Введение
Амилопектин (/æ//m//l/oʊ/'/p/ɛ//k//t///n/) – полисахарид, нерастворимый в воде и высокоразветвленный полимер α-глюкозных звеньев, содержащийся в растениях. Это один из двух компонентов крахмала, другим является амилоза. Растения запасают крахмал в специализированных органеллах, называемых амилопластами. Для получения энергии растение гидролизует крахмал, высвобождая глюкозные звенья. Люди и другие животные, употребляющие в пищу растительную пищу, также используют амилазу – фермент, способствующий расщеплению амилопектина – для инициирования гидролиза крахмала. Крахмал состоит примерно из 70–80% амилопектина по массе, хотя это соотношение варьируется в зависимости от источника. Например, содержание амилопектина ниже в рисе длиннозернистых сортов, амилломаисе и картофеле сорта руссет, и достигает 100% в клейком рисе, воскообразном картофельном крахмале и восковой кукурузе. Амилопектин обладает высокой степенью разветвления, состоя из 2000–200 000 звеньев глюкозы. Его внутренние цепи образованы 20–24 звеньями глюкозы. Растворенный крахмал амилопектина имеет меньшую склонность к ретроградации (частичной рекристаллизации после приготовления – часть процесса потери свежести) при хранении и охлаждении. По этой основной причине воскообразные крахмалы используются в различных областях применения, главным образом в качестве загустителя или стабилизатора.
Структура
Амилопектин является ключевым компонентом в кристаллизации крахмала, определяя его конечную конфигурацию и составляя 70–80% от конечной массы. Состоящий из α-глюкозы, он образуется в растениях как основной способ запасания энергии, тесно связанный с его структурными характеристиками. Амилопектин содержит прямую/линейную цепь и множество боковых цепей, которые могут быть дополнительно разветвлены. Глюкозные единицы связаны линейно посредством α(1→4)-гликозидных связей. Разветвление обычно происходит через каждые 25 остатков. В точках отхождения боковых цепей образуются α(1→6)-гликозидные связи, формируя растворимую молекулу, которая может быть быстро расщеплена благодаря множеству концевых групп, к которым могут присоединяться ферменты. Wolform и Thompson (1956) также сообщили о наличии α(1→3)-связей в амилопектине. Амилопектин содержит большее количество глюкозных единиц (от 2000 до 200 000), чем амилоза, содержащая от 200 до 1000 α-глюкозных единиц. В отличие от этого, амилоза содержит очень мало или вообще не содержит α(1→6)-связей. Это обуславливает более медленный гидролиз амилозы, но также способствует большей плотности и нерастворимости. Амилопектин состоит из спиральных цепей A и B, образованных α-глюкозой. Цепи A не имеют боковых ответвлений и представляют собой конечные участки, в то время как цепи B несут другие цепи, поддерживая полимерную структуру амилопектина. Соотношение между ними обычно составляет от 0,8 до 1,4. Формирование цепных структур напрямую влияет на общую прочность полимера: чем длиннее цепь, тем сильнее амилопектин влияет на морфологию крахмала. Плотность упаковки цепей и длина межблочных цепей (IB CL) также положительно коррелируют с температурой желатинизации крахмальных гранул. С увеличением длины цепей B увеличивается и IB CL, то есть, чем длиннее отдельные цепи B, тем больше расстояние между их соединениями с другими цепями. В целом, чем плотнее упакована молекула амилопектина, тем выше прочность крахмального геля. Крахмал использует взаимосвязь между плотностью и прочностью амилопектина для формирования плотных и прочных структур, которые служат основой для его конечной конфигурации. Амилопектин в крахмале образует спирали, формирующие гексагональные структуры, которые впоследствии дифференцируются в крахмал типа A (зерновой) и типа B (с высоким содержанием амилозы; трубчатый). Структурно крахмал типа A более компактен, а типа B – более рыхлый, что объясняет более высокую концентрацию амилозы в последнем.
