13.5.1. Этерификация

При промышленной экстракции пектина удаляется большая часть боковых цепей из нейтральных Сахаров, включая присутствующие в природном полимере домены RG-I и RG-II, из-за чего промышленно выпускаемый пектин зачастую представля­ют в виде гомогалактуронового каркаса. Более 70% такого пектина составляет галактуроновая кислота, и в зависимости от происхождения и качества сырья до 75% галактуронановых групп этерифицированы метилом [38]. Отношение числа этерифицированных групп к общему числу звеньев галактуроновой кислоты называют степенью этерификации (СЭ). Промышленно выпускаемые пектины подразделяют на высокометоксилироанный (ВМ-пектин с СЭ 55-75%) и низкометоксилированный (НМ-пектин с СЭ 20-45%). Путем обработки пектина аммиаком, сопровождаю­щейся превращением С6-метильных эфирных групп в амидные, можно получить амидированный НМ-пектин. Степень амидирования (СА) определяется как отноше­ние числа групп амидированной галактуроновой кислоты к общему числу галакту­ронановых звеньев. Типичные значения СЭ и СА для амидированного НМ-пектина составляют соответственно 30 и 20%. Степень ацетилирования пектина (САп) - это отношение числа ацетилированных групп галактуроновой кислоты к общему числу галактуронановых звеньев (этот показатель важен прежде всего для пектина из свекловичного жома). Четыре основных блока, составляющие гомогалактуроновый каркас, показаны на рис. 13.6.

                                                  х=н,сн₃

Рис. 13.6. Четыре звена галактуроновой кислоты, образующие «строительные блоки» гомогалактуронового каркаса молекулы пектина. Слева по часовой стрелке: деэтерифицированная, метил-этерифицированная, амидированная и ацетилированная группа галактуроновой кислоты.

13.5.2. Кислотные свойства

Пектин является слабой кислотой, проявляющей свойства полиэлектролита. В нейтральной среде он заряжен отрицательно, и при снижении значения рН заряд приближается к нулю. Из-за наличия полиэлектролитных свойств кажущаяся рК_а изменяется в зависимости от степени диссоциации карбоксильных групп гомога­лактуронового каркаса. Следовательно, определить точное значение рК_а пектина не­возможно. Вместо это получают собственную рК_а, которая составляет от 2,9 до 3,3, что близко к рК_а галактуроновой кислоты (3,5) [29, 38]. Отрицательно заряженный пектин реагирует с положительно заряженными полимерами, в том числе с белками, что используется в производстве кисломолочных напитков (см. раздел 13.6).

13.5.3. Стабильность

При определенных рН и температуре пектин быстро разлагается, подвергаясь деэтерификации и деполимеризации. Пектин также чувствителен к действию ферментов (см. раздел 13.2). Наиболее стабилен пектин при рН 3,5-4,0; вне этого интервала пек­тин медленно разлагается, причем при высоких температурах скорость его разложения увеличивается. В нейтральных и щелочных средах гомогалактуроновый каркас деполимеризуется за счет ᵝ-элиминирования - процесса, в ходе которого расщепляются гликозидные связи при С4-атомах метилированных галактуроновых кислот (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Деполимеризация гомогалактуронового каркаса пектина за счет р-элиминирования, в ходе которого расщепляются гликозидные связи при С4-атомах метилированных галактуроновых кислот и уменьшается молекулярная масса. Этот процесс катализируется щелочью.

Таким образом, ВМ-пектин более подвержен ᵝ-элиминированию, чем НМ-пектин. В условиях повышенных температур деполимеризация пектинового остова начи­нается при рН 5, хотя при комнатной температуре пектин более стабилен. Метильные эфирные и ацетильные группы можно удалить омылением. В кислых средах (рН < 3) эти группы отщепляются, а нейтральные сахара гидролизуются даже при низких температурах. Повышение температуры приводит к увеличению скорости гидролитического расщепления гликозидных связей пектинового каркаса. При температуре 20 °С растворы пектина сохранят стабильность несколько месяцев, а при 60 °С их стабильность зависит от значения рН - обычно они стабильны лишь несколько суток. Хранить растворы пектина при более высоких температу­рах не следует, так как это приведет к значительному снижению их качества. На­сколько стабилен раствор ВМ-пектина при различных значениях рН и темпера­турах, показано на рис. 13.8. Очевидно, что высокие значения рН и температуры неблагоприятно влияют на стабильность пектина, что выражается в снижении со временем его молекулярной массы.

