Сравнительный анализ продуктов питания, содержащих пектин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломная работа

Сравнительный анализ продуктов питания, содержащих пектин



Введение

пектин пищевой мармелад хлеб

Во всех высокоразвитых странах проблема здорового питания является приоритетным направлением пищевой промышленности, так как именно с пищей в организм человека поступают все необходимые ему питательные вещества, преобразующиеся в процессе метаболизма в структурные элементы клеток и энергию.

Функциональные продукты питания-это продукты питания, повышающие сопротивляемость человеческого организма заболеваниям, способные улучшать многие физиологические процессы в организме человека, позволяя ему сохранять ему долгое время активный образ жизни.

Сотни миллиардов людей во всем мире страдают от различных заболеваний, вызванных загрязнёнными продуктами питания. Эти болезни получили название «болезни пищевого происхождения».

Кроме того, ухудшение экологических условий, сопровождающееся загрязнением окружающей среды и пищевых продуктов токсическими веществами, радионуклидами, требует, помимо обеспечения безопасности продуктов питания, также проведения профилактических мероприятий. Это обуславливает необходимость более широкого использования в питании человека природных детоксикантов и радиопротекторов, к которым относятся пектиновые вещества.

Пектин иногда называют даром растительного царства, основным благотворителем и санитаром человеческого организма.

Пектины являются не только детоксикантами, но и обладают другими полезными свойствами: они нормализуют количество холестерина (много его - выводят из организма, мало - задерживают), повышают устойчивость организма к аллергии, помогают восстановиться слизистой оболочке дыхательных и пищеварительных путей после раздражений и воспалительных процессов, благотворно влияют на внутриклеточное дыхание тканей и обмен веществ.

Можно представить, что недостаточное количество пектиновых веществ в продуктах питания привело к снижению сопротивляемости человеческого организма к воздействию окружающей среды. Особенно это стало заметно проявляться в последние годы, когда безопасность пищевых продуктов переплелась воедино с экологией.



1. Общая часть

1.1 Общие сведения о пектиновых веществах. Номенклатура и химическая структура пектиновых веществ

Пектиновые вещества, как полисахаридный компонент растительного сырья, открыты в 1790 г. Ученым Вакленом, выделившим гидратопектин из фруктового сока. В 1925 г. М. Браконно омылил пектин и получил пектиновую кислоту (от греческого «pektos» - свернувшийся, застывший). В 1924 г. Смоленский первым предположил, что пектин состоит из остатков D-галактуроновой кислоты, соединенных через а - 1,4 - гликозидную связь в полимерную цепочку [9].

Рисунок 1. Строение пектина

В 1930 г. Майер и Марк подтвердили это предположение, экспериментально доказав существование полимерной молекулы пектина. Ввиду сложности пектиновых веществ Американское химическое общество несколько раз учреждало комитеты по номенклатуре в 1927 и 1944 гг., чтобы дать определение и название этой группе углеводов (Мак-Креди Р.М., 1967). В 1937 г. Шнайдер и Бокк впервые установили структурную формулу пектина, однако промышленное производство высокоэтерифицированного пектина было начато только 50, а низкоэтерифицированного - 26 лет назад [2].

Пектиновые вещества - это высокомолекулярные углеводы растительного происхождения, главным структурным компонентом которых является D-галактуроновая кислота; встречаются в тканях наземных растений и в некоторых водорослях. В тканях некоторых растений содержание пектиновых веществ достигает 30% сухого веса (например, в белой части кожуры цитрусов), в других - их содержание не превышает долей процента [8].

В течение длительного времени не существовало четко сформулированной номенклатуры пектиновых веществ. В научной литературе находили применение около 50 различных терминов для их обозначения. Только в 1944 г. Комитетом Американского химического общества была разработана и официально принята номенклатура пектиновых веществ. В 1951 г. Она была уточнена ученым Кертесом и в настоящее время имеет следующий вид:

- пектиновые вещества (pectinsubstances) - физические смеси пектинов с сопутствующими веществами (например, пентозанами и гексозанами);

- пектин (pectin) - водорастворимое вещество, свободное от целлюлозы и состоящее из частично или полностью метоксилированных остатков полигалактуроновой кислоты. В зависимости от количества метоксильных групп и степени полимеризации существуют различные пектины. Н-пектин (Н-pectin) - высокоэтерифицированный пектин. Имеет степень этерификации, т.е. отношение числа этерифицированных карбоксильных групп на каждые 100 карбоксильных групп пектиновой кислоты, более 50%; L-пектин (L-pectin) - низкоэтерифицированный пектин. Имеет степень этерификации менее 50%;

- протопектин (protopectin) - не растворимый в воде природный пектин растений, состоящий в основном из сети пектиновых цепей, получивших в результате соединения ионов многовалентных металлов с неэтерифицированными группами СООН с образованием ионных мостиковых связей и в незначительном количестве - при помощи эфирных мостиков с Н₃РО₄;

- пектовые кислоты (pecticacid) - полностью деметоксилированные пектины с нетронутой цепью, содержащие только карбоксильные группы. Соли пектовых кислот называются нормальными или кислыми пектатами (pectates);

- пектиновые кислоты (pectinicacid) - высокомолекулярные полигалактуроновые кислоты, небольшая часть карбоксильных групп которых этерифицирована метиловым спиртом, остальные - свободны. Соли пектиновых кислот называются нормальными или кислыми пектинатами (pectinates);

- производные пектина - пектины, связанные по главным валентностями с различными группами, например, ацетилпектин [10].

В растениях пектиновые вещества присутствуют преимущественно в виде нерастворимого протопектина, который содержится главным образом в стенках растительной клетки, в межклеточном цементирующем материале, играя роль опорных элементов тканей; в клеточном соке содержатся пектины и их соли пектинаты. При извлечении пектинов из растительного материала протопектин разрушают горячей соляной кислотой, и образующийся пектин осаждают спиртом [1].

