Амилопектин: құрамы, қасиеттері және қолданылуы

Кіріспе

Амилопектин – өсімдіктерде кездесетін суға ерімейтін полисахарид және α-глюкоза бірліктерінің жоғары тармақталған полимері. Ол крахмалдың екі құрамының бірі, екіншісі – амилоза. Өсімдіктер крахмалды амилопласттар деп аталатын арнайы органеллаларында сақтайды. Энергия алу үшін өсімдік крахмалдың гидролизін жүзеге асырып, глюкозаның кіші бірліктерін босатады. Адамдар және өсімдіктермен қоректенетін басқа жануарлар да амилопектиннің ыдырауына көмектесетін фермент – амилазаны қолданады, ол крахмалдың гидролизіне бастау үшін қажет. Крахмалдың құрамында шамамен 70–80% амилопектин болады, бірақ бұл көзіне байланысты өзгереді. Мысалы, ұзын дәнді күріш, амиломайз және қызыл картопта бұл көрсеткіш төмендеп, 100%-ға дейін жетеді, ал жабысқақ күріш, балауызды картоп крахмалы және балауызды жүгеріде 100% құрайды. Амилопектин өте тармақталған, ол 2000-ден 200 000-ға дейін глюкоза бірліктерінен тұрады. Оның ішкі тізбектері 20–24 глюкоза кішібірлігінен құралған. Ерітілген амилопектин крахмалы сақтау және салқындату кезінде ретроградацияға (пісіруден кейін ішінара қайта кристалдану – тозу процесінің бір бөлігі) аз бейім. Осы себепті балауызды крахмалдар әртүрлі қолдануларда, негізінен қоюлатушы немесе тұрақтандырушы ретінде пайдаланылады.

Құрылымы

Амилопектин – крахмалдың соңғы конфигурациясындағы кристалданудың негізгі компоненті, ол соңғы массаның 70-80% құрайды. α-глюкозадан құралған, ол өсімдіктерде энергияны сақтаудың басты шарасы ретінде, осы құрылымдық көрсеткішпен бірге қалыптасады. Амилопектин тік/сызықтық тізбекпен қатар, әрі қарай тармақталатын бірнеше бүйірлік тізбектерге ие. Глюкоза бірліктері α(1→4) гликозидтік байланыстармен сызықтық түрде байланысқан. Тармақталу әдетте 25 қалдық аралығында жүзеге асады. Бүйірлік тізбектердің басталу орындарындағы тармақталу α(1→6) гликозидтік байланысқа ие, нәтижесінде ферменттердің қосылатын көптеген нүктелері бар, сондықтан тез ыдырайтын, ерігіш молекула пайда болады. Wolform және Thompson (1956) амилопектин үшін α(1→3) байланыстарды да анықтаған. Амилопектин 2000-ден 200 000-ға дейін глюкоза бірліктерін қамтиды, ал амилоза 200-ден 1000-ға дейін α-глюкоза бірліктерін қамтиды. Керісінше, амилозада α(1→6) байланыстары өте сирек немесе мүлдем жоқ. Бұл амилозаның гидролизінің баяулауына, сонымен қатар жоғары тығыздық пен ерімеушілікке әкеледі. Амилопектин α-глюкозаның А және В спиральдік тізбектеріне бөлінеді. А тізбектері басқа тізбектерді алып жүрмейтін тізбектер болып табылады, нәтижесінде тізбек аяқталады, ал В тізбектері басқа тізбектерді алып жүретін тізбектер, амилопектин полимерін ұзарту арқылы жалғасады. Олардың арақатынасы әдетте 0,8-ден 1,4-ке дейін ауыспалы. Тізбек құрылымдарының қалыптасуы полимерлік тұтастың жалпы беріктігіне тікелей әсер етеді; тізбек неғұрлым ұзын болса, амилопектин крахмалдың морфологиясына соғұрлым күшті әсер етеді. Тізбектердің жинақылығы, блоктар арасындағы тізбек ұзындығы (IB CL) крахмал түйіршіктерінің желатинизация температурасына тікелей оң әсер ететіні анықталды. IB CL B тізбектерінің ұзындығы артаған сайын артады, яғни жеке B тізбектерінің ұзындығы ұлғайғанда, басқа тізбектермен байланыстар арасындағы блоктар да ұлғаяды. Соңында, амилопектиннің нәтижесіндегі молекуласы неғұрлым тығыз жиналған болса, крахмал гелінің беріктігі соғұрлым жоғары болады. Крахмал амилопектиннің тығыздық-беріктік байланысын тығыз, мықты құрылымдық элементтерді қалыптастыру үшін пайдаланады, бұл соңғы крахмал конфигурациясының негізі болып табылады. Крахмал құрамындағы амилопектин алтыбұрышты құрылымдарды құрастыру үшін спиральдарға жиналады, олар кейіннен А (дәнді) және В (жоғары амилозалы; түтікшелі) типті крахмалға ажыратылады. Құрылымдық тұрғыдан алғанда, А типі тығыз, ал В типі кеңірек, сондықтан амилозаның концентрациясы жоғары.

