Ć
wiczenia z przedmiotu Biopolimery
Biotechnologia III rok
Copyright by dr Aleksandra Duda-Chodak
PEKTYNY
Pektyny to grupa heteropolisacharydów złożonych głównie z kwasu galakturonowego
(min. 65%), ale też niewielkich ilości ramnozy, ksylozy, galaktozy i arabinozy (rys. 1).
Substancje pektynowe są naturalnymi składnikami roślin i ich owoców. Szczególnie
duże ilości substancji pektynowych występują w owocach takich jak: porzeczki, agrest, a
także owocach cytrusowych i jabłkach. Najwięcej pektyn zawiera albedo, biały miękisz pod
skórką owoców cytrusowych (ok. 40%), w suszonych wytłokach jabłkowych zawartość
pektyn waha się 8-16%.
Rys. 1. Schemat struktury pektyny
Rys. 2. Model fragmentu ściany komórkowej komórki roślinnej. Długie łańcuchy pektyny (niebieskie) wypełniają przestrzeń między
włókienkami celulozy. Szczególnie bogata w pektynę jest blaszka środkowa, która „skleja” sąsiadujące komórki.
Pektyny to termin określający heterogenną grupę związków. Najczęściej wyróżnia się:
•
protopektynę (nierozpuszczalna),
•
pektynę (rozpuszczalna),
•
kwas pektynowy i jego pochodne.
Ć
wiczenia z przedmiotu Biopolimery
Biotechnologia III rok
Copyright by dr Aleksandra Duda-Chodak
W materiale roślinnym pektyny występują w połączeniu z celulozą i takie substancje są
nazywane protopektyną (tworzy lepiszcze ścian komórkowych). Protopektynę można
rozłożyć hydrolitycznie dostając pektynę.
Chemicznie, pektyna jest kwasem poligalakturonowym, w którym grupy karboksylowe są
częściowo zmetylowane (zestryfikowane metanolem).
Kwas pektynowy (rys. 3) to nierozgałęziony kwas poligalakturonowy (wiązania α−1,4-
glikozydowe) o ilości monomerów w łańcuchu od kilkuset do tysiąca.
Rys. 3. Wzór strukturalny kwasu pektynowego
Grupy kwasowe mogą być w cząsteczce wolne lub związane (jako ester metylowy albo jako
sól sodowa, potasowa, wapniowa lub amonowa). W niektórych pektynach obecne są grupy
amidowe.
Stosunek liczby zestryfikowanych (metylowanych) jednostek kwasu galakturonowego do
łącznej liczby jednostek kwasu w cząsteczce w procentach określany jest jako stopień
estryfikacji (SE %) cząsteczki pektyny.
W zależności od stopnia zmetylowania rozróżnia się pektynę:
wysokometylowaną (>50% grup karboksylowych jest zestryfikowana alkoholem
metylowym)
Schemat budowy wysokometylowanej pektyny
Pektyny wysokometylowane (HM) uzyskuje się w typowym procesie ekstrakcji, są dzielone
na grupy zgodnie z ich temperaturą żelowania (szybko żelujące i wolno żelujące)
niskometylowaną (<50% grup karboksylowych jest zmetylowanych)
Schemat budowy niskometylowanej pektyny
Ć
wiczenia z przedmiotu Biopolimery
Biotechnologia III rok
Copyright by dr Aleksandra Duda-Chodak
Modyfikacja parametrów procesu ekstrakcji pektyn albo kontynuacja obróbki kwasowej
prowadzi do uzyskania pektyn niskometylowanych (LM)
Niektóre pektyny podczas produkcji są traktowane amoniakiem w celu wytworzenia pektyn
amidowanych, o szczególnych zaletach praktycznych.
Schemat budowy amidowanej pektyny niskometylowanej
Pektyny odznaczają się dobrą zdolnością wiązania wody i pęcznienia, a ich roztwory dużą
lepkością. Stąd są wykorzystywane do żelowania produktów spożywczych. Struktura pektyn
jest kluczowa dla właściwości, jakie wykazują i ich zastosowania praktycznego. Stopień
polimeryzacji kwasu galakturonowego w preparacie decyduje o sile żelowania pektyny,
natomiast stopień estryfikacji pektyn wysokoestryfikowanych określa szybkość żelowania
oraz temperaturę żelowania pektyny.