Пектины различных растений характеризуются неодинаковой молярной массой, степенью этерификации карбоксильных групп, распределением метильных групп в молекуле. Полностью метилированная по карбоксилам пектовая кислота содержит около 14% метоксилов, однако природные пектины содержат и свободные карбоксильные группы. В зависимости от степени метилирования пектины делятся на n-пектины, в которых метилировано более 50% всех карбоксильных групп, и L-пектины, содержащие меньше 50% этерифицированных карбоксильных групп. Пектины растворимы в воде и способны в присутствии сахара и органических кислот образовывать плотные гели. К действию кислот пектины довольно стойки, под действием щелочей они разрушаются; легко подвергаются окислительному расщеплению [18].

Ферменты, действующие на пектины, делятся на пектинэстеразы, гидролизующие сложноэфирные группировки, отщепляя метальные группы, и полигалактуроназы, расщепляющие полигалактуронидную цепь до олигоуронидов и далее до D-галактуроновой кислоты. Эти пектиновые ферменты, различные представители которых встречаются в микроорганизмах и растениях, используют для расщепления пектиновых веществ при осветлении фруктовых соков [21].

1.2 Физико-химические свойства пектиновых веществ

Высокоочищенный пектин представляет собой белый мучнистый порошок либо хрупкие пленки. При контакте с водой пектины разбухают, впитывая до 60 массовых долей воды, растворяются медленно, образуя вязкие слизистые растворы. При охлаждении застывают до консистенции студня. Пектины нерастворимы в органических растворителях (существуют данные об их растворимости в 84% фосфорной кислоте и жидком аммиаке), в глицерине и формамиде пектины набухают. Во влажной атмосфере сухой пектин сорбирует до 20% воды [22].

Растворимость пектина в воде зависит от ряда факторов. В смеси с сахарозой (соотношение пектина и сахарозы равняется 1:5) пектин растворяется значительно быстрее и до более высокой концентрации, чем чистый пектин. Растворимость определяется степенью этерификации. Высокометоксилированные пектины (степень этерификации свыше 50%) растворимы лучше, чем низкометоксилированные. Полностью деметоксилированный пектин, полученный щелочным омылением нативного пектина с последующим осаждением кислотой (так называемая пектовая кислота), способен только набухать в воде, но не растворим в ней. Тем не менее, натриевые, калиевые и аммонийные соли пектовой кислоты - пектаты растворимы, равно как соли органических оснований (аминов, пиридина, алкалоидов) [30].

В присутствии поливалентных ионов металлов пектины осаждаются из растворов. При взаимодействии с водой полярные группы молекул пектинов гидратируются. При этом связывается около 10 молекул воды на каждое звено цепи (по три молекулы на каждую гидроксильную и четыре на карбоксильную группы). В водных растворах молекулы пектинов принимают спиральнуюконформацию[37].

Подобно большинству биополимеров, пектины легко «сшиваются» в присутствии альдегидов. «Сшитый» пектин нерастворим в воде и с трудом расщепляется при ферментативной обработке [37,39].

Оптические свойства пектинов связаны с асимметричным строением его молекул. Растворы пектина изотропны вследствие броуновского движения молекул пектиновой кислоты, не имеющих ориентации [40].

В клеточных стенках растений пектин существуют в виде кальциевой соли: в формировании кальциевых «мостиков» участвуют всенеметоксилированные карбоксилы [].

Комплексообразующая способность пектина растет пропорционально числу неэтерифицированных карбоксилов и росту рН. Пектин из корзинок подсолнечника при рН 1.8-2.0 связывает 28.5% ионов стронция, при рН 3.6-3.7-52%, а при рН 7.6-7.7-72%. Полнота связывания металла обратно пропорционально его концентрации: при взаимодействии в растворе 1 части ионов кобальта с 10 частями пектина из подсолнечника связывается 7.8% металла, а при соотношении 1:100-80.2% [5].

1.3 Растворимость пектиновых веществ

Пектин, как и другие студнеобразователи, не растворяется в среде, где существует условия для студнеобразования. Наилучшим растворителем пектиновых веществ является вода. В водном растворе пектиновая молекула имеет форму спирали, карбоксильные группы которой расположены в соседних витках[13].

Карбоксильные группы пектина способны к диссоциации. Константа диссоциации пектиновых веществ, являющихся полиэлектролитом, измеряется в пределах 0,1•10^-4-10•10^-4. Константа диссоциации тем меньше, чем выше плотность заряда нитевидной молекулы и чем сильнее ионная сила. При высокой степени диссоциации карбоксильных групп в результате взаимодействия одноименно заряженных электрических центров спиральная конформация молекул пектиновых веществ нарушается, их линейные размеры возрастают. Водным растворам пектиновых веществ, как и золям других лиофильных коллоидов, свойственны высокая относительная вязкость, резко возрастает при увеличении концентрации, а также структурная или аномальная вязкость. Пектиновые вещества помимо воды хорошо растворяются в 84%-ной фосфорной кислоте и жидком аммиаке; в глицерине и неорганических растворителях они практически не растворимы.

Растворимость пектина зависит от степени его полимеризации и этерификации. Растворимость пектина в воде при повышении степени этерификации и уменьшении молекулярной массы. Из двух пектинов с разными молекулярными массами легче растворяется пектин с меньшей длиной цепи, но с большим количеством метоксильных групп. Пектины со степенью этерификации 66% хорошо растворимы в воде, при степени 39,6% и менее-малорастворимы[34].

Для получения однородного раствора порошок пектина необходимо предварительно перемешать с сахаром или смочить спиртом. Без такой подготовки при комнатной температуре можно получить водные растворы, содержащие не более 3% пектиновых веществ[14].

Удобен способ растворения порошка пектина с использованием смесителя со скоростью вращения мешалки 20-30 об?мин. Смешанный в сухом виде с 5 частями сахара тонко измельченный пектин легко растворяется в воде. Чтобы пектин растворился полностью, рекомендуется прокипятить суспензию в течение 1 мин. Так как растворение пектина затрудняется при увеличении содержания растворимых сухих веществ, большую часть сахара по рецептуре следует добавлять лишь после растворения пектина [16].

Пектиновые растворы оптически активны. [б]_D²⁰ пектовой кислоты колеблется от+170⁰ до +250⁰, D-галактуроновой кислоты - от +50,9⁰ до +51,9⁰. Пектиновые вещества, судя по высокой оптической активности, обладают сильными межмолекулярными взаимодействиями, зависящими от природы основной и боковых цепей, содержания D-галактуроновой кислоты и метоксильных групп [34].

