Substancje pektynowe
Nomenklatura substancji pektynowych
-substancje pektynowe – mieszanina [pektyn z substancjami towarzyszącymi (pentozany, heksozany)
-protopektyna – nierozpuszczalny w wodzie składnik tkanki roślinne, hydrolizujące do kwasów pektynowych
-kwasy pektynowe (pektyny) – kwasy poligalaktunowe częściowo zestryfikowane alkoholem metylowym
-w zależności od stopnia zestryfikowania tworza żele:
-z cukrem i kwasem (pH 3, 65% ex.) – wysokometylowane (>50%)
-z Ca, Mg – niskometylowanee (<50%) zestryfikowania
-pektyniany – kwaśne lub obojętne sole kwasów pektynowych
-kwasy pektowe – kwasy poligalakturonowe, nie tworzą galaret
-pektany – kwaśne lub obojętne kwasów pektynowych
Obecnie uważa się, że pektyna występuje jako trójwymiarowy komponent obejmujący:
-homogalakturonian (HG) – zawiera od 72 do 100 reszt kwasy galakturonowego, które mogą być estryfikowane metanolem prze C-6 (od 20 do 60%) i/lub acetylowane przy O-2 i O-3.
-ramnogalakturonian-I (RG-I) – polisacharyd złożony z dimerów: ramnozy i kwasy galakturonowego. Łączenie kwasów alfa-galakturonowych wiązanie alfa-(1->4). Ramnozy <-> kwas galakturonowy
Stanowi 10% pektyny
-4 różne oligomeryczne łańcuchy boczne
-łańcuchy boczne składają się z 12 różnych rodzajów cukrów w ponad 20 różnych rodzajach połaczeń.
Występowanie substancji pektynowych w roślinach:
Blaszka środkowa – główne skupisko pektyn
Owoce-większość stanowią pektyny HM
Korzenie, łodygi, kwiatostany – większość stanowią pektyny LM i acetylowane
Pełnione finkcje w roślinie:
-strukturotwórcza
-regulator gospodarki wodnej
-równowaga elektrostatyczna błony komórkowej
Aby mogły działań hydrolazy (PG), pektyna musi zostać zdeestryfikowana (PME).
W przypadku depolimeryzacji na drodze trans eliminacji (PL) deestryfikacja nie jest konieczna.
Pektyny-właściwości żelujące, zagęszczające i stabilizujące
Wykorzystanie
-dżemy, galaretki, marmolady
-wyroby cukiernicze, nadzienia piekarnicze, kwaśne napoje mleczne
Surowce do produkcji preparatów pektynowych
-owoce cytrusowe
-jabłka
-burak cukrowy (niska zdolność żelowania, niska Mw, duża zawartość grup acetylowych – 4%)
W sferze badań
-łubin od 1,5-7% substancji pektynowych
-łopian do 21% w s.m.
-dynia
Właściwości żelujące substancji pektynowych
Żelowanie preparatów pektynowych:
-% udział substancji pektynowych
-średnia masa molowa substancji pektynowych (pożądana 150 000 – 200 000)
-cytrusowe 150 tys. – 220 tys.
-z jabłkowe 90 tys – 280 tys
-z buraków 20 tys – 46 tys
Poniżej 30 tys nie wykazują właściwości żelotwórczych
-pH roztworu
-kationy jednowartościowe K,Na obniża
-kationy dwuwartościowe Ca, Mg podwyższa(0,01 – 0,1%)
- rodzaj kwasu (winowy podwyższa, cytrynowy obniża)
-stopień metyzacji, amidacji, zawartość grup acetylowych
-sposób rozmieszczenia wolnych i zestryfikowanych grup karboksylowych w cząsteczce (rozmieszczenie przypadkowe, zblokowane)
Rozmieszczenie grup funkcyjnych w cząsteczce pektyny:
CH3-O- metoksylowa (C-6)
NH2-CO- amidowa (C-6)
CH3CO- acetylowa (O-2, O-3)
HM wysoko etylowane powyżej 50% grup karboksylowych zestryfikowanych alkoholem metylowym
-zawartośc cukrów neutralnych w pektynie 5-10%
-białka 1,5-3%
-polifenole <1%
Żelowanie żele nieodwracalne
-niskie pH (2,5 – 3,8) – cofa dysocjację grup karboksylowych praktycznie do zera
-zawartość cukru >55% - czynnik odwadniający cząsteczki pektyny:
-zmniejsza udziału fazy wodnej w układzie
-orientuje cząsteczki H2O (dipole) wokół własnych cząsteczek
-„odciąga” cząsteczki wody od cząsteczek pektyny
W zolach pektynowych w wyżej podanych warunkach następuje „wytrącanie” cząsteczki pektyny, które dodatkowo łączą się między sobą przez sploty i inne wiązania np. wodorowe, wyniku czego powstaje trójwymiarowa siatka, która utrzymuje fazę płynną ciekłego układu.
