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08/11/2016 1 Aula Pectina Prof. Marcelo Prado Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia de Alimentos Departamento de Ciência de Alimentos IntroduçãoIntrodução - Celulose - Hemicelose • Parede celular dos vegetais Achyuthan et al. (2010) Molecules 15:8641-8688 - Lignina - Composição: - Pectina - Proteínas estruturantes Peroxidase, lacase (β- glicosidase?) ligadas à parede Lamela média Parede primáriaParede secundáriaMembrana plasmática Lignina Pectina Celulose Hemicelulose Lignina rica em álcoois coniferílico e sinapílico Lignina rica em álcool p-cumarílico - Funções: - Suporte, resistência - Barreira (ambiente, patógenos) IntroduçãoIntrodução • Polissacarídeos da parede celular - Polissacarídeo bem definido - Formada apenas por cadeias lineares de glicopiranosil - Contêm elevada quantidade de resíduos de ác. galacturônico - Polissacarídeos heterogêneos tradicionalmente caracterizados por serem facilmente extraídos com ácido a quente ou quelantes - Polissacarídeos heterogêneos - Tradicionalmente compreendem os demais polissacarídeos, que podem ser extraídos por tratamento alcalino Celulose Pectina Hemicelulose PectinaPectina • Características - Macromoléculas glicosídicas (poliméricas) - Compõem parede celular de células vegetais Principais componentes da lamela média - Papel na adesão entre células e resistência mecânica da parede celular Influencia na firmeza de suas estruturas Proteínas solúveis Hemicelulose Microfibrila de celulose PectinaLamela média Parede celular primária Membrana plasmáica “adesivo” celular entre paredes de células adjacentes PectinaPectina • Propriedades - Contribuem com textura de frutas e vegetais - Em termos nutricionais: fibras dietéticas solúveis Consumo de 4-5g pectina/dia (dieta ocidental normal) - No suco: palatabilidade (“mouth feel”), “corpo” (↑viscosidade) - Funções tecnológicas Capacidade de formar e estabilizar emulsões Opacidade em sucos é atribuída à pectina, que estabiliza uma suspensão coloidal dos constituintes do suco. Propriedades gelificantes (geleias de frutas) são bem conhecidas PectinaPectina - Protopectina Pectina nativa, antes da extração, presente em tecidos intactos Associada a outros componentes da parede celular (celulose, hemicelulose) Insolúvel em H2O Responsável pela textura (“firmeza”) de frutas e vegetais Hidrólise = pectina ou ácidos pectínicos (amolecimento) • Produção - Isolamento Produzida comercial/te a partir de frutas cítricas (albedo) e bagaço de maçã Extração em pH 1,5-3 e 60-100°C 08/11/2016 2 PectinaPectina PectinaPectina O grupo de substâncias pécticas abrange substâncias com diferentes propriedades e difíceis de serem separadas umas das outras. O aspecto que as diferencia é o seu grau de metoxilação – grupos metilas esterificados ao grupo carboxílico da molécula Grupo de substâncias pécticas PROTOPECTINA, ÁCIDOS PÉCTICOS , ÁCIDOS PECTÍNICOS PectinaPectina Substâncias pécticas � É a designação dada a um grupo complexo de derivados de carboidratos extraídos de plantas. São constituídas na sua maioria, por cadeias de ácidos D-galacturônicos ligados em α (1-4) e cujos grupos carboxílicos podem estar parcialmente metoxilados (resíduos de ramnose. arabinose, galactose) a) Protopectinas � São substância péctica encontradas em frutas e vegetais não maduros (verdes), conferem rigidez ao tecido. São insolúveis em água e, por aquecimento em presença de ácidos diluídos, formam ácidos pectínicos (pectina) ou ácidos pécticos. PectinaPectina b) Ácidos pectínicos �São as substâncias coloidais (1 a 100 nm), não necessariamente solúveis em água, constituidas por ácidos poligalacturônicos com número significativo de metoxilas na forma de ésteres. Dependendo do grau de metoxilação podem formar géis com sacarose em meio ácido, ou em presença de cátions divalentes, ou soluções coloidais. PROTOPECTINA ÁCIDOS PECTÍNICOS São obtidos a partir da protopectina por ação das enzimas protopectinase e pectina metil esterase. pectina metil esterase protopectinase PectinaPectina Substâncias