Растворы пектинов обладают также способностью к двойному лучепреломлению. С уменьшением длины пектиновой молекулы под воздействием ферментов или действия щелочей двойное лучепреломление уменьшается. При очистке пектина и нейтрализации карбоксильных групп двойное лучепреломление увеличивается до тех пор, пока не произойдет коагуляция системы [39].

1.4 Вязкость пектиновых веществ

Повышенная вязкость - одно из характерных свойств водных растворов пектиновых веществ, являющихся лиофильными коллоидами. Молекулы пектина в растворе легко ассоциируются либо друг с другом, либо с крупными молекулами сопутствующих веществ. Являясь высокомолекулярными веществами, пектины не диффундируют из растворов через клеточные мембраны растений. Это свойство используют для отделения пектиновых веществ от низкомолекулярных веществ в процессе диффузии свекловичного сахара. Ограниченная способность к диффузии может и должна быть использована при производстве пектина, в частности, в процессах концентрирования и нормализации среды пектиновых растворов по рН. Это позволит снизить расход химических реагентов и получить целевые продукты с высоким содержанием пектиновых веществ [43].

Молекулы пектина в воде подвергаются сольватации, то есть вокруг них образуется жидкостный слой, более плотный в первых слоях и рыхлый на участках, удаленных от частиц пектина. Взаимное расположение пектиновых молекул в оводненных структурах может изменяться в широких пределах в зависимости от химической природы растворителя, влияя на вязкость коллоида [34].

Различают следующие виды вязкости: абсолютную [з], относительную [з_от], удельную [з_уд] и приведенную [з_пр]. Для пектиновых веществ характерна также структурная или аномальная вязкость.

Вязкость водных растворов пектинов зависит от различных факторов: концентрации, длины молекулярной цепи, степени этерификации, присутствия электролитов и температуры. С увеличением молекулярной массы пектина при прочих равных условиях вязкость возрастает с увеличением электрического заряда макромолекулы, определяемого количеством свободных карбоксильных групп. Исследования, проведенные с пектиновыми веществами различной степени этерификации, показали, что при рН 6-7 вязкость максимальная, при рН 4 - минимальная. В интервале рН 3.5-8.0 пектиновый раствор ведет себя как раствор пучков элементарных фибрилл. При добавлении небольших количеств NaClв растворы пектина вязкость раствора сначала заметно снижается, а затем принимает постоянное значение для любого образца пектина [37].

Высокая относительная вязкость [з_от] обусловлена явлением сольватации. Для разъяснения явления структурной вязкости была предложена гипотеза о существовании внутри золя «сетки» из соединяющихся между собой частиц. Упругие силы коллоидной «сетки» препятствуют течению золя по капилляру вискозиметра, что обусловливает большее значение вязкости при опыте, чем у неструктурированных золей той же концентрации. При нарушении эластичной структуры внешним давлением вязкость раствора быстро падает [25].

При изменении вида растворителя и температуры равновесие, существующее между сольватацией цепных молекул пектина и их взаимной ассоциации, смещается в ту или другую сторону. При повышении температуры вязкость снижается вследствие разрушения суперструктуры пектиновых веществ. При увеличении взаимной ассоциации молекул пектина при добавлении сахара или спирта образуются стойкие агрегаты молекул-золь переходит в гель. Структурирование во время застудневания пектиновых гелей идет непрерывно, сопровождаясь постепенным увеличением относительной вязкости системы. При этом различные сахара оказывают влияние на вязкость в разной степени. Глюкоза, мальтоза и сахароза увеличивают приведенную вязкость [з_пр] пектиновых растворов, в то время как декстрины понижают ее. Увеличение вязкости является обязательным при формировании пространственных агрегатов между пектиновыми молекулами [10].

Вязкостные свойства пектинов также в определенной степени зависят от содержания метоксильных групп в их молекуле. Поведение пектинов с содержанием метоксильных групп в интервале 20-50% аналогично поведению высокомолекулярных соединений [12].

Измерение вязкости пектиновых растворов используют для характеристики молекулярной массы пектиновых веществ.

Вязкость растворов пектина рассчитывают по формулам:

Относительная вязкость:

з_отн=,

где ф - время истечения через визкозиметр исследуемого раствора;

ф₁ - время истечения растворителя.

Удельная вязкость:

з_отн=з_уд-1;

Приведенная вязкость:

з_отн=;

где С - концентрация пектина в 100 мл раствора, г.

Абсолютную, или характеристическую, вязкость раствора [з] определяют графическим путем. На оси ординат откладывают значение приведенной вязкости (з_пр), на оси абсцисс - концентрацию пектина (С) в 100 мл раствора. Отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат, дает величину абсолютной вязкости.

Величину средневязкостной молекулярной массы рассчитывают путем логарифмирования из уравнения:

[з]=к•М^б;

где к и б-постоянные; к=1,1?10^-5, б=1,22

По современным представлениям значения постоянных к и б зависят от структуры пектиновой молекулы и прежде всего от количества L-рамнозильных остатков. Тогда:

lgM =

1.5 Действие пектолитических ферментов

Качественное состояние пектиновых веществ оказывает большое влияние на создаваемую ими вязкость и возможность ферментативного гидролиза. Чем выше степень этерификации пектиновых веществ, тем выше вязкость и ниже эффективность действия полигалактуроназ. Деэтерифицированная молекула пектина гидролизуется в 60 раз быстрее, чем молекула этерифицированного пектина [10].

В литературе имеются также данные, что пектовая кислота расщепляется в 17 раз быстрее, чем частично этерифицированный пектин.

Известно, что основными технологическими параметрами процесса гидролиза являются температура и рН среды [22].

Пектолитические ферменты различного происхождения отличаются значением оптимума РН и температуры.

Ферменты, воздействующие на пектиновые вещества, подразделяются на две подгруппы:

- пектолитические ферменты, гидролизующие пектины с участием воды - гидролазы;

- негидролитические ферменты, принадлежащие к классу лиаз, осуществляющие расщепление пектиновых веществ без участия воды с образованием двойной связи в продуктах расщепления [9].

