วิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา >>

สารเป็คติค
(pectic substances)

อ.ณัฐกานต์ นิตยพัธน์

      สารเป็คติค (pectic substances) เป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์ของพืช และ middle lamella (ส่วนที่อยู่ตรงกลางระหว่าง 2 ผนังเซลล์) สารเป็คติคที่พบในส่วน middle lamella จะทำหน้าที่เป็นสารที่ทำให้เซลล์หลายๆ เซลล์อยู่ติดกัน

สารเป็คติค หมายถึง อนุพันธ์เชิงซ้อนคาร์โบไฮเดรทที่มีคุณสมบัติเป็นสารคอลลอยด์ สารเป็คติคนี้พบได้ใน หรือผลิตได้จาก พืชทั้งหลาย และประกอบไปด้วย anhydrogalacturonic acid ยูนิต (เป็นจำนวนมาก) ซึ่งปรากฏอยู่ในลักษณะที่ต่อกันเป็นสายยาวคล้ายโซ่ หมู่คาร์บอกซิล (-COOH) ของ polygalacturonic acids อาจถูกเอสเทอริไฟด์บางส่วนโดยหมู่ methyl (-CH3)และถูกทำให้เป็นกลางบางส่วนหรือทั้งหมดโดยเบส


รูปที่ 1 Galacturonic acid

โปรโตเป็คติน คือ สารเป็คติคแม่ที่ไม่ละลายน้ำ และพบในพืช เมื่อถูกไฮโดรไลซ์จะได้เป็คติน หรือกรดเป็คตินิค (pectinic acids) ขึ้นอยู่กับว่าถูกไฮโดรไลซ์ที่ตำแหน่งใด

กรดเป็คตินิค คือ polygalacturonic acids ที่เป็นสารคอลลอยด์ และประกอบด้วยหมู่ methyl ester เป็นจำนวนพอสมควร ในสภาวะที่เหมาะสมและมีน้ำตาลและกรดอยู่ด้วย กรดเป็คตินิคจะสามารถเกิดเจล หรือในสภาวะที่มีอิออนโลหะ กรดเป็คตินิคที่มีปริมาณ methoxyl ต่ำ ก็จะสามารถเกิดเจลได้ เกลือของ pectinic acid สามารถอยู่ในรูปปกติ หรือกรด pectinates ก็ได้

เป็คติน คือ กรดเป็คตินิคที่ละลายน้ำได้ และมีปริมาณ methyl ester กับความเป็นกลาง (degree of neutralization) ต่างๆ กัน สามารถเกิดเจลได้ในสภาวะที่เหมาะสม

กรดเป็คติค เป็นสารเป็คติคที่มีส่วนประกอบเกือบทั้งหมดเป็น polygalacturonic acids ที่เป็นคอลลอยด์ และไม่มีหมู่ methyl ester เลย เกลือของกรดเป็คติคสามารถอยู่ในรูปปกติ หรือกรดเป็คเตด (acid pectates)

โครงสร้างเบื้องต้นของสารเป็คติค คือสายตรงของ anhydro –D-galacturonic acids ซึ่งต่อกันด้วยพันธะ a-(1®4) หมู่ carboxylic acid บางหมู่ จะถูกเติมหมู่ methyl บางหมู่จะอยู่ในรูปของเกลือ หรือกรดอิสระ สารเป็คติคบางตัวจะมีหมู่ acetic ester อยู่ที่ C-2 และ C-3


รูปที่ 2 สาย anhydro-D-galacturonic acids

ปริมาณโปรโตเป็คตินในผลไม้จะลดลงเมื่อผลไม้สุก ในขณะที่ปริมาณเป็คตินซึ่งละลายน้ำได้จะเพิ่มขึ้น ดังจะเห็นได้จากผลไม้ดิบจะแข็ง และเมื่อสุก ผลไม้นั้นจะนิ่ม การลดของโปรโตเป็คติน และการเพิ่มของเป็คตินจะหยุดลงเมื่อถึงจุดๆ หนึ่ง และปริมาณสารทั้งสองชนิดนี้จะคงที่อยู่ระยะหนึ่ง ในที่สุด ปริมาณสารทั้งสองชนิดจะลดลง ในขณะเดียวกันเนื้อสัมผัสของผลไม้จะอ่อนนิ่ม ซึ่งแก้ไขได้โดยใช้เกลือแคลเซี่ยม เกลือแคลเซี่ยมจะเพิ่มความแข็งให้เนื้อสัมผัสของผักและไม้ได้ เนื่องจากการเกิดเกลือของสารเป็คติคซึ่งไม่ละลายน้ำ

