Viskosimeter bei 20,0° C gemessen. Die

Viskosität wird durch die Zähigkeitszahl Z ausgedrückt. Z bedeutet 7] spez. / c ;

wobei c = Milliäq. Uronsäure pro 100 cm3 Lösung. Die Bestimmungen wurden in

dreifacher Wiederholung ausgeführt. Die Mittelwerte sind in Tabelle 16 neben den

entsprechenden Bestimmungen der Endgruppen dargestellt. Der Abbau ist durch den

prozentualen Anteil der Viskosität der abgebauten Lösung (Z) an der Viskosität

der Ausgangslösung (Zo) charakterisiert. Die viskosimetrischen Messungen gestatten,

vor allem die ersten Stadien des Kettenabbaues, und zwar mit grosser Deutlichkeit,zu erfassen. Für abgebaute Präparate eignen sie sich nicht (152).

Sowohl aus den Endgruppenbestimmungen als auch aus den Vis¬

kositätsmessungen ist eine deutliche Abnahme des enzymatischen Ab¬

baues der Pektinsäure mit zunehmendem Azetylierungsgrad festzustellen

(Tabelle 16). Es ist bemerkenswert, dass. wie aus den Viskositätsmes¬

sungen hervorgeht, während den ersten 5 Stunden der rascheste Abbau

nicht bei einem Veresterungsgrad von 0,05"<'o, sondern bei 36.0°/o erfolgt.Später verläuft die Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit in Reihen¬

folge des Veresterungsgrades.

Tabelle 16.

Einfluss des Veresterungsgrades azetylierter Pektinsäure auf den

enzymatischen Abbau durch Pektinase.

Veresterung«grad in o/0Reaktionszeit

66.0 36,0 0,05 66,0 36,0 0,05

5 MinutenViskosität Z in 0/„ von Z0 Aldehyd — o/o

10 Minuten 81,89 47.75 73,31 0 0 0

34 Minuten 78,74 38,23 63,98 0 0 3,60

95 Minuten 68,51 13,23 35.20 0 5.92 13,60

5 Stunden 67,72 12,13 24.73 0 7,90 24.60

19 Stunden 54.33 11,03 10,59 0 12.10 45.40

48 Stunden 51.97 10,29 8,55 0,33 16,40 56.20

72 Stunden 44,10 9,19 2,96 3,94 23.00 68,40

108 Stunden 34,25 8,10 2,96 5.24 28.30 75.50

32,28 7,35 2.96 6.89 31.50 79,80

Der Einfluss desVeresterungsgrades auf die Beziehungen zwischen

Viskositätsabnahme und Endgruppenzunahme ist in Figur 2 dargestellt,

— 39 —

indem die Zunahme an Aldehydendgruppen auf der Abszisse und die

Abnahme der Viskosität auf der Ordinate eines Koordinatensystems auf¬

getragen sind. Die Kurven liegen nicht im gleichen Bereich des Koor¬

dinatensystems und zeigen, dass keine einheitliche Beziehung zwischen

Viskositätsabnahme und Endgruppenzunahme für Pektinstoffe verschie¬

denen Azetylierungsgrades angenommen werden kann.

Zunahme an «so .

Aldehydend¬gruppen in °'o

80

to

Veresterungsgrad0,05 °/o

36,0 o/o

66,0 »/o

Viskosität Z in °/o von Zo

Figur 2. Beziehung zwischen Endgruppenzunahme und Viskositäts¬

abnahme beim enzymatischen Abbau von Pektinsäure verschiedenen

Azetylierungsgrades.

5,32. Einwirkung von Azetylesterase.

Aus Citrusfrüchten kann ausser Pektase ( 146 ) auch eine Azetyl¬esterase isoliert werden (123). Es galt zu untersuchen, ob dieses Enzymdie Azetylgruppen des Pektins abzuspalten vermag.

Azetylesterase wurde nach bekannten Vorschriften aus Orangenschalen ex¬

trahiert (123). 10 kg Orangenschalen wurden mit 0,75 kg NaCl versetzt, zerkleinert

und 24 Stunden bei +2° C stehen gelassen und abgepresst. Der Pressaft wurde mit

Na-Oxalat gesättigt und durch mehrfache Filtration durch eine G-2 Glasnutsche von

Trübstoffen befreit. Das Enzym wurde durch 50—60-proz. Sättigung des Pressaftes

mit Ammonsulfat ausgefällt, abgetrennt und bei 30° C im Vakuum getrocknet. Die

Aktivität des Präparates wurde an 5-proz. Triacetinlösung mit NaCl-Zusatz bei

pH 6,5 und 20° C titrimetrisch bestimmt. Das Enzympräparat erwies sich als

hochaktiv.

Bei Einwirkung auf azetylierte Pektinsäure verschiedenen Vereste¬

rungsgrades konnte praktisch keine Aktivität des Enzyms festgestelltwerden. Diese Beobachtung steht in Uebereinstimmung mit den Ergeb¬nissen bisheriger Untersuchungen (196).

w

ioo ao ¥0 20

— 40 -

6. BESPRECHUNG DER UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE.

6,1. Allgemeines.

