Pectin

Pectin (từ tiếng Hy Lạp cổ đại: pēktikós πηκτικός, 'đông tụ') là một polysaccharide heteropolymer có mặt trong các tế bào cơ bản của thực vật trên cạn. Henri Braconnot đã lần đầu tiên tách chiết và mô tả nó vào năm 1825. Nó được sản xuất dưới dạng bột có màu từ trắng đến nâu nhạt, chủ yếu chiết xuất từ trái cây họ cam quýt, và được dùng trong thực phẩm như một chất kết dính, đặc biệt trong mứt và thạch rau câu. Nó cũng được sử dụng làm chất lấp chỗ, thuốc, đồ ngọt, chất ổn định trong nước ép trái cây và sữa, và là nguồn cung cấp chất xơ.

Sinh học

Trong sinh học thực vật, pectin là một nhóm polysaccharide có mặt trong hầu hết các thành tế bào sơ cấp và đặc biệt phong phú ở các bộ phận không gỗ của thực vật trên cạn. Pectin là thành phần chính của phiến kính giữa, nơi nó giúp các tế bào kết nối, và cũng xuất hiện trong thành tế bào sơ cấp.

Thành phần, cấu trúc và công thức hóa học của pectin khác nhau tùy theo loại thực vật, thay đổi theo thời gian sống của thực vật và ở các bộ phận khác nhau của cây. Pectin là một polysaccharide quan trọng trong thành tế bào, hỗ trợ mở rộng thành tế bào sơ cấp để thực vật phát triển. Trong quá trình chín của trái cây, pectin bị phân hủy bởi các enzyme pectinase và pectinesterase, làm cho trái cây mềm hơn khi các thành giữa bị phá vỡ và tế bào tách rời. Quá trình phân hủy pectin cũng góp phần vào hiện tượng rụng lá vào mùa thu.

Pectin là một phần tự nhiên của chế độ ăn uống của con người, nhưng không cung cấp dinh dưỡng đáng kể. Lượng pectin tiêu thụ hàng ngày từ trái cây và rau quả ước tính khoảng 5 g (dựa trên việc tiêu thụ khoảng 500 g trái cây và rau quả mỗi ngày).

Trong quá trình tiêu hóa của con người, pectin liên kết với cholesterol trong đường tiêu hóa và làm chậm sự hấp thu glucose bằng cách giữ lại carbohydrate. Do đó, pectin được coi là một loại chất xơ hòa tan.

Việc tiêu thụ pectin đã được chứng minh là làm giảm nồng độ cholesterol trong máu. Cơ chế là làm tăng độ nhớt trong ruột, dẫn đến việc giảm hấp thu cholesterol từ mật hoặc thực phẩm. Trong ruột già và ruột kết, vi sinh vật phân hủy pectin và giải phóng các axit béo chuỗi ngắn có tác dụng tích cực đối với sức khỏe (có hiệu quả prebiotic).

Hóa học

Pectin, hay còn gọi là polysaccharides pectic, chứa nhiều axit galacturonic. Một số polysaccharides khác đã được xác định và phân loại theo các nhóm pectic. Homogalacturonans là chuỗi tuyến tính của axit D-galacturonic liên kết α- (1-4). Các galacturonans có thể được thay thế bởi các saccharide dư như D-xylose hoặc D-apiose trong xylogalacturonan và apiogalacturonan, với các nhánh phân từ xương sống của dư lượng axit D-galacturonic. Pectin rhamnogalacturonan I (RG-I) có xương sống là disaccharide lặp lại: (1,4) -α-D-galacturonic acid và (1,2) -α-L-rhamnose. Các nhánh bên của pectin chủ yếu là D-galactose, L-arabinose và D-xylose, với tỷ lệ và loại đường khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của pectin.

Một dạng cấu trúc của pectin là rhamnogalacturonan II (RG-II), ít phổ biến hơn và có cấu trúc phức tạp với nhiều nhánh. RG-II được nhiều tác giả phân loại vào nhóm galacturonans thay vì nhóm rhamnogalacturonan II, vì nó chủ yếu bao gồm các đơn vị axit D-galacturonic.