История
Категоризация амилопектина началась с первого наблюдения крахмала в 1716 году Антонием ван Левенгуком, который разделил крахмал на два фундаментальных структурных компонента. Термины "амилоза" и "амилопектин" были введены только в 1906 году французскими исследователями Макене и Ру в ходе изучения крахмала, где они объяснили различия в свойствах крахмалов в зависимости от соотношения этих связанных веществ и степени сахарификации солодовым экстрактом. Это привело к определению амилозы, данному Майером, и закреплению названия "амилопектин" за углеводами, представляющими собой разветвленные молекулы, расщепляемыми β-амилазой лишь до стадии остаточного декстрина. Майер также предложил модель древовидной структуры для амилопектина.
Еда
Амилопектин является наиболее распространенным углеводом в рационе человека и содержится во многих основных продуктах питания. Основными источниками амилопектина при потреблении крахмала во всем мире являются зерновые культуры, такие как рис, пшеница и кукуруза, а также корнеплоды – картофель и маниока. В процессе приготовления пищи амилопектин, содержащийся в крахмале, превращается в легкоусвояемые цепи глюкозы с существенно различающимися питательными и функциональными свойствами. При термической обработке сахара, высвобождаемые из амилопектина, могут вступать в реакцию Майяра с аминокислотами, образуя продукты поздней стадии гликирования (AGEs), которые способствуют формированию аромата, вкуса и текстуры пищевых продуктов. Соотношение амилозы и амилопектина, молекулярная масса и тонкая молекулярная структура влияют на физико-химические свойства, а также на скорость высвобождения энергии различных видов крахмала, что, в свою очередь, влияет на количество потребляемых с пищей калорий. Благодаря высокой калорийности и связи с синтезом мышечного белка, амилопектин иногда используется в качестве добавки для тренировок.
В промышленности амилопектин применяется в качестве стабилизатора и загустителя, например, в кукурузном крахмале. Амилопектин также широко используется при разработке съедобных плёнок благодаря своей распространенности, экономической эффективности и отличным пленкообразующим свойствам. Плёнки на основе амилопектина обладают хорошими оптическими, органолептическими и барьерными свойствами по отношению к газам, однако характеризуются недостаточными механическими свойствами. Для преодоления этих ограничений предпринималось множество попыток, например, добавление со-биополимеров или других вторичных добавок для улучшения механической прочности и растяжимости плёнок. На свойства плёнок на основе амилопектина могут влиять различные факторы, включая тип крахмала, температуру и время формирования плёнки, пластификаторы, со-биополимеры и условия хранения.
Текстиль
Исторически сложилось, что крахмал широко используется в качестве проклеивающего вещества для текстиля. Амилопектин, как компонент крахмала, отвечает за ретроградацию или кристаллическую перестройку крахмала, что придает ему жесткость. Этот эффект используется в различных процессах текстильной промышленности, таких как печать и прессование, для сохранения формы ткани. Амилопектин также применяется в качестве проклеивающего агента для пряжи, чтобы укрепить волокна и защитить их от истирания и обрыва при ткачестве.
Клинические применения
Амилопектин получил все большее применение в биомедицинских областях благодаря своим физиологическим свойствам, доступности и низкой стоимости. В частности, амилопектин обладает весьма благоприятными биохимическими характеристиками, обусловленными его широким распространением как природного полисахарида. Это обеспечивает высокую биосовместимость с клетками и молекулами в организме. Амилопектин также способен к высокой степени биоразложения благодаря большому количеству поперечных связей, образованных 1,6-гликозидными связями. Эти связи легко расщепляются организмом, что приводит к снижению молекулярной массы, обнажению определенных участков и взаимодействию с клиническими факторами. Для амилопектина также исследованы различные методы физической, химической и ферментативной модификации, которые, как правило, позволяют получить улучшенные и контролируемые свойства, необходимые для конкретных исследований. Основная клиническая роль амилопектина заключается в его составе крахмала. Функции и структура амилопектина определяются его взаимодействием с амилозой и другими связанными молекулами, и разделение этих молекул для получения изолированного амилопектина представляет значительную сложность для исследователей.