Рис. 13.8. Стабильность раствора ВМ-пектина, характеризуемая изменением молекулярной массы во времени.

13.5.4. Растворимость

Растворимость пектина обусловлена многими факторами - присутствием рас­творимых веществ, типом противоионов, ионной силой, а также значениями рН и температуры. В воде пектин растворим, но он нерастворим в спирте и большин­стве органических растворителей. При внесении порошкового пектина в воду бы­стро образуются комки, что затрудняет гидратацию частиц пектина. Для устранения такого комкования частиц пектина готовить его растворы следует в определенных условиях. Поскольку концентрированные растворы пектина обладают свойства­ми неньютоновской жидкости, то есть их вязкость с увеличением скорости сдви­га уменьшается, рекомендуется использовать высокоскоростные миксеры. С их помощью можно приготовить 10%-ные растворы пектина, а без миксеров удается готовить лишь 3-4%-ные растворы, так как высокая вязкость препятствует диспер­гированию частиц. Для устранения комкообразования можно также смешать одну часть сухого пектина с пятью частями сахара или сначала диспергировать пектин в жидкости, в которой он не растворяется [29].

Пектины образуют как растворимые, так и нерастворимые соли - пектинаты натрия более растворимы, чем пектиновые кислоты, которые, в свою очередь, бо­лее растворимы, чем пектинаты кальция. НМ-пектин растворим только в виде на­триевой или калиевой солей. Ионы натрия, калия и другие одновалентные катионы связаны с пектиновым каркасом электростатическими силами, тогда как двухва­лентные катионы вовлечены в процесс образования НМ-пектинового геля, описы­ваемый моделью «лотка для яиц» (см. подраздел 13.5.6.2). Как правило, при высоком содержании растворимых веществ, в том числе солей, растворимость пектина сни­жается. Улучшить гидратацию пектина в этих условиях можно путем добавления комплексообразователей (секвестрантов, например, пиро- или ортофосфатов). Рас­творимости способствует также поддержание температуры и значения рН вне ин­тервала, в котором происходит гелеобразование.

13.5.5. Реологические свойства

Как и другие водорастворимые полимеры, пектин образует вязкие растворы. Вяз­кость зависит от содержания пектина, что особенно заметно при его концентрации выше той, при которой наблюдается экспоненциальное увеличение вязкости (рис. 13.9).

Разбавленные растворы пектина (< 0,5%) ведут себя почти как ньютоновские жидкости, тогда как концентрированные растворы являются неньютоновскими жидкостями (их вязкость с ростом скорости сдвига уменьшается). Вместе с тем, если уменьшить или вообще устранить сдвиг, то вязкость раствора пектина мгновенно восстанавливается. Вязкость растворов пектина зависит не только от концентрации, но и от типа пектина, растворителя, значения рН, температуры и присутствия солей. Вязкость растворов пектина с большей молекулярной массой выше, чем у раство­ров пектина, состоящего из компактных молекул. На третичную структуру влия­ет ионная сила, увеличение которой снижает вязкость из-за экранирования заряда полимерной цепи, однако поливалентные ионы, например Са²⁺, обычно повышают вязкость растворов пектина за счет сшивки полимерных цепей [29, 38].

Рис. 13.9. Вязкость при нулевом сдвиге амидированного низкоэтерифицированного пектина, растворенного в деионизированной воде (рН 4,0, 25 °С).
Увеличение концентрации приводит к экспоненциальному росту вязкости.

13.5.6. Гелеобразование

Важнейшим физико-химическим свойством пектина является его способность к образованию гелей. Прочность пектинового геля возрастает с увеличением моле­кулярной массы пектина. ВМ-пектин образует гель в кислых средах в присутствии сахара, тогда как гели НМ-пектина образуются в более широком интервале значе­ний рН и при низкой концентрации сахара, но в присутствии катионов (в пищевых продуктах - кальция). Соответственно различают сахарное и кальциевое гелеобра­зование, механизмы которых рассмотрим ниже.