Pectin cô lập thường có trọng lượng phân tử từ 60.000 đến 130.000 g/mol, thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thu hoạch và xử lý.

Trong tự nhiên, khoảng 80% các nhóm carboxyl của axit galacturonic được este hóa với methanol. Tỷ lệ este hóa giảm trong quá trình chiết xuất pectin. Tỷ lệ este hóa và không este hóa của axit galacturonic ảnh hưởng đến hành vi của pectin trong các ứng dụng thực phẩm. Điều này giải thích tại sao pectin được phân loại là cao (HM) hoặc thấp (LM) dựa trên mức độ este hóa, với một nửa hoặc ít hơn các axit galacturonic được este hóa.

Các đơn vị axit galacturonic không este hóa có thể tồn tại dưới dạng axit tự do (nhóm carboxyl) hoặc muối natri, kali, canxi. Các muối của pectin este hóa một phần được gọi là pectinic nếu mức độ este hóa dưới 5%, và các muối này được gọi là pectates, là các dạng hòa tan trong axit pectic.

Các loại cây như củ cải đường, khoai tây và lê chứa pectin với axit galacturonic được acetyl hóa ngoài methyl este. Quá trình acetyl hóa ngăn cản sự hình thành gel nhưng lại tăng cường khả năng ổn định và nhũ hóa của pectin.

Pectin Amidated là một dạng pectin đã được biến đổi. Trong loại pectin này, một phần axit galacturonic được chuyển đổi thành axit amide bằng amonia. Pectin amidated có khả năng chịu đựng sự thay đổi nồng độ canxi tốt hơn khi sử dụng.

Để tạo ra gel pectin, các thành phần được đun nóng để hòa tan pectin. Sau khi làm nguội dưới nhiệt độ tạo gel, gel bắt đầu hình thành. Nếu gel quá cứng, sẽ xảy ra hiện tượng syneresis hoặc kết cấu dạng hạt, trong khi gel quá mềm nếu gel yếu. Pectin gel phụ thuộc vào các yếu tố như đường, pH và muối hóa trị hai (đặc biệt là Ca2 +).

Trong pectin cao-ester, khi chất rắn hòa tan trên 60% và pH giữa 2.8 và 3.6, các liên kết hydro và tương tác kỵ nước kết nối các chuỗi pectin với nhau. Các liên kết này hình thành khi nước liên kết với đường, làm cho các sợi pectin kết dính. Những liên kết này tạo thành mạng lưới phân tử 3 chiều, hình thành gel đại phân tử. Cơ chế gel này được gọi là gel đường acid pectin hoặc gel nước hoạt động thấp.

Trong pectin-ester thấp, cầu ion được hình thành giữa các ion canxi và các nhóm carboxyl ion hóa của axit galacturonic. Điều này được thể hiện rõ trong mô hình 'trứng hộp'. Pectin thấp-ester cần canxi để tạo gel, nhưng có thể thực hiện điều này ở nồng độ chất rắn hòa tan thấp hơn và pH cao hơn so với pectin cao-ester. Thông thường, pectin thấp-ester tạo gel trong phạm vi pH từ 2,6 đến 7,0 và có hàm lượng chất rắn hòa tan từ 10 đến 70%.

Pectin Amidated hoạt động tương tự như pectin-ester thấp nhưng yêu cầu ít canxi hơn và có khả năng chịu đựng dư thừa canxi tốt hơn. Gel từ pectin amidated có tính chất nhiệt thuận nghịch; chúng có thể được làm nóng và làm mát nhiều lần sau khi đã đông đặc, trong khi pectin-gel thông thường sẽ vẫn lỏng sau khi đông đặc.

