Супрамолекулярная структура и функциональные характеристики пектиновых полисахаридов

Введение. В настоящее время наблюдается рост числа исследований, посвященных пектинам, которые приобретают всё большее значение и широко применяются в пищевой и фармацевтической промышленности, а также в биомедицинских исследованиях. 

Цель. Данный обзор показывает, что направленное конструирование супрамолекулярных пектиновых систем и создание из них строительных блоков высокоупорядоченных супрамолекулярных соединений с заданной структурой и свойствами стало одной из важнейших задач современной химии.

Материалы и методы. В качестве материала для исследования использованы научные публикации, отобранные по следующим критериям: год издания (2009–2024), география изданий, цитируемость, достоверность результатов относительно структурных характеристик пектиновых полисахаридов и их функциональных свойств. Поиск и отбор статей осуществлялся в библиографических базах eLIBRARY.RU, RSCI, Scopus, Web of Science, PubMed, после чего был выполнен анализ полученных результатов с их систематизацией, обобщением, промежуточными выводами и общим заключением с использованием элементов искусственного интеллекта.

Результаты. В результате можно констатировать, что существует широкий спектр химических соединений и биополимеров, совместимых с пектиновыми полисахаридами, что позволяет получать супрамолекулярные структуры с новыми свойствами, которые можно целенаправленно модифицировать, в том числе для выполнения конкретных биомедицинских задач. 

Выводы. Анализ позволяет сделать  вывод, что в настоящее время активно изучается объединение пектина с другими биополимерами, гибридными наночастицами и минеральными соединениями для улучшения его функциональных свойств, включая растворимость, стабильность, антиоксидантную активность и физиологическую совместимость.

1. Боков, Д. О., Богачук, М. Н., Малинкин, А. Д., Назарова, В. А., & Бессонов, В. В. (2023). Оценка взаимодействия полисахаридов и минорных биологически активных веществ в функциональных пищевых ингредиентах растительного происхождения. Вопросы питания, 92(1), 108–115. https://doi.org/10.33029/0042-8833-2023-92-1-108-115

2. Василькевич, В. М., Богданов, Р. В., Гилевская, К. С., & Куликовская, В. И. (2021). Изучение токсичности и особенностей биологического действия нанокомпозита пектин – Ag: результаты субхронического эксперимента. Токсикологический вестник, 29(5), 25–33. https://doi.org/10.36946/0869-7922-2021-29-5-25-33

3. Голубев, В. Н., & Цыганова, Т. Б. (2024). Пектиновые полисахариды – полифункциональные ингредиенты в пищевых и биомедицинских системах. Health, Food & Biotechnology, 6(4), 58–72, https://doi.org/10.36107/hfb.2024.i4.s240

4. Горшкова, Т. А., Козлова, Л. В., & Микшина, П. В. (2013). Пространственная структура полисахаридов растительных клеточных стенок и ее функциональная значимость (Обзор). Биохимия, 78(7), 1068–1088.

5. Грызлова, В. В., Филатова, И. А., & Кочеткова, А. А. (2013). Смуси нового поколения с пребиотиками. Пищевая промышленность, (3), 8–13,

6. Камилов, Ф. Х., Конкина, И. Г., Козлов, В. Н., Ганеев, Т. И., Бадыкова, Л. А., & Крячко, А. Н. (2022). Оценка наноразмерности и устойчивости водных дисперсий йодсодержащих конъюгатов на основе носителей растительного происхождения , перспективных для обогащения йодом пищевых продуктов. Вопросы питания, 91(6), 110–116, https://doi.org/10.33029/0042-8833-2022-91-6-110-117

7. Кролевец, А. А., Мячикова, Н. И., Биньковская О. В., Глотова, С. Г., Семичев, К. М., Мамаева, Е. М., & Шкондин, Е. А. (2021). Наноструктурированный витамин Е: его свойства и применение в функциональных продуктах питания. Товаровед продовольственных товаров, (5), 372–381

8. Леонтьева, Е. А., Вихарева, В. В., Калитник, А. А., & Хотимченко, М.Ю. (2020). Противоопухолевая активность пектинов различной молекулярной массы. Тихоокеанский медицинский журнал, 4, 68–72, https://doi.org/10.34215/1609-1175-2020-4-68-72

9. Минзанова, С. Т., Чекунков, Е. В., Милюков, В. А., Миронова, Л. Г., Хабибуллина, А. В., Архипова, Д. М., Самигуллина, А. И., Губайдуллин, А. Т., & Миронов, В. Ф. (2020). Получение , состав и физико-химические свойства комплексов пектина с ибупрофеном. Доклады РАН., химия, науки о материалах, т. 491, 49–54, https://doi.org/10.31857/s2686953520020065

10. Мухидинов, З. К., Бобокалонова, М. Р., Рахимов, И. Ф., Шамсара, О., Бобокалонов, Д. Т., & Лиу, Л. Ш. (2013). Кинетика высвобождения пироксикама из эмульсионных микрочастиц низкометилированных пектинов и концентрата лактоглобулинов молочной сыворотки. Известия АН Республики Таджикистан,.Отд.физ.-мат.,хим.,геол. И техн. Наук, 1(150), 89–98.