13.5.6.1. Механизм гелеобразования ВМ-пектина

ВМ-пектину для образования геля требуются низкие значения рН и активности воды (рН и концентрация растворимых СВ должны быть соответственно в интерва­ле 2,5-3,8 и 55-85%). Вместе с тем при высокой степени метоксилирования содержа­ние растворимых СВ должно быть около 55%, а при высоком содержании раствори­мых СВ и высокой степени метоксилирования значение рН должно быть ниже 3,8. Необходимость соблюдения этих условий можно объяснить следующим образом. Следствием высокой концентрации растворимых веществ является низкая актив­ность воды, что способствует взаимодействиям пектина с пектином, а не пектина с растворителем. Низкие значения рН препятствуют диссоциации карбоксильных групп, уменьшая силы электростатического отталкивания.

Образование геля происходит из-за формирования водородных связей между недиссоциированными карбоксильными группами и вторичными спиртовыми груп­пами [18], а также гидрофобных взаимодействий метильных эфирных групп [21]. Гелеобразованию благоприятствуют повышение степени этерификации и низкие значения рН. Взаимодействия между пектиновыми полимерами приводят к обра­зованию так называемых «зон соединения», служащих основой для формирования трехмерного пектинового геля (рис. 13.10).

Рис. 13.10. Механизм гелеобразования ВМ-пектина.
Основными являются «зоны соединения» между пектиновыми полимерами
(выделены прямоугольниками), которые образуются за счет водородных связей между недиссоциированными карбоксильными группами и вторичными спиртовыми группами,
а также благодаря гидрофобным взаимодействиям между метильными эфирными группами.

Поскольку для гелеобразования ВМ-пектина важным параметром является сте­пень этерификации, промышленно выпускаемые виды ВМ-пектина делят на под­группы в зависимости от времени температуры застывания (садки). Различают пектины сверхбыстрой, быстрой, умеренно быстрой, медленной и очень медленной садки, причем степень этерификации этих пектинов изменяется от 74-77% у пекти­нов сверхбыстрой садки до 58-60% у пектинов очень медленной садки. При задан­ном значении рН время садки увеличивается, а температура - снижается с умень­шением степени этерификации. Благодаря высокой степени этерификации пектин сверхбыстрой садки образует гель при более высоких значения рН, чем пектин мед­ленной садки.

13.5.6.2. Механизм гелеобразования НМ-пектина

Образование геля НМ-пектина называют кальциевым гелеобразованием, по­скольку оно протекает в присутствии двухвалентных катионов (обычно ионов каль­ция). Этот механизм гелеобразования можно проиллюстрировать с помощью моде­ли «лотка для яиц» (рис. 13.11) [9].

Существует несколько противоречащих друг другу теорий кальциевого гелеобра­зования, но наибольшее признание получила модель «лотка для яиц». В ней пред­полагается, что каждая пектиновая цепь, имеющая двойную симметрию и форми­рующая последовательность «полостей» с отрицательным электрическим зарядом, ассоциирована с разной степенью сродства с двухвалентными катионами. Последние образуют из полигалактуроновых цепей димеры за счет ионного взаимодействиясо свободными карбоксилатными ионами пектинового каркаса. Ионы магния об­ладают очень малым сродством и гелей не образуют, тогда как ионы Са²⁺ с намного большим сродством гели образуют. Поскольку катионы кальция реагируют с деэте- рифицированными фрагментами галактуроновой кислоты, низкая степень этери­фикации способствует гелеобразованию, то есть НМ-пектин чувствителен к каль­цию [33]. Следует отметить, что в случае ВМ-пектина соотношение способности к гелеобразованию и степени этерификации прямо противоположно. Кроме того, в отличие от ВМ-пектина, для гелеобразования НМ-пектина не обязательны низкие значения рН и высокое содержание растворимых веществ. Хотя образованию геля НМ-пектина благоприятствуют низкие значения рН, гелеобразование происходит при рН 6 и даже в более щелочных средах.

