Пектин (е 440)
Вместе с камедями и каррагинанами в группу пищевых добавок растительного происхождения, выполняющих функции гелеобразователей и стабилизаторов, входят пектины.
У высших растений пектины, так же как и целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, являются составной частью клеточных стенок и межклеточных образований и локализованы в первичной клеточной стенке, а с волокнами целлюлозы и гемицеллюлозы соединены через боковые цепочки.
По химической природе пектины являются гетерополисахаридами, основу которых составляют рамногалактуронаны (рис. 8). Главную цепь молекулы пектина образуют производные полигалактуроновой (пектовой) кислоты, в которой остатки D-галактуроновой кислоты связаны с 1,4-α-гликозидной связью (см. [19]).
Рис. 8. Схематическое изображение фрагмента рамногалактуронана
В понятие пектиновые вещества входят:
1. Протопектин – нерастворимая в воде форма, которая не может быть извлечена водной экстракцией, так как в клетках пектиновые вещества прочно связаны с другими соединениями.
2. Гидратопектин – растворимая форма пектина (при созревании плодов или тепловой обработке растительного сырья происходит превращение протопектина в растворимый пектин).
3. Пектиновая кислота (этерифицированная метанолом часть карбоксильных групп полигалактуроновой кислоты) и ее соли пектинаты.
4. Пектовая кислота и ее соли пектаты.
Структурные различия пектиновых веществ, связанные с разветвленностью полимерной цепи, разнообразием моносахаридного состава боковых цепей, состоянием карбоксильных и вторичных спиртовых групп, с характером распределения карбоксильных групп вдоль полимерной молекулы (равномерное или нет) обусловливают их полифункциональность. Так, молекулы пектина образуют гели, связывают воду, взаимодействуют с катионами металлов, белками и радионуклидами. В организме человека пектины не всасываются и не расщепляются микрофлорой кишечника, являясь растворимым балластным веществом, и оказывают положительное влияние на степень и скорость всасывания других веществ.
Сырьем для получения пектинов являются яблочные и цитрусовые выжимки, свекловичный жом, соцветия-корзинки подсолнечника, коробочки хлопчатника.
Традиционные технологии пектина включают ферментативный или кислотный гидролиз сырья при рН 2, высокотемпературную экстракцию в течение 2,0–2,5 ч при 85 ºС, сепарацию, концентрирование в вакуум-выпарном аппарате, осаждение пектина спиртом или солями поливалентных металлов, промывку осадка, сушку и стандартизацию готового продукта добавлением сахара или ретардатора – соли одновалентного катиона и пищевых органических кислот (лимонной, молочной), замедляющих процесс гелеобразования.
Более современная технология пектина включает в себя гидролиз – экстрагирование пектина путем кавитационной обработки растительного сырья в гидроакустическом экстракторе-дезинтеграторе, разделение полученной пульпы на жидкую и твердую фазы в поле действия центробежных сил и концентрирование жидкой фазы ультрафильтрацией. После концентрирования экстракта ультрафильтрацией проводят его дополнительное сгущение в вертикальном двухкорпусном прямоточном вакуум-выпарном аппарате циркуляционно-пленочного типа при разрежении в конденсаторе 0,09–0,093 МПа. Затем полученный концентрат с содержанием пектиновых веществ 8–14 % сушат при температуре 75 ºС. Данная технология интенсифицирует процесс получения продукта, а также повышает степень очистки пектина от низкомолекулярных соединений.
На сегодняшний день основным промышленным источником пектинов являются выжимки яблок и кожура цитрусовых. Получаемые из них пектины имеют практически одинаковую химическую структуру, характеризующуюся присутствием областей полигалактуроновой кислоты («гладкие зоны») и областей, где концентрируются латеральные цепи полисахаридного скелета («пушистые» или «фрактальные» зоны). Степень метилирования пектинов из этих двух источников составляет 70–75 %, но она может быть понижена при контролируемой деэтерификации до 25 %.
Перспективным сырьем являются отходы переработки сахарной свеклы. Они содержат почти столько же пектинов (25–30 %), как и выжимки яблок (15–25 %) и кожура цитрусовых (30–35 %). Кроме того, стружка сахарной свеклы – это довольно дешевый побочный продукт в производстве сахара.
Тем не менее, использование отходов сахарной свеклы для производства пектинов не очень успешно из-за того, что получаемые из нее пектины хуже образуют гели, хотя по химической структуре пектины из пульпы сахарной свеклы незначительно отличаются от пектинов других источников.
Существует мнение, что относительно невысокая молекулярная масса пектинов из отходов сахарной свеклы (42,8 кДа, а у пектинов из выжимок яблок 70 кДа) и присутствие эфирных групп в «гладких зонах» отрицательно влияет на их гелеобразующую способность вследствие затруднения близких контактов макромолекул, что необходимо для гелеобразования.
