Pektíny - biológia

Pektíny (z gréčtiny: πηκτός pektós = tuhé, koagulované) sú rastlinné polysacharidy, presnejšie polyuronidy, ktoré v podstate pozostávajú z jednotiek kyseliny D-galakturónovej spojených s a-1,4-glykozidicky. Z hľadiska výživy sú pektíny pre človeka diétnymi vláknami. Mnoho mikroorganizmov je na druhej strane schopných konvertovať pektíny.

kyseliny galakturónovej

Výskyt

Pektíny sa nachádzajú vo všetkých vyšších suchozemských rastlinách. Tu nájdete pektíny vo všetkých pevných zložkách, napríklad v stonkách, kvetoch, listoch atď. Pektíny sú obsiahnuté v centrálnych lamelách a primárnych bunkových stenách a majú spevňujúcu a vodu regulujúcu funkciu. Pektínové zloženie sa líši nielen od rastliny k rastline, ale aj od typu a veku rastlinného pletiva. Časti rastlín s relatívne tvrdými/tvrdými zložkami sú obzvlášť bohaté na pektín, napr. B. Hlavy citrusových plodov alebo slnečnicových semien. Na druhej strane mäkké ovocie má nízky obsah pektínu, napr. B. Jahody.

Obsah pektínov v ovocí a zelenine (vzhľadom na čerstvú hmotnosť): [1]

  • Apple 1–1,5%
  • Marhuľa 1%
  • Čerešňa 0,4%
  • Oranžová 0,5 - 3,5%
  • Mrkva 1,4%
  • Jablkové výlisky 15%
  • Citrusová kôra 30%

Keď sa pektíny extrahujú z rastlinných tkanív, chemicky sa menia. Preto sa používajú pôvodné rastlinné pektíny Protopektíny aby sa odlíšili od chemicky modifikovaných pektínov.

Extrakcia

Ročne sa na celom svete vyprodukuje okolo 40 000 ton pektínu. Extrakcia pektínu sa uskutočňuje s veľkým technickým úsilím z rastlinných surovín s vysokým obsahom pektínu, ako sú jablká, citrusy alebo repná dreň. Výsledkom rôznych surovín a rôznych metód extrakcie a modifikácií v závislosti od výrobcu sú rôzne druhy pektínov s rôznymi vlastnosťami. Napriek tejto širokej škále variácií možno formulovať základnú schému extrakcie a modifikácie:

  1. Extrakcia všetkých vo vode rozpustných látok zo surovín horúcou vodou;
  2. Separácia pektínov od ostatných vo vode rozpustných látok zrážaním s etanolom, metanolom alebo izopropanolom;
  3. Viacnásobné odstredenie/filtrácia a premytie;
  4. Modifikácia kyselinou chlorovodíkovou na zníženie stupňa esterifikácie alebo amoniaku; v prípade amoniaku sa vyrábajú amidované pektíny;
  5. Filtráciou, premytím a opätovným sušením sa získa biely až sivastý pektínový prášok;
  6. Pektín je prispôsobený svojej oblasti použitia pomocou prísad (napr. Trstinový cukor pre štandardizáciu, tlmivé látky na reguláciu hodnoty pH a dostupnosti vápnika).

Chemická štruktúra a vlastnosti

Trieda látok pektínov sa vyskytuje v rôznych štruktúrach. Všetky majú spoločné to, že sú to polysacharidy, ktorých hlavnou zložkou (najmenej 65% hmotnostných) je kyselina α-D-galakturónová (pKa-Hodnota 2,9) ako monomér. Tieto monoméry kyseliny galakturónovej sú navzájom spojené prostredníctvom α-1,4-, väčšinou tiež v malej miere prostredníctvom β-1,4-glykozidových väzieb, a tvoria tak hlavný reťazec molekuly pektínu.