Podział preparatów pektynowych pod względem szybkości żelowania (pektyny HM)
Szybko żelujący Stopień estryfikacji pektyn w % - >72 czas żelowania (min) – 3-5, temperatura żelowania 90-95
Średnio szybko żelujący – 68-72, 5-10, 70-80
Wolno żelujący – 62-68, 10-15, 55-65
LM nisko etylowane poniżej 50% grup karboksylowych zestryfikowanych alkoholem metylowym
Otrzymywanie:
-hydroliza kwasowa (estrów) w trakcie procesu ekstrakcji pektyn z surowca
-hydroliza (estrów) kwasowa lub zasadowa (niska temp., beta-eliminacja) w roztworze wodnym pektyny
-ekstrakcja za pomocą czynników chelatujących np. heksametafosforany (z ziemniaków)
-deestryfikacja enzymatyczna (PME)
Żelowanie: żele termo odwracalne
-tworzą siatkę przestrzenną za pośrednictwem wiązań metalicznych (mostków) głównie wapnia, duże znaczenie ST.DB
Abyy powstawały właściwe żele pektyna powinna posiadać fragmenty nie estryfikowane z 7-20 reszt kwasu galakturonowego
-niska zawartość cukru
-pH 2,8-7
-wapń: dawka zależy od metody de estryfikacji
-enzymatyczna – 4-10mg/g pektyny
-amoniakiem mieszaninie alkoholowej – 15-30 mg/g pektyny
-kwasowa - 30-60 mg/g pektyny
Wysoka zawartość pektyny a niska wapnia – żel elastyczny, odwrotnie – żel kruchy, możliwość synerezy.
LMA nisko etylowane aminowane
Otrzymywanie – alkaliczna de estryfikacja pektyn HM w środowisku amoniaku
Maksymalnie 25% grup karboksylowych może być aminowanych w pektynach przeznaczonych do produktów spożywczych
Żelowanie – żele temoodwracalne – przy tych samych parametrach ST.DM, Mw, ilość wapnia -> żel lepszej jakości w odniesiemy do LM
-mechanizm żelowania – nie jest do końca poznany (większy udział wiązań wodorowych)
-niska zawartość cukru, pH 2,8-7
-wapń: dawka w szerszym zakresie niż w przypadku pektyny LM 10-80mg/g pektyny
Pektyny acetylowane ograniczone tworzenie żeli
Żelowanie:
-grupy acetylowi – utrudniają łączenie łańcuchów pektynowych poprzez jony Ca +2
-wysoka zawartość neutralnych cukrów w cząsteczce -> utrudnia tworzenie żeli
-niska masa molowa Mw – trudniejsze żelowanie
Zastosowanie:
-wykazują wysokie zdolności emulgujące
-ograniczają strącanie pektyn
Podsumowanie:
Pektyny – naturalne substancje żelujące pochodzenia roślinnego
Zastosowanie
Tworzenie żeli wysoko i nisko cukrowych
Produkty cukiernicze z nadzieniem owocowym
Niskoenergetyczne napoje
Lody włoskie, sorbety owocowe
Kwaśne napoje mleczne lub mleczno-owocowe
Desery mleczne żelowe o konsystencji puddingu czy budyniu
Ograniczenie wnikania tłuszczu podczas smażenia frytek ziemniaczanych powleczonych uprzednio warstwą pektynową
-pektyna stabilizuje właściwości hydratacyjne białek lepiej niż lecytyna (drób)
-usuwanie z roztworów wodnych jonów metali ciężkich (pektyny w największym stopniu wiążą jony miedzi, kadmu, cynku, ołowiu
Prozdrowotne:
-redukcja poziomu cholesterolu
Leczenie otyłości i nadwagi
Składniki preparatów i opatrunków hamujących krwawienie
Produkcja preparatów pektynowych:
Surowiec do produkcji preparatów pektynowych:
Skórki owoców cytrusowych
Wytłoki jabłkowe
Wysłodki buraczane
Kwiatostany słonecznika
Łuski cebuli
Ważne zabezpieczenie surowca do czasu przerobu (szybki przerób lub wysuczenie)
Enzymy rodzime (PME)
Enzymy wytwarzane przez drobnoustroje
Cztery główne etapy w produkcji preparatów pektynowych:
-hydroliza pH 1-3, temp. 50-90 st.C, czas 3-12 godzin
-oczyszczanie
-wydzielanie
-standaryzacja
Przygotowanie surowca – rozdrabnianie wytłoków
Orzemywanie surowca – usunięcie substancji balastowych
Ekstrakcja pektyn – hydroliza protopektyn do rozpuszczalnych w wodzie pektyn, de estryfikacja kwasów pektynowych do pożądanego stopnia zmetylowania
Decydującą rolę w procesie ekstrakcji odgrywa nie kwa a pH środowiska
-kwasy organiczne – przy pH 3, temperatura 85-95st.C, czas do kilku godzin/kwas mlekowy, winowy/
-kwasy nieorganiczne – niższe wartości pH
-niższe pH wyższe wydobycie, wyższa depolimeryzacja i de estryfikacja
Zastosowanie fosforanów, wersenianów – zwiększenie wydajności bez zaostrzania parametrów ekstrakcji.
Tłoczenie – otrzymanie ekstraktu pektynowego
Oczyszczanie ekstraktu pektynowego – odbarwienie soku, scukrzanie skrobi – zabiegi te pozwalają na otrzymanie preparatów pektynowych mniej zanieczyszonych
Otrzymanie preparatu pektynowego:
- wysuszenie ekstraktu
-wytrącenie pektyn 60% alkoholem etylowym, acetonem lub izopropanolem
-wytrącanie pektyn jonami glinu lub wapnia
-odciska się do roztworu
-suszy
-rozdrabnia i przesiewa
-standaryzuje
Zdolnośc żelowania (HM) – wyrażana w stopniach USA-SAG
Xst USA-SAG – ilość jednostek masowych cukru jaką wiąże jedna jednostka masowa preparatu pektynowego