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펙틴 Pectin

식물의 세포벽은 셀룰로오스, 헤미셀룰로스, 펙틴 등으로 이루어졌다. 펙틴하면 잼을 만들 때나 쓰이는 좀 특별한 겔화제로 알겠지만 모든 식물 세포벽에 공통성분이다. 단지 사과나 감귤류 등에 좀 더 많고 쉽게 추출될 뿐이다.
그리고 펙틴은 물에 잘 녹는 수용성 다당류라 겔화 능력은 거의 없는 떨어지는 편이다. 그럼에도 우리가 펙틴으로 단단한 잼을 만들 수 있는 것은 과도한 설탕 덕분이다. 펙틴은 음전하를 띠어 서로 반발하고 엉키려는 성질이 없다. 점도는 높여도 겔화는 힘든 것이다. 그런데 설탕을 넣으면 펙틴 분자가 엉켜 그물구조로 만들어 겔이 되게 할 수 있다. 많은 양의 설탕이 물 분자를 흡수하여 펙틴 분자들이 흡수할 물이 적어져 맨몸으로 노출된 분자가 많아지고 이런 펙틴끼리 뭉칠 가능성이 높아지기 때문이다.
과일을 분쇄하여 설탕을 넣고 졸이면 점차 점도가 생기는데 이때 레몬 같이 산미가 있는 것을 넣으면 훨씬 효과적이다. 산에 의해 음전하가 봉쇄되어 펙틴의 용해도가 떨어지고 겔화되는 성질이 높아지기 때문이다. 통상의 펙틴(HM pectin)은 단순히 펙틴으로 잼이 되는 것이 아니고 55% 이상의 고형분(당류), pH3.5 이하의 산, 그리고 펙틴으로 만들어진 잼인 셈이다.
그런데 펙틴에서 에스테르를 제거한 LM펙틴의 이렇게 낮은 pH나 높은 고형분의 조건은 필요 없다. 칼슘이온만 있으면 쉽게 겔화된다. 펙틴을 알칼리 조건에서 암모니아로 처리하여 얻어지는 아미드펙틴 또한 고형분이나 산의 제한이 없다.
HM 펙틴은 비교적 높은 산에 견디므로 요구르트 같은 산성 단백질 음료를 안정화하는 데도 유용하다. 카제인은 산에 의해 쉽게 응고되는데 카제인을 미리 펙틴으로 코팅하면 카제인의 등전점보다 낮은 pH에서도 응고가 일어나지 않아 품질을 유지할 수 있다.
펙틴은 상당히 부드러운 식이섬유이다. 인간은 소화할 수 없지만 반추 동물에 펙틴 분해력이 있는 세균의 경우 90%까지도 소화 가능하다고 한다.
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펙틴은 보통 시트러스 과일(레몬, 라임, 오렌지)이나 사과와 같은 식용 식물을 수용 추출하여 얻는 탄소화물이다.
모든 육상 녹색 식물은 셀루로오스와 함께 과일과 채소류의 펙틴을 함유하고 있다. 펙틴은 주로 liniar polysaccharide 사슬을 형성하는 galacturonic acid methyl ester unit과 galacturonic acid로 이루어졌으며 대개 에스테르화 정도(degree of esterification)에 따라 분류된다.
High (methyl) ester, 즉 HM-펙틴에서는 carboxyl 그룹의 비교적 높은 비율로 methyl ester가 일어나며 나머지 carboxylic acid 그룹은 free acid나 암모니아, 칼륨, 칼슘, 또는 나트륨염으로써 존재한다. HM 펙틴의 성질은 에스테르화(esterification) 정도와 폴리머화(polymerization) 정도에 따라
달라질 수 있다. Carboxyl acid unit의 50% 미만이 methyl ester로 나타나는 펙틴을 보통 low (methyl) ester, 즉 LM-펙틴이라고 부른다. 일반적으로 약산성 또는 알칼리 조건에서 high ester 펙틴을 처리하여 low ester 펙틴을 얻는다.
Amidated pectin은 암모니아를 사용하여 알칼리 de-esterification 과정을 통해 high ester 펙틴으로 만든다. 이 타입의 펙틴에서는 나머지 carboxylic acid 그룹 중 일부가 acid amide로 변형된다. Amidated pectin의 성질은 에스테르와 amide unit의 비율 및 폴리머화 정도에 따라 달라질 수 있다. 상업용 펙틴은 보통 표준화 목적으로 설탕과 혼합하며 어떤 타입은 pH를 조절하거나 원하는 특성을 맞추기 위해 완충염 함유하기도 한다.