Mechanizm tworzenia żelu
Powstawanie żelu polega na połączeniu się łańcuchów kwasów pektynowych w
trójwymiarową siatkę strukturalną zamykającą w swoich oczkach wodę, cukier oraz inne
rozpuszczone substancje. O właściwościach preparatów pektynowych decyduje długość
łańcuchów pektynowych oraz ich struktura chemiczna. Zawartość grup metylowych w
łańcuchu cząsteczki decyduje o typie żelu, jaki pektyna może tworzyć.
Pektyny HM tworzą galaretki (żelują) tylko w określonych warunkach, na które składają się:
•
ekstrakt (powyżej 55%) (optimum powyżej 62%),
•
wartość pH (poniżej 3,5),
•
temperatura (poniżej temperatury żelowania danego typu pektyny).
Cukier jest potrzebny do zmniejszenia zdolności cząsteczek wody do całkowitego
rozpuszczania cząsteczek pektyny. Cząsteczki przylepiają się do siebie w regionach gładkich
z grupami estrowymi i tworzą sieć żelu. Ponieważ grupy kwasowe są względnie słabe,
zmiany w pH wpływają na ładunek łańcuchów pektyny. Pektyny, które się łączą w kwaśnym
pH, w pH wyższym zyskują wystarczający ładunek by się odpychać nawzajem. Temperatura
ż
elowania jest to ta temperatura, w której pojawiają się pierwsze oznaki powstawania żelu,
tzn. rozlew musi nastąpić przed obniżeniem temperatury do tego poziomu.
Jeżeli z pektyny HM usunięta zostanie część grup metylowych, następuje odpowiadający
temu wzrost wolnych grup karboksylowych, a otrzymana pektyna LM wykazuje skłonność do
reakcji z jonami metali dwuwartościowych. To sprawia, że pektyny LM w kontrolowanych
warunkach tworzą żele w obecności jonów wapnia. Żelowanie pektyny LM polega na tym, że
jony wapnia łączą się z grupami karboksylowymi dwóch zbliżonych łańcuchów pektynowych
i w rezultacie łączą je ze sobą. W powstawaniu żelu biorą udział połączenia jonowe między
grupami karboksylowymi, a także pomiędzy pektynianami wapnia i wtórnymi grupami
hydroksylowymi.
Ć
wiczenia z przedmiotu Biopolimery
Biotechnologia III rok
Copyright by dr Aleksandra Duda-Chodak
Pektyny LM wymagają pewnego minimalnego stężenia jonów wapnia do utworzenia
optymalnego żelu, ale przy zbyt wysokim poziomie wapnia może wystąpić zjawisko
przedwczesnego żelowania i pojawia się skłonność do synerezy.
Pektyna LM jest otrzymywana z surowca zawierającego pektynę HM, na drodze
kontrolowanej deestryfikacji w środowisku kwaśnym lub zasadowym. Jeśli do alkalicznej
deestryfikacji stosowany jest amoniak, to przy spełnieniu odpowiednich warunków do
cząsteczki pektyny można wprowadzić grupy amidowe NH
2
, a otrzymany produkt nosi miano
pektyny niskoestryfikowanej amidowanej. Zasadniczą różnicą pomiędzy demetylacją
kwasową i za pomocą amoniaku, jest różna wrażliwość pektyny na obecność metali
dwuwartościowych.
Zapotrzebowanie na wapń wynosi odpowiednio:
•
Pektyna kwasowa
30 - 60 mg Ca
++
/g pektyny
•
Pektyna amidowana 10 - 30 mg Ca
++
/g pektyny
Dla pektyny amidowanej zazwyczaj wystarczająca jest naturalna zawartość wapnia
występująca w surowcach (owoce, woda).
Do sporządzania roztworów roboczych pektyn LM zaleca się stosowanie wody miękkiej!
Temperatura żelowania
Stopień estryfikacji i amidacji, wpływając na reaktywność z wapniem, są zarazem
odpowiedzialne za temperaturę żelowania. Zole pektyny LM charakteryzuje określona
temperatura żelowania, niezależnie od czasu, co oznacza, że po jej osiągnięciu, żelowanie
zachodzi prawie natychmiast. Temperatura żelowania jest wypadkową wielu czynników
takich jak:
•
zawartość suchej substancji (ekstrakt),
•
zawartość jonów wapnia,
•
pH,
•
typ pektyny.
Układy (zole) zawierające pektynę LM mają tym wyższą temperaturę żelowania im:
•
niższy stopień estryfikacji użytej pektyny,
•
niższe pH,
•
wyższy ekstrakt,
•
wyższa zawartość wapnia, przy pozostałych czynnikach stałych.