Исследования последних лет показали возможность решения этой проблемы путем обработки свекловичных пектинов, содержащих остатки феруловой кислоты (около 1 %), химическими реагентами – персульфатом аммония или перекисью водорода, что приводит к повышению молекулярной массы растворимых пектинов и образованию прочного геля. Такие гели обладают также высокой активностью в поглощении воды (до 180 г воды 1 г пектина). Пектины, выделенные из сахарной свеклы при действии персульфата и перекиси водорода, рассматривают как одно из перспективных направлений развития производства пектинов в стране.
Условно все пектины в зависимости от степени этерификации разделяют на высокоэтерифицированные (степень этерификации более 50 %) и низкоэтерифицированные (степень этерификации менее 50 %).
Высокоэтерифицированные пектины образуют гели в присутствии кислоты (рН 3,1–3,5) при содержании сухих веществ (сахарозы) не менее 65 %, а низкоэтерифицированные пектины – в присутствии ионов поливалентных металлов (например, кальция) независимо от содержания сахарозы в широком диапазоне рН (от 2,5 до 6,5). Пектины высокой степени этерификации образуют высокоэластичные гели, имеющие тенденцию к возвращению формы в исходное состояние после ее изменения при механическом сдвиге.
Пектины низкой степени этерификации в зависимости от концентрации ионов кальция могут давать различные по консистенции гели – от высоковязких (не восстанавливающих исходную форму после деформирования) до высокоэластичных.
Яблочный и цитрусовый пектины относятся к высокоэтерифицированным пектинам, а свекловичный и подсолнечный – к низкоэтерифицированным.
Степень этерификации пектиновых молекул оказывает влияние не только на гелеобразующую, но и на комплексообразующую способность пектинов. Способность связывать поливалентные катионы увеличивается при снижении степени их этерификации и повышении степени диссоциации свободных карбоксильных групп.
Поэтому наибольшей комплексообразующей способностью обладают низкоэтерифицированные пектины – подсолнечный и свекловичный.
Благодаря своей комплексообразующей способности пектины являются незаменимыми веществами в питании человека. Пектины Е 440(i) – это добавки, выделенные из растительного сырья щадящими способами. ДСП для них не установлено.
Рекомендуемое суточное потребление пектинов в рационе здорового человека составляет не более 5 г.
Пектины по внешнему виду представляют собой сыпучие порошки белого, желтоватого, сероватого и светло-коричневого оттенков. Пектины с этерификацией менее 50 % хорошо растворимы в низкоминерализованной воде, щелочах и нерастворимы в спиртах и органических растворителях.
Пектины высокой степени этерификации более 50 % хорошо растворимы в горячей воде, средне – в спиртах и холодной воде, нерастворимы в органических растворителях.
Максимальная концентрация водных растворов пектина составляет 10 %.
К коммерческим образцам пектинов предъявляют требования, связанные не только с их функциональными свойствами, но и с чистотой продукта. Так, важнейшими химическими показателями, конт-ролируемыми за рубежом, является содержание галактуроновой кис-лоты (не менее 65 %) и содержание тяжелых металлов. Отечественный ГОСТ 29186-91 предусматривает определение в стандартном пектине показателей микробиологической безопасности, в том числе патогенной и условно-патогенной микрофлоры.
Высокоэтерифицированные пектины по скорости гелеобразования и температуре разделяют на две группы: быстро и медленно желирующие. Наиболее благоприятная область рН для быстрожелирующих пектинов, имеющих более высокую степень этерификации, находятся в пределах 3,0–3,4 ед., а для медленно желирующих пектинов – от 2,8 до 3,2. Быстрожелирующий пектин незаменим в производстве варенья, если температура пищевой системы выше 85 ºС, а медленно желирующие пектины используют при производстве мармеладов, желе и варенья, если температура пищевой системы ниже 70 ºС и нет необходимости равномерного распределения фруктов в готовом изделии.
Для предотвращения комкования пектин перед использованием смешивают с пятикратным количеством сахара.
Области применения пектинов весьма разнообразны – практически все отрасли пищевой индустрии связаны, в первую очередь, с их функциональными свойствами.
Низкоэтерифицированные пектины применяют в качестве загустителей и стабилизаторов консистенции в производстве кисломолочных продуктов, молочных десертов, при изготовлении овощных желе и фруктовых консервов, паштетов, студней, сыров, кетчупов.
Высокоэтерифицированные пектины в производстве органической продукции нашли применение в качестве:
– студнеобразователей при производстве кондитерских (мармелад, пастила, зефир, желейные конфеты) и консервных (желе, джем, конфитюр, фрукты в желе) изделий;
– стабилизаторов при производстве молочных напитков, майонеза, соусов, мороженого, рыбных консервов;
– средств, замедляющих черствление в производстве хлебобу-лочных изделий;
– загустителей при производстве фруктовых соков и киселей.
Пектины являются физиологически ценными пищевыми добавками. В качестве растворимых пищевых волокон их рекомендуют включать в рецептуру пищевых изделий для всех групп населения для снижения уровня холестерина и нормализации деятельности желудочно-кишечного тракта, а способность связывать тяжелые металлы и радионуклиды используют при разработке продукции профилактического назначения для населения, проживающего в зонах радиоактивного загрязнения и вблизи крупных промышленных предприятий.