Амилопектин / ˌ æ mɪ l oʊ ˈ pɛ k tɪ n / — нерастворимый в воде [1] [ 2] полисахарид и сильно разветвленный полимер α- глюкозных единиц , встречающийся в растениях. Это один из двух компонентов крахмала , другой — амилоза .
Растения хранят крахмал в специализированных органеллах , называемых амилопластами . Для получения энергии растение гидролизует крахмал, высвобождая субъединицы глюкозы. Люди и другие животные, которые едят растительную пищу, также используют амилазу , фермент, который помогает расщеплять амилопектин, для инициирования гидролиза крахмала. [3]
Крахмал состоит примерно на 70–80% из амилопектина по весу, хотя это зависит от источника. Например, его процентное содержание варьируется от более низкого в длиннозернистом рисе, амиломаизе и рассет-картофеле до 100% в клейком рисе , восковом картофельном крахмале и восковой кукурузе . Амилопектин сильно разветвлен и состоит из 2000–200 000 глюкозных единиц. Его внутренние цепи состоят из 20–24 глюкозных субъединиц.
Растворенный амилопектиновый крахмал имеет меньшую тенденцию к ретроградации (частичной рекристаллизации после приготовления — часть процесса черствения) во время хранения и охлаждения. По этой основной причине восковые крахмалы используются в различных приложениях, в основном в качестве загустителя или стабилизатора .
Амилопектин является ключевым компонентом в кристаллизации конечной конфигурации крахмала, [4] [5] [6] составляя 70-80% конечной массы. [7] Состоящий из α-глюкозы, он образуется в растениях как основная мера хранения энергии в тандеме с этой структурной метрикой.
Амилопектин несет прямую/линейную цепь вместе с рядом боковых цепей , которые могут быть разветвлены дальше. Глюкозные единицы связаны линейно с помощью α(1→4) гликозидных связей . Разветвление обычно происходит с интервалом в 25 остатков. В местах происхождения боковой цепи, разветвление, которое происходит, несет α(1→6) гликозидную связь, в результате чего получается растворимая молекула, которая может быть быстро деградирована, поскольку она имеет много конечных точек, к которым могут присоединяться ферменты. Вулформ и Томпсон (1956) также сообщили о α(1→3) связях 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 тому, что амилоза гидролизуется медленнее, но также создает более высокую плотность и нерастворимость. [8]
Амилопектин делится на спиральные цепи A и B α-глюкозы. Цепи A — это цепи, которые не несут других цепей, что приводит к конечному концу, тогда как цепи B — это цепи, которые несут другие цепи, увековечивая полимер амилопектина. Соотношение между ними обычно составляет от 0,8 до 1,4. [9] [10]
Формирование цепочечных структур напрямую влияет на общую прочность полимерного целого; чем длиннее цепь, тем более различные эффекты амилопектина будут оказывать на морфологию крахмала. Упаковка цепей, межблочная длина цепи (IB-CL), также коррелирует с прямым положительным влиянием на температуру желатинизации гранул крахмала. В тандеме IB-CL будет увеличиваться по мере увеличения длины цепей B , что означает, что по мере увеличения длины отдельных цепей B увеличиваются и блоки между связями с другими цепями. Наконец, в целом, чем плотнее упакована полученная молекула амилопектина, тем выше прочность крахмального геля как целого блока. [11]
Крахмал использует корреляцию плотности и прочности амилопектина как меру формирования плотных, прочных кирпичей как основы для окончательной конфигурации крахмала. Амилопектин в крахмале формируется в спирали, чтобы составить гексагональные структуры, которые впоследствии будут дифференцированны на крахмал типа A (зерновой) и B (высокоамилозный; трубчатый). Структурно A более компактен, в то время как B более рыхлый, отсюда и более высокая концентрация амилозы. [12]
Категоризация амилопектина началась с первого наблюдения в крахмале в 1716 году Антони ван Левенгуком , где он дифференцировал крахмал на два основных структурных компонента. [13] [14]
Термины амилоза и амилопектин были введены в употребление только в 1906 году французскими исследователями Макене и Ру в ходе исследования крахмала, где они объяснили изменения свойств крахмалов в зависимости от смеси этих родственных веществ и переменной осахариваемости солодовым экстрактом. [15] [14] С тех пор и в течение 1940-х годов исследования были сосредоточены на различных методах разделения, таких как фракционное осаждение или ферментативный метод. [14] [16] Это привело к определению амилозы Мейером и «резервированию названия амилопектин для углеводов, которые представляют собой разветвленные молекулы, расщепляемые β-амилазой только до стадии остаточного декстрина ». [14] [17] Мейер также предложил древовидную структурную модель для амилопектина. [16]