11. Нечаев, А. П, Кочеткова, А. А., Колпакова, В. В., Траубенберг, С. Е., Витол, И. С., Кобелева, И. Б., Алексеенко, Е. В., Бессонов, В. В., Семенова, П. А., Николаева, Ю. В., Тарасова, В. В., & Суслянок, Г. М. (2024). Пищевая химия, 7-е изд. испр. и доп. ГИОРД.

12. Оводов, Ю. С. (2009). Современные представления о пектиновых веществах. Биоорганическая химия, 35(3), 293–310.

13. Птичкин, И. И., & Птичкина, Н. М. (2012). Пищевые полисахариды: Структурные уровни и функциональность. Типография номер 6.

14. Слободова, Д. А., Горшкова, Р. М., Панков, С. А., Новоселов, Н. П., & Халиков, Д. Х. (2020). Термообратимое гелеобразование пектиновых полисахаридов, полученных методом комбинированного фракционирования. Вестник СПГУТД .Серия1. Естественные и технические науки, № 2, 95–98, https://elibrary.ru/mdmwel

15. Тутельян, В. А., & Нечаев, А. П. (2013). Пищевые ингредиенты в создании современных продуктов питания. ДеЛи плюс.

16. Фарзалиев, Э. Б., Голубев, В. Н., & Давидович, И. Ю. (2022). Получение субмолекулярных комплексов на основе пектина с растительными пролифенолами. Техника и технология пищевых производств. БГУТ, 1, 75–76.

17. Фарзалиев, Э. Б., Голубев, В. Н., & Цыганова, Т. Б. (2021). Исследование и идентификация пектиновых веществ дикорастущих плодов облепихи (Hippophae rhamnoides L.). Хранение и переработка сельхозсырья, (3), 115–125. http://dx.doi.org/10.36107/spfp.2021.247

18. Фаткуллин, Р. И., Потороко, И. Ю., & Калинина, И. В. (2021). Теоретические аспекты взаимодействия растительных полифенолов с макромолекулами в функциональных пищевых системах. Вестник Южно-Уральского госуниверситета. Серия: Пищевые и биотехнологии, 9(1), 82–90.

19. Хвостов, М. В., Толстикова, Т. Г., Борисов, С. А., & Душкин, А. В. (2019). Применение природных полисахаридов в фармацевтике. Биоорганическая химия, 45(6), 563–575. https://doi.org/10.1134/S0132342319060241

20. Шамсара, О., Мухидинов, З. К., Бобокалонов, Д. Т., Усманова, С. Р., Лиу, Л. Ш., & Халиков, Д. Х. (2013). Микрокапсулы на основе низкометилированных пектинов и концентрата белков молочной сыворотки. Доклады АН Республики Таджикистан

21. Antipin, I. S., Alfimov, M. V., Arslanov, V. V., Burilov, V. A., Vatsadze, S. Z., Voloshin, Y. Z., Volcho, K. P., Gorbatchuk, V. V., Gorbunova, Y. G., Gromov, S. P., Dudkin, S. V., Zaitsev, S. Yu., Zakharova, L. Ya., Ziganshin, M. A., Zolotukhina, A. V., Kalinina, M. A., Karakhanov, E. A., Kashapov, R. R., Koifman, O. I., & Konovalov, A. I. (2021). Functional supramolecular systems: design and applications. Russian Chemical Reviews, 90(8), 895–1107. https://doi.org/10.1070/rcr5011

22. Axelos, M. A., & Thibault, J. F. (1991). The chemistry of low-methoxyl pectin gelation. The chemistry and technology of pectin, Chapter 6, 109–118. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-092644-5.50011-X

23. Bokov, D. O., Sokurenco, M. S., Malinkin, A. D., Khromchenkova, E. P., Shevyakova, L. V., & Bessonov, V. V. (2020). Physicochemical features, qualitative and quantitative analysis, present status and application prospects of polysaccharide gums. International Journal of Pharmaceutical Quality Assurance, 11, 154–162. http://dx.doi.org/10.25258/ijpqa.11.1.24

24. Chen, H., Qui, S., Gan, J., Liu, Y., Zhu, Q., & Yin, L. (2016). New insights into the functionality of protein to the emulsifying properties of sugar beet pectin. Food Hydrocolloids, 57, 262–270. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2016.02.005