Рис. 13.11. Модель «лотка для яиц», иллюстрирующая механизм гелеобразования

НМ-пектина за счет связывания гомогалактуроновых областей пектина ионами кальция.

Помимо степени этерификации, на гелеобразование влияет распределение неэтерифицированных карбоксильных групп, поскольку их протяженная последователь­ность более чувствительна к кальцию, чем несколько рядом расположенных групп. Следовательно, пектины с одинаковой степенью этерификации, но с разным распре­делением неэтерифицированных карбоксильных групп могут иметь разные темпе­ратуры гелеобразования и осаждения [33]. В связи с этим в последние годы большое внимание было уделено получению пектинов с контролируемым распределением метильных эфирных групп по гомогалактуроновому каркасу.

Амидированный НМ-пектин образует гель при более низких концентрациях и в присутствии меньших количеств Са2+, чем неамидированный. Он менее склонен к образованию осадка при высоком содержании ионов кальция [28, 38]. Введение амидных групп в молекулу пектина уменьшает ее гидрофильность и, следовательно, усиливает гидрофобные взаимодействия. Кроме того, блоки амидных групп на пек­тиновом каркасе образуют водородные связи [28].

13.5.6.3. Окислительная сшивка

Гели могут также образовываться за счет окислительной сшивки групп феруло- вой кислоты [34], так что этот тип гелеобразования характерен только для пектина с высоким ее содержанием, то есть для пектина из сахарной свеклы. Такой пектин до сих пор не нашел широкого промышленного применения, однако этот механизм весьма интересен, поскольку открывает возможности для использования свекло­вичного пектина в качестве гелеобразователя (эта возможность пока почти не реа­лизована из-за высокой степени ацетилирования такого пектина).

13.5.7. Эмульгирующие свойства

Присутствие ацетильных групп для гелеобразования нежелательно, однако оно положительно сказывается на эмульгирующих и стабилизирующих свойствах пекти­на. Это обусловлено усилением гидрофобных и поверхностно-активных свойств пек­тина. Такой полимер действует как межфазный агент в эмульсиях типа «масло-в-воде» и системах «воздух-в-воде», сохраняя при этом свои вязкостные характеристики [4].

13.5.8. Взаимодействия с другими пищевыми полимерами

Обычно смеси пектина с другими гидроколлоидами не дают синергического эффек­та - наоборот, они могут негативно повлиять на прочность пектинового геля. В связи с этим применение таких смесей весьма ограничено. Следует особо выделить смеси пектина с альгинатом, образующие сетки когезивного геля с более ценными свойства­ми, чем гели из высокоэтерифицированного пектина и альгината с высоким содержа­нием полигулуроновой кислоты. При этом значение рН должен быть ниже 4, так как при более высоких значениях рН гель не образуется. Интересно, что такая система хорошо работает в условиях холодной садки [19]. В очень кислых средах (рН < 2,8) образование геля из НМ-пектина и альгината также возможно. Следовательно, гелеобразованию способствует отсутствие у пектиновых цепей заряда, обусловленное наличием недиссоциированных карбоксильных групп; силы электростатического отталкивания уменьшаются и при увеличении степени этерификации [38]. Заслу­живает внимания взаимодействие пектина с положительно заряженными молекула­ми, в частности с хитозаном и поли-Ь-лизином, способными к сшивке с молекулами пектина [13]. Такие взаимодействия могут найти применение при получении пленок.

Как и другие полисахариды, пектин используют для очистки и концентрирова­ния белковых растворов. При смешивании полисахаридного и белкового растворов система разделяется на две фазы: одна преимущественно содержит белок, а вторая - полисахарид [35]. В пектино-молочных системах, значение рН которых выше изоэлектрической точки белка, пектин и белок отталкиваются, и поскольку пектиновая фаза имеет большее сродство к воде, чем белковая, то последний выпадает в осадок. Если же значение рН смеси ниже изоэлектрической точки белка, то он притягивается к пектину. Взаимодействие пектина с белком используется в производстве напитков с пониженным уровнем рН, в частности кисломолочных и в смесях фруктового сока с молоком, где пектин играет роль стабилизатора денатурированного казеина [30].