สารเป็คติคใช้เป็นสารทำให้เกิดเจล และทำให้ข้น สารเป็คติคที่ใช้กันโดยทั่วไปคือ เป็คติน ซึ่งมีหลายประเภท แบ่งออกตามส่วนประกอบของโมเลกุลและคุณสมบัติทางเคมีและฟิสิกส์

เป็คติน สกัดจากเปลือกผลไม้จำพวกส้ม (citrus fruits) และ apple pomace (ส่วนที่เหลือจากการบีบเอาน้ำออกจากผลแอปเปิ้ล) ในสภาวะกรดอ่อน โมเลกุลของเป็คติน นอกจากจะประกอบไปด้วยสายยาวของ galacturonic acid แล้ว (smooth region) ยังประกอบไปด้วยกิ่งสั้นๆ ของโมเลกุลที่เป็นกลางเช่น galactans, arabinans, xylans นอกจากนี้ยังมีโมเลกุลของน้ำตาล b-L-rhamnose แทรกอยู่อีกด้วย สายโมเลกุลส่วนที่มีกิ่งนี้ เรียกว่า hairy region ซึ่งเป็นส่วนที่จำกัดความสามารถในการเกิดเจลของเป็คติน


รูปที่ 3 Smooth region of pectin


รูปที่ 4 Hairy region of pectin

เป็คตินแบ่งออกได้เป็นสองประเภทใหญ่ๆ ตาม degree of esterification (DE หรือ DM ซึ่งเป็นค่าที่บอกถึง %ของ galacturonic acid ยูนิตที่อยู่ในรูป methyl ester) คือ high methoxyl (HM) pectin และ low methoxyl (LM) pectin

เป็คตินที่มี DE ³ 50% จะถูกจัดเป็น HM pectin ส่วนเป็คตินที่มี DE < 50% จะถูกจัดเป็น LM pectin เป็คตินทั้ง 2 ชนิดนี้จะเกิดเจลที่สภาวะต่างกัน HM pectin จะเกิดเจลที่ปริมาณของแข็งละลาย (soluble solid) สูง และค่า pH ต่ำ ถ้า DE น้อยลง ความสามารถในการเกิดเจลจะลดลง ส่วน LM pectin จะเกิดเจลเมื่อมี divalent ions เช่น แคลเซี่ยม อยู่ในระบบ และเมื่อ DE สูงขึ้น ความสามารถในการเกิดเจลในสภาวะที่มี divalent ions จะลดลง (รูปที่ 6) และจากรูปที่ 6 จะเห็นได้ว่า เป็คตินที่มี DE ประมาณ 50% จะสามารถเกิดเจลได้ทั้ง 2 สภาวะ


รูปที่ 6 การเกิดเจลของเป็คตินใน 2 สภาวะ

HM pectin จะเกิดเจลได้เมื่อระบบมีปริมาณ soluble solid อย่างน้อย 55% (55 – 85%) และมี pH อยู่ในช่วง 1.0 – 3.5 ถ้า pH สูงกว่า 3.5 หรือระบบมีปริมาณของแข็งละลายต่ำกว่า 55% HM pectin จะไม่เกิดเจล แต่จะทำให้สารละลายมีลักษณะข้น ส่วนปริมาณแคลเซี่ยมอิออน จะไม่มีผลต่อการเกิดเจลของ HM เป็คติน

 

HM pectin เกิดเจลเมื่อเป็คตินละลายในน้ำแล้วอย่างสมบูรณ์ เนื่องจาก ที่ pH 3.0 ประมาณ 90% ของหมู่กรดคาร์บอกซิลิคบนโมเลกุลจะไม่แตกตัว [ความสามารถในการละลายของเป็คตินลดลง เกิดการตกผลึกเฉพาะที่ (local crystallization)] ดังนั้นจึงทำให้สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับกรด หรือหมู่ไฮดรอกซิล ที่อยู่บนสายโมเลกุลติดกัน ทำให้สายโมเลกุลของเป็คตินมาอยู่ชิดกันอย่างไม่เป็นระเบียบ เกิดเป็น junction zone ซึ่งเป็นโครงข่าย 3 มิติ ส่วนโมเลกุลของแข็งละลาย เช่นน้ำตาล จะไปแย่งจับโมเลกุลน้ำที่เดิมเกาะอยู่กับหมู่กรดคาร์บอกซิลิคที่แตกตัว ทำให้โมเลกุลเป็คตินสูญเสียน้ำ (dehydration) และเกิดเป็นเจล (รูปที่ 5)


