Budowa i właściwości pektyn

Budowa i właściwości pektyn
STRESZCZENIE
P
ektyny reprezentują bardzo złożoną, heterogeniczną rodzinę polisacharydów ścian komórek roślinnych, odgrywającą ważną rolę w procesach wzrostu, różnicowania i obrony
roślin. Jako polimery o właściwościach żelujących i stabilizujących są też ważnym składnikiem różnych produktów spożywczych. Uważa się je nawet za prozdrowotny składnik diety
człowieka. W poniższym artykule przedstawiono aktualny stan wiedzy na temat budowy,
wzajemnych powiązań i właściwości poszczególnych frakcji pektyn oraz zmian jakie dokonują się w nich podczas stosowanego na skalę przemysłową procesu kwasowej ekstrakcji z
materiału roślinnego. Sporo uwagi poświecono też strukturze i właściwościom otrzymywanych w ten sposób handlowych preparatów pektynowych.
WPROWADZENIE
Pektyny to polisacharydy stanowiące około 35% masy ścian komórek roślinnych. Z roku na rok nabierają one coraz większego znaczenia dla przemysłu.
Ich zastosowanie nie ogranicza się już tylko do produkcji dżemów i galaretek
jak w XIX wieku, ale sięga daleko nawet poza przemysł spożywczy. Prócz wykorzystania właściwości żelujących i emulgujących, niezbędnych w produkcji
wyrobów cukierniczych, lodów, mleka acydofilnego, ketchupów i majonezów
[1,2], preparaty pektynowe mogą być stosowane także jako powłoki produktów
spożywczych skutecznie chroniące przed absorpcją tłuszczu w czasie procesu
smażenia [3], a ich dodatek do nektarów i soków owocowych może zapobiegać powstawaniu osadów i spowalniać tempo rozkładu barwników antocyjanowych [4,5]. W ostatnich latach wykazano pozytywny wpływ pektyn na zdrowie
człowieka. Okazuje się, że polisacharydy te spełniają ważną rolę w walce z nadmiarem cholesterolu we krwi i otyłością, a nawet cukrzycą typu II [6,7]. Hamują
rozwój nowotworów i indukują apoptozę w komórkach rakowych [8-10]. Tak
różnorodne i szerokie spektrum działania pektyn możliwe jest dzięki niespotykanej wśród innych sacharydów, niezwykle skomplikowanej i niejednorodnej
strukturze, różnej w zależności od gatunku rośliny, tkanki, a nawet komórki.
Szacuje się, że pektyny zawierają nie mniej niż 17 różnych mannoz połączonych
co najmniej 20 różnymi wiązaniami [11]. Wspólnym mianownikiem w ich budowie jest obecność cząsteczek kwasu α-D-galakturonowego połączonych wiązaniami glikozydowymi pomiędzy atomami węgla w pozycji C-1 i C-4. Różnice
dotyczą natomiast wielkości cząsteczek, długości i stopnia rozgałęzienia łańcuchów, składu cukrów, które je tworzą, a także stopnia metylacji i acetylacji. Ze
względu na te różnice identyfikuje się wśród pektyn frakcje homogalakturonianu, ksylogalakturonianu, apiogalakturonianu, ramnogalakturonianu I i ramnogalakturonianu II. Aktualna wiedza na temat ich budowy i wzajemnych powiązań zostanie przybliżona w kolejnych rozdziałach tej pracy.
Agnieszka Wikiera*
Magdalena Mika
Katedra Biotechnologii Żywności, Wydział
Technologii Żywności, Uniwersytet Rolniczy
w Krakowie, Kraków
Katedra Biotechnologii Żywności, Wydział
Technologii Żywności, Uniwersytet Rolniczy
w Krakowie, ul. Balicka 122, 30-149 Kraków;
tel.: (12) 662 47 96, e-mail: [email protected].
pl
*
Artykuł otrzymano 21 maja 2012 r.
Artykuł zaakceptowano 17 września 2012 r.
