Extensieve studie van de structuur-functie relatie van pectine als emulgator

Pectine is een overkoepelende benaming voor een groep heteropolymeren rijk aan galacturonzuur die voorkomen in de celwand van planten. Pectine wordt beschouwd als één van de meest complexe natuurlijke polymeren en het is deze complexiteit die verantwoordelijk is voor het multifunctioneel karakter van pectine zowel in de plant als in verwerkte voedingssystemen en in geëxtraheerde vorm wanneer het gebruikt wordt als ingrediënt in levensmiddelen. Sinds vele jaren is geëxtraheerd pectine het onderwerp van verscheidene academische en industriële studies die bijvoorbeeld geleid hebben tot de introductie van de belangrijke toepassing van pectine als gelerend agens in de productie van confituren. Meer recent heeft ook de emulgerende en emulsie stabiliserende werking van pectine de aandacht van wetenschappers getrokken. Mogelijks zou het onderzoek naar deze nieuwe functionaliteit kunnen leiden tot het industrieel gebruik van pectine om voedingsemulsies te stabiliseren. Bovendien kan pectine, als natuurlijk polymeer, een alternatief zijn voor synthetisch vervaardigde emulsie stabiliserende ingrediënten. Aangezien pectine geproduceerd wordt via extractie uit nevenstromen van de fruit- en groenteverwerkende industrie, zorgt dit tegelijkertijd ook voor het verder opwaarderen van industriële nevenstromen. Pectine dat vandaag op de markt beschikbaar is, wordt hoofdzakelijk geproduceerd uit citrusschillen en appelpulp maar ook andere nevenstromen kunnen een bron voor potentieel interessante pectinestructuren vormen. Het is echter zo dat de complexe macromoleculaire structuur van pectine het moeilijk maakt om te bepalen en voorspellen welke exacte pectinestructuren goed in staat zijn emulsies te stabiliseren. Het ontrafelen van die structuur-functie relatie blijft een grote uitdaging. De structurele complexiteit van pectine speelt hier een dubbele rol. Enerzijds zorgt het ervoor dat de structuur-functie relatie moeilijk te doorgronden is. Anderzijds is het net deze complexiteit die verantwoordelijk is voor het multifunctioneel karakter van pectine en dus voor het potentieel als emulgerend en emulsie stabiliserend agens.

Dit doctoraatsonderzoek onderzocht het emulgerend en emulsie stabiliserend potentieel van specifieke geëxtraheerde pectinestructuren. Door pectinerijke extracten afkomstig van verschillende inheemse botanische bronnen te bestuderen, kon de invloed van de botanische oorsprong op de pectinestructuur en functionaliteit onderzocht worden. In de latere fases van dit onderzoek werden specifieke technieken (chemische modificatie en ultrafiltratie) toegepast op pectinestalen met een veelbelovend emulsie stabiliserend potentieel. Het werd als hypothese voorop gesteld dat het isoleren van (sub)structuren dieper inzicht kan verschaffen in de structuur-functie relatie en bovendien het veelbelovend potentieel van de originele stalen verder kan helpen verklaren. Het onderzoek werd uitgevoerd door gebruik te maken van een uitgebreide en performante multimethod onderzoekstrategie. Hierbij werd een gedetailleerde structurele karakterisatie van de stalen gecombineerd met analyses van verschillende fysicochemische parameters belangrijk voor de functionaliteit en in het bijzonder met het opvolgen van de stabiliteit van emulsies tijdens gekoelde bewaring waarbij de pectinestalen werden toegevoegd als emulsie stabilisator.

In een eerste onderzoeksfase werd het gebruik van verschillende chemische extractiemethodes geëvalueerd met als doel een pectinerijk extract te bekomen met interessante en gewenste structurele karakteristieken. Er werd hierbij gestart van geblancheerde en diepgevroren wortelblokjes. De verschillende extractiecondities hadden een duidelijke invloed op de bekomen pectinestructuren waarbij extractie met salpeterzuur een extract opleverde met gewenste eigenschappen: een hoog galacturonzuur gehalte, hoge gehaltes aan pectine gerelateerde neutrale monosachariden en een hoge graad van methylverestering. Bijgevolg werd de extractie met salpeterzuur gekozen en toegepast om eveneens pectine te extraheren uit appel, ajuin en tomaat naast het reeds verkregen extract uit wortel. Een vergelijkende studie van het functioneel potentieel van deze vier extracten toonde aan dat ajuinpectine en wortelpectine veelbelovende emulsie stabiliserende capaciteiten vertoonden. Tijdens een bewaarperiode van 14 dagen bij 4 °C werd immers geen creaming waargenomen in emulsies die gestabiliseerd werden door één van deze twee stalen. Bovendien veranderde de oliedruppelgrootte van de emulsies amper tijdens bewaring en werd er geen enkele vorm van flocculatie waargenomen. Het kon worden besloten dat emulsies die door het ajuinpectine staal of het wortelpectine staal werden gestabiliseerd, het best bestand waren tegen destabilisatie. Het veelbelovend potentieel van beide stalen diende als basis voor verder diepgaand onderzoek in een volgende onderzoeksfase.