Pectin cao-ester yêu cầu nhiệt độ cao hơn để hoạt động so với pectin-ester thấp. Gel từ pectin cao-ester phản ứng với sự gia tăng canxi tùy theo mức độ este hóa. Tương tự, pectin tạo gel nhanh hơn khi pH thấp hơn hoặc hàm lượng chất rắn hòa tan cao hơn (thường là đường). Pectin thích hợp có thể được chọn cho các ứng dụng như thạch hoặc kẹo cao đường. Các loại trái cây như lê, táo, ổi, mộc qua, mận, lý gai, cam và các loại họ cam quýt khác chứa nhiều pectin, trong khi trái cây mềm như anh đào, nho, dâu tây chứa ít pectin hơn.

Mức pectin điển hình trong thực vật (theo trọng lượng tươi) là:

táo: 1-1,5% mơ: 1% anh đào: 0,4% cam: 0,5-3,5% cà rốt: khoảng 1,4% vỏ quýt: 30% Nguyên liệu chính để sản xuất pectin là vỏ cam quýt hoặc nhão táo, thường là phụ phẩm của sản xuất nước trái cây. Nhão từ củ cải đường cũng được sử dụng một cách hạn chế.

Pectin được chiết xuất từ nguyên liệu bằng cách thêm axit loãng nóng ở pH từ 1,5 đến 3,5. Sau vài giờ, protopectin mất một số nhánh và chuỗi chiều dài, hòa tan vào dung dịch. Sau khi lọc, dung dịch chiết xuất được cô đặc dưới chân không và pectin kết tủa bằng cách thêm ethanol hoặc isopropanol. Phương pháp kết tủa pectin bằng muối nhôm đã lỗi thời; hiện nay, pectin cũng có thể kết tủa bằng protein và chất tẩy rửa bên cạnh rượu và cation đa hóa trị.

Pectin sau khi được kết tủa bằng cồn sẽ được tách ra, rửa sạch và sấy khô. Điều trị pectin ban đầu với axit loãng làm giảm mức độ este hóa của pectin. Khi quá trình này kết hợp với ammonium hydroxide, pectin sẽ trở thành pectin amidated. Sau khi sấy khô và nghiền nát, pectin thường được chuẩn hóa với đường và đôi khi là các muối canxi hoặc axit hữu cơ để đạt hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng cụ thể.

Pectin được ứng dụng chủ yếu trong việc tạo gel, làm đặc và ổn định thực phẩm. Những ứng dụng phổ biến bao gồm làm thạch, mứt cam hoặc mứt trái cây, vốn nếu không có pectin sẽ không đạt được độ đặc như mong muốn. Pectin cũng giúp giảm syneresis trong mứt và cải thiện sức bền của gel trong các sản phẩm ít calo. Trong gia đình, pectin là thành phần trong keo đường, được pha loãng với đường và axit citric để điều chỉnh pH. Ở một số quốc gia, pectin còn có dạng dung dịch, chiết xuất hoặc bột để làm mứt tại nhà.

Trong y học, pectin làm tăng độ nhớt và khối lượng phân, do đó nó được dùng để điều trị táo bón và tiêu chảy. Đến năm 2002, pectin là một trong những thành phần chính trong Kaopectate, một loại thuốc chống tiêu chảy, cùng với kaolinit. Pectin cũng được sử dụng trong họng như một thuốc chống ho. Trong mỹ phẩm, pectin đóng vai trò là chất ổn định. Nó cũng được dùng trong các sản phẩm chữa lành vết thương và băng dính y tế, chẳng hạn như thiết bị thông ruột kết.

Sriamornsak cho biết pectin có thể được ứng dụng trong nhiều hệ thống phân phối thuốc uống khác nhau, như hệ thống phát hành kiểm soát, hệ thống dạ dày-dai, hệ thống phân phối đại-cụ thể và hệ thống phân phối mucoadhesive, nhờ tính không độc hại và chi phí thấp. Pectin từ các nguồn khác nhau có khả năng tạo gel khác nhau do sự biến đổi kích thước phân tử và thành phần hóa học. Tương tự như các polymer tự nhiên khác, pectin gặp khó khăn trong việc lặp lại các mẫu, dẫn đến sự biến động trong đặc tính phân phối thuốc.