Słowa kluczowe: pektyny, homogalakturonian, ramnogalakturonian I, ramnogalakturonian II, ekstrakcja
Wykaz skrótów: DA — stopień acetylacji; DM
— stopień metylacji; GA — kwas galakturonowy; HG — homogalakturonian; HMP — pektyna wysokometylowana; LMP — pektyna
niskometylowana; LMAP — pektyna niskometylowana amidowana; RG I — ramnogalakturonian I; RG II — ramnogalakturonian II; XG
— ksylogalakturonian
HOMOGALAKTURONIAN
Homogalakturonian (HG) może stanowić około 65% ogółu pektyn występujących w ścianie komórkowej rośliny [12]. Jest liniowym polimerem powstającym z połączenia reszt kwasu α-D-galakturonowego (GA) wiązaniami 1,4-O-glikozydowymi. Liczba monomerów GA w cząsteczkach homogalakturonianu
może wahać się od 300 do 1000 [13,14], co przekłada się na masę cząsteczkową
rzędu 50-180 kDa. Każdy z monomerów może ulegać szeregowi modyfikacji, do
najczęstszych należą metylacja grupy karboksylowej oraz acetylacja tlenu przy
węglu C-3, rzadziej przy węglu C-2 [15]. W efekcie stopień metylacji (DM) homogalakturonianu naturalnie występującego w przyrodzie jest wysoki i wynosi
w zależności od tkanki, wieku i gatunku rośliny od 54% do 81% [12,15]. Stopień
acetylacji (DA) jest z reguły niższy, na przykład w HG jabłek wynosi około 35%
[15]. Oba podstawniki (metylowy i acetylowy) jak i sposób ich rozmieszczenia w
łańcuchu mają silny wpływ na właściwości homogalakturonianu. Wykazano, że
jeśli w cząsteczce HG pozostają bloki co najmniej dziesięciu niezestryfikowanych
Postępy Biochemii 59 (1) 2013
89
jednostek GA to chętnie łączą się one za pośrednictwem
Ca2+ z podobnym blokiem w sąsiedniej cząsteczce tworząc
w ten sposób tzw. strukturę pojemnika na jajka (ang. egg-box
model) [11]. Obecność grup metylowych i acetylowych oraz
ich równomierne, nieblokowe rozmieszczenie w łańcuchu
utrudniają ten proces [12,16]. Grupy metylowe wiążąc się z
resztami karboksylowymi bezpośrednio zmieniają gęstość
ładunku HG, zaś grupy acetylowe wiążąc się w innych miejscach przede wszystkim powodują zmiany konformacyjne
polimeru, które mogą ograniczać dostęp do kationów Ca2+
związanych przez reszty COO- znajdujące się w sąsiedztwie
[12,17]. Od stopnia acetylacji i metylacji zależy również podatność HG na degradację przez galakturonazy. Wykazano, że obecność podstawników metylowych i acetylowych
sprawia, że poligalakturonazy mają niższe powinowactwo
do pektyn [15,18].
PODSTAWIONY HOMOGALAKTURONIAN —
KSYLOGALAKTURONIAN I APIOGALAKTURONIAN
Obok metylacji i acetylacji, kolejną modyfikacją łańcucha HG jest ksylozylacja polegająca na przyłączeniu β-Dksylozy do węgla C-3 kwasu galakturonowego [19]. Podstawnikiem mogą być także ksylooligomery, w których
reszty ksylozy połączone są ze sobą wiązaniami 1,4-O-glikozydowymi [20]. Odcinki homogalakturonianu bogatego
w podstawniki ksylozowe nazywane są ksylogalakturonianami (XG). Niekiedy nawet 75% cząsteczek kwasu galakturonowego może być w ten sposób podstawiona resztami
ksylozy. Dotyczy to także zmetylowanych łańcuchów homogalakturonianu. Ksylogalakturoniany występują zazwyczaj w tkankach organów generatywnych roślin, głównie w
owocach i nasionach [11]. Przypuszcza się, że obecność XG
chroni tkanki rośliny przed działaniem poligalakturonaz
produkowanych w dużych ilościach w trakcie zakażenia
patogenami [21].
W tkankach roślin wodnych (rzęsowate, trawy morskie)
często występuje inna modyfikacja homogalakturonianu,
polegająca na przyłączaniu podstawników apiozowych
do węgla C-2 lub C-3 kwasu galakturonowego. Niekiedy
do szkieletu homogalakturonowego dołączone są dimery
apiozy w postaci β-D-apiofuranozo-1,3-β-D-apiofuranozy
[22]. Zawartość apiozogalakturonianu w różnych tkankach
roślin może wahać się od 0,2% w uśpionych pąkach roślin
lądowych, aż do 20% w liściach roślin wodnych z rodziny
rzęsowatych [13]. Najprawdopodobniej odgrywa on więc
ważną rolę w przystosowaniu się tych roślin do środowiska
wodnego.
RAMNOGALAKTURONIAN I
Frakcja ramnogalakturonianu I (RG I) stanowi około
20-35% pektyn znajdujących się w roślinnej ścianie komórkowej [21]. Jego szkielet jest zbudowany z powtarzających
się nawet stukrotnie monoz: ramnozy i kwasu galalturonowego, tworzących disacharyd α-D-galakturonopiranozylo(1,2)-α-L-ramnopiranozę. Kolejne jednostki tego disacharydu łączą się ze sobą wiązaniem 1,4-O-glikozydowym. Jednostki kwasu galakturonowego, podobnie jak w HG, mogą
być O-acetylowane przy węglach C-2 i C-3 zaś obecność
estrów metylowych nie została jednoznacznie potwierdzo-
90
na [22,23]. Kwas galakturonowy głównego łańcucha zazwyczaj nie jest miejscem wiązania bocznych odgałęzień.