Štrukturálne vlastnosti rôznych pektínov

Úsek z chrbtovej kosti pektínov:
Kyselina poly-α- (1 → 4) -galakturónová.
Čiastočne esterifikovaný úsek chrbtice
Rhamnogalakturonan: chrbtová kosť s „zlomom“
prostredníctvom zabudovanej ramnózy

Táto lineárna kostra je periodicky prerušovaná 1,2-väzbami s a-L-ramnózou. Preto aj systematický názov pre pektín Kyselina rhamno-galakturónová. Začlenenie ramnózových jednotiek vedie k narušeniu formálne priameho reťazca kyseliny polygalakturónovej: reťazce sú „zauzlené“. Stavebné bloky ramnózy v prírodných pektínoch majú zase oligomérne bočné reťazce vyrobené z cukrov arabinózy, galaktózy alebo xylózy. Tieto vedľajšie reťazce s neutrálnym cukrom je možné rozdeliť na arabinany, galaktány a arabinogalaktán-I, ako aj na arabinogaktán-II, ktorý je naviazaný na proteíny, ale často sa tiež počíta medzi hemicelulózy. Bočné reťazce sú zvyčajne medzi jednou a 50 cukrovými jednotkami. Väčšina z týchto vedľajších reťazcov, ale najmä arabinofuranóza labilná v kyslom prostredí, sa stráca v priemyselnej výrobe pektínov. Vetvy v reťazci cez L-ramnózu a jej bočné reťazce sa nevyskytujú pravidelne, ale hromadia sa v tzv. chlpaté kraje. Naproti tomu lineárne časti reťaze sa nazývajú hladké regióny.

Okrem vetiev hlavného reťazca existujú ešte ďalšie znaky pektínovej makromolekuly. Hydroxylové skupiny na atóme C2 alebo C3 jednotiek kyseliny galakturónovej sú v malej miere acetylované alebo nahradené inými neutrálnymi cukrami, ako sú D-galaktóza, D-xylóza, L-arabinóza, L-ramnóza - tiež tu, hlavne v chlpaté kraje. Karboxylové skupiny kyseliny polygalakturónovej sú často esterifikované metanolom. Stupeň esterifikácie a acetylácie sa líši od pôvodu pektínu, má však rozhodujúci vplyv na chemické vlastnosti. Preto sa pektíny klasifikujú podľa ich stredného stupňa esterifikácie VE.

príbeh

Pektín bol prvýkrát objavený v ovocných džúsoch v roku 1790 francúzskym chemikom a farmaceutom Louis-Nicolas Vauquelin. Názov však dostal až v roku 1824, keď francúzsky botanik a chemik Henri Braconnot pokračoval vo výskume a želatínovú látku nazval kyselinou pektovou. O sto rokov neskôr mal K. Smolenski ako prvý podozrenie, že pektín môže pozostávať z polymérnej kyseliny galakturónovej. V roku 1930 Meyer a Mark rozpoznali reťazovú formu molekuly pektínu a v roku 1937 Schneider a Bock vyvinuli vzorec pre pektín. Až začiatkom 20. storočia sa zistilo praktické využitie pektínov, ktoré sa dajú vďaka dobrým gélotvorným vlastnostiam použiť na výrobu potravín. [2]
Pravdepodobne najznámejšou značkou pre želírovacie látky obsahujúce pektín od roku 1928 bola Opekta.

Klasifikácia pektínov

Vysoko metylované alebo vysoko esterifikované pektíny

  • majú podľa definície stupeň esterifikácie vyšší ako 50%,
  • gél s obsahom cukru najmenej 55% hmotnostných,
  • na to potrebujete pH 1–3,5,
  • sa preto môžu používať iba v kyslých výrobkoch s vysokým obsahom cukru, napr. B. v lekvároch a ovocných plnkách.

Nízko metylované pektíny s nízkym obsahom metylesteru

  • majú podľa definície stupeň esterifikácie medzi 50% a 5%,
  • môže vytvárať želé aj bez cukru v prítomnosti viacmocných katiónov,
  • Potrebujete na to hodnotu pH 1–7,
  • sa používajú na výrobu čerpateľných ovocných prípravkov, najmä na mliečne výrobky.
  • sa používajú na výrobu nízkokalorických ovocných nátierok.

Pektové kyseliny

  • majú podľa definície stupeň esterifikácie menej ako 5%,
  • gélové ako nízko metylované pektíny (pozri vyššie),
  • a klesajú pri vysokých hodnotách pH a vysokých hladinách viacmocných katiónov, ako sú Pektáty, Soli neesterifikovaných pektových kyselín.

Amidopektíny (amidované pektíny, E 440ii)

  • spadajú do skupiny nízko metylovaných pektínov, pričom určitý podiel skupín karboxylových kyselín je v dôsledku reakcie s amoniakom prítomný ako amid,
  • gélové ako nízko metylované pektíny s obsahom cukru aj viacmocných katiónov,
  • vlastnosti želé sú však menej ovplyvnené obsahom viacmocných katiónov, najmä vápniku. Používanie je preto robustnejšie.