Trong dinh dưỡng cho gia súc nhai lại, tùy thuộc vào mức độ lignification của vách tế bào, pectin có thể được tiêu hóa tới 90% bởi các enzym vi khuẩn. Các chuyên gia dinh dưỡng gia súc nhai lại khuyến cáo rằng việc tăng nồng độ pectin trong thức ăn có thể cải thiện hiệu quả tiêu hóa và năng lượng của thức ăn gia súc.

Trong ngành công nghiệp xì gà, pectin được coi là sự thay thế lý tưởng cho keo thực vật. Nhiều người yêu thích xì gà và các chuyên gia sử dụng pectin để sửa chữa các hư hỏng trên lá wrapper thuốc lá của xì gà.

Yablokov và các cộng sự, trong cuốn sách 'Chernobyl: Hậu quả của thảm họa đối với con người và môi trường', đã trích dẫn nghiên cứu từ Trung tâm Y học bức xạ Ucraina và Viện Y học bức xạ và Nội tiết Belarus. Nghiên cứu cho thấy pectin có tác dụng bảo vệ chống bức xạ, với việc thêm pectin vào chế độ ăn của cư dân vùng Chernobyl giúp loại bỏ hiệu quả các hạt nhân phóng xạ như cesium-137. Các tác giả báo cáo kết quả tích cực từ việc sử dụng các chế phẩm thực phẩm pectin trong các nghiên cứu lâm sàng trên trẻ em ở những khu vực ô nhiễm nghiêm trọng, với cải thiện lên đến 50% so với nhóm đối chứng.

Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, phi công Đồng Minh đã được cung cấp bản đồ để hỗ trợ trong việc thoát hiểm. Ban đầu, việc in ấn bản đồ gặp khó khăn vì nhiều lớp mực bị chạy, làm mờ các phác thảo và địa danh. Các nhà phát minh bản đồ, trong đó có Clayton Hutton, đã pha pectin vào mực, giúp mực đông lại và ngăn không cho nó chạy. Kết quả là các đặc điểm địa hình nhỏ nhất cũng được thể hiện rõ ràng trên bản đồ.

Chất chuyển hóa độc hại

Tình trạng pháp lý

Theo Báo cáo của Ủy ban chuyên gia FAO/WHO về phụ gia thực phẩm và các quy định của Liên minh Châu Âu, không có mức lượng hàng ngày chấp nhận được (ADI) được quy định cho pectin, vì nó được coi là an toàn.

Tại Hoa Kỳ, pectin được xem là GRAS - thường được công nhận là an toàn. Nó có thể được sử dụng trong hầu hết các loại thực phẩm theo tiêu chuẩn sản xuất tốt, trong mức độ cần thiết cho ứng dụng của nó ('lượng vừa đủ').

Trong hệ thống đánh số quốc tế (INS), pectin mang số 440. Ở châu Âu, pectin được phân loại thành E440 (i) cho pectin không amid hóa và E440 (ii) cho pectin amid hóa. Các quy định quốc gia và quốc tế xác định chất lượng và quy định việc sử dụng của nó.

Lịch sử

Pectin được phát hiện và mô tả lần đầu vào năm 1825 bởi Henri Braconnot, mặc dù việc sử dụng pectin để làm mứt và mứt cam đã được biết đến từ lâu trước đó. Để thu được pectin, người ta thường sử dụng trái cây có hàm lượng pectin cao hoặc chiết xuất từ trái cây, và trộn chúng vào thực phẩm.

Trong thời kỳ Cách mạng công nghiệp, các nhà sản xuất trái cây ngâm đã nhanh chóng chuyển sang sản xuất nước ép táo để thu được dịch nhão táo khô, sau đó được nấu để chiết xuất pectin.

Vào những năm 1920 và 1930, các nhà máy được thành lập để sản xuất pectin thương mại từ bã táo khô và vỏ cây có múi ở các khu vực sản xuất nước trái cây táo tại Mỹ và châu Âu. Ban đầu, pectin được bán dưới dạng chiết xuất lỏng, nhưng hiện nay thường được sử dụng dưới dạng bột khô, dễ lưu trữ và xử lý hơn so với dạng lỏng.