Funkcje te spełniają reszty ramnozy, z których w zależności
od pochodzenia RG I 20 do 80% posiada w pozycji C-4 boczny łańcuch obojętnych lub kwasowych oligosacharydów
[24]. Zwykle łańcuchy boczne to monomery lub oligomery
α-L-arabinofuranozy i β-D-galaktopiranozy. W przypadku
oligomerów arabinozy kolejne jednostki połączone są wiązaniami (1→5) glikozydowymi, a w miejscach rozgałęzień
(1→3) glikozydowymi, natomiast w przypadku oligomerów galaktozy są to odpowiednio wiązania (1→4) i (1→3)
glikozydowe. Spotyka się także kombinacje obu aldoz czyli
arabinogalaktany, w których reszty arabinozy i galaktozy
połączone są wiązaniami (1→3) glikozydowymi [20,25]. Na
końcach wszystkich łańcuchów bocznych zwykle obecne są
reszty kwasu ferulowego [26]. Substytucja taka jest szczególnie częsta w pektynach jabłkowych. Niektórzy badacze
jak np. Popper i Fry [27] za element integralny RG I uważają
także część cząsteczek ksyloglukanów. Zgodnie z ich pracami ksyloglukany te mogą być syntetyzowane de novo jako
łańcuch boczny RG I i dzieje się to jeszcze przed sekrecją
polimerów do apoplastu [27].
RAMNOGALAKTURONIAN II
Obecność ramnogalakturonianu II (RG II) w pierwotnych
ścianach komórkowych została potwierdzona u wszystkich
przebadanych dotychczas roślin wyższych i zwykle stanowi on około 10% znajdujących się tam pektyn [21]. Mimo
podobnej nazwy RG II nie jest blisko spokrewniony z RG
I. Jego struktura w porównaniu z innymi frakcjami pektynowymi jest zachowana w ewolucji, co wskazuje na niezwykle istotną rolę tego polimeru w funkcjonowaniu ściany komórkowej [28]. Cząsteczki ramnogalakturonianu II
posiadają liniowy szkielet będący polimerem przynajmniej
7-9 reszt kwasu α-D-galakturonowego, połączonych wiązaniami 1,4-glikozydowymi. Reszty te mogą być zarówno
metylowane jak i acetylowane. Od szkieletu oligogalakturonowego odchodzą cztery różne typy łańcuchów bocznych
o zdefiniowanej strukturze, oznaczone kolejnymi literami
alfabetu (A, B, C, D) [11]. Łańcuch boczny A jest oktasacharydem, a łańcuch boczny B nonasacharydem — oba związane są z resztami GA przy węglach w pozycji C-2. Pozostałe
łańcuchy, C i D, to dwa różne strukturalnie disacharydy,
które związane są z węglem C-3 reszt kwasu galakturonowego [22,28]. Możliwe są różne układy rozmieszczenia tych
łańcuchów względem siebie w cząsteczce ramnogalakturonianu II. Cechą szczególną bocznych łańcuchów RG II jest
obecność aż 12 różnych reszt cukrowych. Są wśród nich
typowe jak: ramnopiranoza, arabinofuranoza, galaktopiranoza, kwas glukuronowy i galakturonowy, oraz nietypowe
jak: D-apioza, 2-O-metylo-L-ksyloza, 2-O-metylo-L-fukoza, 3-C-karboksy-5-deoksy-L-ksyloza czyli kwas acerowy,
kwas 2-keto-3-deoksy-D-manno-2-oktulosonowy (Kdo)
oraz kwas 3-deoksy-D-likso-2-haptulosarowy (Dha) [13,28].
W ścianach komórkowych cząsteczki RG II występują zazwyczaj jako dimery połączone wiązaniami diestrowymi.
Wiązania te tworzą się za pośrednictwem kwasu borowego oddziałującego z jednostkami apiozowymi łańcuchów
A dwóch sąsiednich monomerów ramnogalakuronianu II
[19]. Struktura RG II jest wyjątkowo wytrzymała na działa-
www.postepybiochemii.pl
Kwas galakturonowy
Ramnoza
Arabinoza
Galaktoza
Ksyloza
Kwas ferulowy
RG I
HG
XG
modelu nie ma podziału cząsteczki polimeru
na rejony gładkie i rozgałęzione bo zarówno
HG, XG jak i RG II są
po prostu łańcuchami
bocznymi RG I i mogą
być przyłączone zarówno do ramnozy jak
i do kwasu galakturonowego tego polimeru,
co pokazano na rycinie 2.
Oba przedstawione modele nie oddają
jednak jeszcze w pełni
złożoności struktury
pektyn.
Należy
bowiem pamiętać, że nie dość iż każdy z tworzących
ten polimer oligomerów może występować w różnych
proporcjach to może także dodatkowo tworzyć komleksy.
Cząsteczki HG, jak wspomniano wcześniej, mogą łączyć się
za pośrednictwem jonów wapnia, cząsteczki RG II mogą
asocjować za pośrednictwem wiązań borodiestrowych (nawet 95% występuje w formie dimerycznej), a cząsteczki RG
I mogą wiązać się przez obecne na końcach ich łańcuchów
bocznych reszty kwasu ferulowego [13,30].
Rycina 1. Podstawowa struktura pektyn, w której homogalakturonian tworzy rejony gładkie, a RG I i XG rejony rozgałęzione pektyn; za
De Vries i Visser [26] i Voragen i wsp. [11].
nie enzymów pochodzenia mikrobiologicznego, degradujących polisacharydy ścian komórkowych [15,18].