pécticas c) Ácidos pécticos � São cadeias de ácidos D-galacturônicos, livres de metoxila. Quando em água formam soluções coloidais (1 e 100 nm). PROTOPECTINA ÁCIDOS PÉCTICOS A atuação intensa da enzima pectina metil esterase sobre a protopectina leva à formação dos ácidos pécticos. pectina metil esterase PectinaPectina d) Pectina �São ácidos pectínicos solúveis em água, com número de metoxilas esterificadas e grau de neutralização variáveis. Em meio ácido formam géis com sacarose. # Estas enzimas contribuem para o desenvolvimento da textura adequada em frutos e vegetais durante a maturação Durante a maturação de frutos e vegetais, o teor de protopectina diminui e o de pectina aumenta, diminuindo consequentemente a firmeza dos frutos e vegetais. 08/11/2016 3 PectinaPectina • Uso comercial - Em alimentos � INS 440 Também utilizada como estabilizante de produtos lácteos e iogurtes Amplamente empregada na produção de geleias, doces e recheios - Mercado Consumo mundial: ~45 mil toneladas/ano Pelo menos €400 milhões/ano Funções: espessante, estabilizante, gelificante e emulsificante Quantidade: em geral q.s.p. PectinaPectina • Ocorrência - Origem Vegetais e frutas, mais abundantemente nas frutas cítricas PectinaPectina • Ocorrência � As pectinas se localizam principalmente em tecidos pouco rigidos como o albedo das frutas cítricas e na polpa de beterraba. Origem pectina % Batata 2,5 Tomate 3,0 Maçã 5,0 Beterraba 15,0 Frutas cítricas 30 a 35 exemplos de fluxogramas de extração ácida de pectin a Fluxograma do beneficiamento do bagaço de maçã. exemplos de fluxogramas de extração ácida de pectin a Fluxograma de extração de pectinas de bagaço de maçã desidratados. PectinaPectina • Características estruturais - Polissacarídeos ácidos, de estrutura complexa - Moléculas ricas (≥65%) em ácidos D-galacturônicos Parcialmente esterificados a grupos metil em C6 COOH CH HC OH HC OH HO CHHO C OH –COOCH3 Hidroxilas das posições 2 ou 3 podem estar acetiladas 08/11/2016 4 (Parênteses)(Parênteses) • Ácidos urônicos OH HO H O COOH OH OH H H H Ác. D-glicurônico HO H O COOH OH OH H H H HO Ác. D-manurônico Ác. D-galacurônico OH HO H O COOH OH H H H HO Hidroxila terminal oxidada a ácido carboxílico D-Glicose: CH2OH D-Manose: CH2OH D-Galactose: CH2OH D-Gulose: CH2OH Ác. D-gulurônico OHH O COOH OH H H H HO OH PectinaPectina Estrutura básica da pectina Ligacões α -1,4 PectinaPectina • Características - Polissacarídeos contendo grupos carboxílicos (–COOH): Pectina Alginato Carboximetilcelulose (CMC) Solúveis na forma de sais básicos em pH neutro a alcalino Negativamente carregados (–COO–) Moléculas resistem à associações intermoleculares, permanecem relativamente esticadas Em pH neutro: formação de gel com cátions divalentes PectinaPectina – – – – – – – – – –– – – – – –– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –– – repulsão eletrostática entre as estruturas, gelificação não pode ocorrer – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – ––– –– – –– –– – – ––– – – – –– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – repulsão pH < 3: repulsão eletrostática pode deixar de existir e gelificação pode ocorrer Mecanismo de Mecanismo de gelificaçãogelificação • Gel de pectina - O que é? Zonas de junção gel (líquido disperso em solido como fase contínua) Interação em pontos específicos (zonas de junção ) Condições específicas Água (e solutos) aprisionados em uma rede tridimensional de pectina - Princípio geral de formação: Pectina dispersa em água sol (sólido disperso em líquido como fase contínua) Mecanismo de Mecanismo de GelificaçãoGelificação � As pectinas são comercialmenteclassificadas em pectinas de alto teor de grupos metoxílicos (ATM) quando contém acima de 50% de seus grupos carboxílicos esterificados e � de baixo teor (BTM), quando somente 50% ou menos estão esterificados. � A rigidez do gel, por sua vez, está relacionada com o peso molecular da pectina, crescendo com o aumento do peso. 08/11/2016 5 Mecanismo de Mecanismo de GelificaçãoGelificação Mecanismo de gelificação da pectina com alto grau de