Das Verhalten der Pektinstoffe bei Einführung von Azetylseiten-

gruppen zeigt in anschaulicher Weise, dass enge Beziehungen zwischen

Struktur und Eigenschaften bei Fadenmolekeln und ganz besonders bei

Polyelektrolyten herrschen. Für ein näheres Verständnis soll kurz auf

den Aufbau der Pektinmolekel hingewiesen werden.

Der Baustein D-Galakturonsäure stellt einen einfachen niedermole¬

kularen Elektrolyten dar. Durch glykosidische Verknüpfung dieses Bau¬

steins zu langen Molekelketten wird das Gerüst der Pektinmolekel ge¬

bildet, deren Eigenschaften grundlegend von der Kettenlänge abhängigsind. Zwischen dem Monomeren und der Fadenmolekel bestehen nur

graduelle Unterschiede.

Das physikalisch-chemische Verhalten wird weitgehend durch die¬

jenigen funktionellen Gruppen bestimmt, die in grosser Zahl an der

Fadenmolekel verteilt sind, wie z. B. alkoholische Hydroxylgruppen und

Carboxylgruppen. Jede Pektinmolekel besitzt ausserdem eine Aldehyd¬

gruppe an einem Ende der Fadenmolekel. Ihr Einfluss auf die Gesamt¬

molekel kann meist vernachlässigt werden.

Die Löslichkeit der Pektinstoffe in Wasser ist von ausserordentli¬

cher Bedeutung, da die meisten Eigenschaften in wässriger Lösung ge¬

prüft werden. Als allgemeine Bedingung der Wasserlöslichkeit kann an¬

genommen werden, dass die zwischen Fadenmolekel und Wasser wir¬

kende Anziehung (Hydratationsenergie) grösser sein muss als die zwi¬

schen den Fadenmolekeln herrschende Anziehung (Gitterenergie) (150,

158). Die Hydroxylgruppen der Pektinstoffe ermöglichen eine Hydra¬tation und bedingen dadurch Quellung und Lösung in Wasser. Sie er¬

teilen der Molekel die Eigenschaften eines hydrophilen Kolloides. Die

Carboxylgruppen verursachen, soweit sie nicht verestert sind, durch

ihre Dissoziation eine Aufladung der Molekel und erteilen ihr ein elek¬

trostatisches Potential. Die Aufladung bedingt eine elektrostatische Ab-

stossung der einzelnen Fadenelemente und somit eine Streckung der Fa¬

denmolekel und eine Abstossung der einzelnen Fadenmolekeln vonein¬

ander. Dadurch wird eine Stabilisierung in Lösung erreicht. Die Grösse

des Teilchenpotentials kann stark variieren und ist von der Art der

Gegenionen abhängig, ähnlich den Verhältnissen bei hydrophoben Kol¬

loiden.

Die glykosidischen Bindungen der Fadenmolekel sind weitgehendfrei drehbar. Durch die Einführung von Seitengruppen oder eine Auf¬

ladung kann daher die Fadenmolekel entknäuelt werden.

Zwischen den einzelnen Pektinmolekeln müssen starke Nebenva-

lenzkräfte angenommen werden, die auf den polaren Charakter der

Carboxyl- und Hydroxylgruppen zurückgeführt werden können. Es ist

oft gezeigt worden, dass ganz allgemein Carboxyl- und Hydroxylgruppen

— 41 —

zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken befähigt sind (150, 158, 191).Diese Eigenschaft geht bei der Veresterung der Gruppen vollständig ver¬

loren (150, 158). Diese Bindungen dürften einen grossen Einfluss auf

Löslichkeit und Koagulierbarkeit der Pektinstoffe ausüben.

6,2. Löslichkeit, Viskosität und Koagulierbarkeit.

Es ist bekannt, dass die Löslichkeit der Pektinstoffe mit zunehmen¬

der Veresterung der Carboxylgruppen ansteigt (4, 222). Durch die Ein¬

führung von Methylol- (46) und Azetylseitengruppen (Abschnitt 5,11)wird wasserunlösliche Pektinsäure wasserlöslich. Dies kann dadurch er¬

klärt werden, dass durch die Einführung von Seitengruppen einerseits

die zur Ausbildung von H-Brücken geeigneten polaren Gruppen abge¬deckt werden (172) und anderseits, wie röntgenographische Messungenbestätigt haben (189, 190), der Abstand zwischen den einzelnen Fa¬

denmolekeln erhöht wird. So wird eine genügende Annäherung der Ket¬

tenmolekeln erschwert. Da die Nebenvalenzkräfte mit steigender Ent¬

fernung stark abnehmen (89, 112), wird eine Aggregation erschwert

oder verunmöglicht. Die erhöhte Löslichkeit, trotz Verringerung der

hydrophilen Gruppen, die bei Einführung von Substituenten eintritt,kann vielleicht als eine Verminderung der Gitterenergie betrachtet wer¬

den. Aehnliche Untersuchungen an andern Polysacchariden bestätigenden Zusammenhang zwischen Molekelassoziation und Löslichkeit. Die

Löslichkeit von Cellulose wird durch die Einführung von Seitengruppenbedeutend erhöht (101, 178, 179). Wasserunlösliches Salepmannan wird

durch wenige Azetylgruppen wasserlöslich (118).

