Пектин ( древнегреческий : πηκτικός pēktikós : «застывший» и «свернувшийся») представляет собой гетерополисахарид , структурную кислоту, содержащуюся в первичной пластинке, средней пластинке и в клеточных стенках наземных растений . [1] Основным химическим компонентом пектина является галактуроновая кислота ( сахарная кислота , полученная из галактозы ), которая была выделена и описана Анри Браконно в 1825 году. [2] [3] Коммерчески производимый пектин представляет собой порошок от белого до светло-коричневого цвета. , производимый из цитрусовых для использования в качестве пищевого желирующего агента , особенно в джемах и желе, начинках для десертов, лекарствах и сладостях; и в качестве пищевого стабилизатора во фруктовых соках и молочных напитках [4] , а также в качестве источника пищевых волокон .
Пектин состоит из сложных полисахаридов, которые присутствуют в первичных клеточных стенках растений и в изобилии присутствуют в зеленых частях наземных растений. [5] Пектин является основным компонентом средней пластинки , где он связывает клетки. Пектин откладывается в результате экзоцитоза в клеточной стенке через пузырьки, образующиеся в аппарате Гольджи . [6] Количество, структура и химический состав пектина различны у разных растений, внутри растения с течением времени и в различных частях растения. Пектин является важным полисахаридом клеточной стенки, который обеспечивает расширение первичной клеточной стенки и рост растений. [7] Во время созревания фруктов пектин расщепляется ферментами пектиназой и пектинэстеразой , в результате чего плод становится мягче, поскольку средние пластинки разрушаются, а клетки отделяются друг от друга. [8] Аналогичный процесс разделения клеток, вызванный распадом пектина, происходит в зоне опадения черешков лиственных растений при листопаде. [ нужна цитата ]
Пектин является естественной частью рациона человека, но не вносит существенного вклада в питание. Ежедневное потребление пектина из фруктов и овощей можно оценить примерно в 5 г, если в день потребляется около 500 г фруктов и овощей.
В пищеварении человека пектин связывается с холестерином в желудочно-кишечном тракте и замедляет всасывание глюкозы, улавливая углеводы. Таким образом, пектин является растворимой пищевой клетчаткой . Было показано, что у мышей с диабетом (NOD) без ожирения пектин увеличивает заболеваемость аутоиммунным диабетом 1 типа. [9]
Исследование показало, что после употребления фруктов концентрация метанола в организме человека увеличивается на порядок из-за разложения природного пектина (этерифицированного метанолом) в толстой кишке . [10]
Было обнаружено, что пектин выполняет некоторую функцию по восстановлению ДНК некоторых типов семян растений, обычно растений пустынь. [11] Пектиновые поверхностные пленки, богатые пектином, создают слой слизи, удерживающий росу, которая помогает клетке восстанавливать свою ДНК. [12]
Было показано, что потребление пектина незначительно (3–7%) снижает уровень холестерина ЛПНП в крови. Эффект зависит от источника пектина; Яблочный и цитрусовый пектины оказались более эффективными, чем пектин из волокон апельсиновой мякоти. [13] Механизм, по-видимому, заключается в увеличении вязкости в кишечном тракте, что приводит к снижению всасывания холестерина из желчи или пищи. [14] В толстой и толстой кишке микроорганизмы разлагают пектин и высвобождают короткоцепочечные жирные кислоты, которые оказывают положительное влияние на здоровье ( пребиотический эффект). [15]
Пектины, также известные как пектиновые полисахариды, богаты галактуроновой кислотой. В пектиновой группе было идентифицировано и охарактеризовано несколько различных полисахаридов. Гомогалактуронаны представляют собой линейные цепи α-(1–4)-связанной D -галактуроновой кислоты . [16] Замещенные галактуронаны характеризуются наличием придаточных остатков сахарида (таких как D - ксилоза или D - апиоза в соответствующих случаях ксилогалактуронана и апиогалактуронана ), разветвляющихся от основной цепи остатков D -галактуроновой кислоты. [16] [17] Пектины рамногалактуронан I (RG-I) содержат остов повторяющегося дисахарида: 4)-α- D -галактуроновая кислота-(1,2)-α- L - рамноза- (1. Из многих от остатков рамнозы разветвляются боковые цепи различных нейтральных сахаров.Нейтральными сахарами являются в основном D - галактоза , L - арабиноза и D -ксилоза, причем типы и пропорции нейтральных сахаров варьируются в зависимости от происхождения пектина. [16] [17] [18]