К гидролазам относятся пектинэстераза и полигалактуроназа. Пектинэстераза (пектилгидролаза, КФ З. 1.1.1) гидролизует сложноэфирные связи пектина с образованием метилового спирта и полигалактуроновой кислоты с низкой степенью этерификации [17].

Активность фермента тем выше, чем больше степень этерификации пектиновых веществ.

Установлено, что пектинэстераза отщепляет метоксильную группу только в том случае, если в непосредственной близости к омыляемой связи находится хотя бы одна карбоксильная группа. При этом наибольшее сродство пектинэстераза проявляет к метильному остатку в 5-м положении, так как в положениях 6 и 4 имеются свободные СООН-группы (рис. 2). Омыление эфирной связи в положениях 3 и 7 происходит во вторую очередь. Это вызвано тем, что способность пектинэстеразы к разрыву данных эфирных связей меньше, чем к этой же связи в положении 5. В процессе деметоксилирования пектина скорость гидролитического расщепления снижается. Поэтому полного отщепления метоксильных групп не происходит [13].

Полигалактуроназа (полигалактуронидгликаногидролаза, КФ 3.2.1.15) осуществляет гидролитическое расщепление б - 1,4 - гликозидных связей в цепи пектиновых веществ.

По субстратной специфичности ферментов к разрушаемым пектинам различают 4 типа полигалактуроназ:

1) полиметилгалактуроназы - ферменты, действующие на метоксилированную полигалактуроновую кислоту - пектин. В свою очередь, полиметилгалактуроназы разделяют на 2 подгруппы:

- эндополиметилгалактуроназа (Эндо - ПМГ) I типа;

- экзополиметилгалактуроназа (Экзо - ПМГ) III типа.

2) полигалактуроназы - ферменты, действующие на пектовую или пектиновую кислоту. Они также разделены на 2 подгруппы:

- эндополигалактуроназа (Эндо - ПГ) II типа;

- экзополигалактуроназа (Экзо - ПГ) IV типа [17].

Особенности их действия заключаются в следующем. Эндополигалактуроназа I типа является разжижающим ферментом. Он гидролизует нативный высокоэтерифицированный пектин тем быстрее, чем выше его степень этерификации. Следует отметить, что присутствие пектинэстеразы в растворе снижает активность эндополигалактуроназы I типа. Экзополигалактуроназа III типа является осахаривающим ферментом концевого действия, отщепляющим по одному остатку галактуроновой кислоты от пектиновой кислоты или пектина. Фермент проявляет сродство к метоксилированному остатку галактуроновой кислоты, гидролизуя концевую б -1,4 - связь между двумя остатками галактуроновых кислот, которые имеют СООСН₃-группу. Эндополигалактуроназа II типа гидролизует пектиновую или пектовую кислоту. Особенностью этого фермента является то, что он действует только при наличии в пектиновой молекуле свободных СООН-групп. Воздействие эндополигалактуроназы II типа значительно возрастает при наличии в реакционной средепектинэстеразы [18].

Экзополигалактуроназа IV типа проявляет сродство к концевой гликозидной связи в молекуле пектиновой или пектовой кислоты, вблизи которой нет СН₃-группы [17].

Рисунок 2. Схематическая структура пектина: а - химическая структура фрагмента пектина; б - проекция вдоль б - оси кристаллической структуры пектата Na

Пектинтрансэлиминазы расщепляют б-1,4 - гликозидную связь между остатками галактуроновой кислоты в полигалактуронидах с образованием двойной связи в галактуроновом остатке между 4-м и 5-м углеродным атомом. При разрыве б-1,4 - связи водород от 5-го углеродного атома во втором (II) остатке галактуроновой кислоты переносится к 1 - ому углеродному атому первого (I) остатка галактуроновой кислоты. Реакция протекает в нейтральной или слабощелочной среде [9].

Следует отметить, что пектинтрансэлиминазы действуют как на пектин, так и на пектовую кислоту. Предполагают, что по субстратной специфичности они могут быть разделены на две группы, а по механизму разрыва б-1,4 - связи - на экзо и эндоферменты, как и полигалактуроназы [25].

В Номенклатуру ферментов (1979 г.) вошли 2 фермента этой группы: экзополигалактуронатлиаза (КФ 4.2.29), деградирующая деметоксилированный и низкоэтерифицированный пектин; пектинлиаза (КФ 4.22.10), расщепляющая метоксилированный пектин. Следует отметить, что эти ферменты еще недостаточно изучены, и устоявшихся сведений о них пока не имеется [25,37].

Протопектиназа - это фермент, действующий на протопектин. Однако вопрос о существовании протопектиназы до последнего времени остается спорным. Протопектин - сложное соединение, состоящее из различных фрагментов (рис. 4). Поэтому объяснение действия протопектиназы как фермента, расщепляющего б - l, 4-гликозидные связи некорректно, так как механизм отождествляется с полигалактуроназой. Однако нельзя отрицать и существование данного фермента. При воздействии комплекса пектолитических ферментов на срединные пластинки растительной ткани резко снижается вязкость раствора и молекулярная масса пектиновых веществ. Это является следствием воздействия каких-то ферментов, существенно отличающихся от тех, которые возникают при воздействии известных пектолитических ферментов [20].

Наиболее эффективно действие комплексов ферментов. Например, в ферментном препарате пектоклостридине пектинтрансэлиминаза действует вместе с пектингидролазами - экзополигалактуроназой и пектинэстеразой. Комплекс проявляет максимальную активность при температуре 40-45 ^оС и рН 8 [38].

Предполагают, что ферментный гидролиз пектиновых веществ складывается из двух стадий. На первой стадии происходит разрыв 45-55%.

Замедленное течение второй стадии гидролиза объясняют тем, что скорость действия фермента на три- и дигалатуроновые кислоты составляет 5% скорости расщепления исходной пектиновой кислоты [38].

Скорость гидролиза молекулы пектина зависит также от соотношения пектинэстеразы и полигалактуроназы в пектолитическом препарате. При этом относительно низкое содержание пектинэстеразы приводит к замедлению гидролиза пектина в целом [39].