Eerst werden vanuit het wortelpectine staal twee nieuwe stalen geïsoleerd: een staal rijk aan het lineaire homogalacturonan en een staal rijk aan de vertakte rhamnogalacturonan structuren. Deze specifieke aanpak waarbij in detail de functionaliteit van wortelpectine subdomeinen wordt bestudeerd is innovatief en vernieuwend in de vakliteratuur. De aanrijking van de desbetreffende substructuur werd aangetoond aan de hand van de structurele karakterisatie van de geïsoleerde stalen. Het werd ook duidelijk dat de chemische modificaties, zoals verwacht, de molaire massa van de polymeren duidelijk hadden verlaagd. De verschillende emulsies, gestabiliseerd door de isolaten, vertoonden uiteenlopende stabiliteit hoewel ze wel allemaal gevoelig waren voor craeming. Het staal rijk aan homogalacturonan was in staat de oliedruppels te stabiliseren tijdens bewaring bij pH 2.5 terwijl er bij pH 6.0 duidelijke flocculatie optrad. Flocculatie werd eveneens waargenomen in de emulsie gestabiliseerd door het staal rijk aan rhamnogalacturonan bij pH 6.0. Bij pH 2.5 werden de emulsies gestabiliseerd door dit laatste staal echter ook gekenmerkt door grotere oliedruppelgroottes in vergelijking met de emulsies gestabiliseerd door het homogalacturonan rijke staal. Wanneer deze resultaten naast de stabiliteitsstudie van het originele wortelpectine staal werden gelegd, kon geconcludeerd worden dat de aanwezigheid van zowel lineaire als vertakte domeinen in de pectinestructuur het emulgerend en emulsie stabiliserend vermogen van pectine ten goede komt. De reductie van de molaire massa tijdens de isolatie procedures kan zeker de waargenomen functionaliteit van de isolaten mee bepalen.

Tot slot werd het ajuinpectine staal verder bestudeerd. De molaire massa distributie van dit staal was bimodaal verdeeld en het werd bijgevolg als doel voorop gesteld om deze twee fracties polymeren met verschillende molaire massa van elkaar te scheiden door middel van ultracentrifugatie. Vervolgens kon het potentieel van beide fractie afzonderlijk onderzocht worden om op die manier mogelijks dieper inzicht te verkrijgen in de goede functionaliteit van het originele ajuinpectine staal. De hypothese was namelijk dat het net de aanwezigheid van beide fracties was die zorgde voor het veelbelovend potentieel van dit staal. De resultaten toonden aan dat de fractie met hoge molaire massa, ook zonder de kleine polymeren, in staat was emulsies te stabiliseren terwijl dit niet waargenomen werd voor de fractie polymeren met lage molaire massa. Die laatste fractie bestond voornamelijk uit korte galactan ketens. Het viscositeit verhogend effect van de fractie polymeren met hoge molaire massa werd duidelijk aangetoond aan de hand van reologische metingen. De fractie met lage molaire massa had geen significante invloed op de viscositeit van de continue fase.

Globaal toonde dit doctoraatsonderzoek het belang van de molaire massa van pectine voor het emulsie stabiliserend potentieel aan. Een hogere molaire massa van de pectinepolymeren zorgt voor een hogere viscositeit van de continue fase en geadsorbeerde pectineketens met een hogere molaire massa zorgen mogelijks ook voor betere emulsie stabiliteit via zowel elektrostatische als sterische effecten. Daarnaast werd aangetoond dat het gebruik van pectine om emulsies te stabiliseren tijdens emulsieproductie kleinere oliedruppels opleverde bij pH 2.5 dan bij pH 6.0. Tot slot bewees de veelzijdige multimethod aanpak zich als een sterke toolbox om het emulgerend en emulsie stabiliserend potentieel van pectinestalen te onderzoeken. De sterkte van deze geïntegreerde aanpak was de veelzijdigheid van de verkregen resultaten uit zowel de structurele karakterisatie als de bepaling van fysicochemische eigenschappen en de bewaarstudies van de emulsies.