Amylopectin is a key component in the crystallization of starch’s final configuration, accounting for 70 80% of the final mass. Composed of α glucose, it is formed in plants as a primary measure of energy storage in tandem with this structural metric. Amylopectin bears a straight/linear chain along with a number of side chains which may be branched further. Glucose units are linked in a linear way with α(1→4) Glycosidic bonds. Branching usually occurs at intervals of 25 residues. At the places of origin of a side chain, the branching that takes place bears an α(1→6) glycosidic bond, resulting in a soluble molecule that can be quickly degraded as it has many end points onto which enzymes can attach. Wolform and Thompson (1956) have also reported α(1→3)linkages in case of Amylopectin. Amylopectin contains a larger number of Glucose units (2000 to 200,000) as compared to Amylose containing 200 to 1000 α Glucose units. In contrast, amylose contains very few α(1→6) bonds, or even none at all. This causes amylose to be hydrolyzed more slowly, but also creates higher density and insolubility. Amylopectin is divided into A and B helical chains of α glucose. A chains are chains that carry no other chains, resulting in an eventual terminus, whereas B chains are chains that do carry other chains, perpetuating the amylopectin polymer. The ratio between these is usually between 0.8 to 1.4. The formation of chain structures has a direct impact on the overall strength of the polymeric whole; the longer a chain is, the more differing the effects amylopectin will have on starch’s morphology. Packing of chains, inter block chain length (IB CL), also has been correlated to have a direct positive impact on the gelatinization temperature of starch granules. In tandem, the IB CL will increase as the length of B chains increases, meaning that as the length of individual B chains increases, as does the blocks between connections with other chains. Finally, in general, the more densely packed the resulting molecule of amylopectin, the higher the strength of the starch gel as a whole unit. Starch utilizes the density strength correlation of amylopectin as a measure of forming dense, strong bricks as a basis for the final starch configuration. Amylopectin in starch is formed into helices to compose hexagonal structures that will subsequently be differentiated into A (cereal) and B (high amylose; tubular) type starch. Structurally, A is more compact, while B is looser, hence the higher concentration of amylose.

Тарих

Амилопектинді жіктеу 1716 жылы Антони ван Левенхуктің крахмалдағы алғашқы байқауынан бастау алды, ол крахмалды екі негізгі құрылымдық компонентке ажыратып көрсетті. Амилоза және амилопектин терминдері 1906 жылы француз зерттеушілері Макене мен Ру крахмалды зерттеу барысында қолданысқа енгізілді. Олар крахмалдың қасиеттерінің айырмашылықтарын осы ұқсас заттардың араласуымен және мальта экстрактымен сахарозданудың өзгеруімен байланысты түсіндірді. Бұл Майердің амилозаның анықтамасын жасауына және "амилопектин атауын тармақталған молекулалы көмірсуларға берді, олар b-амилазамен тек қалдық декстрин деңгейіне дейін ғана ыдырайды" деген тұжырымға әкелді. Майер сондай-ақ амилопектиннің ағаш тәрізді құрылымдық моделін ұсынды.

Тағам

Амилопектин – адам рационындағы ең көп таралған көмірсу және көптеген негізгі тағамдардың құрамында болады. Әлемдік тұтыну бойынша амилопектиннің басты көздері – күріш, бидай, жүгері сияқты дәнді дақылдар, сондай-ақ картоп және маниок сияқты тамыржемістер. Пісіру кезінде крахмалдағы амилопектин, өте әртүрлі тағамдық және функционалдық қасиеттері бар, оңай сіңірілетін глюкоза тізбектеріне айналады. Жоғары температурада пісіру кезінде амилопектиннен бөлінетін қанттар Майяр реакциясы арқылы аминқышқылдарымен әрекеттесіп, жоғары гликозданудың соңғы өнімдерін (AGE) түзетіп, тағамға хош иіс, дәм және текстура береді. Амилоза/амилопектин арақатынасы, молекулалық салмағы және молекулалық құрылымы әртүрлі крахмал түрлерінің физико-химиялық қасиеттеріне, сондай-ақ энергияның бөлінуіне әсер етеді, бұл адамдардың тамақтан алатын калориялардың мөлшеріне әсер етеді. Амилопектин жоғары калориялық құндылығы және бұлшықет протеинінің синтезімен байланысы болғандықтан, кейде жаттығуларға арналған қосымша ретінде де қолданылады.