Принятая в настоящее время структурная модель была предложена в 1972 году на основе кластерной организации двойных спиральных структур. [16] С тех пор были предложены и другие модели, такие как модель Бертофта BB или модель строительных блоков и остова в 2012 году. Эта модель утверждает, что короткие цепи являются структурными строительными блоками, а длинные цепи — остовом, несущим строительные блоки, и что различные длины цепей разделены их положением и направлением удлинения [16] [18]
Как образование, так и деградация амилопектина важны для метаболических процессов организмов. Амилопектин является одним из двух доминирующих компонентов крахмала, а крахмал является успешной молекулой хранения энергии. Из-за этого он синтезируется и расщепляется в большинстве растений и цианобактерий . Фактически, амилопектин, по-видимому, конкурирует с гликогеном , молекулой хранения энергии 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 различных фермента: [16] [19] [21]
Амилопектин синтезируется путем связывания α(1→4) гликозидных связей . Обширное разветвление амилопектина (α(1→6) гликозидная связь) инициируется BE, и это то, что отличает амилозу от амилопектина. DBE также необходим во время этого процесса синтеза для регулирования распределения этих ветвей. [19] [22]
Распад амилопектина изучался в контексте распада крахмала у животных и людей. Крахмал в основном состоит из амилопектина и амилозы, но было показано, что амилопектин расщепляется легче. Причина, скорее всего, в том, что амилопектин сильно разветвлен, и эти разветвления более доступны для пищеварительных ферментов. Напротив, амилоза имеет тенденцию образовывать спирали и содержать водородные связи . [23]
Распад крахмала зависит, среди прочего, от трех ферментов: [16] [19] [21]
Существуют ферменты, которые участвуют в синтезе и деградации амилопектина, имеющие изоформы , которые демонстрируют различные отношения с белками и другими ферментами. Например, существует много версий SS (синтазы крахмала). Даже третья изоформа (SS-III) имеет две разные версии. Считается, что SS-I и SS-II оба играют роль в удлинении цепей ветвей амилопектина. [21] Также считается, что SS-IV отвечает за листообразную структуру кластеров гранул крахмала. [24]
Амилопектин является наиболее распространенным углеводом в рационе человека и содержится во многих основных продуктах питания. Основными источниками амилопектина в потребляемом крахмале во всем мире являются злаки, такие как рис, пшеница и кукуруза, а также корнеплоды картофель и маниока. [25] При приготовлении пищи амилопектин в крахмале преобразуется в легкодоступные цепи глюкозы с очень разными питательными и функциональными свойствами. [26] Во время приготовления пищи при высокой температуре сахара, высвобождаемые из амилопектина, могут реагировать с аминокислотами через реакцию Майяра , образуя конечные продукты гликирования (AGE), придавая пище ароматы, вкусы и текстуру. [27]
Соотношение амилоза/амилопектин, молекулярная масса и тонкая молекулярная структура влияют на физико-химические свойства, а также на высвобождение энергии различными типами крахмалов, [28] что влияет на количество калорий, потребляемых людьми из пищи. Амилопектин также иногда используется в качестве добавки для тренировок из-за его калорийной плотности 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 разработки съедобных пленочных покрытий из-за его распространенности, экономической эффективности и превосходных пленкообразующих способностей. Пленки на основе амилопектина обладают хорошими оптическими, органолептическими и газобарьерными свойствами, однако у них плохие механические свойства. Было предпринято много попыток преодолеть эти ограничения, такие как добавление ко-биополимеров или других вторичных добавок для улучшения механических и растяжимых свойств пленок. Свойства пленок на основе амилопектина могут зависеть от многих факторов, включая типы крахмала, температуру и время во время формирования пленки, пластификаторы, ко-биополимеры и условия хранения. [31]
Исторически сложилось так, что крахмал давно используется в качестве аппретирующего средства для текстильных изделий. Как компонент крахмала, амилопектин отвечает за ретроградацию или кристаллическую перестройку крахмала, что добавляет жесткости. [32]
Этот эффект жесткости используется в нескольких процессах текстильной промышленности, таких как печать и прессование, для сохранения формы ткани с течением времени. Амилопектин также используется в качестве замасливателя для пряжи, для укрепления и защиты волокон от истирания и разрывов во время ткачества. [33]
Крахмал и амилопектин часто используются в формулах клея [34] и все чаще изучаются для дальнейшего использования в строительстве [35].
