Амилопектин / ˌ æ m ɪ l oʊ ˈ p ɛ k t ɪ n / представляет собой водонерастворимый [1] [2] полисахарид и сильно разветвленный полимер α- глюкозных звеньев, обнаруженный в растениях. Это один из двух компонентов крахмала , второй — амилоза .
Растения хранят крахмал в специализированных органеллах, называемых амилопластами . Для выработки энергии растение гидролизует крахмал, высвобождая субъединицы глюкозы. Люди и другие животные, питающиеся растительной пищей, также используют амилазу , фермент, который помогает расщеплять амилопектин, чтобы инициировать гидролиз крахмала. [3]
Крахмал состоит примерно из 70–80% амилопектина по весу, хотя его содержание варьируется в зависимости от источника. Например, оно варьируется от более низкого процентного содержания в длиннозерном рисе, амиломаизе и красновато- коричневом картофеле до 100% в клейком рисе , восковом картофельном крахмале и восковой кукурузе . Амилопектин сильно разветвлен и состоит из 2000–200 000 единиц глюкозы. Его внутренние цепи состоят из 20–24 субъединиц глюкозы.
Растворенный амилопектиновый крахмал имеет меньшую тенденцию к ретроградации (частичная рекристаллизация после варки — часть процесса черствения) во время хранения и охлаждения. По этой основной причине восковые крахмалы используются в различных целях, главным образом в качестве загустителя или стабилизатора .
Амилопектин является ключевым компонентом в кристаллизации конечной конфигурации крахмала, [4] [5] [6] составляя 70-80% конечной массы. [7] Состоящая из α-глюкозы, она образуется в растениях в качестве основного средства хранения энергии вместе с этим структурным показателем.
Амилопектин несет прямую/линейную цепь вместе с рядом боковых цепей , которые могут быть дополнительно разветвлены . Глюкозные единицы связаны линейным образом с помощью α(1→4) гликозидных связей . Ветвление обычно происходит с интервалом в 25 остатков. В местах возникновения боковой цепи происходит разветвление, несущее гликозидную связь α(1→6), в результате чего образуется растворимая молекула, которая может быстро расщепляться, поскольку у нее есть много конечных точек, к которым могут прикрепиться ферменты. Вольфформ и Томпсон (1956) также сообщили о связях α(1→3) в случае амилопектина. Амилопектин содержит большее количество единиц глюкозы (от 2000 до 200 000) по сравнению с амилозой, содержащей от 200 до 1000 единиц α-глюкозы. Напротив, амилоза содержит очень мало связей α(1→6) или даже не содержит их вообще. Это приводит к более медленному гидролизу амилозы, но также приводит к более высокой плотности и нерастворимости. [8]
Амилопектин разделен на спиральные цепи A и B α-глюкозы. Цепи A представляют собой цепи, которые не несут других цепей, что приводит к конечному концу, тогда как цепи B представляют собой цепи, которые несут другие цепи, сохраняя полимер амилопектина. Соотношение между ними обычно составляет от 0,8 до 1,4. [9] [10]
Формирование цепочечных структур оказывает прямое влияние на общую прочность полимерного целого; чем длиннее цепь, тем более разное влияние амилопектин окажет на морфологию крахмала. Упаковка цепей, длина межблочной цепи (IB-CL), также оказывает прямое положительное влияние на температуру желатинизации крахмальных гранул. В тандеме IB-CL будет увеличиваться по мере увеличения длины B- цепей, а это означает, что по мере увеличения длины отдельных B- цепей увеличиваются и блоки между соединениями с другими цепями. Наконец, в целом, чем плотнее упакована полученная молекула амилопектина, тем выше прочность крахмального геля как целой единицы. [11]
Крахмал использует соотношение плотности и прочности амилопектина как меру формирования плотных, прочных кирпичей в качестве основы для окончательной конфигурации крахмала. Амилопектин в крахмале формируется в спирали, образуя гексагональные структуры, которые впоследствии будут дифференцироваться на крахмал типа А (зерновой) и В (с высоким содержанием амилозы; трубчатый). Структурно А более компактен, а Б более рыхлый, отсюда и более высокая концентрация амилозы. [12]
Классификация амилопектина началась с первого наблюдения крахмала в 1716 году Антони ван Левенгука , где он дифференцировал крахмал на два фундаментальных структурных компонента. [13] [14]