Өнеркәсіпте амилопектин тұрақтандырғыш және қоюлатушы ретінде, мысалы, жүгері крахмалы ретінде қолданылады. Амилопектин көп мөлшерде кездесетіндігі, тиімділігі және жақсы пленка түзетін қасиеттеріне байланысты жеуге жарамды қаптамалық пленкаларды жасауда кеңінен қолданылады. Амилопектин негізіндегі пленкалардың оптикалық, органолептикалық және газ өткізбейтін қасиеттері жақсы, бірақ механикалық қасиеттері нашар. Бұл кемшіліктерді жою үшін көптеген әрекеттер жасалды, мысалы, пленкалардың механикалық және созылу қасиеттерін жақсарту үшін қосымша биополимерлер немесе басқа да қосымша заттар қосылды. Амилопектин негізіндегі пленкалардың қасиеттеріне крахмал түрлері, пленка жасау кезіндегі температура және уақыт, пластификаторлар, биополимерлер және сақтау жағдайлары сияқты көптеген факторлар әсер етеді.

Тоқыма бұйымдары

Тарихи тұрғыдан алғанда, крахмал матаға өлшем беруде ұзақ жылдар бойы қолданылып келеді. Крахмал құрамындағы амилопектин крахмалдың ретроградациясына немесе кристалдануына жауапты, ол беріктік қасиетін арттырады. Бұл қатаю әсері матаның пішінін уақыт өте сақтау үшін басып шығару және престеу сияқты тоқыма өнеркәсібінің бірнеше процестерінде пайдаланылады. Амилопектин сондай-ақ жіптерге өлшем беру үшін қолданылады, ол талшықтарды нығайтып, тоқу кезінде тозу мен жыртылудан қорғайды.

Клиникалық қолдану

Амилопектиннің биомедициналық қолданысы физиологиялық факторларға, оңай қолжетімділігіне және төмен құнына байланысты артып келеді. Амилопектин табиғи полисахарид ретінде кең таралғандықтан, өте тиімді биохимиялық қасиеттерге ие. Бұл денедегі жасушалар мен молекулалармен жоғары деңгейде биологиялық үйлесімділікті қамтамасыз етеді. Амилопектин 1,6 гликозидтік байланыстардың жоғары деңгейдегі байланысының арқасында жоғары дәрежеде биодеградациялана алады. Осы байланыстар организмде оңай ыдырайды, молекулалық салмақты төмендетеді, белгілі бір аймақтарды ашыққа шығарып, клиникалық факторлармен нақты байланыстарға қатысады. Амилопектинді модификациялаудың әртүрлі физикалық, химиялық және ферменттік әдістері де зерттелді. Бұл әдетте, зерттеу саласына сәйкес таңдалатын, қасиеттерін жақсартуға және бақылауға мүмкіндік береді. Амилопектиннің негізгі клиникалық рөлі крахмал құрамындағы интеграциясында. Амилопектиннің функциясы мен құрылымы амилозамен және басқа байланысқан молекулалармен интеграциясына негізделген. Бұл молекулаларды бөліп, амилопектинді таза күйде алу зерттеушілер үшін қиындық тудырады.

Дәрілік заттар жеткізу

Дәрілік препаратты жеткізу – дәрілік препаратты денеден шығару және сіңіру үшін алдын ала белгіленген дене аймағына жеткізуге қолданылатын технология. Бұл салада қолдану жолы, метаболизм, нақты нысанаға бағытталған орын және уыттылық принциптері ең маңызды. Ауыз арқылы қабылданатын дәрілер көбінесе иммундық және биологиялық реакциялардан қорғау үшін белгілі бір құрылымға енгізіледі. Бұл құрылымдар дәрілік препаратты әсер ететін орнына жеткенше сақтап, белгілі бір маркерге тап болғанда дұрыс дозада босатуға бағытталған. Олардың құрамында 60-80% амилопектин болғандықтан, жүгері және картоп крахмалы осы мақсатта жиі қолданылады. Олар көбінесе қатты препараттар түрінде қолданылады: ұнтақтар, гранулалар, капсулалар және таблеткалар. Табиғи полисахарид ретінде, олар анатомиялық құрылымдармен және молекулалармен үйлесімді. Бұл дәрілік препаратты жеткізуде өте күрделі мәселе болып табылатын кез келген теріс иммундық реакцияны болдырмайды. Крахмалдың биодеградациялық қасиеттері дәрілік препаратты әсер ететін орнына жеткенше сақтап тұруға мүмкіндік береді. Бұл препараттың ас қорыту жүйесі сияқты төмен pH ортасында ыдырауын болдырмайды. Крахмалдың механикалық немесе биохимиялық қасиеттерін жақсарту үшін оны физикалық, химиялық және ферменттік әдістермен өзгертуге болады. Дәрілік препаратты жеткізуде физикалық өзгертулерге механикалық күштер, жылу немесе қысыммен өңдеу кіреді. Химиялық өзгертулер молекулалық құрылымды өзгертуге бағытталған, оған байланыстарды үзу немесе қосу кіруі мүмкін. Крахмалды ферменттермен өңдеу суға ерігіштігін арттыруға мүмкіндік береді.

