Пектин: структура, свойства и биологическая роль

Введение

Структурный углевод в клеточных стенках наземных растений и некоторых водорослей.

Пектин (πηκτικός: "застывший" и "свернувшийся") – это гетерополисахарид, структурная кислота, содержащаяся в первичной пластинке, в средней пластинке и в клеточных стенках наземных растений. Основным химическим компонентом пектина является галактуроновая кислота (сахарная кислота, производная от галактозы), которая была выделена и описана Анри Бракно в 1825 году. Коммерчески производимый пектин представляет собой белый или светло-коричневый порошок, получаемый из цитрусовых фруктов для использования в качестве съедобного желирующего агента, особенно в варенье и желе, десертных начинках, лекарственных препаратах и кондитерских изделиях; а также в качестве стабилизатора пищевых продуктов в фруктовых соках и молочных напитках, и как источник пищевых волокон.

Биология

Пектин состоит из сложных полисахаридов, присутствующих в первичных клеточных стенках растений и в изобилии содержащихся в зеленых частях наземных растений. Пектин является основным компонентом средней пластинки, где он связывает клетки. Пектин откладывается в клеточную стенку посредством экзоцитоза из везикул, образующихся в аппарате Гольджи. Количество, структура и химический состав пектина различаются у разных растений, внутри одного растения с течением времени и в различных его частях. Пектин – важный полисахарид клеточной стенки, обеспечивающий растяжение первичной клеточной стенки и рост растений. Во время созревания плодов пектин расщепляется ферментами пектиназой и пектинестеразой, в результате чего плод становится мягче, так как средняя пластинка разрушается и клетки разделяются. Аналогичный процесс разделения клеток, вызванный расщеплением пектина, происходит в зоне абсциссии черешков у листопадных растений при опадании листьев. Пектин является естественной частью рациона человека, но не оказывает существенного влияния на питание. Ежедневное потребление пектина с фруктами и овощами можно оценить примерно в 5 г при потреблении около 500 г фруктов и овощей в день. В процессе пищеварения пектин связывает холестерин в желудочно-кишечном тракте и замедляет всасывание глюкозы, удерживая углеводы. Таким образом, пектин является растворимым пищевым волокном. У мышей с не ожирением и диабетом (NOD) было показано, что пектин повышает частоту возникновения аутоиммунного диабета 1 типа. Исследование показало, что после употребления фруктов концентрация метанола в организме человека может увеличиваться в 10 раз и более из-за разложения природного пектина (этерифицированного метанолом) в толстой кишке. Было установлено, что пектин участвует в восстановлении ДНК некоторых видов семян растений, особенно пустынных. Пектиновые поверхностные пленки, богатые пектином, создают муцилажный слой, удерживающий росу, которая помогает клетке восстанавливать свою ДНК. Употребление пектина, как было показано, незначительно (на 3–7%) снижает уровень холестерина ЛПНП в крови. Эффект зависит от источника пектина: яблочный и цитрусовый пектин были более эффективными, чем пектин из апельсиновой мякоти. Механизм, по-видимому, заключается в увеличении вязкости в кишечном тракте, что приводит к снижению всасывания холестерина из желчи или пищи. В толстом кишечнике и ободочной кишке микроорганизмы расщепляют пектин и высвобождают короткоцепочечные жирные кислоты, оказывающие положительное влияние на здоровье (пребиотический эффект).