Термины амилоза и амилопектин не были придуманы до 1906 года французскими исследователями Макени и Ру в ходе исследования крахмала, где они объяснили изменения в свойствах крахмалов в зависимости от смеси этих родственных веществ и переменного осахаривания солодовым экстрактом. [15] [14] С тех пор и на протяжении 1940-х годов исследования были сосредоточены на различных методах разделения, таких как фракционное осаждение или ферментативный способ. [14] [16] Это привело к определению амилозы по Мейеру и «зарезервировано название амилопектин для углеводов, которые представляют собой разветвленные молекулы, разлагающиеся под действием b-амилазы только до стадии остаточного декстрина ». [14] [17] Мейер также предложил модель древовидной структуры амилопектина. [16]
Принятая в настоящее время структурная модель была предложена в 1972 г. и основана на кластерной организации двойных спиральных структур. [16] С тех пор были предложены и другие модели, такие как модель Бертофта BB или модель строительных блоков и магистралей в 2012 году. Эта модель утверждает, что короткие цепи являются структурными строительными блоками, а длинные цепи являются основой, несущей строительные блоки, и что цепи разной длины различаются по положению и направлению удлинения [16] [18]
Как образование, так и распад амилопектина важны для метаболических процессов организмов. Амилопектин является одним из двух доминирующих компонентов крахмала, а крахмал является успешным хранилищем энергии. Благодаря этому он синтезируется и расщепляется у большинства растений и цианобактерий . Фактически, амилопектин, по-видимому, конкурирует с гликогеном , молекулой, запасающей энергию у животных, поскольку он способен хранить больше единиц глюкозы и, следовательно, больше энергии. [19] [20]
Синтез амилопектина зависит от совместных усилий четырех различных ферментов . Эти четыре разных фермента: [16] [19] [21]
Амилопектин синтезируется путем соединения α(1→4) гликозидных связей . Обширное разветвление амилопектина (гликозидная связь α(1→6)) инициируется BE, и это то, что отличает амилозу от амилопектина. DBE также необходим во время этого процесса синтеза, чтобы регулировать распределение этих ветвей. [19] [22]
Расщепление амилопектина изучалось в контексте расщепления крахмала у животных и человека. Крахмал в основном состоит из амилопектина и амилозы, но было показано, что амилопектин разлагается легче. Причина, скорее всего, в том, что амилопектин сильно разветвлен, и эти ветви более доступны пищеварительным ферментам. Напротив, амилоза имеет тенденцию образовывать спирали и содержать водородные связи . [23]
Расщепление крахмала зависит, в частности, от трех ферментов: [16] [19] [21]
Существуют ферменты, участвующие в синтезе и расщеплении амилопектина, имеющие изоформы , которые имеют различные взаимоотношения с белками и другими ферментами. Например, существует множество версий SS (синтазы крахмала). Даже третья изоформа (SS-III) имеет две разные версии. Считается, что SS-I и SS-II играют роль в удлинении цепей разветвлений амилопектина. [21] Также считается, что SS-IV отвечает за листовидную структуру кластеров крахмальных гранул. [24]
Амилопектин является наиболее распространенным углеводом в рационе человека и содержится во многих основных продуктах питания. Основными источниками амилопектина, поступающего в крахмал во всем мире, являются злаки, такие как рис, пшеница и кукуруза, а также корнеплоды, картофель и маниока. [25] При приготовлении амилопектин в крахмале превращается в легкодоступные цепи глюкозы с очень разными питательными и функциональными свойствами. [26] Во время приготовления на сильном огне сахара, высвобождаемые из амилопектина, могут вступать в реакцию с аминокислотами посредством реакции Майяра , образуя конечные продукты гликирования (AGE), придавая пище аромат, вкус и текстуру. [27]
Соотношение амилоза/амилопектин, молекулярная масса и тонкая молекулярная структура влияют на физико-химические свойства, а также на высвобождение энергии различных типов крахмалов, [28] что влияет на количество калорий, потребляемых людьми с пищей. Амилопектин также иногда используется в качестве добавки для тренировок из-за его калорийности и корреляции с синтезом мышечного белка [29] [30]