Доставка наркотиков
Доставка лекарственного средства – это технология, используемая для адресной доставки препарата в предопределённую область организма для его высвобождения и всасывания. В этой области наиболее важны принципы, касающиеся пути введения, метаболизма, места специфического воздействия и токсичности. Препараты, вводимые перорально (через рот), обычно заключают в определённую структуру для защиты от иммунных и биологических реакций. Эти структуры предназначены для сохранения целостности препарата до места его действия и высвобождения в необходимой дозировке при воздействии специфического маркера. Для этих целей часто используют кукурузный и картофельный крахмал, поскольку они содержат 60–80% амилопектина. Они преимущественно применяются в твердых лекарственных формах: порошках, гранулах, капсулах и таблетках. Как природный полисахарид, крахмал обладает хорошей совместимостью с анатомическими структурами и молекулами, что предотвращает негативный иммунный ответ – вопрос, вызывающий значительные дискуссии в области доставки лекарств. Биоразлагаемость крахмала обеспечивает сохранение препарата в целости до достижения места действия, позволяя ему избежать неблагоприятных условий, таких как низкий pH в пищеварительной системе. Нативный крахмал также может быть модифицирован физическими, химическими и ферментативными методами для улучшения механических или биохимических свойств. В контексте доставки лекарств физическая модификация включает обработку механическими силами, теплом или давлением. Химическая модификация направлена на изменение молекулярной структуры, включая разрыв или образование химических связей. Обработка крахмала ферментами может повысить его водорастворимость.
Инженерные технологии тканей
Тканевая инженерия направлена на создание функциональных конструкций, способных заменить или восстановить поврежденные или инфицированные ткани или целые органы. Многие из этих конструкций вызывают инфекцию тканей вокруг области имплантации. Покрытие материалов амилопектином позволяет снизить эту инфекционную реакцию, поскольку амилопектин преимущественно используется как покрытие, предотвращающее последующие иммунные ответы. Амилопектин, получаемый непосредственно из природного полисахарида, хорошо интегрируется с тканями и клетками. Однако его механические свойства недостаточно оптимальны из-за высокой степени сшивания. Эту проблему можно решить путем формирования амилопектинных волокон или создания нанокомпозита с другим, более жестким полимером.
Волокна
Волокна на основе амилопектина производятся главным образом путем смешивания нативного или модифицированного крахмала с полимерами, пластификаторами, сшивающими агентами или другими добавками. Большинство волокон на основе амилопектина изготавливаются методом электромокрого формования, однако было показано, что этот метод подходит для крахмалов с содержанием амилопектина ниже 65% и чувствителен к его концентрации. Электроспиннинг позволяет амилопектину коагулировать и формировать волокно. Волокнистые крахмалы приводят к образованию более плотного материала, что может оптимизировать механические свойства крахмала. Волокна в биоматериалах могут использоваться для тканевой инженерии костной ткани, обеспечивая подходящую среду для восстановления и регенерации костной ткани. Естественная кость – это сложный композитный материал, состоящий из внеклеточного матрикса минерализованных волокон, содержащих живые клетки и биоактивные молекулы. Следовательно, использование волокон в каркасах на основе биоматериалов открывает широкие возможности для имитации функциональных характеристик кости. За последнее десятилетие, технологии, основанные на волокнах, такие как ткачество, вязание, плетение, а также электроспиннинг и прямое нанесение, стали перспективными платформами для создания трехмерных тканевых конструкций.
Бионанокомпозиты
Нанонаука и нанотехнологии активно развиваются как технология для создания различных гибридных и композитных материалов для биомедицинских применений. Наноматериалы, используемые для разработки композитов в биологии, называются бионанокомпозитами. Бионанокомпозиты применяются в тканевой инженерии для замены, поддержки или регенерации клеток, органов или частей организма человека, восстанавливая их нормальную функцию. Бионанокомпозиты на основе амилопектина – важный класс бионаноматериалов, обладающих биоразлагаемостью, улучшенными механическими свойствами, оптической прозрачностью, термической стабильностью и барьерными характеристиками по сравнению с термопластичным крахмалом. В сочетании с другими наноматериалами, такими как нанокристаллы целлюлозы, нано-ZnO, наноглиной и биоразлагаемыми синтетическими полимерами, крахмал является одним из наиболее востребованных материалов для получения бионанокомпозитов, применяемых в различных областях биомедицины, включая контролируемое высвобождение лекарственных средств, создание каркасов для тканевой инженерии и цемент для регенерации костной ткани. Амилопектин обычно комбинируют с синтетическим полимером, обладающим более высоким модулем упругости и пределом прочности. Это позволяет крахмалу выдерживать интенсивный поток жидкости и механические нагрузки, характерные для костной, сердечной и эндотелиальной тканей.