MODELE STRUKTURY PEKTYN
Aktualnie funkcjonują co najmniej dwa alternatywne modele opisujące wzajemne powiązania polisacharydów tworzących pektyny. Pierwszy, określany mianem klasycznego,
został zaproponowany przez De Vries’a i Visser [1,26] i zakłada, że łańcuchy HG oraz RG I i RG II są ze sobą połączone wiązaniami kowalencyjnymi pomiędzy resztami kwasu
galakturonowego i tworzą rusztowanie pektyn. W tym modelu HG stanowi gładkie (ang. smooth) obszary pektyn a RG
I i II obszary rozgałęzione (ang. hairy). Liczba regionów rozgałęzionych może być zmienna, od jednego (w zależności
od ich położenia jest to typ struktury A lub B) do trzech.
Jeśli w cząsteczce są trzy obszary rozgałęzione, to znajdują
się one zawsze w regularnych odstępach (typ struktury C),
natomiast jeśli są dwa takie regiony, to są one położone na
końcach łańcucha (typ struktury D) [26]. Omówiony model
struktury pektyn został później częściowo zmodyfikowany
przez zespół badawczy Voragen’a. Potwierdzono, że regiony gładkie pektyn
zgodnie z założeniami De Vries i Visser
utworzone są przez
odcinki HG, ale rejony
rozgałęzione
tworzy para RG I i
XG (Ryc. 1), a nie RG
I i RG II. Co więcej
Voragen i wsp. nie
określili precyzyjnie
miejsca występowania RG II. Przypuszcza się, że może on
stanowić
łańcuch
boczny HG umożliwiający sieciowanie
pektyny [11].
Inne podejście do
struktury
pektyn
zaproponował Vincken i wsp. [29]. W ich
EKSTRAKCJA PEKTYN
Głównym źródłem pozyskiwania pektyn na skalę przemysłową są odpady przetwórstwa owocowo-warzywnego w postaci suszonych wytłoków jabłkowych (15-18%
pektyn w suchej masie) oraz skórek cytrynowych (średnio
30% pektyn w suchej masie) [1,2,31]. Ze względu na duże i
ciągle rosnące zapotrzebowanie próbuje się również wykorzystywać do produkcji surowce niekonwencjonalne, takie
jak buraki cukrowe, koszyczki wielokwiatowe słonecznika,
Kwas galakturonowy
Ramnoza
Arabinoza
Galaktoza
Ksyloza
Fukoza
Apioza
Kwas glukuronowy
Kwas acerowy
Kdo
Dha
Kwas ferulowy
Rycina 2. Altenatywna struktura pektyn, zaproponowana przez Vincken’a i wsp. [29], w której HG jest łańcuchem bocznym RG I.
Postępy Biochemii 59 (1) 2013
91
łuski sojowe, skórki bananów, łupiny dyni, ziemniaki, liście
tytoniu, odpady powstałe w wyniku przetwarzania mango,
papai, kawy czy kakao [32,33]. Tradycyjne metody pozyskiwania pektyn oparte są na ekstrakcji z wykorzystaniem
substancji chemicznych. Obecnie na skalę przemysłową stosuje się jedynie ekstrakcję kwasową choć pektyny mogą być
ekstrahowane ze ścian komórkowych również za pomocą
gorącej wody, buforów, substancji chelatujących, wodorotlenku sodowego [2,34], mikroorganizmów takich jak Trichosporon penicillatum [35] i preparatów enzymatycznych o
różnym stopniu oczyszczenia [36-38]. Kwasowa ekstrakcja
pektyny przebiega najczęściej w obecności kwasu siarkowego, chlorowodorowego lub azotowego, w pH od 1 do 3, w
temperaturze 80-100oC przez co najmniej 3 godziny [33,39].
Wyekstrahowaną pektynę oddziela się od resztek materiału
ekstrakcyjnego przez filtrowanie lub wirowanie. Następnie
poddaje się zagęszczaniu przez częściowe odparowanie
rozpuszczalnika. Z otrzymanego w ten sposób roztworu
pektynę strąca się przy użyciu czystego lub zakwaszonego
alkoholu. Najczęściej używanymi na skalę przemysłową alkoholami są izopropanol i etanol, których stężenie końcowe nie powinno być niższe niż 70% [2,40]. Otrzymany strąt
pektynowy przemywa się jeszcze kilkakrotnie alkoholem w
celu wypłukania rozpuszczalnych w nim mono- i oligosacharydów, a następnie poddaje suszeniu. Suszenie pektyny
na skalę przemysłową odbywa się w temperaturze nie przekraczającej 60oC, jednoetapowo lub dwuetapowo (pierwsze suszenie w 30oC, drugie w 60oC) w piecach z obiegiem
powietrza lub próżniowo [41]. Umożliwia to uzyskanie
produktu zgodnego z normami, a więc o wilgotności nie
przekraczającej 12% (FAO, FCC, EEC). Wysuszoną pektynę
poddaje się rozdrobnieniu do ziaren o wielkości nie większej niż 0,5 mm.