Hlavným rozdielom v aplikačnej technológii medzi modifikáciami je tendencia k tvorbe gélov z vodných roztokov a vlastnosti vytvorených gélov. So stupňom esterifikácie a použitím ďalších prísad možno cielene riadiť rýchlosť tvorby gélu, pevnosť gélu, uvoľňovanie arómy a roztierateľnosť.

Aplikácie

Vďaka svojej schopnosti vytvárať gély sú pektíny nepostrádateľnou súčasťou mnohých výrobkov v potravinárskom priemysle, farmaceutickom priemysle alebo v kozmetike, v ktorej sa z rôznych dôvodov používajú gélotvorné látky, zahusťovadlá a/alebo stabilizátory. [3] V potravinárskom priemysle a čiastočne v domácnosti sa z pektínu vyrábajú želé, džemy a džemy (pozri článok Opekta), Cukrovinky, pečivo, na stabilizáciu nápojov a v mliečnych výrobkoch. Pektíny, ako napríklad agar-agar, karagénan alebo kyselina algínová, sa môžu použiť ako čisto rastlinné náhrady želatíny.

Nízko metylované pektíny sa používajú pri výrobe jogurtov a pri pasterizácii kyslých mliečnych výrobkov, kde je prítomnosťou pektínu zabránené zrážaniu kazeínu.

Je jedničkou v EÚ ako prídavná látka v potravinách E 440 bez obmedzenia maximálneho množstva (quantum satis) všeobecne schválený pre takmer všetky potraviny.

Ich vlastnosti ako zahusťovadlá, ochranné koloidy a stabilizátory sa používajú aj vo farmaceutickom a kozmetickom priemysle na zvýšenie viskozity a stability emulzií a suspenzií a na výrobu rôznych gélov, krémov a pást.

Ďalšie lekárske aplikácie pektínov sú výsledkom ich schopnosti pôsobiť ako komplexotvorné činidlo pri detoxikácii otravy ťažkými kovmi a ich schopnosti znižovať hladinu cholesterolu v krvi. Používa sa tiež v niektorých liekoch na liečbu hnačiek.

Gélotvorné mechanizmy

Molekuly pektínu sú veľmi veľké (makromolekuly) a malo by byť ťažké ich odstrániť kvôli ich hmotnosti a veľkému povrchu. V skutočnosti je však možné relatívne veľké množstvo pektínu rozpustiť v troche teplej vody. Príčinou tohto javu sú skupiny voľných karboxylových kyselín v stavebných jednotkách kyseliny galakturónovej. Kyselinové skupiny sa disociujú vo vodnom roztoku. Tak vznikajú zvyšky kyseliny aniónovej, ktoré sú viac alebo menej rovnomerne distribuované v makromolekule. Negatívny náboj zaisťuje, že sa molekuly pektínu navzájom elektrostaticky odpudzujú. Ďalej sa okolo týchto nosičov náboja tvoria veľké hydratačné škrupiny, ktoré navyše bránia molekulám v priblížení sa k sebe. Týmto spôsobom pektíny zostávajú v suspenzii, a preto sa pektíny zaraďujú do skupiny hydrokoloidov.

Aby bolo možné gélovať, musí sa prekonať bariéra elektrostatického odpudenia a hydratácie. Existujú dva mechanizmy:

Gélovatenie polyvalentnými katiónmi

Polyvalentný katión je viazaný dvoma alebo viacerými aniónovými karboxylátovými skupinami v chelátovom komplexe, takže sa vytvorí gél, v ktorom polyvalentné katióny držia pektínové reťazce pohromade v trojrozmernej sieti. Gélovatenie prebieha podľa takzvaného modelu „egg-box“.

Želatínovanie s cukrom a kyselinou

Kyselina prevádza veľa zvyškov aniónových kyselín na kyslé skupiny, čo znižuje elektrostatický odpor medzi pektínovými reťazcami. Veľké množstvo cukru má dehydratačný účinok, t.j. H. viažu tiež vodu z veľkých hydrátových škrupín pektínov. To umožňuje pektínovým reťazcom, napr. Niekedy sa so začlenením cukru navzájom priblížia a vytvoria trojrozmernú sieť prepojenú vodíkovými väzbami.