25. Diao, J., Bai, F., Wang, Y., Han, Q., Xu, X., Zhang, H., Luo, Q., & Wang, Y. (2019). Engineering of pectin-dopamine nano-conjugates for carrying ruthenium complex: A potential tool for biomedical application. Journal of Inorganic Biochemistry, 191, 135–142. https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2018.11.016

26. Eivazzadeh-Keihan, R., Noruzi, E., Aliabadi, H., Sheikhaleslami, S., Akbarzadeh, A., Hashemi, S., Gorab, M., Maleki, A., Cohan, R., Mahdavi, M., Poodat, R., Keyvanlou, F., & Esmaeili, M. (2022). Recent advances on biomedical applications of pectin-containing biomaterials. International Journal of Biological Macromolecules, 217, 1–18. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.07.016

27. Estroff, L., & Hamilton, A. (2004). Water Gelation by Small Organic Molecules. Chemical Reviews, 104(3), 1201–1218.

28. Fishman, M. L., Cooke, P. H., & Coffin, D. R. (2004). Nanostructure of native pectin sugar acid gels visualized by atomic force microscopy. Biomacromolecules, 5, 334–341. https://doi.org/10.1021/bm0300655

29. Freitas, C. M. P., Coimbra, J. S. R., Souza, V. G. L., & Sousa, R. C. S. (2021). Structure and applications of pectin in food, biomedical and pharmaceutical industry: A review. Coatings, 11, 922, https://doi.org/10.3390/coatings11080922.

30. Gawkowska, D., Cybulska, J., & Zdunek, A. (2018). Structure-related gelling of pectins and linking with other natural compaunds: A review. Polymers, 10, 762. https://doi.org/10.3390/polym10070762

31. Haas, K. T., Wightman, R., Meyerowictz, E. M., Peaucelle, A. (2020). Pectin homogalacturanan nanofilament expansion drives morphogenesis in plant epidermal cells. Science, 367, 1003–1007. https://doi.org/10.1126/science.aaz5103

32. Kertesz, Z. I. (1951). The pectin substances. Interscience Publishers.

33. Kim, H. W., Lee, Y. I., & Kim, Y. H. B. (2016). Effects of membrane-filtered soy hull pectin and pre-emulsified fiber/oil on chemical and technological properties of low fat and low salt meat emulsions. Journal of Food Science and Technology, 53, 2580–2588. http://dx.doi.org/10.1007/s13197-016-2221-0

34. Kirby, A. R., MacDougal, A. J., & Morris, V. J. (2008). Atomic force microscopiy of tomato and sugar beet pectin. Carbohydrate Polymers, 71, 640–647. http://dx.doi.org/10.1016/j.carbpol.2007.07.014

35. Koch, L., Emin, M. A., & Schuchmann, H. P. (2017). Influence of processing conditions on the formation of whey protein-citrus pectin conjugates in extrusion. Journal of Food Engineering, 193, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2016.08.012

36. Lang, P., & Kajiwara, K. (1993). Investigations of the architecture of tamarind seed polysaccharide in aqueous solution by different scattering techniques. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 4, 517–528. https://doi.org/10.1163/156856293X00177

37. Lara-Espinoza, C., Carvajal-Millan, E., Balandran-Quintana, R., Lopez-Franco, Y., & Rascon-Chu, A. (2018). Pectin and pectin-based composite materisls: Beyond food texture. Molecules, 23(4), 942. https://doi.org/10.3390/molecules23040942

38. Long, J., Etxeberria, A., Nand, A., Bunt, C., Ray, S., & Seyfoddin, A. (2019). A 3-D printed chitosan-pectin hydrogel wound dressing for lidocaine hydrochloride delivery. Materials Science and Engineering:C, 194, 109873. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.109873

39. Lopez-Mata, M. A., Gastelum-Cabrera, M., Valbuena-Gregorio, E., Zamudio-Flores, P. B., Burruel-Ibarra, S. E., Morales-Figueroa, G. G., Quihui-Cota, L., & Juárez-Onofre, J. E. (2018). Physicochemical properties of novel pectin Aloe gel membranes. Iranian Polymer Journal, 27, 545–553. https://doi.org/10.1007/s13726-018-0631-8

40. Ma, X., Chen, W., Yan, T., Wang, D., Hou, F., Miao, S., & Liu, D. (2020). Comparison of citrus pectin and apple pectin in conjugation with soy protein isolate (SPI) under controlled dry-heating conditions. Food Chemistry, 309, 125501, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2019.125501

41. Manzoor, M., Singh, J., Bandral, J., Gani, A., & Shams, R. (2020). Food hydrocolloids: Functional, nutraceutical and novel applications for delivery of bioactive compounds. International Journal of Biological Macromolecules, 165, 554–567, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.09.182

42. Mao, Y., Millett, R., Lee, C., Yakubov, G., Harding S. E., & Binner, E. (2020). Investigating the influence of pectin content and structure on its functionality in bio-flocculant extracted from okra. Carbohydrate Polymers, 241, 116414, https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116414

43. Martau, G. A., Mihai, M., & Vodnar, D. C. (2019) The use of chitosan, alginate and pectin in the biomedical and food sector-biocompatibility, bioadhesiveness and biodegradability. Polymers, 11, 1837, https://doi.org/10.3390/polym11111837

44. May, C. D., & Stainsby, G. (1986). Factors affecting pectin gelation. In G. O. Phillips, D. J. Wedlock, P. A.Williams (Eds.), Gums and stabilizers for the food industry. Elsevier.