В промышленности амилопектин используется в качестве стабилизатора и загустителя, например кукурузного крахмала. Амилопектин также широко использовался для создания съедобных покрывающих пленок из-за его распространенности, экономической эффективности и превосходных пленкообразующих способностей. Пленки на основе амилопектина обладают хорошими оптическими, органолептическими и газобарьерными свойствами, однако имеют плохие механические свойства. Было предпринято множество попыток преодолеть эти ограничения, например, путем добавления кобиополимеров или других вторичных добавок для улучшения механических свойств и свойств пленок на растяжение. На свойства пленок на основе амилопектина могут влиять многие факторы, включая типы крахмала, температуру и время формирования пленки, пластификаторы, собиополимеры и условия хранения. [31]
Исторически сложилось так, что крахмал давно используется при проклейке текстиля. Как компонент крахмала, амилопектин отвечает за ретроградацию или кристаллическое переупорядочение крахмала, что придает ему жесткость. [32]
Этот эффект придания жесткости используется в некоторых процессах текстильной промышленности, таких как печать и прессование, для сохранения формы ткани с течением времени. Амилопектин также используется в качестве проклеивающего вещества для пряжи, чтобы укрепить и защитить волокна от истирания и разрыва во время ткачества. [33]
Крахмал и амилопектин часто используются в рецептурах клеев [34] и все чаще исследуются для дальнейшего использования в строительстве [35].
Амилопектин все чаще используется в биомедицинских целях из-за его физиологических факторов, простоты доступности и низкой стоимости. В частности, амилопектин обладает очень выгодными биохимическими свойствами из-за его распространенности в качестве природного полисахарида . Это вызывает ощущение высокой биосовместимости с клетками и молекулами внутри организма. Амилопектин также способен в высокой степени биоразлагаться из-за высокой степени сшивки с 1,6-гликозидными связями. Эти связи легко разрушаются организмом, могут уменьшать молекулярную массу, обнажать определенные области и взаимодействовать с определенными связями с клиническими факторами. Для амилопектина также были исследованы различные физические, химические и ферментативные методы модификации. Как правило, они позволяют улучшить и контролировать свойства, которые можно выбрать для области проводимых исследований. Основная роль амилопектина с клинической точки зрения заключается в его интеграции в крахмал. Функция и структура амилопектина основаны на его интеграции с амилозой и другими связанными молекулами. Разделить эти молекулы и выделенный амилопектин исследователям довольно сложно. [36]
Доставка лекарств относится к технологии, используемой для подачи лекарства в заранее определенную область тела для выброса и всасывания лекарства. В этой области наиболее важны принципы, касающиеся пути введения, метаболизма, места специфического воздействия и токсичности. Лекарства, вводимые перорально (через рот), обычно инкапсулированы в какую-либо структуру, чтобы защитить препарат от иммунных и биологических реакций. Эти структуры призваны сохранять лекарство нетронутым до места его действия и высвобождать его в правильной дозировке при воздействии определенного маркера. Для этого часто используют кукурузный и картофельный крахмал, поскольку они содержат 60-80% амилопектина. Чаще всего их используют в твердых препаратах: порошках, гранулах, капсулах и таблетках. Как природный полисахарид, он совместим с анатомическими структурами и молекулами. Это предотвращает любой негативный иммунный ответ, что является весьма спорной темой при доставке лекарств. [37] Биоразлагаемость крахмала позволяет ему сохранять лекарство нетронутым до момента достижения места его действия. Это позволяет препарату избегать ситуаций с низким уровнем pH, например, в пищеварительной системе . [38] Нативный крахмал также можно модифицировать физическими, химическими и ферментативными способами для улучшения механических или биохимических свойств. При доставке лекарств физическая модификация включает обработку механическими силами, теплом или давлением. Химические модификации пытаются изменить молекулярную структуру, что может включать разрыв или добавление связей. Обработка крахмала ферментами может повысить его растворимость в воде.