Eine bedeutende Erhöhung der Viskosität der wässrigen Lösungenvon Pektinstoffen wird bei Veresterung der Carboxylgruppen mit Me¬

thanol (42, 71) oder Glykolen (47) oder der Hydroxylgruppen mit

Essigsäure (Abschnitt 5,13) beobachtet. Die gleiche Erscheinung giltfür Alginsäure (56). Diese Erhöhung der Viskosität kann nur durch

eine Streckung, bezw. Entknäuelung der Fadenmolekeln durch die Ein¬

führung grosser Seitengruppen erklärt werden. Auch die Quellung von

formaldehydvernetztem Oxypropylester durch Pektinsäure, die mit stei¬

gendem Veresterungsgrad deutlich zunimmt, weist auf eine Streckungder Fadenmolekeln (50) hin. In allen diesen Fällen dürfte eine Vermin¬

derung der freien Drehbarkeit der glykosidischen Bindung massgebendsein.

Löslichkeit und Koagulierbarkeit der Pektinstoffe stehen in enger

gegenseitiger Beziehung. Die Koagulation aus wässriger Lösung durch

anorganische Salze (4, 7. 24, 31, 71, 80, 90), organische Elektrolyte,wie Alkaloide (30) und Eiweisse (128), und organische Lösungsmit¬tel (4), sowie ihre Abhängigkeit vom Veresterungsgrad (4) sind in

zahlreichen Arbeiten beschrieben worden. Der Koagulationsvorgang wird

häufig als eine Ausbildung fixierter Ionenbindungen zwischen den Car-

— 42 —

boxylgruppen verschiedener Fadenmolekeln betrachtet. Diese Anschau¬

ung ist theoretisch und experimentell nicht begründet. Sie vermag nicht

zu erklären, warum höhermethoxylierte Pektine und mit Essigsäure ver-

esterte Pektinsäure mit Ca++ oder anderen mehrwertigen Ionen nicht

mehr geflockt werden können, trotzdem zahlreiche freie Carboxylgruppenfür «Ionenbrücken» zur Verfügung stehen (52). Die Koagulationsbe¬reitschaft von Pektinsäure sinkt mit zunehmendem Azetylierungsgrad(Abschnitt 5,12), obwohl die Anzahl der aufladenden Carboxylgruppennicht verändert wird. So kann z. B. zu 80°/o veresterte Pektinsäure mit

Ca++ nicht mehr geflockt werden. Auch Carboxymethylcellulose mitt¬

leren Veresterungsgrades, eine der Pektinsäure ähnliche Fadenmolekel,kann mit Ca++ nicht geflockt werden (198 t.

Statt um fixierte Ionenbrücken handelt es sich vielmehr um hetero¬

polare Bindungen, bei welchen in Lösung und stark gequollenem Zu¬

stand den Anionen keine bestimmten Kationen zugeordnet werden können

(52, 191). Es liegt ein elektrostatisches Gleichgewicht zwischen den

Makroanionen und Kationen vor (164). Die Polyelektrolyte weisen gegen¬über den gewöhnlichen Elektrolyten einen graduellen Unterschied auf,Oer darin beruht, dass die Ionenwolke bei einem grossen zentralen Kol¬

loidion nicht aus gleich und entgegengesetzt geladenen Ionen, sondern

nur aus entgegengesetzt geladenen Ionen besteht. Diese kompensierendie Ladung des Zentralions (65, 88, 136. 181).

Die Untersuchungen an Ionenaustauschern zeigen, dass die Gegen¬ionen in den meisten Fällen rein elektrostatisch festgehalten werden

(137) und ein Austausch von der Aktivität der Gegenionen abhängigist (25, 137). Aktivität und Gegenionenabstand stehen dabei in gegen¬

seitiger Beziehung. Mehrwertige Ionen haben eine geringere Aktivität

als einwertige, sie haben somit einen geringeren Schwarmionen abstand

und werden stärker festgehalten und bevorzugt eingetauscht (25, 126).Bereits bei der Anwendung des Massenwirkungsgesetzes auf Ionengleich¬gewichte ist verständlich, dass polyvalente Makroanionen bevorzugt mehr¬

wertige Kationen anziehen. Ionen gleicher Wertigkeit werden nach den

Gesetzen der lyotropen Ionenreihe festgehalten (212). Wasserstoff

nimmt eine Sonderstellung ein. da er kovalente Bindungen einzugehenvermag (12, 82, 166).

Diese Verhältnisse können auf lösliche Polyelektrolyte übertragenwerden, da zwischen ihnen und Ionenaustauschern kein prinzipiellerUnterschied besteht (13). Auch kann Pektin übrigens durch Vernetzungohne weiteres in einen Ionenaustauscher umgewandelt werden (60).Das Potential eines kolloiden Zentralions ist somit vom Abstand der

Gegenionen (114, 126) oder mit anderen Worten von der Aktivität der

Gegenionen abhängig. Die Aktivität der Gegenionen kann durch Zusatz

niedermolekularer Ionen zur Kolloidlösung vermindert werden (64,136). Mehrwertige Ionen haben eine geringere Aktivität als einwertige;sie haben einen geringeren Schwarmionenabstand und werden stärker

— 43 —

festgehalten. Sie werden daher das Potential eines Zentralions stärker

erniedrigen als einwertige Ionen. So steigt z. B. das elektrokinetische

Potential des Pektins von H- über Ca- zu Na-Pektat (231). Dieser Tat¬

sache entspricht auch die erhöhte Koagulationswirkung höherwertigerIonen. Wird das Potential des Teilchens unter einen bestimmten kriti¬

schen Wert erniedrigt, so sind die elektrostatischen Abstossungskräftederart erniedrigt, dass Koagulation eintreten kann (184). Der Koagu¬lationsbeginn und -Vorgang der entladenen Teilchen wird durch die

Nebenvalenzkräfte bedingt, die zwischen diesen herrschen.