Ć
wiczenia z przedmiotu Biopolimery
Biotechnologia III rok
Copyright by dr Aleksandra Duda-Chodak
Pektyny wysokometylowane tworzą żele przy dużej zawartości cukru i pH kwaśnym. Pektyny
niskometylowane żelują w obecności jonów wapnia, niezależnie od stężenia ekstraktu i w
szerszym zakresie pH. Ilość wapnia zależy od stopnia zestryfikowania pektyny, rodzaju i
ilości dodatków obecnych w żelującej masie. Żele pektyny niskoestryfikowanej są termicznie
odwracalne. Zaletą pektyn niskometylowanych jest fakt, że tworzą galaretki, dżemy i inne
produkty o małej zawartości cukru, a więc i o małej wartości energetycznej.
Połączony Komitet Ekspertów WHO/FAO zakwalifikował pektynę jako dodatek do
ż
ywności, nie limitując poziomu jej spożycia.
Pektyny są rozkładane przez enzymy pektynolityczne:
•
poligalakturonazę (rozkład wiązań α−1,4)
•
pektynoesterazę (rozkład wiązań estrowych, uwalnianie metanolu!)
•
liazę poli-α-1,4-galakturonianu (niehydrolityczny rozkład wiązania glikozydowego
obok wolnych grup karboksylowych)
•
liazę poli-a-1,4-metylogalakturonianu (niehydrolityczny rozkład wiązania
glikozydowego obok zmetylowanych grup karboksylowych)
Pektyny są rozpuszczalnym włóknem pokarmowym, ale nie są trawione.
Mają zdolność obniżania poziomu cholesterolu w surowicy krwi, w szczególności
frakcji LDL.
Obniżając wpływ insuliny, pośrednio zmniejszają poziom cukru we krwi. Są
szczególnie wskazane w diecie dla cukrzyków
Wspomagają leczenie biegunek
Działają jako detoksykanty
Regulują i działają ochronnie w przewodzie pokarmowym.
Stymulują układ odpornościowy
Działają jako czynnik przeciw-wrzodowy i zapobiegający zapaleniu nerek.
Produkcja pektyn (PEKTOWIN)
Pektyna, jest uzyskanym w warunkach przemysłowych preparatem, zawierającym
wyizolowane z surowca roślinnego rozpuszczalne w wodzie substancje pektynowe.
Preparaty te są używane jako dodatki do żywności, leków i posiadają w odpowiednich
warunkach zdolność tworzenia żeli.
Surowcem do produkcji pektyny są suszone wytłoki jabłkowe, zawierające 8 - 12% substancji
pektynowych, oraz wytłoki cytrusowe o zawartości substancji pektynowych w granicach 18 -
25%, skąd wydobywa się je drogą ekstrakcji rozcieńczonym roztworem kwasu, a następnie
wytrąca alkoholem, oczyszcza, suszy i rozdrabnia.
Pektyna jako substancja pochodzenia roślinnego jest najlepszym środkiem żelującym do
produkcji dżemów i galaretek owocowych. Jako naturalny składnik owoców sprawia, że
przetwory wyprodukowane z jej dodatkiem zachowują w pełni cechy organoleptyczne
charakterystyczne dla użytego surowca.
Ć
wiczenia z przedmiotu Biopolimery
Biotechnologia III rok
Copyright by dr Aleksandra Duda-Chodak
Siła żelowania pektyny
Zdolność żelowania pektyny określa się w stopniach SAG, wg metodyki 5 - 54 IFT (Food
Technology 13, 496, 1959). Jednostka zdolności żelowania wyraża masę cukru
przypadającego na jednostkę masy pektyny w galaretce o standardowym składzie i o
standardowej sprężystości. Sprężystość galaretki określa się przez pomiar stopnia jej
deformacji spowodowanej siłami grawitacji (procent opadu).
Handlowa pektyna wysokoestryfikowana posiada stałą zdolność żelowania 150
o
SAG tzn. 1
kg pektyny jest zdolny związać 150 kg cukru w standardowej galaretce :
•
ekstrakt 65,0 %
•
wartość pH 2,2 - 2,3
•
opad 23,5 %
Masa galaretki uzyskanej z 1 kg pektyny wyniesie: (150 x 100)/65 = 230 kg
Etapy produkcji pektyn
Zakład wytwarzający pektyny otrzymuje wytłoki jabłkowe lub skórki owoców cytrusowych od
producentów soków owocowych. W większości przypadków materiał był płukany a następnie wysuszony,
co umożliwia transport i magazynowanie bez ryzyka zepsucia.
