Пектини - біологія

Пектини (з грецької: πηκτός pektós = тверді, коагульовані) - це рослинні полісахариди, точніше поліуроніди, які, по суті, складаються з α-1,4-глікозидно пов'язаних одиниць D-галактуронової кислоти. З поживної точки зору, пектини є харчовими волокнами для людини. Натомість багато мікроорганізми здатні перетворювати пектини.

біологія

Виникнення

Пектини містяться у всіх вищих наземних рослинах. Тут ви можете знайти пектини у всіх твердих компонентах, наприклад, у стеблах, квітках, листі та ін. Пектини містяться в центральних ламелях і первинних клітинних стінках і виконують там зміцнюючу та регулюючу воду функцію. Склад пектину не тільки відрізняється від рослини до рослини, але також залежить від типу та віку рослинної тканини. Частини рослин з відносно жорсткими/твердими компонентами особливо багаті пектином, напр. B. Цитрусові або плодові головки соняшника. З іншого боку, м’які фрукти мають низький вміст пектину, напр. B. Полуниця.

Вміст пектинів у фруктах та овочах (на основі свіжої маси): [1]

  • Яблуко 1–1,5%
  • Абрикос 1%
  • Вишня 0,4%
  • Апельсин 0,5-3,5%
  • Морква 1,4%
  • Яблучні вичавки 15%
  • Шкірка цитрусових 30%

Коли пектини витягуються з рослинних тканин, вони хімічно змінюються. Саме тому використовуються нативні рослинні пектини Протопектини з метою диференціації їх від хімічно модифікованих пектинів.

Видобуток

Щороку у світі виробляється близько 40 000 тонн пектину. Видобуток пектину відбувається з великими технічними зусиллями з рослинної сировини з високим вмістом пектину, наприклад, м’якоті яблука, цитрусових або буряка. Різна сировина та різні методи видобутку та модифікації залежно від виробника дають у результаті різні типи пектинів з різними властивостями. Незважаючи на цей широкий діапазон варіацій, можна сформулювати базову схему видобутку та модифікації:

  1. Екстракція всіх водорозчинних речовин із сировини гарячою водою;
  2. Поділ пектинів від інших водорозчинних речовин шляхом осадження етанолом, метанолом або ізопропанолом;
  3. Багаторазове центрифугування/фільтрація та промивання;
  4. Модифікація соляною кислотою для зниження ступеня етерифікації або аміаку; у випадку аміаку утворюються амідовані пектини;
  5. Після фільтрування, промивання та сушіння знову утворюється білий до сіруватий порошок пектину;
  6. Пектин адаптований до сфери його застосування за допомогою добавок (наприклад, тростинний цукор для стандартизації, буферні речовини для регулювання значення рН та доступності кальцію).

Хімічна структура та властивості

Клас речовин пектинів зустрічається в різних структурах. Всім спільним є те, що вони є полісахаридами, основним компонентом яких (щонайменше 65 мас.%) Є α-D-галактуронова кислота (pKa-Значення 2,9) як мономер. Ці мономери галактуронової кислоти пов'язані між собою за допомогою α-1,4-, здебільшого також незначною мірою за допомогою β-1,4-глікозидних зв'язків і, таким чином, складають основу молекули пектину.

Особливості будови різних пектинів

Зріз з хребта пектинів:
Полі-α- (1 → 4) -галактуронова кислота.
Частково етерифікований відділ хребта
Рамногалактуронан: хребет із "перегином"
через вбудовану рамнозу

Цей лінійний кістяк періодично переривається 1,2-зв'язками з α-L-рамнозою. Звідси систематична назва пектину Рамно-галактуронова кислота. Включення одиниць рамнози призводить до порушень у формально прямому ланцюгу полігалактуронової кислоти: ланцюги "перекручені". Рамнозні будівельні блоки в природних пектинах, у свою чергу, мають олігомерні бічні ланцюги, виготовлені з цукрів арабінози, галактози або ксилози. Ці нейтральні бічні ланцюги цукру, в свою чергу, можна розділити на арабіни, галактани та арабіногалактан-I, а також арабіногактан-II, який пов'язаний з білками, але часто також класифікується як геміцелюлоза. Бічні ланцюги зазвичай складають від однієї до 50 одиниць цукру. Більшість цих бічних ланцюгів, але особливо кислотонестійка арабінофураноза, втрачаються при промисловому виробництві пектинів. Гілки в ланцюзі через L-рамнозу та її бічні ланцюги не виникають регулярно, а накопичуються в т.зв. волохаті регіони. На відміну від них називаються лінійні частини ланцюга гладкі регіони.

Крім гілок головного ланцюга, існують і інші особливості макромолекули пектину. Гідроксильні групи на атомі С2 або С3 одиниць галактуронової кислоти незначно ацетильовані або заміщені іншими нейтральними цукрами, такими як D-галактоза, D-ксилоза, L-арабіноза, L-рамноза - і тут, головним чином, у волохаті регіони. Карбоксильні групи полігалактуронової кислоти часто етерифікуються метанолом. Ступінь етерифікації та ацетилювання змінюється залежно від походження пектину, але має вирішальний вплив на хімічні властивості. Ось чому пектини класифікуються за середнім ступенем етерифікації VE.