Die Ausbildung fixierter Komplexverbindungen bei der Koagula¬tion von Polysacchariden, wie Kupfer- und Borsäurekomplexe (57, 58,

59), darf nicht als «fixierte Ionenbindung» angesehen werden.

Als ein relatives Mass für das Potential eines Kolloides kann die

Wanderungsgeschwindigkeit im elektrischen Feld angenommen werden

(181). Messungen der Wanderungsgeschwindigkeit von Pektat und Pek-

tinat in wässriger Lösung im elektrischen Feld zeigen, dass mit zuneh¬

mendem Elektrolytgehalt der Lösung die Wanderungsgeschwindigkeit,somit also das Potential der Pektinmolekel, abnimmt (24, 204, 242).Dies erklärt sich dadurch, dass mit steigendem Elektrolytgehalt der Lö¬

sung die Aktivität der Ionen abnimmt, der Gegenionenschwarm der Kol¬

loidionen kontrahiert wird und somit das Potential des Teilchens er¬

niedrigt wird.

Die veränderte Koagulationsbereitschaft der azetylierten Pektinsäure

kann weitgehend auf Veränderungen der Gestalt und Konstitution der

Molekel zurückgeführt werden. Es ist vorstellbar, dass die Azetylseiten-ketten nicht nur eine Abdeckung der für die Ausbildung von Nebenva-

lenzbindungen geeigneten Hydroxylgruppen bewirken, sondern auch eine

Annäherung der entladenen Partikel erschweren und dadurch die ver¬

minderte Koagulationsbereitschaft bedingen. Ferner kann die durch

Einführung von wenigen Seitenketten beobachtete Streckung der Faden¬

molekel (42, 47, 50) durch die damit verbundene Oberflächenvergrös-

serung einen erhöhten Kontakt mit dem Lösungsmittel bedingen und die

Stabilität der Kolloidteilchen in Lösung vergrössern.Die ausgeprägte Koagulationsempfindlichkeit der hochazetylierten

Derivate gegenüber Säuren muss im besonderen Verhalten des H+, sei¬

ner Eigenschaft kovalente Bindungen einzugehen, gesucht werden.

6,3. Stabilität.

Die Aufladung der Pektinmolekel beeinflusst die Reaktionen mit

Ionen. Die Untersuchungen über die Kinetik der alkalischen Verseifungvon Pektin (Pektinsäuremethylester) zeigen, dass die «Verseifungskon-stante» mit der Zeit rasch abnimmt (Abschnitt 5.22). Hingegen folgt die

alkalische Verseifung von Pektinsäure-Essigsäureester einer Reaktion

zweiter Ordnung (Abschnitt 5.22). Die Abnahme der Reaktionsgeschwin¬

digkeit bei der Verseifung des Polygalakturonsäuremethylesters muss

— 44 —

folglich auf die während der Reaktion erfolgende zunehmende negativeAufladung der Pektinmolekel zurückgeführt werden. Die alka¬

lische Verseifung des Esters wird durch die Reaktion der Base

(OH)"" mit dem ebenfalls negativ aufgeladenen Pektinanion ein¬

geleitet. Durch die Verseifung werden Carboxylgruppen der Pek¬

tinmolekel freigesetzt und erteilen diesem eine steigende negativeAufladung. Unter der Annahme, dass sich die Ladung annä¬

hernd gleichmässig über die ganze Fadenmolekel verteilt, haben

die (OH)"-Ionen eine immer grössere elektrostatische Abstossungs-kraft zu überwinden. Sie müssen eine grössere kinetische Energie be¬

sitzen, um sich dem Teilchen zu nähern: die Reaktionsgeschwindigkeitwird deshalb abnehmen. Bei der alkalischen Verseifung der azetyliertenPektinsäure werden hingegen an der Pektinmolekel nur ungeladene Al¬

koholgruppen freigesetzt. Die Aufladung der Molekel durch die -COONa-

Gruppen bleibt konstant und hat somit auf die Reaktionskonstante keinen

Einfluss. Analoge Verhältnisse herrschen bei der Verseifung von Carubin-

Azetylester. Doch enthält Carubin keine aufladenden Gruppen und wird

wohl deshalb rascher verseift. Eventuell ist auch von Bedeutung, dass

beim Carubin primäre Hydroxylgruppen mit Essigsäure verestert sind.

Die Aenderung der «Reaktionskonstante» bei der Verseifung des

Methylesters von Pektin kann als ein direktes Mass für die Aufladungder Molekel gelten. Der Einfluss der Aufladung auf die Verseifung von

Polyestern zwei- und mehrbasischer Säuren ist in der niedermolekularen

Chemie viel beschrieben worden (64, 136).