Pectin is composed of complex polysaccharides that are present in the primary cell walls of a plant, and are abundant in the green parts of terrestrial plants. Pectin is the principal component of the middle lamella, where it binds cells. Pectin is deposited by exocytosis into the cell wall via vesicles produced in the Golgi apparatus. The amount, structure and chemical composition of pectin is different among plants, within a plant over time, and in various parts of a plant. Pectin is an important cell wall polysaccharide that allows primary cell wall extension and plant growth. During fruit ripening, pectin is broken down by the enzymes pectinase and pectinesterase, in which process the fruit becomes softer as the middle lamellae break down and cells become separated from each other. A similar process of cell separation caused by the breakdown of pectin occurs in the abscission zone of the petioles of deciduous plants at leaf fall. Pectin is a natural part of the human diet, but does not contribute significantly to nutrition. The daily intake of pectin from fruits and vegetables can be estimated to be around 5 g if approximately 500 g of fruits and vegetables are consumed per day. In human digestion, pectin binds to cholesterol in the gastrointestinal tract and slows glucose absorption by trapping carbohydrates. Pectin is thus a soluble dietary fiber. In non obese diabetic (NOD) mice pectin has been shown to increase the incidence of autoimmune type 1 diabetes. A study found that after consumption of fruit the concentration of methanol in the human body increased by as much as an order of magnitude due to the degradation of natural pectin (which is esterified with methanol) in the colon. Pectin has been observed to have some function in repairing the DNA of some types of plant seeds, usually desert plants. Pectinaceous surface pellicles, which are rich in pectin, create a mucilage layer that holds in dew that helps the cell repair its DNA. Consumption of pectin has been shown to slightly (3–7%) reduce blood LDL cholesterol levels. The effect depends upon the source of pectin; apple and citrus pectins were more effective than orange pulp fibre pectin. The mechanism appears to be an increase of viscosity in the intestinal tract, leading to a reduced absorption of cholesterol from bile or food. In the large intestine and colon, microorganisms degrade pectin and liberate short chain fatty acids that have positive influence on health (prebiotic effect).

Химия

Пектины, также известные как пектические полисахариды, богаты галактуроновой кислотой. В пределах пектической группы было выявлено и охарактеризовано несколько различных полисахаридов. Гомогалактуронаны представляют собой линейные цепи α-(1–4)-связанной D-галактуроновой кислоты. Замещенные галактуронаны характеризуются наличием сахаридных боковых остатков (таких как D-ксилоза или D-апиоза в соответствующих случаях ксилогалактуронона и апиогалактуронона), отходящих от цепи остатков D-галактуроновой кислоты. Рамногалактуронан I (RG I) содержит основу, состоящую из повторяющегося дисахарида: α-D-галактуроновой кислоты (1,2)-α-L-рамнозы (1). От многих остатков рамнозы отходят боковые цепи различных нейтральных сахаров. Основными нейтральными сахарами являются D-галактоза, L-арабиноза и D-ксилоза, при этом типы и пропорции нейтральных сахаров варьируются в зависимости от источника пектина. Другим структурным типом пектина является рамногалактуронан II (RG II) – менее распространенный, сложный, сильно разветвленный полисахарид. Некоторые авторы классифицируют рамногалактуронан II в группу замещенных галактурононов, поскольку его основная цепь состоит исключительно из звеньев D-галактуроновой кислоты. Соотношение этерифицированной и неэтерифицированной галактуроновой кислоты определяет поведение пектина в пищевых применениях: HM-пектины способны образовывать гель в кислых условиях при высокой концентрации сахара, в то время как LM-пектины образуют гели при взаимодействии с двухвалентными катионами, особенно Ca2+, в соответствии с идеализированной моделью «яичной скорлупы», в которой между ионами кальция и ионизированными карбоксильными группами галактуроновой кислоты формируются ионные связи. Тиолированный пектин демонстрирует значительно улучшенные желирующие свойства, поскольку этот тиомер способен сшиваться посредством образования дисульфидных связей. Эти высокие желирующие свойства полезны в различных фармацевтических и пищевых применениях. Для приготовления пектинного геля ингредиенты нагревают, растворяя пектин. При охлаждении ниже температуры гелеобразования начинается формирование геля. Слишком сильное гелеобразование приводит к синерезу или зернистой текстуре, в то время как слабое гелеобразование дает чрезмерно мягкие гели. Амидированные пектины ведут себя как низкоэтерифицированные пектины, но требуют меньшего количества кальция и более устойчивы к его избытку. Кроме того, гели из амидированного пектина термообратимы: их можно нагревать и после охлаждения снова затвердевать, в то время как обычные пектинные гели остаются жидкими. Высокоэтерифицированные пектины желируются при более высоких температурах, чем низкоэтерифицированные. Однако, скорость гелеобразования в присутствии кальция увеличивается с уменьшением степени этерификации. Аналогично, более низкие значения pH или более высокая концентрация растворимых твердых веществ (обычно сахаров) ускоряют гелеобразование. Таким образом, подходящие пектины можно подобрать для варенья и желе, а также для кондитерских желе с высоким содержанием сахара.