Другой структурный тип пектина — рамногалактуронан II (RG-II), который представляет собой менее распространенный, сложный, сильно разветвленный полисахарид. [19] Некоторые авторы относят рамногалактуронан II к группе замещенных галактуронанов, поскольку основная цепь рамногалактуронана II состоит исключительно из звеньев D -галактуроновой кислоты. [17]
Изолированный пектин обычно имеет молекулярную массу от 60 000 до 130 000 г/моль, которая зависит от происхождения и условий экстракции. [ нужна цитата ]
В природе около 80 процентов карбоксильных групп галактуроновой кислоты этерифицированы метанолом . Эта доля в различной степени снижается при экстракции пектина. Пектины классифицируются как пектины с высоким и низким содержанием метокси (сокращенно HM-пектины против LM-пектинов), при этом более или менее половины всей галактуроновой кислоты этерифицируется. [20] Соотношение этерифицированной и неэтерифицированной галактуроновой кислоты определяет поведение пектина в пищевых продуктах – HM-пектины могут образовывать гель в кислых условиях в присутствии высоких концентраций сахара, тогда как LM-пектины образуют гели при взаимодействии с двухвалентными катионы, особенно Ca 2+ , в соответствии с идеализированной моделью «яичного ящика», в которой между ионами кальция и ионизированными карбоксильными группами галактуроновой кислоты образуются ионные мостики. [21] [22] [20]
В пектинах с высоким содержанием метокси при содержании растворимых сухих веществ более 60% и значении pH от 2,8 до 3,6 водородные связи и гидрофобные взаимодействия связывают отдельные цепи пектина вместе. Эти связи образуются, когда вода связывается сахаром и заставляет нити пектина слипаться. Они образуют трехмерную молекулярную сеть, которая создает макромолекулярный гель. Механизм гелеобразования называется гелем с низкой активностью воды или гелем сахар-кислота-пектин. [ нужна цитата ]
Хотя пектинам с низким содержанием метокси необходим кальций для образования геля, они могут делать это при меньшем количестве растворимых твердых веществ и более высоком pH, чем пектины с высоким содержанием метокси. Обычно низкометоксипектины образуют гели с диапазоном pH от 2,6 до 7,0 и с содержанием растворимых сухих веществ от 10 до 70%. [ нужна цитата ]
Неэтерифицированные звенья галактуроновой кислоты могут представлять собой либо свободные кислоты (карбоксильные группы), либо соли натрия, калия или кальция. Соли частично этерифицированных пектинов называются пектинатами, если степень этерификации ниже 5 процентов, соли называют пектатами, нерастворимую кислотную форму — пектиновой кислотой. [ нужна цитата ]
Некоторые растения, такие как сахарная свекла , картофель и груши , помимо метиловых эфиров содержат пектины с ацетилированной галактуроновой кислотой. Ацетилирование предотвращает образование геля, но усиливает стабилизирующее и эмульгирующее действие пектина.
Амидированный пектин представляет собой модифицированную форму пектина. Здесь часть галактуроновой кислоты превращается с помощью аммиака в амид карбоновой кислоты . Эти пектины более терпимы к различным концентрациям кальция, возникающим при использовании. [23]
Тиолированный пектин демонстрирует существенно улучшенные гелеобразующие свойства, поскольку этот тиомер способен сшиваться посредством образования дисульфидных связей. Эти высокие гелеобразующие свойства выгодны для различных фармацевтических применений и применений в пищевой промышленности. [24] [25] [26]
Для приготовления пектин-геля ингредиенты нагревают, растворяя пектин. При охлаждении ниже температуры гелеобразования начинает образовываться гель. Если гелеобразование слишком сильное, результатом является синерезис или зернистая текстура, а слабое гелеобразование приводит к чрезмерно мягким гелям.