Следует, однако, отметить, что процесс гидролиза пектиновых веществ весьма сложен и недостаточно изучен.

При получении пектина в промышленных условиях применяют целлюлолитические и пектолитические ферменты. Гидролиз целлюлозы облегчает переход комплекса полигалактуроновой кислоты и гемицеллюлоз в свободное состояние. Выделение метоксилированной полигалактуроновой кислоты (растворимого пектина) возможно двумя путями:

1) гидролитическое отщепление гемицеллюлозной составляющей комплекса с помощью гемицеллюлаз;

2) ограниченный гидролиз полигалактуроновой кислоты с помощью пектинрасщепляющих эндоферментов, с вычленением достаточно крупных ее фрагментов [38].

Рисунок 3. Гипотетическая модель протопектина



Ферментативный гидролиз пектиносодержащего сырья по сравнению с общепринятым кислотно-термическим позволяет получить пектин с высокими качественными характеристиками и низкой себестоимостью его производства.

1.6 Комплексообразование пектиновых веществ

Одним из важнейших свойств пектиновых веществ является их комплексообразующая способность, основанная на взаимодействии молекул пектина с ионами тяжелых и радиоактивных металлов. Это свойство дает основание рекомендовать пектин для включения в рацион питания лиц, находящихся в среде, загрязненной радионуклеотидами и имеющих контакт с тяжелыми металлами. Для организма человека особенно опасны долгоживущие изотопы цезия (Cs¹³⁷), стронция (Sr⁹⁰), иттрия (I⁹¹) и др.

Экскреция пектина по отношению к введенной дозе Cs¹³⁷ составляет 8,4%, стронция 52,6% [23].

Комплексообразующие свойства пектиновых веществ зависят от содержания свободных карбоксильных групп, то есть степени этерификации карбоксильных групп метанолом. Степень этерификации определяет линейную плотность заряда макромолекулы, а следовательно, силу и способ связи катионов [12].

При высокой степени этерификации пектина (свыше 90%) свободные карбоксильные группы, в которые включены атомы С6, в значительной степени удалены друг от друга. При этом кальциевые или стронциевые соли пектовой кислоты практически полностью диссоциируют. С уменьшением степени этерификации, то есть при увеличении заряда макромолекулы, связь пектиновых веществ с катионами возрастает, а константа стабильности пектатов увеличивается в функции, близкой к логарифмической зависимости. При степени этерификации 40% происходит изменение конформации, приводящей к агрегатированию пектиновых макромолекул и образованию прочной внутримолекулярной хелатной связи [13].

Увеличение числа карбоксильных групп в пектине приводит к быстрому образованию более крупных флоккул. Зависимость остаточной концентрации гидролитических производных меди и хрома от концентрации пектина в растворе носит экстремальный характер. Для сравнения приведены результаты исследования дисперсий с высокой остаточной концентрацией гидролитических производных в отсутствии пектина. При этом оптимальная концентрация пектина способствует ускорению процесса кристаллизации и образованию гидролитических осадков этих металлов. Кроме того, свекловичный пектин, содержащий наибольшее количество карбоксильных групп, не только ускоряет процесс осветления медь- и хромсодержащих дисперсий, но и снижает остаточную концентрацию гидролитических производных металлов в осветленном растворе. Установлено, что одна молекула свекловичного пектина связывает приблизительно 9200 хромсодержащих молекул; комбинированного - 6900, а цитрусового - 5600 молекул. В присутствии гидролитических производных цинка пектин в щелочной среде проявляет свойства поверхностно-активного вещества [38].

Комплексообразующая способность не зависит от молекулярной массы пектина и определяется коэффициентом селективности катионного обмена, являющимся характеристикой насыщения пектиновых веществ двухвалентным катионом. Коэффициент К_м+^м2+ для Си²⁺, РЬ²⁺, Со²⁺, Sr²⁺, Са²⁺, соответственно равен 3300, 2580, 241, 120, 121, что согласуется с данными.

Исследование сорбционной способности пектовой кислоты показало, что рассматриваемые катионы по комплексообразующей способности, или «активности» располагаются в определенный ряд Mn²⁺>Cu²⁺>Zn²⁺>Co²⁺>Pb²⁺>Ni²⁺>Ca²⁺>Mg²⁺>Cd²⁺[40].

Такая последовательность объясняется тем, что катионы двухвалентного марганца, меди, кобальта, никеля помимо соединений типа R(COO)₂ Ме образуют соединения другого вида за счет взаимодействия (кроме карбоксильных) с оксигруппами макромолекул или за счет образования соли типа R(COO) Me(OOCCH₃) [40,42].

Комплексообразующая способность пектина зависит от рН среды. При разных значениях рН пектиновые вещества имеют различные значения комплексообразующей способности. Для пектина из свекловичного жома высокая комплексообразующая способность достигается при рН 5 (505,0 мг РЬ²⁺/г) и рН 10 (503,7 мг РЬ²⁺/г) [38].

При таких значениях свекловичный пектин связывал до 64-68% от общего количества введенного стронция. Для пектина из соцветий подсолнечника наибольшая комплексообразующая способность наблюдается при рН 9 (455,0 мг РЬ ²⁺/г), пектина из кормового арбуза - при рН 5 (380,0 мг РЬ²⁺/г), яблочного пектина - при рН 5 (312,3 мг РЬ²⁺/г), пектина из виноградных выжимок - при рН 10 (283,0 мг РЬ²⁺/г) [19].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Зависимость остаточной концентрации ионов меди (а), цинка (б) и хрома (в) от содержания в растворе пектина

1 - цитрусового; 2 - комбинированного; 3 - свекловичного

Таким образом, оптимальное значение рН среды, при котором происходит максимальное комплексообразование, для каждого типа пектина индивидуально и зависит от вида пектиносодержащего сырья. Высокая комплексообразующая способность у всех пектиновых веществ наблюдается в интервале рН 4-12, причем максимальные значения достигаются для многих пектинов при рН 5 и рН 9 [38].

В литературе приводятся противоречивые сведения, предполагающие либо влияние количественного соотношения металл-пектин на комплексообразующую способность, либо совершенно отрицающие это влияние.