Die alkalische Verseifung von Pektin und azetylierter Pektinsäure

stellt eine Reaktion zwischen Ionen gleichen Vorzeichens dar und muss

als solche durch Neutralsalzzusatz beschleunigt werden (Neutralsalz¬effekt) (64, 79, 136). Der Neutral salzzusatz bewirkt eine Abnahme des

Potentials des Polygalakturonsäureanions und erleichtert die Annähe¬

rung des (OH) -Ions. Tatsächlich wird durch den Zusatz von Neutral¬

salz (0,1-n. NaCl oder KCl) sowohl die Verseifung der azetyliertenPektinsäure (Abschnitt 5,22) als auch die des Pektins (139, 153) deutlich

beschleunigt. Diese Beeinflussung zeigt, dass die negative Ladung als

über die Makromolekel verteilt aufgefasst werden kann.

Die Verseifung des Carubinsäureazetylesters stellt eine Reaktion zwi¬

schen einem Ion und einer neutralen Molekel dar. In Uebereinstimmungmit Angaben der Literatur über Reaktionen zwischen Ionen und Neu¬

tralmolekeln (64, 79, 136) kann hier kein positiver Neutralsalzeffekt be¬

obachtet werden (Abschnitt 5,22).

Die saure Verseifung unterscheidet sich wesentlich von der alkali¬

schen. Es handelt sich um eine säurekatalysierte Hydrolyse, die durch

die Reaktion von H + mit dem Pektinsäureanion eingeleitet wird, also

um eine Reaktion zwischen Ionen verschiedenen Vorzeichens. Hier ist

der Einfluss der Aufladung des Polygalakturonsäureanions gering, da

— 45 —

die Dissoziation durch die hohe H+ -Ionenkonzentration des Reak¬

tionsmilieus zurückgedrängt wird. Die Reaktion folgt sowohl bei Pek¬

tin, als auch bei azetylierter Pektinsäure einer Reaktion erster Ordnung.Aehnliche Ergebnisse liefert die saure Verseifung von Azetvlcellulose

(214).

Durch Säurekatalyse wird Essigsäure vom Pektinstoff rascher ab¬

gespalten als Methanol (16, 196). Dies gestattet eine Deazetylierungzur Gewinnung gelierfähiger Pektine aus Azetylpektin.

Die Untersuchungen über den Perjodsäureabbau von Pektinstoffen

stehen in Uebereinstimmung mit den Angaben der Literatur (45, 84,

117), wonach die Polygalakturonsäuremolekel nicht nur bis zur Dialde-

hydstufe oxydiert wird. Pektin, das nicht mit Essigsäure verestert ist,wird ausserordentlich rasch abgebaut. In 47 Stunden werden L9 Milliäq.Perjodsäure pro 1 Milliäq. Uronsäure verbraucht; die Reaktion führt

zu keinem Endwert. Bereits durch die Einführung von 0.5°/o Azetyl-gruppen wird die Oxydation deutlich verlangsamt. Mit steigendem Ver¬

esterungsgrad zeigen Perjodsäureverbrauch und Viskositätsabnahme eine

deutliche Verlangsamung der Reaktion. Die Oxydation der hoch- und

niederveresterten Produkte erfolgt nach dem gleichen Mechanismus (Fi¬

gur 1 ). Da die Reaktion, besonders bei den niederveresterten Produkten,ZlI keinem deutlichen Endwert führt, kann kein Zusammenhang zwischen

der Verteilung der Azetylgruppen und dem oxydativen Abbau festge¬stellt werden.

6,4. Einwirkung von Enzym.

Die enzymatische Hydrolyse der Polygalakturonsäurekette durch das

Enzym Pektinase wird nicht nur durch die Veresterung der Carboxyl-

gruppen mit Alkoholen (121, 152, 187, 240, 245), sondern auch durch

die Veresterung der sekundären Hydroxylgruppen mit Essigsäure beein-

flusst. Die Untersuchungen (Abschnitt 5.31) zeigen, dass der Abbau um

so langsamer erfolgt, je höher die Pektinsäure mit Essigsäure verestert

ist. Aus den Viskositätsmessungen geht hervor, dass die zu 36°/» veresterte

Pektinsäure in den ersten fünf Stunden rascher abgebaut wird als die zu

0,05°/o veresterte. Als Grund für diese Erscheinung kann der unterschied¬

liche Knäuelungszustand der Fadenmolekel betrachtet werden. Die Gly-kosidbindungen der Molekel dürften zwar mit zunehmendem Veresterungs¬

grad durch die Azetylgruppen besser abgedeckt werden und vor dem

Enzymangriff vollständiger geschützt werden. Doch können anderseits

beieits wenige Azetylgruppen eine Streckung und Entknäuelung der

Fadenmolekel bewirken und dadurch die Glykosidbindung des entknäuel-

ten Molekels dem Enzym leichter zugänglich machen. Beide Faktoren

überlagern sich und ergeben die beobachtete Optimumkurve. Die gleicheErscheinung ist an Pektinsäureglykolester beobachtet worden (152).