історія

Вперше пектин був виявлений у фруктових соках у 1790 році французьким хіміком та фармацевтом Луї-Ніколя Вокеленом. Однак свою назву він отримав лише в 1824 році, коли французький ботанік і хімік Анрі Браконно продовжив свої дослідження і назвав желатинову речовину пектиновою кислотою. Через сто років К. Смоленський першим запідозрив, що пектин може складатися з полімерної галактуронової кислоти. У 1930 році Мейер і Марк визнали ланцюгову форму молекули пектину, а в 1937 році Шнайдер і Бок розробили формулу пектину. Лише на початку 20 століття люди визнали практичне використання пектинів, які можна використовувати для виробництва їжі завдяки їх хорошим желирующим властивостям. [2]
Ймовірно, найвідомішою маркою гелеутворюючих речовин, що містять пектин, з 1928 року була Opekta.

Класифікація пектинів

Сильно метильовані або сильно етерифіковані пектини

  • мають ступінь етерифікації більше 50% за визначенням,
  • гель із вмістом цукру не менше 55% за вагою,
  • для цього потрібен рН 1–3,5,
  • тому може використовуватися лише в кислих продуктах з високим вмістом цукру, напр. Б. у варення та фруктові начинки.

Низько метильовані, низькі метилестерні пектини

  • мають ступінь етерифікації від 50% до 5% за визначенням,
  • може утворювати желе навіть без цукру в присутності полівалентних катіонів,
  • для цього потрібно значення рН 1–7,
  • використовуються для виробництва фруктових препаратів, що перекачуються, особливо для молочних продуктів.
  • використовуються для приготування низькокалорійних фруктових спредів.

Пектинові кислоти

  • мають ступінь етерифікації менше 5% за визначенням,
  • гель, як низько метильовані пектини (див. вище),
  • і падають при високих значеннях рН та високих рівнях полівалентних катіонів як Пектати, Солі нестерифікованих пектинових кислот.

Амідопектини (амідовані пектини, Е 440ii)

  • потрапляють до групи низькометильованих пектинів, завдяки чому певна частка груп карбонових кислот присутня у вигляді аміду завдяки реакції з аміаком,
  • гель, як низько метильовані пектини з цукром та полівалентними катіонами,
  • Однак на властивості желе менше впливає вміст полівалентних катіонів, особливо кальцію. Тому вони більш надійні у використанні.

Основною відмінністю в технології нанесення між модифікаціями є тенденція до утворення гелів з водних розчинів та властивості утворених гелів. Зі ступенем етерифікації та використанням інших добавок швидкість утворення гелю, міцність гелю, виділення смаку та розповсюджуваність можна регулювати цілеспрямовано.

Програми

Через свою здатність утворювати гелі, пектини є незамінним компонентом багатьох продуктів у харчовій промисловості, фармацевтичній промисловості або для косметики, в яких желюючі агенти, загусники та/або стабілізатори використовуються з найрізноманітніших причин. [3] У харчовій промисловості, а іноді і в домашньому господарстві, пектин використовується для виготовлення желе, джемів та джемів (дивіться статтю Opekta), Кондитерські вироби, хлібобулочні вироби, для стабілізації напоїв та в молочних продуктах. Пектини, такі як агар-агар, карагенан або альгінова кислота, можуть бути використані як суто рослинні замінники желатину.

Низькометильовані пектини використовуються у виробництві йогуртів та пастеризації кисломолочних продуктів, де коагуляція казеїну запобігається наявністю пектину.

Це номер один в ЄС як харчова добавка Е 440 без обмеження максимальної кількості (квантове задоволення), загалом схвалений майже для всіх продуктів харчування.

Їх властивості, як загусники, захисні колоїди та стабілізатори, також використовуються у фармацевтичній та косметичній промисловості для підвищення в'язкості та стабільності емульсій та суспензій та виробництва різних гелів, кремів та паст.

Інші застосування пектинів у медицині зумовлені їх здатністю діяти як комплексоутворювач при детоксикації отруєнь важкими металами та здатністю знижувати рівень холестерину в крові. Він також використовується в деяких ліках для лікування діареї.

Механізми гелеутворення

Молекули пектину дуже великі (макромолекули) і їх важко видалити через їх вагу та велику площу поверхні. Насправді, порівняно велику кількість пектину можна розчинити лише в невеликій кількості теплої води. Причиною цього явища є групи вільних карбонових кислот будівельних блоків галактуронової кислоти. Кислотні групи дисоціюють у водному розчині. Це створює залишки аніонної кислоти, які більш-менш рівномірно розподіляються по макромолекулі. Негативний заряд гарантує, що молекули пектину відштовхують одна одну електростатично. Крім того, навколо цих носіїв заряду утворюються великі гідратаційні оболонки, які додатково перешкоджають наближенню молекул одна до одної. Таким чином, пектини залишаються у суспензії, саме тому пектини віднесені до групи гідроколоїдів.

Для гелеутворення необхідно подолати бар’єр електростатичного відштовхування та гідратації оболонок. Для цього існує два механізми:

Гелеутворення полівалентними катіонами

Полівалентний катіон зв’язаний двома або більше аніонними карбоксилатними групами в хелатному комплексі, так що утворюється гель, в якому полівалентні катіони утримують пектинові ланцюги разом у тривимірній мережі. Гелеутворення відбувається за так званою моделлю "яєчної коробки".

Желювання з цукром та кислотою

Кислота перетворює багато залишків аніонової кислоти в кислотні групи, що зменшує електростатичне відштовхування між пектиновими ланцюгами. Велика кількість цукру має зневоднюючий ефект, тобто H. вони також пов'язують воду з великих гідратних оболонок пектинів. Це дозволяє пектиновим ланцюгам, напр. Іноді з включенням цукру вони наближаються один до одного і утворюють тривимірну мережу, пов’язану водневими зв’язками.