Проведенные нами исследования позволили установить, что при разных значениях концентрации пектиновых веществ их комплексообразующие свойства различны (рис. 4), хотя с увеличением концентрации у всех пектинов они возрастают прямо пропорционально.

Следует, однако, отметить, что в более разбавленных растворах пектин проявляет большую способность к комплексообразованию. При этом с увеличением концентрации пектина в растворе первоначально наблюдается даже снижение комплексообразующей способности. Это, вероятно, связано с взаимной блокировкой карбоксильных групп [2].

Существенное влияние на комплексообразующую способность оказывает парный эффект пектина и соли тяжелого металла. Одновременное снижение концентрации пектина в растворе при увеличении в нем концентрации тяжелого металла приводит к значительному увеличению константы связывания. Так, при взаимодействии в растворе части кобальта с 10 частями пектина, полученного из соцветий подсолнечника, связывается 7,894 металла, а при соотношении 1: 100 - 80,294; аналогично этому при снижении концентрации до 0,5% свекловичного пектина им связывается 75% стронция [23].

Благодаря комплексообразующему свойству по отношению к металлам пектин является незаменимым веществом в производстве пищевой продукции профилактического и лечебного питания. Оптимальная профилактическая доза пектина составляет для контактирующих с тяжелыми металлами не более 2 - 4 г в сутки, а в условиях радиоактивного загрязнения - не менее 15 - 16 г. [24].

1.7 Студнеобразование пектиновых веществ

Не менее важным свойством пектиновых веществ, определяющим широкую область их применения в пищевой промышленности, является студнеобразующая способность. Студнеобразование зависит от молекулярной массы пектина; степени этерификации его молекулы и содержания функциональных групп; концентрации сахара в растворе; количества балластных веществ, сопутствующих данному пектину; температуры и рН среды [28].

С учетом степени этерификации молекулы пектина различают два вида студней: с побочной валентностью и с основной.

Кислотно-сахарные пектиновые студни образуются водородными связями при участии недиссоциированных свободных карбоксильных групп. Такой тип студня характерен для высокоэтерифицированных пектинов. Низкоэтерифицированные пектины образуют студни только в присутствии ионов Са²⁺. При этом молекулы пектина взаимодействуют между собой за счет свободных карбоксильных групп, связываемых Са-ионом в прочный каркас. Такие студни называют ионносвязанными. Кроме этих основных, возможны студни промежуточные, содержащие и сахар, и Са-ион. Такие студни характерны для пектинов со степенью этерификации 50%, в частности - для свекловичного пектина [34].



Рисунок 5. Зависимость комплексообразующей способности пектина от концентрации пектиновых веществ в растворе

КС подсолнечного пектина, мг Рb²⁺/г; КС арбузного пектина, мг Рb²⁺/г; КС подсолнечного пектина, мг Рb²⁺ /мл; КС арбузного пектина, мг Рb²⁺/мл.

В зависимости от условий, при которых образуется студень, его структура создается при неодинаковом количественном участии различных связей. Прибавленная для студнеобразования кислота вытесняет катионы из пектиновой молекулы, создает свободные карбоксильные группы, уменьшает их диссоциацию, нейтрализуя электростатические силы отталкивания между молекулами пектовой кислоты [9].

Наиболее прочные студни образуются в присутствии лимонной, винной и триоксиглутаровой кислот.

Сахар в процессе студнеобразования выполняет роль дегидратирующего вещества. Способность к дегидратации у разных сахаров - сахарозы, глюкозы, мальтозы - различается, определяя характер их влияния на вязкость пектиновых растворов. Наибольшая прочность студня достигается при добавлении сахарозы, наименьшая - мальтозы [43].

Для образования прочного студня в трехкомпонентной системе пектин-сахар-кислота необходимо их оптимальное соотношение, которое не носит абсолютного характера, а зависит от вида пектина, определяющего пределы соотношения компонентов рецептурной смеси. На практике оптимальным условием является приблизительное соотношение пектина, сахара и кислоты - 1:60: 1 [34,10].

Студнеобразование пектина зависит от рН студня и температуры процесса. Для высокоэтерифицированных пектинов максимальная прочность студня достигается при рН 3,0-3,3, для низкоэтерифицированных - при рН 2,5-2,8. Снижение рН на l/10 в определенных условиях студнеобразования может вызвать повышение оптимальной температуры на 5 ^оС [13].

Однако, несмотря на то, что в литературе часто указывают оптимальное значение рН для получения студней максимальной прочности, научного объяснения взаимосвязи рН и студнеобразующей способности пектина не имеется.

Описанный механизм до настоящего времени обозначался в литературе как «сахарокислотное желирование».

Последние результаты подтверждают, однако, что пектины высокой степени этерификации стабилизируются в геле комбинацией гидрофобных взаимодействий и водородных связей [17].

Метоксильные эфирные группы являются гидрофобными частями пектиновой молекулы. Гидрофобные силы заставляют их сгруппироваться в агрегаты, причем они стремятся иметь как можно меньшую поверхность контакта с водой. В дополнение к этому водородные связи, например, между неэтерифицированными карбоксильными группами образуются тогда, когда значение рН в геле достаточно низкое и диссоциация карбоксильных групп в значительной степени подавлена [36].

Следует отметить, что водородные связи стабилизируют пектиновую сетку, но без гидрофильных взаимодействий метоксильных групп желирование не произошло бы по энергетическим причинам.

Содержание метоксильных групп определяет механизм студнеобразования [17].

Рисунок 6. Механизм студнеобразования низкометоксилированного (а) и высокометоксилированного (б) пектинов

Рисунок 7. Образование гелевой структуры высокоэтерифицированным пектином



Чем выше степень этерификации, тем больше доля гидрофобных сил в желировании. При этом доля водородных связей, образующихся по свободным, неэтерифицированным карбоксильным группам, уменьшается.

Высокое значение рН обусловливает усиление отрицательных факторов, способствующих замедлению или прекращению желирования. В частности, диссоциированные карбоксильные труппы мешают образованию пространственной структуры. Это, в свою очередь, оказывает влияние на интервал значений рН желирования. Подавление диссоциации при очень высоких значениях степени этерификации будет не таким существенным [16].