CHARAKTERYSTYKA HANDLOWYCH
PREPARATÓW PEKTYNOWYCH
Podczas ekstrakcji kwasowej opisana na wstępie charakterystyczna dla danego surowca struktura pektyn ulega
modyfikacji często nawet daleko posuniętej. Wiele rozgałęzionych struktur ramnogalakturonianu I czy ramnogalakturonianu II utworzonych przez cukry obojętne zostaje wówczas zniszczonych. Pozostaje natomiast stabilny w tych warunkach łańcuch poligalakturonianu. Według norm FAO i
EEC zawartość kwasu galakturonowego nie może stanowić
mniej niż 65% suchej masy handlowych preparatów pektynowych, a niejednokrotnie przekracza 70% [42]. W zależności od zastosowanych warunków izolacji istotnym zmianom
podlega także stopień zestryfikowania pektyny metanolem
i kwasem octowym. Niskie pH, wysoka temperatura i długi
czas ekstrakcji sprzyjają znacznemu obniżeniu wartości obu
tych parametrów w preparatach pektynowych. Wykazano,
że bardzo wysoki 79% DM pektyny jabłkowej oznaczony
po godzinnej ekstrakcji w 80oC przy pH 2,0, spada do 54%
po zastosowaniu trzygodzinnej ekstrakcji w 90oC w pH 1,5.
Wartość DA w tych warunkach obniża się z 8,7% do 4% [34].
W związku z tym, że oba wymienione parametry mogą być
bardzo zmienne i jednocześnie decydują o zastosowaniu
przemysłowym polimeru, handlowe preparaty pektynowe
dzieli się na wysokometylowane (HMP), w których stopień
metylacji przekracza 50%, niskometylowane (LMP) o stop-
92
niu metylacji niższym niż 50%, niskometylowane amidowane (LMAP) i preparaty acetylowane.
Preparaty HMP otrzymuje się głównie z cytryn, rzadziej
z jabłek w wyniku standardowej ekstrakcji kwasowej. Ich
naturalny stopień metylacji mieści się w przedziale od 55%
dla jabłek do 70% dla cytryn [1,43], ale można go dodatkowo podnieść traktując wyizolowaną pektynę roztworem
metanolu zakwaszonego kwasem siarkowym lub chlorowodorowym. Podczas tego procesu stosuje się temperatury rzędu kilku stopni Celsjusza w celu zminimalizowania
reakcji depolimeryzacji HG [42]. Preparaty pektynowe wysokometylowane żelują w roztworze o pH mieszczącym
się w granicach 2,5-3,8 w obecności co najmniej 55% cukru
(sacharozy, glukozy, fruktozy) wykorzystując oddziaływania hydrofobowe i wiązania wodorowe [17,44]. Ze względu
na czas zestalania dzieli się HMP na ultraszybko-, szybko-,
średnioszybko- i wolnozestalające. Powstałe z ich udziałem
żele są przezroczyste, twarde i termostabilne, ale podatne
na synerezę (kurczenie się żelu i wydzielanie się z niego
płynu) [45].
Preparaty pektynowe niskometylowane otrzymuje się
głównie z HMP w procesie kontrolowanej deestryfikacji
w środowisku zasadowym lub enzymatycznie z udziałem
pektynoesterazy [46]. Z pominięciem etapu dodatkowej
deestryfikacji tego typu preparaty można otrzymywać z
łusek sojowych (pektyna o DM = ok. 20%) [47]. Preparaty
pektynowe niskometylowane żelują w pH od 2,5 do 6,5, ale
wymagają do tego obecności Ca2+ w stężeniu 20-40 mg/g
pektyny. Zdolności do żelowania preparatów LMP sprzyja
również blokowe rozmieszczenie w łańcuchu zestryfikowanych metanolem reszt kwasu galakturonowego [48,49].
Uważa się nawet, że zestalanie następuje według wspomnianego wcześniej mechanizmu „egg-box”, gdzie niemetylowane cząsteczki GA tworzące bloki zbudowane z 7-20
monomerów wiązane są za pomocą kationów wapnia z podobnym segmentem w sąsiedniej makromolekule [48,50].
Stąd też w procesie żelowania LMP szczególnie ważny jest
stosunek ilości Ca2+ do ilości cząsteczek GA. Zbyt niskie
stężenie Ca2+ powoduje otrzymywanie żeli słabych i mało
elastycznych, zbyt wysokie natomiast daje żele mocne, ale
kruche i łamliwe [48,49].
Preparaty pektynowe niskometylowane amidowane
uzyskuje się zwykle w wyniku prowadzonej w obecności
amoniaku chemicznej demetylacji preparatów HMP. Na
skalę przemysłową proces ten odbywa się przez potraktowanie wytrąconej pektyny wysokometylowanej mieszaniną
alkoholu, wody i rozpuszczonego amoniaku. Poprzez wybór odpowiednich warunków procesu, a więc stężenia amoniaku, aktywności wody i temperatury produkować można preparaty pektynowe o różnym stopniu zamidowania.
Najczęściej udział reszt kwasu galakturonowego podstawionych pierwszorzędową grupą amidową wynosi 15-25%
[51]. Preparaaty pektynowe amidowane żelują w szerokim
zakresie pH (2,8-7,0) i w obecności 10-80 mg Ca2+ na 1 g
pektyny. W proces ten zaangażowane są zarówno wiązania wodorowe tworzone z udziałem reszt amidowych, jak i
jony wapnia [51]. Utworzone przez LMAP żele cechuje wysoka termoodwracalność, stosunkowo niska podatność na
synerezę oraz większa transparentność, elastyczność i wywww.postepybiochemii.pl
trzymałość żelu w zestawieniu z preparatami pektynowymi
nieamidowanymi o tym samym stopniu metylacji [52].