metoxilação � A solução coloidal de pectina contém micelas hidratadas e com cargas negativas devidas ao grupo –COO-. Para a passagem de sol a gel deve-se provocar aproximação das micelas pela eliminação das suas cargas, abaixando-se o pH até 2,8-3,5 e retirando-se pelo menos parcialmente, a água de hidratação. Por resfriamento forma-se o gel que é termoreversível. Mecanismo de Mecanismo de GelificaçãoGelificação Mecanismo de gelificação da pectina com alto grau de metoxilação � Considerando–se R-COO – nH2O como uma representação da molécula de pectina hidratada, a gelificação daria segundo o esquema: R - COO-nH2O H+ R - COOHnH2O R - COOHnH2O açúcar R - COOH (n – m)H2O + açúcar mH2O O ácido protona o grupo carboxílico e ocorre desidratação da micela de pectina pelo açúcar. Ponte de Hidrogênio Mecanismo de Mecanismo de GelificaçãoGelificação Mecanismo de gelificação da pectina com alto grau de metoxilação (ATM) � O teor de açúcar necessário para se obter o efeito desidratante desejado é aproximadamente de 60 - 70% do peso total da geléia. � A atividade da água na geléia é suficientemente baixa para inibir o crescimento de grande número de microrganismos. Mecanismo de Mecanismo de GelificaçãoGelificação � A = micela de pectina dispersa em água � B = camada de água de hidratação � C = campo elétrico com cargas negativas � D = distancia em micelas. � 1 ) (d1) = distancia A - A é muito grande e há repulsão eletrostática. � 2 ) (d2) = distancia A - A é grande pela presença de água de hidratação. Não há mais repulsão eletrostática. � 3 ) (d3) = Distancia A - A é suficientemente pequena para permitir pontes de H entre as moléculas da micela. H+ d2 A A A A A A +Ácido d3 d1 +açúcar -H2O Ligada a pectina Açúcar + H2O Açúcar + H2O Açúcar + H2O B B C C 1 2 3 Mecanismo de Mecanismo de gelificaçãogelificação • Pectina ATM (alto teor de metoxilação) >50% dos grupos carboxílicos esterificados (grupo metil) – 55-75% ∆, açúcares 58-75% peso Ácido (H+) pH = 2,8-3,5 Pontes H, interações hidrofóbicas, diminuição da repulsão eletrostática –– –– –– – H2O Mecanismo de Mecanismo de gelificaçãogelificação PECTINA ATM pH ajustado a 2,8 -3,5 , Açúcar , Resfriamento FORMAÇÃO DO GEL A medida que o pH da solução diminui, os grupos carboxílicos altamente hidratados e carregados são convertidos em grupos não carregados e levemente hidratados . Como resultado da perda de algumas de suas cargas e hidratação, as moléculas poliméricas podem então associar-se, em porções ao longo de seu comprimento, formando junções e uma rede de cadeias poliméricas que aprisionam a solução aquosa. 08/11/2016 6 Mecanismo de Mecanismo de gelificaçãogelificação Açúcar Favorece a formação das zonas de junção Concentração (65%, pelo menos 55%) Compete com as moléculas de pectina pelas moléculas de água, reduzindo a hidratação das cadeias e permitindo que elas interajam umas com as outras. Quanto maior o grau de metoxilas de uma pectina , maior é a temperatura na qual ela forma gel, sendo formado mais rapidamente ( o gel se forma no resfriamento). PectinaPectina Mecanismo da gelificação da pectina com baixo teor de metoxilação (BTM). � Quando a pectina contém menos 50% dos seus grupos carboxílicos esterificados a geleificação é provocada pela formação de ligações entre íons carboxílicos e íons de cálcio, ou de outro metal bi ou trivalente que também ficarão ligados covalentemente a grupos OH. � Assim, o metal atua como ligante entre as cadeias de pectina formando a estrutura do gel. � Nos alimentos usa-se somente o íon cálcio que é adicionado na proporção de 0,1 - 0,5 % do peso do gel. � Um excesso de cálcio produz a precipitação de pectato de cálcio. Açúcar, em pequenas quantidades, melhora a textura do gel. � Para esses géis a pectina é preparada a partir de pectina comum (ATM) por hidrólise e outros processos químicos controlados. PectinaPectina PECTINA BTM Podem formar géis estáveis, na ausência de açúcares, mas requerem a presença de íons bivalentes, como cálcio, o qual provoca a formação de ligações cruzadas entre as moléculas. Esse tipo de gel é adequado