Тін инженериясы

Тін инженериясының мақсаты – зақымдалған немесе жұқтырылған тіндерді немесе толық органдарды алмастыратын немесе жақсартатын функционалдық құрылымдарды жасау. Осы құрылымдардың көптегені имплантацияланған аймақтың төңірегінде инфекцияға шалдыққан тіндердің пайда болуына себеп болады. Бұл материалдарды амилопектинмен қаптау инфекциялық реакцияны азайтуға көмектеседі. Амилопектин көбінесе осы құрылымдардың айналасын қаптау үшін қолданылады, себебі ол келесі иммундық реакциялардың алдын алады. Амилопектин табиғи полисахаридтен тікелей алынғандықтан, тіндер мен жасушалармен жақсы үйлеседі. Дегенмен, амилопектиннің жоғары байланыс деңгейіне байланысты механикалық қасиеттері жетілдіруді қажет етеді. Бұл мәселені амилопектин талшықтарын жасау арқылы немесе оны басқа, мықтырақ полимермен нанокомпозит құрастыру арқылы шешуге болады.

Талшықтар

Амилопектин негізіндегі талшықтар көбінесе полимерлер, пластификаторлар, кросс-линкерлер немесе басқа да қоспалармен табиғи немесе модификацияланған крахмалдарды араластыру арқылы жасалады. Амилопектин негізіндегі талшықтардың көпшілігі электро-ылғалды орау арқылы өндіріледі, бірақ бұл әдіс 65%-дан төмен амилопектин мөлшеріне ие және крахмалдың амилопектин құрамына сезімтал крахмалдар үшін қолайлы екені көрсетілген. Электроспининг амилопектиннің коагуляциялануына және жіпшелердің қалыптасуына мүмкіндік береді. Талшықты крахмалдар крахмалдың механикалық қасиеттерін жақсартатын тығыз материалды құрайды. Биоматериалдардағы талшықтар сүйек тінін жаңарту және қалпына келтіру үшін қолайлы орта ретінде сүйек тінін жасауға қолданылуы мүмкін. Табиғи сүйек – тірі жасушалар мен биоактивті молекулаларды қамтитын минералданған талшықтардан тұратын жасушадан тыс матрицадан құралған күрделі композиттік материал. Сондықтан, биоматериалдық мұқтаждарда талшықтарды қолдану сүйектің функционалдық өнімділігін қайта жаңартуға көптеген мүмкіндіктер ұсынады. Соңғы он жылда тоқу, өру, баулау, сондай-ақ электроспининг және тікелей жазу сияқты талшықтарға негізделген әдістер 3D тіндік құрылымдар жасау үшін перспективті платформалар ретінде пайда болды.

Бионанокомпозиттер

Наноғылым және нанотехнология биомедициналық қолданыстар үшін әртүрлі гибридтік және композиттік материалдарды жасау технологиясы ретінде дамып келеді. Биологиялық композиттерді жасау үшін наноматериалдар қолданылған жағдайда, олар бионанокомпозиттер деп аталады. Бионанокомпозиттер тіндік инженерияда адам ағзасының жасушаларын, мүшелерін немесе бөліктерін ауыстыру, қолдау немесе жаңарту үшін қолданылады, осылайша олар қалыпты қызметін атқара алады. Амилопектин негізіндегі бионанокомпозиттер – бұл тағы бір маңызды бионаноматериалдар класы, олар биологиялық түрде ыдырайды, термопластикалық крахмалға қарағанда жоғары механикалық қасиеттері, оптикалық мөлдірлігі, жылулық тұрақтылығы және кедергілік қасиеттеріне ие. Целлюлоза нанокристалдары, нано ZnO, наноглин, биологиялық ыдырайтын синтетикалық полимерлер сияқты басқа наноматериалдармен бірге крахмал – бақыланатын дәрілерді шығару, тіндік инженерия үшін мұқтаждар және сүйектерді жаңартуға арналған цемент сияқты әртүрлі биомедициналық қолданыстар үшін бионанокомпозиттерді дайындау үшін ең көп қолданылатын материалдардың бірі. Амилопектин әдетте жоғары серпімділік модулі мен беріктігі бар синтетикалық полимермен біріктіріледі. Бұл крахмалға сүйек, жүрек және эндотелий тіндерінде кездесетін жоғары сұйықтық ағыны мен механикалық күштерге төтеп беруге мүмкіндік береді.