Preparaty pektynowe acetylowane na skalę przemysłową otrzymuje się z innych preparatów pektynowych przez
ich chemiczną modyfikację. Rzadziej ekstrahuje się je bezpośrednio z surowca np. z pulpy buraczanej (DA=58%) i
dyni [36,42]. Zestryfikowane octanem grupy karboksylowe odpowiadają za stosunkowo większą hydrofobowość i
mniejszy wpływ Ca2+ na zdolność dimeryzacji i tworzenia
struktur „egg-box”. Dodatkowo często towarzysząca tego
rodzaju preparatom pektynowym wysoka zawartość cukrów obojętnych i mała masa cząsteczkowa powodują, że
preparaty te odznaczają się słabymi zdolnościami zestalającymi, ale za to są powierzchniowo czynne i dobrze stabilizują mieszaniny dwufazowe olej — woda [53]. W efekcie
wykorzystuje się je jako substancję żelującą o umiarkowanej
sile działania, ale zdolną do emulgacji, a dzięki obecności
reszt kwasu ferulowego przyłączonych do galaktozy i arabinozy łańcuchów bocznych, zdolną również do dehydratacji i rehydratacji [36].
Zawartość cukrów obojętnych w handlowych preparatach pektynowych jest niższa niż w pektynach in muro i
wynosi od 5% [50] do 30% [34]. Jedynie przy zastosowaniu
bardzo łagodnej ekstrakcji kwasowej lub zasadowej (wykorzystywana do otrzymywania preparatów pektyn acetylowanych) zbliża się do poziomu charakterystycznego
dla pektyn in muro i wynosi 45% [34]. Spadek zawartości
cukrów obojętnych, jak już wspomniano, jest efektem skracania podczas ekstrakcji, bocznych łańcuchów RG I, RG II
i XG, tj. arabanów, galaktanów i ksylanów, których połączenia są bardziej wrażliwe na hydrolizę kwasową niż wiązania łączące ramnozę z GA w szkielecie głównym RG I,
czy wiązania pomiędzy GA w HG i RG II [40]. W efekcie
handlowe preparaty pektynowe to w ogromnej większości
homogalakturonian. Silnie zdegradowane RG I i RG II stanowią tylko niewielki procent produktu a zawartość związanych z nimi arabanów i galaktanów sięga odpowiednio
0,5-6,3% i 3,1-6,2%. Będąca zasadniczym składnikiem RG I,
bo współtworząca jego łańcuch główny ramnoza, w takich
pektynach stanowi od 0,8 do 1,6%, a ksyloza od 0,8 do 1,4%
[34]. W zamian w handlowych preparatach pektynowych
mogą znaleźć się pewne ilości glukozy i fruktozy [34], a
więc cukrów niezwiązanych ze strukturą pektyn in situ lecz
pochodzących od innych polimerów ściany komórkowej
lub dodawanych w czasie standaryzacji preparatów.
Masa cząsteczkowa dla izolatów pektyn pochodzących
z różnych gatunków roślin może wahać się w zakresie od
41 do 307 kDa [20]. Średnia masa handlowych preparatów
pektynowych mieści się jednak zwykle w przedziale 200260 kDa [43]. Większa masa, należy do grupy czynników
zwiększających lepkość roztworów polimeru, co z kolei
przyczynia się do lepszych zdolności żelujących. Preparaty
pektynowe posiadające mniejszą masę cząsteczkową zwykle charakteryzują się większą zdolnością do emulgacji i
stabilizacji roztworów [53].