— 46 —

Der Zusammenhang zwischen Zunahme der Aldehydendgruppen und

Abnahme der Viskosität findet sich in der Literatur ausführlich disku¬

tiert (152). Die Zunahme der Aldehydendgruppen stellt ein direktes

Mass für den Umfang der Reaktion über den ganzen Reaktionsbereich

dar. Die Viskosität eignet sich für eine äusserst empfindliche Erfassungdes Reaktionsbeginns. Für Untersuchungen an niedermolekularen Prä¬

paraten eignet sie sich nicht. Die Gegenüberstellung von Viskositätsab¬

nahme und End'gruppenzunahme führte beim enzymatischen Abbau von

Pektinsäure-Glykolester zur Aufstellung getrennter Reaktionsmechanis¬

men für hoch- und niederveresterte Produkte (152). Wie aus Figur 2

hervorgeht, zeigen Viskositätsabnahme und Aldehydendgruppenzunahmebei azetylierter Pektinsäure eine verschiedenartige Relation je nach Aze-

tylierungsgrad, sodass kaum ein einziger Reaktionsmechanismus ange¬

nommen werden darf.

Es darf wohl angenommen werden, dass die sekundären Hydroxyl¬gruppen am C-Atom 2 und 3 für die Haftung des Enzyms am Substrat

und daher für die Spaltung der glykosidischen Bindung notwendig sind.

Dies erklärt die gesteigerte Resistenz von Azetylpektinen mit erhöhtem

Azetylierungsgrad. Ein Vergleich mit Methyl- und Oxypropylester zeigt,dass Azetylgruppen eine stärker hemmende Wirkung auf die enzymati-sche Hydrolyse ausüben. Die Carboxylgruppe des C-Atoms 6 scheint für

die Bildung des Enzymsubstratkomplexes nicht wesentlich zu sein.

Die enzymatische Abspaltung der Azetylgruppen durch Azetylester-ase, die aus Citrusfrüchten gewonnen wurde, gelingt, in Uebereinstim-

mung mit anderen Angaben (196). nicht.

6,5. Geliervermögen.

Die Gelierfähigkeit der Pektinstoffe kann auf ein Zusammenwirken

verschiedener Faktoren zurückgeführt werden. Allgemein kann die Ge¬

lierung von Lösungen hochmolekularer Substanzen auf die Ausbildungeines dreidimensionalen Gelnetzes zurückgeführt werden. Je nach Art

der Haftpunkte unterscheidet man zwischen Haupt- und Nebenvalenz-

gelen. Die Pektinstoffe bilden bei Zusatz von Zucker und Säure oder

mehrwertigen Kationen Nebenvalenzgele (172). Die Temperatur ist für

die Ausbildung und Festigkeit der Gele von grossem Einfluss. da sie die

kinetische Energie der Teilchen beeinflusst (49). Sowohl methoxylfreie(8, 9. 103) als auch vollständig mit Methanol veresterte (5D Pektin¬

stoffe vermögen, wenn auch unter verschiedenen Bedingungen. Gele zu

bilden. Somit kann die Ansicht, dass der Geliermechanismus hauptsäch¬lich auf der Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen den freien

Carboxylgruppen (172, 224) erfolgt, nicht mehr begründet werden.

Auch Methoxylgruppen sind für die Gelierung nicht erforderlich. Der

Einfluss der Carboxylgruppen beruht vielmehr auf der Aufladung, die

— 47 —

sie der Pektinmolekel erteilen. Diese bewirkt eine elektrostatische Ab-

stossung der Teilchen. Ihr hohes Potential verhindert eine gegenseitigeAnnäherung und damit die Ausbildung von Gelstrukturen. Somit muss

das Potential der Fadenmolekeln vermindert werden, um eine gegenseitigeAnnäherung zu ermöglichen. Zur Verminderung des Teilchenpotentialsverwendet man bei niederveresterten Pektinen und Pektinsäure meist

mehrwertige Kationen, bei hochveresterten Pektinen Säure. Der für die

Gelierung notwendige Säurezusatz ist vom Veresterungsgrad abhängig(172, 183). Man nimmt an. dass der Zusatz von Zucker eine Dehydra-tation der Teilchen bewirkt (129, 224).

Pektinstoffe, die natürlich oder künstlich eingeführte Azetylgruppenbesitzen, weisen häufig kein Geliervermögen auf (16, 196) ; eine Abspal¬tung der Essigsäuregruppen führt zu Produkten guter Gelierfähigkeit(16, 196). Untersuchungen an Nebenvalenzgelen des Polyvinylalkoholsverschiedenen Azetylierungsgrades zeigten ähnliche Ergebnisse (173).Anderseits zeigte Pektinsäure, deren sekundäre Hydroxylgruppen zu et¬

wa 70°/o mit Essigsäure verestert waren, ein ausgeprägtes Geliervermö¬

gen (Abschnitt 5,14). Diese Tatsache zeigt, dass für die Ausbildung ei¬

nes Gelnetzes sekundäre Hydroxylgruppen nicht unbedingt in grosser

Anzahl vorhanden sein müssen.