Pectins, also known as pectic polysaccharides, are rich in galacturonic acid. Several distinct polysaccharides have been identified and characterised within the pectic group. Homogalacturonans are linear chains of α (1–4) linked D galacturonic acid. Substituted galacturonans are characterised by the presence of saccharide appendant residues (such as D xylose or D apiose in the respective cases of xylogalacturonan and apiogalacturonan) branching from a backbone of D galacturonic acid residues. Rhamnogalacturonan I pectins (RG I) contain a backbone of the repeating disaccharide: 4) α D galacturonic acid (1,2) α L rhamnose (1. From many of the rhamnose residues, sidechains of various neutral sugars branch off. The neutral sugars are mainly D galactose, L arabinose and D xylose, with the types and proportions of neutral sugars varying with the origin of pectin. Another structural type of pectin is rhamnogalacturonan II (RG II), which is a less frequent, complex, highly branched polysaccharide. Rhamnogalacturonan II is classified by some authors within the group of substituted galacturonans since the rhamnogalacturonan II backbone is made exclusively of D galacturonic acid units. The ratio of esterified to non esterified galacturonic acid determines the behaviour of pectin in food applications – HM pectins can form a gel under acidic conditions in the presence of high sugar concentrations, while LM pectins form gels by interaction with divalent cations, particularly Ca2+, according to the idealized 'egg box' model, in which ionic bridges are formed between calcium ions and the ionised carboxyl groups of the galacturonic acid. Thiolated pectin exhibits substantially improved gelling properties since this thiomer is able to crosslink via disulfide bond formation. These high gelling properties are advantageous for various pharmaceutical applications and applications in food industry. To prepare a pectin gel, the ingredients are heated, dissolving the pectin. Upon cooling below gelling temperature, a gel starts to form. If gel formation is too strong, syneresis or a granular texture are the result, while weak gelling leads to excessively soft gels. Amidated pectins behave like low ester pectins but need less calcium and are more tolerant of excess calcium. Also, gels from amidated pectin are thermoreversible; they can be heated and after cooling solidify again, whereas conventional pectin gels will afterwards remain liquid. High ester pectins set at higher temperatures than low ester pectins. However, gelling reactions with calcium increase as the degree of esterification falls. Similarly, lower pH values or higher soluble solids (normally sugars) increase gelling speeds. Suitable pectins can therefore be selected for jams and jellies, or for higher sugar confectionery jellies.

Правовой статус

В докладе Совместного экспертного комитета ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам и в Европейском Союзе не установлена количественная допустимая суточная доза (ДСП), поскольку пектин считается безопасным. Европейский Союз (ЕС) не установил ограничение суточного потребления для двух видов пектина, известных как E440(i) и Амидированный пектин E440(ii). ЕС установил стандарты чистоты для этих добавок в Регламенте Комиссии ЕС (ЕС) № 231/2012. Пектин может использоваться в необходимых количествах в большинстве категорий продуктов питания, что соответствует принципу "quantum satis". Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) провело повторную оценку пектина E440(i) и Амидированного пектина E440(ii) в 2017 году. EFSA заключила, что использование этих пищевых добавок не представляет опасности для здоровья населения. Кроме того, агентство заявило, что нет необходимости устанавливать количественное значение допустимой суточной дозы (ДСП). В Соединенных Штатах пектин общепризнанно считается безопасным для употребления человеком. В Международной системе нумерации (INS) пектин имеет номер 440. В Европе пектины различаются по E-номерам: E440(i) для неамидированных пектинов и E440(ii) для амидированных пектинов. Во всех национальных и международных нормативных документах содержатся спецификации, определяющие его качество и регулирующие его использование.

История

Впервые пектин был выделен и описан в 1825 году Анри Бракно, хотя его способность желировать варенье и мармелад была известна задолго до этого. Для получения хорошо застывшего варенья из фруктов с низким содержанием или некачественным пектином, в рецепт добавляли фрукты, богатые пектином, или их экстракты. Во время промышленной революции производители фруктовых консервов стали обращаться к производителям яблочного сока за сушеной яблочной мякотью (жмыхом), которую варили для извлечения пектина. Позже, в 1920-х и 1930-х годах, были построены заводы для промышленного извлечения пектина из сушеной яблочной мякоти (жмыха), а затем из цитрусовой цедры, в регионах, производящих яблочный сок в США и Европе. Изначально пектин продавался в виде жидкого экстракта, но сейчас его чаще используют в виде сухого порошка, который удобнее хранить и использовать, чем жидкость.