Амидированные пектины ведут себя как пектины с низким содержанием сложных эфиров, но требуют меньше кальция и более устойчивы к избытку кальция. Также гели из амидированного пектина термообратимы; их можно нагревать и после охлаждения снова затвердевать, тогда как обычные пектиновые гели после этого остаются жидкими. [ нужна цитата ]
Пектины с высоким содержанием эфиров затвердевают при более высоких температурах, чем пектины с низким содержанием эфиров. Однако реакции гелеобразования с кальцием усиливаются по мере падения степени этерификации. Аналогичным образом, более низкие значения pH или более высокие растворимые твердые вещества (обычно сахара) увеличивают скорость гелеобразования. Поэтому подходящие пектины могут быть выбраны для джемов и желе или для кондитерских желе с повышенным содержанием сахара. [ нужна цитата ]
Груши, яблоки, гуава, айва , сливы, крыжовник, апельсины и другие цитрусовые содержат большое количество пектина, тогда как мягкие фрукты, такие как вишня, виноград и клубника, содержат небольшое количество пектина.
Типичные уровни пектина в свежих фруктах и овощах составляют:
Основным сырьем для производства пектина являются сушеные кожуры цитрусовых или яблочные выжимки , которые являются побочными продуктами производства соков. В небольших количествах также используются выжимки сахарной свеклы.
Из этих материалов пектин экстрагируют добавлением горячей разбавленной кислоты при значениях рН от 1,5 до 3,5. В течение нескольких часов экстракции протопектин теряет часть своей разветвленности и длины цепи и переходит в раствор. После фильтрации экстракт концентрируют в вакууме и затем осаждают пектин добавлением этанола или изопропанола. Старый метод осаждения пектина солями алюминия больше не применяется (кроме спиртов и поливалентных катионов пектин осаждается также с белками и детергентами).
Осажденный спиртом пектин затем отделяют, промывают и сушат. Обработка исходного пектина разбавленной кислотой приводит к получению низкоэтерифицированных пектинов. Когда этот процесс включает гидроксид аммония (NH 3 (водн.)), получают амидированные пектины. После сушки и измельчения пектин обычно стандартизируют [ необходимо уточнение ] сахаром, а иногда и солями кальция или органическими кислотами, чтобы оптимизировать эффективность в конкретном применении. [28]
Основное применение пектина — в качестве желирующего агента , загустителя и стабилизатора в пищевых продуктах. Классическое применение — придание желеобразной консистенции джемам или мармеладам , которые в противном случае были бы сладкими соками. Пектин также снижает синерезис в джемах и мармеладах и увеличивает прочность геля низкокалорийных джемов. Для домашнего использования пектин является ингредиентом желирующего сахара (также известного как «сахар для варенья»), где его разбавляют до нужной концентрации сахаром и небольшим количеством лимонной кислоты для регулирования pH. В некоторых странах пектин также доступен в виде раствора, экстракта или порошкообразной смеси для приготовления домашнего джема.
Для обычных джемов и мармеладов, содержащих более 60% сахара и растворимых сухих веществ фруктов, используются пектины с высоким содержанием сложных эфиров. При использовании низкоэфирных пектинов и амидированных пектинов требуется меньше сахара, поэтому можно производить диетические продукты. Водный экстракт семян айю традиционно используется на Тайване для приготовления желе айю , где экстракт превращается в гель без нагревания благодаря низкоэфирным пектинам из семян и двухвалентным катионам из воды. [20]
Пектин используется в кондитерских желе для придания хорошей гелевой структуры, чистого вкуса и хорошего выделения вкуса. Пектин также можно использовать для стабилизации кислых белковых напитков, таких как питьевой йогурт, для улучшения вкусовых ощущений и стабильности мякоти напитков на основе сока, а также в качестве заменителя жира в хлебобулочных изделиях. [29] Типичные уровни пектина, используемого в качестве пищевой добавки, составляют от 0,5 до 1,0% – это примерно такое же количество пектина, как и в свежих фруктах. [30]
В медицине пектин увеличивает вязкость и объем стула , поэтому его используют против запоров и диареи . До 2002 года он был одним из основных ингредиентов, используемых в Каопектате – лекарстве от диареи – наряду с каолинитом . Его использовали для бережного удаления тяжелых металлов из биологических систем. [31] Пектин также используется в пастилках для горла в качестве успокаивающего средства .