Es müssen wohl für die Ausbildung eines Grelnetzes anstatt einzelner

Haftpunkte grosse Bereiche polarer Gruppen mit einem ausgeprägtengegenseitigen Assoziationsvermögen angenommen werden, deren Ober¬

flächen einander komplementär angepasst sind. Diese erlauben eine op¬

timale gegenseitige Annäherung der Fadenmolekeln über grosse Bereiche

und die Ausbildung fester Nebenvalenzbindungen. Die Hydroxylgruppenstellen Dipole mit einem gegenseitigen Anziehungsvermögen dar und

haben, wie schon erwähnt, die Fähigkeit, intermolekulare H-Brücken

auszubilden. Ihre Stellung an den C-Atomen 2 und 3 in trans-Konfigu-ration scheint eine optimale Annäherung der Fadenmolekeln zu begün¬stigen. Falls die Fadenmolekeln nicht elektrostatisch aufgeladen sind

oder nicht an einer gegenseitigen Annäherung aus sterischen Gründen ge¬

hindert sind, bewirkt die Dipol-Dipol-Anziehung eine Aneinanderlage-rung der Fadenmolekeln über grosse Bereiche, die dank der Komple¬mentärstruktur der Oberflächen zur Ausbildung fester Haftzonen führt.

Alginsäure, ein Stereoisomeres der Pektinsäure mit cis-Stellung der Hy¬droxylgruppen an den C-Atomen 2 und 3. weist kein Geliervermögen auf.

Durch die Einführung von wenigen Azetylgruppen wird wohl die Struk¬

tur der Fadenmolekeln derart verändert, dass eine gegenseitige Annähe¬

rung und die Ausbildung von H-Brücken zwischen den Hydroxylgrup¬pen verunmöglicht wird. Das Geliervermögen dürfte demnach vor allem

aus sterischen Gründen verloren gehen. Auch bei Veresterung der Car-

boxylgruppen mit grossen Alkoholgruppen, wie z.B. Glykolen (47),wird eine Abnahme der Gelierfähigkeit beobachtet.

— 48 —

Wenige Azetylgruppen können also aus sterischen Gründen, durch

Störung der Komplementärstruktur, den Geliermechanismus beeinflussen.

Werden etwa 70%> der Hydroxylgruppen der Pektinsäure mit Essigsäureverestert, so wird ein gelierfähiges Derivat erhalten, das, ähnlich wie

hochmethoxylierte Pektine, mit 60"/o Zucker und Säure — nicht aber in

Gegenwart von Salzen mehrwertiger Kationen — feste Gele zu bilden

vermag. Es ist anzunehmen, dass die Fadenmolekel durch die umfang¬reiche Substitution mit Essigsäure eine neue, aufgelagerte Oberfläche

aus Essigsäureresten erhält. Eine sterische Hinderung der gegenseitigenAnnäherung der Fadenmolekeln wird somit vermindert. Wahrscheinlich

sind die zwischen den hydrophoben Essigsäureresten bestehenden An¬

ziehungskräfte, neben denjenigen der Hydroxylgruppen, für die Ausbil¬

dung des Gelnetzes verantwortlich.

Untersuchungen über die Stärke der Nebenvalenzkräfte bei Cellu-

losen zeigen, dass die natürliche Cellulose mit zahlreichen polaren Hy¬droxylgruppen und die 100-proz. substituierte Cellulose mit zahlreichen

hydrophoben Resten (z. B. Azetat und Butyrat) die stärksten zwischen¬

molekularen Kräfte aufweisen. In beiden Fällen ist wohl eine optimaleAnnäherung der Hydroxylgruppen einerseits, der hydrophoben Reste

der Fadenmolekeln anderseits möglich. Partiell substituierte Cellulose

v/eist dagegen die kleinsten zwischenmolekularen Kräfte auf, sie ist

plastisch und leicht löslich (179).

Bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, dass Polysaccharide,die selbst nicht gelieren, wie z. B. Flohsamenschleim oder Carubin, das

Geliervermögen von Agar-Agar bei Herstellung von Mischgelen bedeu¬

tend zu erhöhen vermögen, während das Geliervermögen von Pektinstof¬

fen durch derartige Zusätze nicht verbessert werden konnte (53). Dies

weist auf eine spezifische Beteiligung der nicht gelierenden Polysaccha¬ride an der Ausbildung des Gelgerüstes von Agar-Agar im Gegensatzzu Pektin hin.

In der Natur sind zahlreiche makromolekulare Vorgänge bekannt,die von der Struktur der Reaktionspartner abhängig sind. So werden

die artspezifischen Reaktionen der Antigene mit den Antikörpern auf eine

gegenseitige Anpassung der Oberflächen der Reaktionspartner zurück¬

geführt (89).

— 49 —

7. ZUSAMMENFASSUNG.

1. Es wurden Azetylester von Pektinsäure, Pektin und Carubin nach

der Methode von Carson und Maclay mit Essigsäureanhydrid in einer

l ormamid-Pyridin-Mischung gewonnen.2. Die hergestellten Azetylderivate wurden durch Bestimmung der

Azetylgruppen, Methoxylgruppen, freien Carboxylgruppen, des Was¬

sergehaltes und Reinheitsgrades, der Viskosität wässriger Lösungen u.s.w.

charakterisiert. Für die Bestimmung der Azetylgruppen hat sich die mo¬

difizierte Methode nach Freudenberg und Harder bewährt.