Чем выше степень этерификации, тем больше значение рН, при которой начинается желирование. Теоретически полностью этерифицированным пектинам (степень этерификации 100% кислота для желирования не требуется[15].

Гелевые структуры образуются при определенном содержании сухих веществ в системе пектин - сахар - кислота. Данный показатель определяет тип применяемого пектина, в частности его степень этерификации [8].

Степень этерификации также оказывает влияние на температуру и время желирования.

Температура желирования - это температура, при которой в остывающем после приготовления геле начинается студнеобразование. Выше этой температуры желирование не происходит, хотя все условия для образования геля выполнены.

При снижении степени этерификации происходит уменьшение температуры желирования [15].



Таблица 1. Влияние содержания метоксильных групп на механизм студнеобразования

Тип пектина	Степень метоксилирования	Теоретическое содержание метоксильной составляющей	Промышленное содержание метоксильной составляющей
Высокоэтерифицированный	100	16,32	14,30
	90	14,79	12,96
	80	13,25	11,61
	70	11,68	10,23
	60	10,09	8,84
Низкоэтерифицированный	50	8,47	7,42
	40	6,83	5,98
	30	5,16	4,52
	20	3,47	3,04
	10	1,75	1,53
	0

Данный процесс наблюдается до момента, когда степень этерификации снижается до такого уровня, при котором реакции с добавленными или находящимися в воде ионами начинают оказывать достаточно сильное влияние на процесс желирования. Самую низкую температуру желирования (55-60 ^оС) имеют пектины со степенью этерификации около 60% [15].

1.8 Фармакологические свойства пектиновых веществ

Наряду с перечисленными физико-химическими свойствами пектины обладают и другими, менее известными, но не менее важными фармакологическими свойствами.

В последние несколько лет все чаще используют такие термины, как «фармацевтический пектин» и «биопектин» [3].

Многоплановый спектр терапевтического действия пектина обусловливает его применение для изготовления лечебных препаратов.

Благодаря своим химическим свойствам - степени этерификации, молекулярной массе, содержанию ацетильных групп - различные структурные единицы пектиновых веществ имеют различную фармакологическую активность [2].

Наибольшей фармакологической активностью обладает рамногалактуронан-1 (RG-l), затем - галактуроновая кислота. Рамногалактуронан-II имеет невысокую иммуностимулирующую активность и до конца не подтвержденную способность к снижению уровня холестерина в организме человека [6].

Пектиновые вещества влияют на процесс межклеточного взаимодействия. Эта гипотеза была высказана американскими онкологами из Мичиганского Ракового фонда.

В экспериментах «in vitro» они обнаружили, что раковые клетки и пектин образуют прочный комплекс. По мнению ученых, галактозные структуры на макромолекуле пектина, вероятно, связывают белковые комплексы на поверхности раковых клеток, которые ответственны за «прилипание» к здоровым тканям, и таким образом препятствуют процессу метастазирования. В последнее время пектин как нетоксичный иммуномодулятор стал рассматриваться и отечественными онкологами. Японскими учеными подтверждено, что наибольшим антиметастазным действием обладает рамногалактуронан-I (RG-I) [18].

Американскими учеными Платом (Platt) и Резом (Raz) установлено, что модифицированный, т.е. низкоэтерифицированный, цитрусовый пектин эффективен при лечении рака предстательной железы. Он ингибирует развитие клеток меланомы В16 [29].

Гемостатические свойства пектиновых препаратов используют при легочных кровотечениях, кровотечениях пищевода, желудка и кишечника, в стоматологии, при гемофилии, гинекологических заболеваниях.

В Болгарии разработан препарат гемоген, уменьшающий время свертывания крови от 40 до 92%.

Многочисленные исследования показали, что пектиновые вещества при введении их в кровь не вызывают агломерации и седиментации эритроцитов. По этой причине пектин применяют для приготовления заменителей кровяной плазмы [34].

Американские ученые установили, что инъекция 0,75%-ного водного раствора хорошо очищенного пектина приводит к более сильному и продолжительному увеличению объема плазмы, чем инъекция равного объема физиологического раствора [9].

Одним из наиболее перспективных является пектиновый плазмозаменитель, представляющий собой эфир пектовой кислоты. Обладая относительно низкой молекулярной массой и высокой эфирной составляющей, этот препарат не способен накапливаться в организме и вызывать тромбозы [29].

Таблица 2. Фармакологическая активность структурных единиц пектина

Действие	Рамногалакгуронан-I (RG-I)	Рамногалактуронан-II	Галактуроновые звенья
Транспортирование вакцины противотифоз-ной лихорадки	+		+
Антиметастазное	+
Антиязвенное	+		+
Иммуностимулирующая активность
Комплементарная активация	+
FcR-регуляция	+	+
Фагоцитоз макрофагов (активация RES)	+
Антиопухолевая активность	+
Антиневрозное			+
Снижение холестерина			+

Одним из наиболее интересных и эффективных применений пектина в медицине является использование его в хирургической практике при обработке ран. Раны, обработанные 2%-ным раствором пектина, не воспаляются и быстро заживают. В Болгарии разработаны препараты Гемостол (водный раствор для лечения глубоких ран) и Пектодерм (масляная пектиновая эмульсия для лечения любого вида ран) [4].

Американским ученым разработан способ получения ранозаживляющего гелеподобного препарата, обладающего быстронаступающим и пролонгированным противомикробным действием при лечении кожных язв, открытых ран и т.п. [29].

Разработаны также перевязочные средства для обработки ран, язв, ожогов. Пектиновые вещества, обладающие высокой сорбционной способностью и устойчивые к воздействию крови, наносят на липкий слой резиновых эластомеров, получая таким образом эффективные перевязочные материалы [4].

Не менее эффективно пероральное применение пектина для профилактики и лечения гнойно-септических осложнений у ожоговых больных.

Результаты экспериментов, проведенные в НИИ скорой помощи им. Н.В. Склифосовского, показали, что у больных, получавших перорально пектины, сократилось число случаев бактериемии, уменьшились явления интоксикации, снизилось количество инфекционных осложнений и летальность. Заживление ожоговых ран происходило быстрее [24].