45. Muller, G. (1986). Charge-induced order-disorder transition in an ionic polysaccharide derived from schizophyllan. Carbohydrate polymers, 6, 177–191

46. Munarin, F., Tanzi, M., & Petrini, P. (2012). Advances in biomedical application of pectin gels. International Journal of Biological Macromolecules, 51, 681–689, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2012.07.002

47. Naqash, F., Masoodi, F. A., Rather, S. A., Wani, S. M., & Gani, A. (2017). Emerging concepts in the nutraceutical and functional properties of pectin: A review. Carbohydrate Polymers, 168, 227–239, http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.carbpol.2017.03.058

48. Nehra, S., Raghav, S., & Kumar, D. (2019). Biopolimer scaffold of pectin and alginate for the application of health hazardous fluoride removal studies by equilibrium adsorption, kinetics and thermodynamics, Journal of Molecular Liquids, 284, 203–214, https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.03.155

49. Ngouemazong, E. D., Christiaens, S., Shpigelman, A., Loey, A. V., & Hendrickx M. (2015). The emulsifying and emulsion-stabilizing properties of pectin: A review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 14, 705–718. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12160

50. Phillips, G. O., & Williams, P. A. (2020). Handbook of Hydrocolloids. Woodhead publishing.

51. Pourjavadi, A., & Barzegar, S. (2009) Smart pectin-based superabsorbent hydrogel as a matrix for ibuprofen as an oral non-steroidal anti-inflammatory drug delivery. Starch-Starke, 61(3–4), 173–187. https://doi.org/10.1002/star.200800032

52. Qi, P. X., Xiao, Y., & Wickham, E. D., (2017). Charges in physical, chemical and functional properties of whey protein isolate (WPI) and sugar beet pectin (SBP) conjugates forms by controlled dry-heating. Food Hydrocolloids, 69, 86–96. http://dx.doi.org/10.1016/j.foodhyd.2017.01.032

53. Rainsford, K. D. (2012). Ibuprofen: Pharmacology, therapeutics and side effects. Springer Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-0348-0496-7

54. Rees, D. A., (1977). Secondary and tertiary structure of polysaccharides in solutions and gels. Upsala Journal of Medical Sciences, v. 82, 214–224, https://doi.org/10.3109/03009737709179075

55. Slobodova, D. A., Gorschkova, R. M., & Gladyshev, P. P., (2024). Thermodynamics of sorption processes in sorbents based on pectic polysaccharides. Fibre Chemistry, (55), 290–298. https://doi.org/10.1007/s10692-024-10479-1

56. Sriamornsak, P. (2003). Chemistry of pectin and its pharmaceutical uses: A review. Silpakorn University International Journal, 3, 206–228.

57. Tian, L., Singh, A., & Singh, A. V. (2020), Synthesis and characterization of pectin-chitosan conjugate for biomedical application. International Journal of Biological Macromolecules, 153, 533–538. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.02.313

58. Tsai, C. S. (2007). Biomacromolecules: Introduction to structure, function and informatics. John Wiley & Sons. http://dx.doi.org/10.1002/0470080124

59. Ullah, K., Sohail, M., Buabeid, M., Murtaza, G., Ullah, A., Rashid, H., Khan, M. A., & Khan, S. A. (2019). Pectin-based (LA-co-MAA) semi-IPNS as a potential biomaterial for colonic delivery of oxaliplatin. International Journal of Pharmaceutics, 569, 118557. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2019.118557

60. Yang, J. S., Mu, T. H., & Ma, M. M. (2018). Extraction, structure and emulsifying properties of pectin from potato pulp. Food Chemistry, 244, 197–205, https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2017.10.059

61. Yemenicioglu, A., Farris, S., Turkyilmaz, M., & Gulec, S. (2020). A review of current and future food applications of natural hydrocolloids. International Journal of Food Science and Technology, 55. 1389–1406. https://doi.org/10.1111/ijfs.14363

62. Zhang, W., Xu, P., & Zhang, H. (2015). Pectin in cancer therapy :A Review. Trends in Food Science & Technology, 44, 258–271. http://dx.doi.org/10.1016/j.tifs.2015.04.001