Тканевая инженерия направлена на создание функциональных конструкций, которые могли бы заменить или улучшить поврежденные или инфицированные ткани или целые органы. Многие из этих конструкций приводят к инфицированию тканей вокруг области имплантата. Покрытие этих материалов амилопектином позволяет уменьшить эту инфекционную реакцию. Поскольку амилопектин в основном используется в качестве покрытия вокруг этих конструкций, он предотвращает последующие иммунные реакции. Поскольку амилопектин получают непосредственно из природного полисахарида, он хорошо интегрируется с тканями и клетками. Однако механические свойства амилопектина не являются оптимальными из-за его высокого уровня сшивки. Этого можно избежать, формируя волокна амилопектина или формируя нанокомпозит с другим, более жестким полимером.
Волокна на основе амилопектина изготавливаются главным образом путем смешивания нативного или модифицированного крахмала с полимерами, пластификаторами, сшивающими агентами или другими добавками. Большинство волокон на основе амилопектина изготавливаются методом электромокрого прядения, однако показано, что этот метод подходит для крахмалов с содержанием амилопектина менее 65% и чувствительных к содержанию амилопектина в крахмалах. Электроспиннинг позволяет амилопектину коагулировать и сформировать нить. Волокнистые крахмалы образуют более плотный материал, что позволяет оптимизировать механические свойства крахмала. [39] Волокна в биоматериалах могут использоваться в инженерии костной ткани в качестве подходящей среды для восстановления и регенерации костной ткани. Натуральная кость представляет собой сложный композитный материал, состоящий из внеклеточного матрикса минерализованных волокон, содержащего живые клетки и биоактивные молекулы. Следовательно, использование волокон в каркасах на основе биоматериалов открывает широкие возможности для воспроизведения функциональных характеристик кости. [40] За последнее десятилетие методы на основе волокон, такие как ткачество, вязание, плетение, а также электропрядение и прямое письмо, стали многообещающими платформами для создания трехмерных тканевых конструкций. [41]
Нанонаука и нанотехнологии развиваются как технология разработки различных гибридных и композитных материалов для биомедицинских применений. Когда наноматериалы используются для создания композитов в биологии, их называют бионанокомпозитами. Бионанокомпозиты использовались в тканевой инженерии для замены, поддержки или регенерации клеток, органов или частей человеческого организма, чтобы они могли нормально функционировать.
Бионанокомпозиты на основе амилопектина — еще один важный класс бионаноматериалов, биоразлагаемых, обладающих более высокими механическими свойствами, оптической прозрачностью, термической стабильностью и барьерными свойствами, чем термопластичный крахмал. [42] В сочетании с другими наноматериалами, такими как нанокристаллы целлюлозы, нано-ZnO, наноглина, биоразлагаемые синтетические полимеры, крахмал является одним из самых популярных материалов для приготовления бионанокомпозитов для различных биомедицинских применений, таких как контролируемое высвобождение лекарств, каркас для тканевой инженерии, и цемент для регенерации кости. [43] Амилопектин обычно комбинируют с синтетическим полимером с более высоким модулем упругости и пределом текучести. Это позволяет крахмалу противостоять более высокому потоку жидкости и механическим силам, преобладающим в костной, сердечной и эндотелиальной тканях. [44]
Чистый амилопектин, который не разложился, легко растворяется в холодной воде.Для онлайн-доступа необходима подписка.
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: others (link)