em produtos de baixa caloria ou dietéticos sem açúcar. PectinaPectina - O OH COO OHO OH OH COO O OOOC OH O OH OCOO OH OH Ca 2+ - cálcio: 0,1 a 0,5% do peso do gel pH: 3,0 - 3,5 Mecanismo de Mecanismo de gelificaçãogelificação • Pectina BTM (baixo teor de metoxilação) <50% dos grupos carboxílicos esterificados (grupo metil) – 15-45% Ca2+ – – – – – – – – – –– – – – – – – – – – –– – Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ repulsãorepulsão + H+ PectinaPectina Representação das ligações intermoleculares entre as cadeias de pectina BTM e o íon Ca. 08/11/2016 7 Mecanismo de Mecanismo de gelificaçãogelificação • Pectina BTM (baixo teor de metoxilação) Zonas de junção PectinaPectina Mecanismo de Mecanismo de gelificaçãogelificação • Pectina BTM (baixo teor de metoxilação) - Adição de 0,1-0,5% Ca p/ formar gel - Não requer adição de açúcar Adição de pequena quantidade (10-15%) melhora textura - Utilizada em produtos dietéticos Adição de ácidos (hidrólise), álcalis (amonólise) ou enzima pectinesterase - Obtenção: PectinaPectina Efeitos do grau de esterificação da pectina na formação do gel ácidos pectínicos: grande número de grupos carboxílicos metilados. Formam gel. ácidos pécticos: grande número de grupos carboxílicos não metilados. Não formam gel. pectinas: grau variável de grupos carboxílicos metilados e de neutralização. Formam gel. Preparações comerciais: pectina de alto teor de grupos metoxílicos (ATM): acima de 50% de seus grupos carboxílicos esterificados pectina de baixo teor de metoxilação (BTM): menos que 50% dos seus grupos carboxílicos estão esterificados ResumoResumo LigninaLignina • Características - Preenche espaço entre fibras de celulose, junto com hemicelulose e pectina - Atua como ligante dos componentes da parede celular - Elemento estrutural Suporte, resistência mecânica Ligada covalentemente à hemicelulose - Elevada resistência à biodegradação Durante o desenvolvimento das células, a lignina é incorporada como o último componente na parede, interpenetrando as fibrilas Localizada na lamela média, parede primária e secundária Devido a sua complexidade, é uma das moléc. mais recalcitrantes Degradação envolve múltiplas reações bioquímicas 08/11/2016 8 LigninaLignina • Estrutura - Fração não-carboidratos - Complexa e difícil de se caracterizar (extração afeta estrutura) - Estrutura não uniforme, heterogênea, complexa, ramificada, amorfa - Formada por unidades de p- propilfenol c/ substituintes metílicos Precursores: Álcool p-trans-cumárico Álcool trans-coniferílico Álcool trans-sinapílico - Composição diferente para cada tipo de material (gramíneas, coníferas, folhosos) LigninaLignina • Estrutura - Tridimensional - Unidades monoméricas unidas por ligações do tipo éter - Polímero fenólico - Elevada massa molecular (~100kDa) LigninaLignina • Funções da lignina nas plantas - Fortalece e enrijece as paredes celulares; “Além de proteger os elementos vasculares, a lignina funciona como um elemento de suporte para toda a arvore. A lignina é um componente estrutural que dá a madeira propriedades de elasticidade e resistência bastante únicas.” Klock et al, 2006 - Une as células umas às outras; - Reduz permeabilidade da parede celular à H2O; - Proteção contra ataque microbiano (natureza fenólica); Ligação cruzadaaos polissacarídeos = obstáculo à absorção de H2O pela parede celular Sistemas vasculares (xilema) ConclusãoConclusão Próxima aula: GomasPróxima aula: Gomas • Lignina - Fração não carboidrato da parede celular de plantas • Pectina - Substância péctica de frutas e vegetais - Capacidade de gelificação, ↑viscosidade, estabilização - Formação de gel em presença de Ca2+ (BTM) ou açúcar + ácido (ATM) - Elemento estrutural - Estrutura complexa - Ácidos α-D-galacturônicos (grau variável de esterificação ao metanol) unidos por ligação 1�4 ReferênciasReferências - PARKIN, K.L.; FENNEMA, O.R.; DAMODARAN, S. (2009) Química de Alimentos de Fennema . 4ª Ed. Porto Alegre: Artmed. Cap. 3.3.12 - BELITZ, H.-D.; GROSCH, W.; SCHIEBERLE, P. (2009) Food Chemistry . 4th ed. Springer. Cap. 4.4.4.13