รูปที่ 5 โครงร่างแบบง่ายของโครงข่ายโมเลกุลของเป็คตินที่เกิดเจล ส่วนที่แรเงาเป็นบริเวณที่เกิด local crystallization

HM pectin จะแข็งตัวเป็นเจลที่ช่วงอุณหภูมิ 25 – 90oC ขึ้นอยู่กับค่า DE (DE สูง setting temperature สูง) และไม่มีคุณสมบัติ thermally reversible (นั่นคือ ไม่หลอมตัวเมื่อถูกความร้อน) ไม่รวมตัวกลับเป็นเจลเมื่อถูกทำให้แตก และจะเกิดมีน้ำซึมออกมาเมื่อเก็บไว้นานๆ HM pectin ยังสามารถแบ่งได้อีก 3 ชนิด ตามคุณสมบัติต่างๆ ดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ชนิดของ HM pectin และคุณสมบัติต่างๆ


LM pectin จะเกิดเจลได้ในช่วง pH กว้างกว่า HM pectin (pH 1.0 – 7.0 หรือสูงกว่า) pH มีอิทธิพลต่อเนื้อสัมผัสของเจล ปริมาณของแข็งละลายที่ต้องการเพื่อจะให้ LM pectin เกิดเจลก็จะกว้างกว่า HM pectin (0% - 80%) แต่สิ่งที่สำคัญต่อการเกิดเจลของ LM pectin คือต้องมีแคลเซี่ยมไอออน (หรือ divalent ions อื่น) อยู่ด้วย LM pectin จะไม่เกิดเจลในระบบที่มีน้ำตาลและกรด แต่ไม่มี divalent ions ทั้งนี้เนื่องจากโมเลกุล LM pectin มีหมู่กรดคาร์บอกซิลิคเป็นจำนวนมาก จนกรดที่มีอยู่ในระบบไม่สามารถทำให้หมู่กรดคาร์บอกซิลิคแตกตัวจนสามารถสร้างพันธะกับสายเป็คตินอื่นให้เกิดเป็น junction zone ได้ และปริมาณของแข็งละลายในระบบก็มีไม่มากพอที่จะแย่งจับกับโมเลกุลน้ำ เพื่อให้เกิด dehydration ที่มากพอจนโมเลกุลเข้ามาอยู่ชิดกันได้ ดังนั้น การที่ LM pectin เกิดเจลเมื่อมีแคลเซี่ยมไอออนอยู่นั้น จึงเนื่องมาจาก แคลเซี่ยมไอออนจะเชื่อมหมู่คาร์บอกซิล 2 หมู่ จากโมเลกุลเป็คตินคนละสาย เกิดเป็น junction zone ในลักษณะที่เรียกว่า egg box ขึ้น (รูปที่ 7) HM pectin จะไม่เกิดเจลเมื่อมีแคลเซี่ยมไอออนอยู่ เนื่องจากโมเลกุลมีหมู่ methoxyl มากเกินไป

รูปที่ 7 The egg box model

ความแข็งของเจลจาก LM pectin ขึ้นอยู่กับปริมาณแคลเซี่ยมไอออน (รูปที่ 8) จะเห็นได้ว่าเมื่อเพิ่มปริมาณแคลเซี่ยมขึ้นไปเรื่อยๆ จนถึงจุดๆ หนึ่ง ปริมาณแคลเซี่ยมที่เพิ่มขึ้นจะไม่เพิ่มความแข็งของเจลขึ้นอีก ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า calcium saturation ปริมาณของแข็งละลายมีอิทธิพลต่อปริมาณแคลเซี่ยมไอออนที่ LM pectin ต้องการเพื่อทำให้เกิดเจล (ดังนั้นจึงส่งผลไปสู่ความแข็งของเจลด้วย) ถ้าปริมาณของแข็งละลายมาก ปริมาณแคลเซี่ยมที่ต้องการในการทำให้เกิดเจลจะน้อยลง ในขณะเดียวกัน ช่วงของปริมาณแคลเซี่ยมที่จะทำให้เกิดเจลที่ดีนั้นก็จะแคบลง (รูปที่ 9)


รูปที่ 8 ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณแคลเซี่ยมกับความแข็งของเจล LM pectin