3. Während Pektinsäure wasserunlöslich ist, ist azetylierte Pektin¬

säure bis zu einem Veresterungsgrad von 75°/o wasserlöslich. Mit zu¬

nehmendem Azetylierungsgrad nimmt die Löslichkeit von Pektin in or¬

ganischen Lösungsmitteln zu.

4. Die Koagulierbarkeit azetylierter Pektinsäure durch Neutralsalze,Alkohol und Azeton nimmt mit steigendem Veresterungsgrad ab. Zu

73,9°/o veresterte azetylierte Pektinsäure ist nicht mehr Ca + + -flockbar.

Die Koagulationsempfindlichkeit gegenüber Säuren weist ein Minimum

bei einem Veresterungsgrad von 25—55%> auf. Die Koagulationsversucheführen zu einer Ablehnung der Theorie der fixierten Ionenbrücken.

5. Die Viskosität der wässrigen Lösungen nimmt mit steigendemAzetylgehalt der Pektinsäure zu.

6. Durch Einführung weniger Azetylgruppen verlieren die Pektin¬

stoffe ihr Geliervermögen und gewinnen es nach saurer oder alkalischer

Abspaltung der Estergruppen wieder zurück. Für die Gelierung scheint

die Ausbildung von Haftzonen zwischen den Makromolekeln notwendigzu sein. Durch Einführung weniger Azetylgruppen wird die Oberflächen¬

struktur der Fadenmolekeln geändert und damit die Ausbildung von

Haftzonen verunmöglicht. Dagegen vermag azetylierte Pektinsäure mit

einem Veresterungsgrad von 65—75°A> mit Wasser, Zucker und Säure

— aber nicht mit mehrwertigen Kationen — Gele zu bilden. Weder Car-

boxyl- noch Methoxylgruppen sind für die Gelierung unentbehrlich,

Hydroxylgruppen brauchen auch nur in Minderheit vorhanden zu sein.

7. Die saure Verseifung der Azetylester von Pektinsäure folgt einer

Reaktion erster Ordnung. Die Aktivierungsenergie der Reaktion beträgtin 0,1-n. Salzsäure etwa 17000—19000 cal • mol"1.

8. Die alkalische Verseifung der Azetylester von Pektinsäure und

Carubin folgt, im Gegensatz zum Pektinsäuremethanolester (Pektin),einer Reaktionsgleichung zweiter Ordnung. Es wurde eine Aktivierungs¬

energie von etwa 8700—9500 cal -mol"1 berechnet. Die Reaktion folgtden Reaktionsgesetzen, da die Aufladung der Fadenmolekel während

— 50 —

der Verseifung nicht verändert wird. Die Verseifung der azetyliertenPektinsäure stellt eine Reaktion zwischen Ionen gleichen Vorzeichens

dar und wird durch Neutralsalzzusatz beschleunigt (Neutralsalzeffekt).Die Verseifung des azetylierten Carubins stellt eine Reaktion zwischen

einem Ion und einer Neutralmolekel dar und wird durch Neutralsalz¬

zusatz nicht beschleunigt.9. Der oxydative Abbau azetylierter Pektinsäure mit Perjodsäure

wird durch den Verbrauch an Oxydationsmittel und die Abnahme der

Viskosität verfolgt. Perjodsäure oxydiert Pektin und Pektinsäure unter

Abbau der Fadenmolekeln. Mit zunehmendem Azetylierungsgrad nimmt

die Geschwindigkeit und der Umfang der Reaktion ab.

10. Der enzymatische Angriff azetylierter Pektinsäure durch das

Enzym Pekdnase wird durch die Zunahme der Aldehydendgruppen und

die Abnahme der Viskosität erfasst. Er nimmt mit steigendem Azety¬lierungsgrad ab. Nur anfänglich erfolgt der rascheste Abbau bei einem

Veresterungsgrad von 36%.

11. Eine spezifische Abspaltung der Azetylgruppen mit einer aus

Citrusfrüchten gewonnenen Azetylesterase gelingt nicht.

12. Die Veränderungen der Eigenschaften von Pektinsäure in Ab¬

hängigkeit des Azetylierungsgrades werden diskutiert. Viele Eigenschaf¬ten ändern sich bei der Azetylierung der sekundären Hydroxylgruppenin ähnlicher Weise wie bei der Veresterung der Carboxylgruppen mit

Methanol.

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LEBENSLAUF.

Ich, Jürgen Solms, wurde am 9. Februar 1925 in Berlin gebo¬ren. Dort besuchte ich während vier Jahren die Volksschule und

während einem Jahr das Fichte-Gymnasium. Darauf trat ich in das

Schweizerische Landerziehungsheim Glarisegg (Kt. Thurgau) ein und

bestand im Herbst 1942 die kantonale thurgauische Maturität Typus B.

Anschliessend absolvierte ich ein landwirtschaftliches Lehrjahr auf ei¬

nem Landwirtschaftsbetrieb im Kt. Bern. Im Herbst 1943 wurde ich als

Studierender der landwirtschaftlichen Abteilung der EidgenössischenTechnischen Hochschule aufgenommen und erhielt im Frühjahr 1948

das Diplom als Ingenieur-Agronom. Seither arbeitete ich als Doktorand

und seit Sommer 1949 als Assistent am Agrikulturchemischen Institut

der Eidgenössischen Technischen Hochschule, wo auch die vorliegendeArbeit entstand.