Амилопектин стал чаще использоваться в биомедицинских приложениях из-за его физиологических факторов, доступности и низкой стоимости. В частности, амилопектин обладает очень полезными биохимическими свойствами из-за его распространенности в качестве природного полисахарида . Это вызывает высокое чувство биосовместимости с клетками и молекулами в организме. Амилопектин также способен к высокой степени биодеградации из-за его высокого чувства сшивания с 1,6 гликозидными связями. Эти связи легко разрушаются организмом, что может снизить молекулярную массу, обнажить определенные области и взаимодействовать с определенными связями с клиническими факторами. Различные физические, химические и ферментативные методы модификации также были исследованы для амилопектина. Они, как правило, 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 основана на его интеграции с амилозой и другими связанными молекулами. Разделение этих молекул и изолированного амилопектина является для исследователей довольно сложной задачей. [36]
Доставка лекарств относится к технологии, используемой для представления лекарства в заранее определенную область тела для высвобождения и всасывания лекарства. Принципы, касающиеся пути введения, метаболизма, места специфического нацеливания и токсичности, являются наиболее важными в этой области. Лекарства, вводимые перорально (через рот), обычно инкапсулируются в некоторую структуру, чтобы защитить лекарство от иммунных и биологических реакций. Эти структуры направлены на то, чтобы сохранить лекарство нетронутым до места его действия и высвободить его в правильной дозировке при воздействии определенного маркера. Для этого часто используются кукурузный и картофельный крахмал, поскольку они содержат 60-80% амилопектина. Они в основном используются в твердых препаратах: порошках, гранулах, капсулах и таблетках. Как природный полисахарид, он имеет совместимую природу с анатомическими структурами и молекулами. Это предотвращает любой вид отрицательного иммунного ответа, что является весьма спорной темой в доставке лекарств. [37] Биоразлагаемость крахмала позволяет ему сохранять лекарство нетронутым до достижения места его действия. Это позволяет лекарству избегать ситуаций с низким pH, таких как пищеварительная система . [38] Нативный крахмал также может быть модифицирован физическими, химическими и ферментативными способами для улучшения механических или биохимических свойств. В рамках доставки лекарств физическая модификация включает обработку под действием механических сил, тепла или давления. Химические модификации пытаются изменить молекулярную структуру, что может включать разрыв или добавление связей. Обработка крахмала ферментами может обеспечить повышенную 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 снизить эту инфекционную реакцию. Поскольку амилопектин в основном используется в качестве покрытия вокруг этих конструкций, так как он предотвращает последующие иммунные реакции. Поскольку амилопектин получен непосредственно из природного полисахарида, он хорошо интегрируется с тканями и клетками. Однако механические свойства амилопектина не являются оптимальными из-за его высокого уровня сшивания. Этого можно избежать путем образования волокон амилопектина или путем формирования нанокомпозита с другим более жестким полимером.
Волокна на основе амилопектина изготавливаются в основном путем смешивания нативных или модифицированных крахмалов с полимерами, пластификаторами, сшивающими агентами или другими добавками. Большинство волокон на основе амилопектина изготавливаются методом электромокрого прядения, однако этот метод, как было показано, подходит для крахмалов с содержанием амилопектина ниже 65% и чувствительных к содержанию амилопектина в крахмалах. Электропрядение позволяет амилопектину коагулировать и образовывать нить. Волокнистые крахмалы индуцируют более плотный материал, который может оптимизировать механические свойства крахмала. [39] Волокна в биоматериалах могут использоваться для инженерии костной ткани в качестве подходящей среды для восстановления и регенерации костной ткани. Натуральная кость представляет собой сложный композитный материал, состоящий из внеклеточной матрицы минерализованных волокон, содержащих живые клетки и биоактивные молекулы. Следовательно, использование волокон в каркасах на основе биоматериалов предлагает широкий спектр возможностей для воспроизведения функциональных характеристик кости. [40] За последнее десятилетие такие методы работы с волокнами, как ткачество, вязание, плетение, а также электропрядение и прямое письмо, стали перспективными платформами для создания трехмерных тканевых конструкций. [41]
Нанонаука и нанотехнологии появились как технология для разработки различных гибридных и композитных материалов для биомедицинских приложений. Когда наноматериалы используются для разработки композитов в биологии, их называют бионанокомпозитами. Бионанокомпозиты использовались в тканевой инженерии для замены, поддержки или регенерации клеток, органов или частей человеческого организма таким образом, чтобы они могли функционировать нормально.
Бионанокомпозиты на основе амилопектина — еще один важный класс бионаноматериалов, которые являются биоразлагаемыми, с 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, каркасы для тканевой инженерии и цемент для регенерации костей. [43] Амилопектин обычно сочетается с синтетическим полимером с более высоким модулем упругости и пределом текучести. Это позволяет крахмалу выдерживать более высокий поток жидкости и механические силы, распространенные в костной, сердечной и эндотелиальной ткани. [44]
Чистый амилопектин, который не подвергся деградации, легко растворяется в холодной воде.Для онлайн-доступа требуется подписка.
{{cite book}}
: CS1 maint: location missing publisher (link) CS1 maint: others (link)[ нужна страница ]