รูปที่ 9 ผลกระทบของปริมาณของแข็งละลายที่มีต่อความต้องการของแคลเซี่ยม

จากรูปที่ 9 ส่วนของกราฟที่หักลงเมื่อมีปริมาณแคลเซี่ยมสูงๆ นั้น แสดงให้เห็นถึงการเกิด pregel ซึ่งคือเจลที่มีเนื้อไม่เนียน ซึ่งปกติแล้วจะเป็นสิ่งที่ทุกคนพยายามหลีกเลี่ยง

อิทธิพลของ pH ต่อเนื้อเจล LM pectin

pKa ของเป็คติน อยู่ที่ 3.5 นั่นคือ ที่ pH 3.5 เป็คตินจะมีการไอออนไนเซชั่น 50% (รูปที่ 10) ดังนั้น ที่ pH ต่ำกว่า 3.5 LM pectin จะมีหมู่กรดคาร์บอกซิลิคที่ไม่แตกตัวมากกว่าที่ pH สูงกว่า 3.5 ทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลมากกว่า พันธะไฮโดรเจนนี้ ทำให้เกิดเจลที่แข็ง และไม่กลับรวมตัวกันเมื่อถูกทำให้แตก ในขณะที่ pH > 3.5 จะมีพันธะเชื่อมระหว่างโมเลกุลโดยแคลเซี่ยมมากกว่า ซึ่งทำให้เกิดเจลที่นิ่ม และสามารถกลับมารวมตัวกันเมื่อถูกทำให้แตก


รูปที่ 10 ปริมาณการแตกตัวของเป็คตินที่ pH ต่างๆ

ดังนั้น เจลจาก LM pectin จะนิ่มกว่า HM pectin นอกจากนี้ เจลจาก LM pectin จะละลาย (หลอม) เมื่อถูกความร้อน เจลจะแข็งตัวที่ช่วงอุณหภูมิ 30 – 100+oC และสามารถรวมตัวใหม่เมื่อเจลถูกทำให้แตก

การใช้เป็คตินในอุตสาหกรรม

เป็คตินถูกนำไปใช้มากในอุตสาหกรรมอาหาร และอุตสาหกรรมยา ในอุตสาหกรรมอาหาร จะใช้ เป็คตินในการผลิตแยม และเยลลี่ ในการผลิตแยมผลไม้ rapid set HM pectin จะถูกนำมาใช้ เพื่อให้ชิ้นผลไม้กระจายอยู่ทั่วในเนื้อแยม ส่วนในเยลลี่นั้นจะนิยมใช้ slow set HM pectin เพื่อให้เยลลี่ไม่มีฟองอากาศติดอยู่ในเนื้อเยลลี่เมื่อแข็งตัว

LM pectin จะใช้ในการผลิต low/reduced calorie แยมและเยลลี่ เนื่องจากผลิตภัณฑ์เหล่านี้ มีปริมาณของแข็งละลายไม่มากพอที่ HM pectin จะเกิดเจล

นอกจากแยมและเยลลี่แล้ว เป็คตินยังถูกใช้ในการผลิตเครื่องดื่ม และน้ำผลไม้ต่างๆ เพื่อให้เครื่องดื่มเหล่านี้มีความข้น ใช้ในการผลิตนมเปรี้ยวและโยเกิร์ต (ธรรมดาและผลไม้) เพื่อป้องกันการตกตะกอนของเคซีนในนม

ในอุตสาหกรรมยา จะใช้เป็คตินเพื่อเพิ่มความหนืด และรักษาสภาพอิมัลชั่นในยาน้ำ นอกจากนี้ เป็คตินยังมีฤทธิ์ช่วยป้องกันอาการท้องเสีย ดังนั้นเป็คตินจึงเป็นส่วนผสมหนึ่งในยาแก้ท้องเสียด้วย

HM pectin ส่วนมากที่ขายอยู่ทั่วไปจะถูกผลิตให้มีคุณภาพเป็น เกรด 150 USA-SAG ซึ่งหมายถึง 1kg ของเป็คตินนี้ จะทำให้น้ำตาล 150kg ซึ่งอยู่ในสารละลายที่มี soluble solid = 65.0% และ pH = 2.2 – 2.4 เป็นเจลที่มีความแข็ง 23.5% SAG (SAG เป็นวิธีที่ใช้วัดความแข็งของเจล) ส่วนเกรดของ LM pectin นั้น จะมีอยู่หลายเกรด