Surowiec jest dodawany do gorącej wody zawierającej kwas (i/lub enzymy).
Po ekstrakcji stałe pozostałości są oddzielane a roztwór klarowany i zatężany poprzez usunięcie części
wody.
.
Albo bezpośrednio, albo po jakimś czasie potrzebnym do modyfikacji pektyny, zatężony roztwór jest
mieszany z alkoholem w celu wytrącenia pektyn z roztworu.
Wytrącony osad jest oddzielany, płukany większą ilością alkoholu w celu usunięcia zanieczyszczeń i
suszony. Alkohol do płukania może zawierać sole lub alkalia, aby przekształcić pektynę w postać
częściowej soli (sodowej, potasowe, amonowej, wapniowej).
.
Przed lub po suszeniu pektyna może być traktowana amoniakiem w celu wytworzenia pektyny
aminowanej.
Sucha masa pektyny jest mielona na proszek, sprawdzana, mieszana z cukrem lub dekstrozą do uzyskania
standardowej siły żelującej lub innych właściwości funkcjonalnych jak lepkość czy siła stabilizująca.
Ć
wiczenia z przedmiotu Biopolimery
Biotechnologia III rok
Copyright by dr Aleksandra Duda-Chodak
CZĘŚĆ PRAKTYCZNA
1. Ekstrakcja pektyn z surowców roślinnych
1.
Do 100 ml destylowanej wody dodać 10 g rozdrobnionych skórek (pomarańczy,
grejpfrutów, jabłek). Za pomocą kwasu cytrynowego lub roztworu NaOH doprowadzić
pH roztworu do wartości 5,0.
2.
Ogrzewać całość (w łaźni wodnej) do 90-95°C przez 45 min, mieszając od czasu do
czasu. Co 15 minut kontrolować pH (papierkiem lakmusowym) i w razie potrzeby
zakwaszać lub alkalizować utrzymując pH w granicach od 4,5 do 5,0. W razie potrzeby
uzupełnić wodę utracona przez parowanie roztworu.
3.
Całość przesączyć na lejku Buchnera (przez kolbę pośrednią, pompki wodne są
zainstalowane w sali 1.138 i 1.115).
4.
Przesącz ochłodzić do 40°C.
5.
Dodać (w stosunku 1:1) spirytusu (96%) zakwaszonego do pH około 1,0.
6.
Całość mieszać przez 10 minut i następnie przesączyć na lejku Buchnera (uprzednio
zważyć sączek!!!).
7.
Uzyskany osad przemyć za pomocą 30 ml 70% EtOH.
8.
Wykonać w przesączu test na obecność chlorków
9.
W przypadku stwierdzenia nieobecności Cl
-
przemyć niewielką ilością 96% EtOH,
następnie acetonem i pozostawić do wysuszenia na szlace Petriego.
10.
Wysuszoną pektynę zważyć i obliczyć wydajność ekstrakcji.
Test na obecność jonów Cl
-
Kilka kropel przesączu umieścić w probówce, dodać kilka kropel 0,1 M AgNO
3
. W
przypadku białego zmętnienia w próbie nadal znajdują się chlorki. Należy osad dodatkowo
przemyć 70% EtOH.
Uwaga: Alkohol (zlewki) proszę wlewać do butelek przeznaczonych specjalnie do tego celu.
2. Oznaczenie stopnia zmetylowania (ilości grup metoksylowych)
pektyny
1.
Odważyć 0,25 g pektyny, dodać 2,5 ml spirytusu 96%, 0,5 g NaCl, 100 ml
przegotowanej i ostudzonej wody destylowanej i 6 kropli czerwieni fenolowej.
2.
Otrzymany żółty roztwór miareczkować za pomocą 0,1M NaOH do zmiany barwy na
różową (zapisać V
1
).
3.
Do roztworu dodać 10 ml 0,25M NaOH, wymieszać, kolbę zamknąć korkiem i
pozostawić w temperaturze pokojowej (30 min).
4.
Dodać 10 ml 0,25M HCl i żółty roztwór miareczkować za pomocą 0,1M NaOH
(zapisać V
2
) do zmiany barwy na różową.
5.
Obliczyć stopień metyzacji (w %) wyekstrahowanej pektyny.