Нативное состояние и химическая структура пектина

Пектин как полисахаридный компонент растительного сырья был открыт в 1825 г. итальян­ским ученым Браконно. Свое название он получил от греческого слова «pectos», означающего «застывающий».

В растениях пектин выполняет две очень важные функции: он связывает и упрочняет компо­ненты клеточной стенки и регулирует водный межклеточный обмен на основе коллоидной при­роды и своей способности к набуханию. По этой причине в растительных клетках находятся две ос­новные формы пектина — растворимый (гидропектин) и нерастворимый (протопектин). Как пра­вило, при первичной переработке растительного сырья гидропектин уходит с основным продук­том, и источником промышленного пектина является именно протопектин.

Гидропектин и протопектин локализованы в разных частях растительной клетки, что обуслов­лено их различными функциями. Протопектин входит в состав клеточной оболочки, из него в зна-

Рис. І. Строение клеточной стенки растений

чительной мере состоят срединные пластинки. Гидропектин находится в соке вакуоли и межкле­точных слоях ткани зрелых плодов. Общее содержание пектиновых веществ и доля протопектина зависят от вида, возраста, условий роста растения и условий хранения плодов.

Понятно, что протопектина в плодах существенно больше, чем растворимого пектина, прото­пектин не выходит из плода во время операций экстракции или отжима, и именно он является ис­точником промышленного пектина.

Рассмотрим анатомическое строение клеточной стенки растений (рис. 1). Основную ее часть сос­тавляет так называемая первичная оболочка, граничащая со срединной пластинкой. Еще выше расположена покровная ткань — эпидерма.

Из рисунка видно, что в первичной оболочке присутствуют очень длинные высокоупорядо­ченные кристаллоподобные агрегаты из целлюлозных полимерных молекул. Их называют микро­фибриллы. В сечении каждой микрофибриллы находится 60-70 тесно прилегающих друг к другу параллельных целлюлозных цепей, связанных между собой водородными связями. Микрофиб­риллы создают структурный каркас первичной оболочки, обеспечивают ей механическую проч­ность, в чем и заключается ее функция.

Целлюлозные микрофибриллы переплетены гигантскими макромолекулами гемицеллюлоз и пектина, которые создают вокруг каждой микрофибриллы своего рода оболочку. Прочность этих оболочек и всей пространственной лабиринтной сетки обеспечивается ковалентными и водородны­ми связями между молекулами всех трех компонентов.

Срединная пластинка обогащена протопектиновыми цепями, которые формируют систему очень тонких и разветвленных канальцев, пронизывающих толщу этого слоя. Канальцы выполня­ют транспортную функцию для воды и воздуха. Протопектиновые макромолекулы в местах сопри­косновения соединены между собой водородными связями.

Рис. 2. Структура гладких и разветвленных участков молекулы пектина GaLA — галактуронан; Pha — рамноза; Ага — арабиноза; Ху1 - ксилоза; Gal --- галактоза

Все три компонента клеточной стенки — целлюлоза, гемицеллюлоза и пектин относятся к клас­су полисахаридов, т.е. в составе их молекул содержатся различного рода углеводы.

Основным структурным элементом молекулы пектина является линейная молекула полигалак- туроновой кислоты, в которой мономерные звенья связаны а,1, 4 гликозидной связью. Линейные участки чередуются с разветвленными, на которых боковые цепочки выстроены из углеводов. В состав пектина входят L-арабиноза, Н-галактоза и L-рамноза. На рис. 2 представлена структур­ная схема молекулы протопектина.

Важно отметить, что молекулярные фрагменты рамнозы являются как бы узелками макромо­лекулы. Через них соединяются между собой галактуроновые участки основной цепи, и к ним же присоединяются углеводные боковые цепи, длина которых может доходить до 50 звеньев (глико- зильных остатков). На узелках рамнозы в местах локализации а (1, 2)-связей происходит перегиб основной цепи.

Галактуроновая кислота, из которой выстроена основная цепь макромолекулы пектина, содержит одну карбоксильную группу — СООН, которая может быть этерифицирована метанолом с образованием метоксильной группы — СООСН₃, а может оставаться неэтерифицированной. В различных растениях степень этерификации пектина различна: от 65-80 % у яблок и 70-75 % у цитрусовых до 28-40 % у сахарной свеклы. Этот параметр очень сильно влияет на потреби­тельские свойства пектина, о чем поговорим ниже.

Содержание галактуроновой кислоты в пектине является критерием оценки промышленной значимости сырья. Чем выше эта величина, тем более перспективным является сырье (у цитру­совых — до 92 %, у яблок — до 85 %, у сахарной свеклы — до 80 %). Понятно, что чем короче боковые цепочки в молекуле пектина и чем их меньше, тем лучше конечный продукт. Исходя из изложенного выше, становится очевидно, что для выделения нужного продукта из растительного сырья необходимо одновременно произвести два действия — отделить молекулы протопектина от молекул целлюлозы и гемицеллюлозы, а также разделить молекулы протопектина на фрагменты с меньшей молекулярной массой — молекулы пектина.

3.