PIŚMIENNICTWO
1. Willats WG, Knox PJ, Mikkelsen JD (2006) Pectin: new insights into
an old polymer are starting to gel. Trends Food Sci Technol 17: 97-104
Postępy Biochemii 59 (1) 2013
2. Srivastava P, Malviya R (2011) Sources of pectin, extraction and its applications in pharmaceutical industry — An overview. Indian J Nat
Prod Resour 2: 10-18
3. Kowalczyk D, Gustaw W (2009) Wpływ powłok hydrokoloidowych
na cechy jakościowe frytek ziemniaczanych. Żywność Nauka Technologia Jakość 6: 72-80
4. Kalisz S, Marszałek K, Mitek M (2009) Bandania nad wpływem dodatku preparatów pektyn wysokometylowanych na parametry jakościowe nektarów truskawkowych. Żywność Nauka Technologia Jakość 6:
129-139
5. Kalisz S, Mitek M, Nowicka M (2007) Wpływ dodatku pektyn wysokometylowanych na zawartość składników o właściwościach przeciwutleniających w sokach truskawkowych. Żywność Nauka Technologia Jakość 2: 145-154
6. Marounek M, Volek Z, Synytsya A, Copikova J (2007) Effect of pectin
and amidated pectin on cholesterol homeostasis and cecal metabolism
in rats fed a high-cholesterol diet. Physiol Res 56: 433-442
7. Sánchez D, Muguerza B, Moulay L, Hernández R, Miguel M, Aleixandre A (2008) Highly methoxylated pectin improves insulin resistance
and other cardiometabolic risk factors in Zucker fatty rats. J Agric
Food Chem 56: 3574-3581
8. Glinsky VV, Raz A (2009) Modified citrus pectin anti-metastatic properties: one bullet, multiple targets. Carbohydr Res 344: 1788-1791
9. Yan J, Katz A (2010) PectaSol-C modified citrus pectin induces apoptosis and inhibition of proliferation in human and mouse androgendependent and –independent prostate cancer cells. Integr Cancer Ther
9: 197-203
10.Tehranian N, Sepheri H Mehodipour P, Biramijamal F, Hossein-Nezhad A, Sarrafnejod A, Hajizadeh E (2012) Combination effect of PectaSol and Doxorubicon on viability, cell cycle arrest and apoptosis in
DU-145 and LNCaP prostate cancer cell lines. Cell Biol Int 36: 601-610
11.Voragen AG, Coenen GJ, Verhoef RP, Schols HA (2009) Pectin, a versatile polysaccharide present in plant cell walls. Struct Chem 20: 263-275
12.Wolf S, Mouill G, Pelloux J (2009) homogalacturonan methyl-estrification and plant development. Mol Plant 2: 851-860
13.Caffall KH, Mohnen D (2009) The structure, function, and biosynthesis
of plant cell wall pectic polysaccharides. Carbohydr Res 344: 1879-1900
14.Yeoch S, Shi J, Langrish TA (2008) Comparison between different techniques for water-based extraction of pectin from orange peels. Desalination 218: 229-237
15.Mohamed SA, Christensen TMIE, Mikkelsen JD (2003) New polygalacturonases from Trichoderma reesei: characterization and their specificities to partially methylated and acetylated pectins. Carbohydr Res
338: 515-524
16.Dumville JC, Fry SC (2000) Uronic acid-containing oligosaccharides:
their biosynthesis, degradation and signalling roles in non-diseased
plant tissues. Plant Physiol Biochem 38: 125-140
17.Löfgren C, Hermansson AM (2007) Synergistic rheological behavior of
mixed HM/LM pectin gels. Food Hydocoll 21: 480-486
18.Leroux AG, Tessier D, Bonnin E (2009) Endopolygalacturonases reveal
molecular features for processing protein and tolerance towards acetylated pectin. BBA — Pectin and Proteomics 1794: 5-13
19.O’Neill MA, Ishii T, Albersheim P, Darvill AG (2004) Rhamnogalacturonan II: Structure and function of a borate cross‑linked cell wall
pectic polysaccharide. Ann Rev Plant Biol 55: 109-139
20.Wong D (2008) Enzymatic deconstruction of backbone structures of
the ramified regions in pectin. Protein J 27: 30-42
21.Mohnen D (2008) Pectin structure and biosynthesis. Curr Opin Plant
Biol 11: 266-277
22.Ridley BL, O’Neill MA, Mohnen D (2001) Pectins: structure, biosynthesis, and oligogalacturonide-related signaling. Phytochem 57: 929-967
23.Ralet MC, Lerouge P, Quemener B (2009) Mass spectrometry for pectin
structure analysis. Carbohydrate Res 344: 1798-1807
24. Arnous A, Meyer AS (2009) Qantitative prediction of cell wall polysaccharide composition in grape (Vitis vinifera) and apple (Malus domestica) skins from acid hydrolysis monosaccharide profiles. J Agric
Food Chem 57: 3611-3619
93
25.Ha MA, Viëtor R, Jardine GD, Apperley DC, Jarvis MC (2005) Conformation and mobility of the arabinan and galactan side-chains of pectin. Phytochemistry 66: 1817-1824
26.De Vries RP, Visser J (2001) Aspergillus enzymes involved in degradation of plant cell wall polysaccharides. Microbiol Molecular Biol Rev
65: 497-522
27.Popper ZA, Fry SC (2008) Xyloglucan-pectin linkages are formed intra-protoplasmically, contribute to wall-assembly, and remain stable
in the cell wall. Planta 227: 781-794
28.Yapo BM (2011) Pectin rhamnogalacturonan II: on the “small stem
with four branches” in the primary cell walls of plants. Int J Carbohydrate Chem ID 964521, doi: 10.1155/2011/964521
29.Vincken JP, Schols HA, Oomen RJ, McCann MC, Ulvskov P, Voragen AGJ, Visser RGF (2003) If homogalacturonan were a side chain
of rhamnogalacturonan I. Implications for cell wall architecture. Plant