В косметических продуктах пектин действует как стабилизатор. Пектин также используется в препаратах для заживления ран и специальных медицинских клеях, таких как устройства для колостомы .
Шриаморнсак [32] обнаружил, что пектин может использоваться в различных платформах пероральной доставки лекарств, например, в системах с контролируемым высвобождением, гастроретентивных системах, системах доставки, специфичных для толстой кишки, и мукоадгезивных системах доставки, в зависимости от его интоксикации и низкой стоимости. Было обнаружено, что пектин из разных источников обладает разной желирующей способностью из-за различий в размере молекул и химическом составе. Как и в случае с другими природными полимерами, основной проблемой пектина является непостоянство воспроизводимости между образцами, что может привести к плохой воспроизводимости характеристик доставки лекарственного средства.
В питании жвачных животных , в зависимости от степени лигнификации клеточной стенки, пектин переваривается бактериальными ферментами до 90%. Диетологи для жвачных животных рекомендуют улучшать усвояемость и концентрацию энергии в кормах за счет увеличения концентрации пектина в корме.
В сигарах пектин считается отличным заменителем растительного клея, и многие курильщики и коллекционеры сигар используют пектин для ремонта поврежденных табачных листьев на своих сигарах.
Яблоков и др. , написавший в Чернобыле: «Последствия катастрофы для людей и окружающей среды» , цитирую исследования, проведенные Украинским центром радиационной медицины и Белорусским институтом радиационной медицины и эндокринологии, относительно радиозащитного действия пектина пришел к выводу, что «добавление пектиновых препаратов в пищу жителей чернобыльских регионов способствует эффективному выведению инкорпорированных радионуклидов , таких как цезий-137 . Авторы сообщили о положительных результатах применения препаратов пектиновых пищевых добавок в ряде клинических исследований, проведенных на детях в сильно загрязненных районах, с улучшением до 50% по сравнению с контрольными группами. [33]
Во время Второй мировой войны пилотам союзников предоставлялись карты, напечатанные на шелке, для навигации при побеге и уклонении. Процесс печати поначалу оказался почти невозможным, потому что несколько слоев чернил немедленно растеклись, размывая контуры и делая названия мест неразборчивыми, пока изобретатель карт Клейтон Хаттон не смешал с чернилами немного пектина, и пектин сразу же сгустил чернила и препятствовал его запуску, позволяя четко видеть мелкие топографические особенности. [34]
В отчете Объединенного комитета экспертов ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам и в Европейском Союзе не установлено числовое допустимое суточное потребление (ADI), поскольку пектин считается безопасным. [35]
В Соединенных Штатах пектин обычно признан безопасным для потребления человеком.
В Международной системе нумерации (INS) пектин имеет номер 440. В Европе пектины подразделяются на номера E : E440(i) для неамидированных пектинов и E440(ii) для амидированных пектинов. Во всем национальном и международном законодательстве существуют спецификации, определяющие его качество и регулирующие его использование.
Пектин был впервые выделен и описан в 1825 году Анри Браконно , хотя действие пектина при приготовлении джемов и мармеладов было известно задолго до этого. Чтобы получить хорошо застывшие джемы из фруктов, в которых пектина было мало или только плохого качества, в рецепт добавляли богатые пектинами фрукты или их экстракты.
Во время промышленной революции производители фруктовых консервов обратились к производителям яблочного сока с просьбой получить сушеные яблочные выжимки , приготовленные для извлечения пектина. Позже, в 1920-х и 1930-х годах, в регионах, где производился яблочный сок, как в США, так и в Европе, были построены фабрики по коммерческому извлечению пектина из сушеных яблочных выжимок, а затем и кожуры цитрусовых.
Пектин сначала продавался в виде жидкого экстракта, но сейчас чаще всего используется в виде сухого порошка, который легче хранить и обращаться с ним, чем жидкость. [36]