Следует отметить, что применение пектинов для большинства больных (86,4%) совпало с наиболее тяжелыми этапами течения ожоговой болезни - периодами токсемии и ранней септикотоксемии. У всех обожженных уменьшились явления интоксикации, а после лечения пектинами снизились до 2, 16% [34].

Течение ожоговой болезни у пациентов, получавших пектин в ранние сроки после травмы, было благоприятным, инфекционные осложнения во время курса лечения и в последующем наблюдались значительно реже. Летальность в основной группе пациентов составила 4,5% причиной смерти была пневмония. В контрольной группе летальность достигла 21% [29].

После лечения пектинами уменьшилось количество больных, имеющих дефицит бифидобактерий (с 77,8 до 66,7%) и лактобактерий (с 33,3 до 22,2%); снизилось количество пациентов с повышенным титром условно-патогенных микроорганизмов (протеев, стафилококков, псевдомонад и энтеробактерий) с 66,7 до 55,6%. Применение пектинов в 1%-ной концентрации в течении 7-10 дней способствовало улучшению показателей микробиоценоза кишечника. После лечения пектинами произошла нормализация количества лейкоцитов [33].

Таким образом, включение в комплекс терапевтических мероприятий пектинов позволило повысить эффективность лечения ожоговых больных. Количество инфекционных осложнений у пациентов основной группы было в 2,2 раза меньше, а летальность - в 4,7 раза ниже, чем в контрольной. У больных отмечали улучшение общего состояния, снижение температуры тела до субфебрильных значений, уменьшение тахикардии, уменьшение количества лейкоцитов и увеличение количества лимфоцитов, отмечена тенденция к снижению макро- и среднемолекулярных иммунных комплексов [29].

Для лечения острых и хронических артритов предложены фармацевтические составы, приятные на вкус, содержащие рассчитанные количества жира печени трески, пектина, растительных камедей и витамина С.

Эти препараты могут назначаться как индивидуально, так и добавляться в йогурты, фруктовые соки, салаты [11].

Детоксицирующие свойства пектиновых веществ обусловливают их применение для лечения аллергических заболеваний, в частности диатезов у детей. Установлено, что после применения 1%-ного раствора пектина по одной чайной ложке 3 раза в день за 20 мин до кормления ребенка в течение 2-х недель наблюдался положительный эффект: уменьшение кожных проявлений диатеза и дисфункции кишечника, улучшение самочувствия и аппетита [14].

Такой терапевтический эффект пектина, по мнению ученых, связан с его выраженными десенсибилизирующими свойствами.

Пектин, адсорбируя в кишечнике пищевые аллергены, ускоряет процесс их элиминации. При этом сам пектин не участвует в процессе метаболизма, что подтверждается стабильностью обмена углеводов у детей [3].

Одним из важных известных физиологических действий пектинов является изменение вязкости содержимого желудка и кишечника, что приводит к замедлению транзита по желудочно-кишечному тракту. Это, в свою очередь, влияет на абсорбцию пищевых сахаров и липидов, уменьшает биодоступность микроэлементов и некоторых других компонентов химуса.

В то же время, после прохождения по тонкой кишке пектины ферментируются в толстой кишке анаэробными бактериями в короткоцепочные жирные кислоты. В толстой кишке следствием наличия пектинов и продуктов их бактериальной деградации являются увеличение объема стула и ускоренный транзит по толстой кишке [3,29].

Благодаря сильной водоудерживающей способности пектины увеличивают содержание воды в стуле, что благоприятно сказывается на самочувствии человека.

Другим фармакологическим свойством пектина является его обволакивающее и защитное действие. Являясь высокомолекулярными полисахаридами, пектиновые вещества способны образовывать гель на поверхности слизистой оболочки желудка и кишечника, что предохраняет их от раздражающего влияния агрессивных факторов [3].

Специалистами установлено, что продуктами кишечной ферментации пектинов являются С1 - С6-монокарбоновые кислоты, в том числе С2-С4-кислоты (уксусная, пропионовая и масляная). При этом соотношение между ними определяется составом анаэробной микрофлоры и рН содержимого кишки [40].

Известно, что у человека эти короткоцепочечные жирные кислоты легко абсорбируются в кишечнике и обеспечивают от 5 до 10% базальной энергетической потребности. Они же являются основными компонентами питания для эпителиальных клеток, выстилающих толстую кишку.

Зависимость от окисления этих кислот возрастает от восходящей кишки к прямой. За счет стимуляции пролиферации эпителиальных клеток, короткоцепочечные жирные кислоты обеспечивают заживление поврежденной поверхности кишечника [29].

Слизистая оболочка толстой кишки реагирует острым или хроническим воспалением на резкое уменьшение доступности бутирата, пропионата и ацетата. Поэтому недостаточное потребление пищевых полисахаридов приводит к низкой продукции жирных кислот и обусловливает высокую частоту возникновения расстройств толстого кишечника. Включение в диету дополнительных количеств полисахаридов, в том числе пектинов, оказывает лечебное действие [3].

С образованием монокарбоновых кислот связывают и защитное действие пищевых полисахаридов в отношении рака толстой кишки. Показано, что масляная кислота индуцирует дифференциацию и апоптоз карциномных клеток толстой кишки. Вклад в противоопухолевое действие короткоцепочечных жирных кислот, по-видимому, вносит их способность снижать рН содержимого толстой кишки [4].

Установлено также, что пектины оказывают регулирующее действие на иммунную систему кишечника.

В экспериментах на крысах пектины достоверно повышали уровень содержания гамма-интерферона в лимфоцитах мезентеральных лимфоузлов и иммуноглобулинов Е, А, G и М в сыворотке крови, а также стимулировали лизосомальную активность периферических фагоцитов [29].

Клинические наблюдения за больными язвой двенадцатиперстной кишки показали, что препарат «Коллоидный висмут пектин» эффективен в лечении Helicobacterpylori-позитивной дуоденальной язвы. Вместе с гидроокисью алюминия и окисью магния пектины рекомендованы для лечения язв желудка и двенадцатиперстной кишки [40].