Physiol 132: 1781-1789
30.Zykwinska AW, Thibault JF, Ralet MCJ (2007) Organization of pectic
arabinan and galactan side chains in association with cellulose microfibrils in primary cell walls releated models envisaged. J Experim Bot
58: 1795-1802
31.Roand MA, Lopes da Silva JA (2006) Pectins: structure, functionality
and uses, W: Stephen AM, Phillips GO, Williame PA (red) Food polysaccharides and their applications. CRC Press, str. 353-411
32.Liu Y, Shi J, Langrish TAG (2006) Water-based extraction of pectin
from flavedo and albedo of orange peels. Chem Eng J 120: 203-209
33.Mollea C, Chiampo F, Conti R (2008) Extraction and characterization
of pectins from cocoa husks: a preliminary study. Food Chem 107:
1353-1356
34.Garna H, Mabon N, Robert C, Cornet C, Nott K, Legros H, Wathelet B,
Paquot M (2007) Effect of extraction conditions on the yield and purity
of apple pomace pectin precipitated but not washed by alcohol. J Food
Sci 72: 001-009
35.Sakai T, Okushima M (1980) Microbial production of pectin from citrus peel. Appl Environ Microbiol 39: 908-912
36.Evageliou V, Ptitchkina N, Morris E (2005) Solution viscosity end
structural modification of pumpkin biopectin. Food Hydrocoll 19:
1032-1036
37.Ptichkina NM, Markina OA, Rumyantseva GN (2008) Pectin extraction from pumpkin with the aid of microbial enzymes. Food Hydrocoll 22: 192-195
38.Fissore EN, Ponce NM, Matkovic L, Stortz CA, Rojas AM, Gerschenson LN (2011) Isolation of pectin-enriched products from red beet (Beta
vulgaris L. var. conditiva) wastes: composition and functional properties. Food Sci Technol Int 17: 517-527
39.Iglesias MT, Lozano JE (2004) Extraction and characterization of sunflower pectin. J Food Eng 62: 215-223
40.Yapo BM (2009) Pectin quantity, composition and physiochemical
behavior as influenced by the purification process. Food Res Int 42:
1197-1202
41.Koubala BB, Mbome LI, Kansci G, Tchouanguep Mbiapo F, Crepaeu
MJ, Thibault JF, Ralet MC (2008) Physiochemical properties of pectins
from ambarella peels (Spondias cytherea) obtained using different extraction conditions. Food Chem 106: 1202-1207
42.Seymur GB, Knox JP (2002) Pectins and their manipulation, Wiley —
Blackwell Publishing, Oxford
43.Gulfi M, Arrigoni E, Amado R (2006) The chemical characteristics of
apple pectin influence its fermentability in vitro. LWT 39: 1001-1004
44.Fishman ML, Cooke PH (2009) The structure of high-methoxyl sugar
acid gels of citrus pectin as determinedbby AFM. Carbohydr Res 344:
1792-1797
45.Waszkiewicz-Robak B, Świderski F (2001) Hydrokoloidy pochodzenia
roślinnego jako zamienniki żelatyny. Bezpieczna Żywność 1: 54-61
46.Rosenbohm C, Lundt I, Christensen TIE, Young NG (2003) Chemically methylated and reduced pectins: preparation, characterization
by NMR spectroscopy, enzymatic degradation and gelling properties.
Carbohyr Res 338: 637-649
47.Monsoor MA (2005) Effect of drying methods on the functional properties of soy hull pectin. Carbohydr Polym 61: 362-367
48.Dobies M, Kuśmia S, Jurga S (2005) 1H NMR and rheological studies of
the calcium induced gelation process in aqueous low methoxyl pectin
solutions. Acta Phys Pol A 108: 33-45
49.Löfgren C, Guillotin S, Evenbratt H, Schols H, Hermansson AM (2005)
Effects of calcium, pH, and blockiness on kinetic rheological behavior
and microstructure of HM pectin gels. Biomacromolecules 6: 646-652
50.Guillotin SE, Bakx EJ, Boulenguer HA, Schols HA, Voragen AGJ (2007)
Determination of the degree of substitution, degree of amidation and
degree of blockiness of commercial pectins by using capillary electrophoresis. Food Hydrocoll 21: 444-451
51.Alonso-Mougan M, Meijide F, Jover A, Rodrigues-Nunez E, VazquezTato J (2002) Rheological behaviour of an amide pectin. J Food Eng 55:
123-129
52.Stephen AM, Philips GO, Williams PA (2008) Gums and stabilizers for
the food industry. Royal Society of Chemistry, Cambridge UK
53.Leroux J, Langendorff V, Schick G, Vaishnav V, Mazoyer J (2003)
Emulsion stabilizing properties of pectin. Food Hydrocoll 17: 455-462
Structure and properties of pectin
Agnieszka Wikiera*, Magdalena Mika
University of Agriculture in Krakow, Faculty of Food Technology, Department of Food Biotechnology, 122 Balicka St., 30-149 Krakow, Poland

e-mail: [email protected]
Key words: pectin, homogalacturonan, rhamnogalacturonan I, rhamnogalacturonan II, extraction
ABSTRACT
Pectin represents a very complex, heterogeneous family of plant cell wall polysaccharides that play a significant role in plant growth, morphology, development, and plant defense and also serves as a gelling and stabilizing polymer in diverse food and specialty products and has
positive effects on human health. In this review functional and structural characteristic of pectin molecule elements and their interconnections are described. Attention is also given to process of commercial production of pectin with special emphasis on composition and physical
properties of commercial pectin as a result of the acid extraction.
94
www.postepybiochemii.pl