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제조공정

펙틴은 뜨거운 산성액(acidified water)으로 추출한다. 그리고  윈심 분리와 여러 차례의 여과로 정제시킨 다음 마지막 단계로 polishing filtration을 거친 뒤 완전한 투명도의 용액을 추출한다. 농축(2-4%) 펙틴 용액에서는 알코올을 사용하고, 희석시킨(0.3-0.5%) 펙틴 용액에서는 aluminium
salt를 이용하여 용액에서 펙틴을 침전시킨다. 펙틴이 aluminium pectinate로 분리되면 침전 후 그 aluminium pectinate를 산성 형태로 변환시키기 위해 반드시 산성 알코올로 세척하고 약한 알칼리 알코올로 중화시켜야 한다. 이러한 절차로 얻은 펙틴이 high ester 펙틴이다. 이러한 유형의 펙틴은 약 55% 이상의 가용성 고형분 함량에서만 겔을 형성한다.
가용성 고형분 함량과 상관없이 칼슘 이온이 있을 경우 겔을 형성하는 low ester 펙틴은 산성 혹은 알칼리 조건에서 high ester 펙틴을 de-esterification하여 얻는다. 펙틴을 de-esterify하는 데 암모니아를 사용하면 몇몇 amide 그룹이 분자에 유입되어 소위 말하는 amidated pectin이 만들어진다.
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점성(Viscosity)
펙틴 용액은 대개 다른 식물 gum과 thickener에 비해 상대적으로 점성이 낮다. 칼슘이나 다른 polyvalent 이온은 펙틴 용액의 점성을 증가시키며, 칼슘 함량이 일정 수준을 초과하면 LM 펙틴 용액이 겔이 될 수도 있다. pH 역시 펙틴 용액의 점성에 영향을 준다. 칼슘이 없는 용액에서 pH가
pK 값 이하에서 이 값으로 상승하면 점성은 떨어진다. 펙틴 분자량의 기준을 잡기 위해, 또는 펙틴이 진해지는 효과를 검토하기 위해 펙틴 용액의 점성을 측정할 수 있다. 전자의 경우 반드시 칼슘이 없는 용액에서 pH가 고정된 상태, 예를 들어, pH4.0에서 점성을 측정해야 한다.
pH 값이 낮고 온도가 높을 때 glycosidic link의 가수 분해에 의한 저하가 나타난다. 또한 pH가 낮을 때 de-esterification이 더욱 잘 일어난다. De-esterification으로 HM 펙틴은 더 느린 slowsetting이 되거나 점차 LM 펙틴 성질이 띠게 된다.
pH가 중성(5-6)에 가까울 때 HM 펙틴은 상온에서만 안정적이다. 온도(혹은 pH)가 높아지면 소위 β-elimination이 시작된다. β-elimination으로 사슬이 분열되며 점성과 겔링 속성이 매우 빠르게 소실된다.

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다른 electrically charged hydrocolloid와의 반응
펙틴은 polygalacturonic acid이며 chain molecule은 pH가 중성일 때 음으로 대전(negatively charged)된다. 펙틴의 pK 값은 약 3.5이다. 펙틴은 예를 들어 단백질과 같은 positively charged macro-molecules와 그 등전자(isoelectric)의 pH 값 이하에서 반응한다. 펙틴은 pH가 낮을 때 gelatine을 침전시키지만 이 반응은 소금을 첨가하면 방지할 수 있다. 우유의 pH가 6.6일 때 우유에 펙틴을 첨가하면 2-phase 시스템이 형성된다. pH가 더 낮으면 펙틴은 casein 입자와 결합하여 안정적인 acidified milk를 생산할 수도 있으며 제품의 유통 기한을 연장하기 위해 열처리를 할 수
도 있다. 펙틴을 사용하지 않으면 우유 단백질은 응결하여 “모래 같은” 식감을 내며 분리된다.

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겔화 요인
1) 온도
2) 펙틴의 분자 구성 (펙틴 유형)
3) pH
4) 설탕 및 기타 용질
5) 칼슘 이온

 

설탕 및 기타 용질
설탕과 이와 유사한 용질은 일반적으로 용액에서 펙틴 분자를 탈수(dehydrate)시키는 경향이 있다. 고형분 함량이 높은 경우 펙틴에 대해 용매로 작용할 물이 더 적으며, 따라서 결정체나 겔이 될 경향이 높아진다.
85% 이상의 가용성 고형분은 탈수 효과가 매우 강력해서 실제 어떠한 상업용 펙틴의 겔화도 조절 할 수 없다. HM 펙틴은 가용성 고형분 함량이 약 55%까지 낮을 때 겔을 형성한다. 가용성 고형분 함량이 각각 55%이상인 경우 특정 HM 펙틴에 대해 겔화가 최적인 pH 값과 실제로 겔화가 이루어지는 pH 범위가 있다. LM 펙틴은 모든 가용성 고형분에서 겔을 형성한다. 특정 펙틴의 경우 가용성 고형분이 줄어듦에 따라 겔링 온도가 낮아진다.

칼슘 이온
HM 펙틴과 대조적으로 LM 펙틴은 칼슘과 같이 divalent cation이 있을 때 겔을 형성한다. 아래 그림에 나온 것처럼 acid-demthylated LM 펙틴은 최적의 겔 강도를 내기 위해 매우 좁은 범위 내에 서 꽤 많은 양의 칼슘을 필요로 한다. Amidated LM 펙틴은 이런 면에서 더 유연성이 있다. 두 가
지 타입 모두의 펙틴에서 칼슘 농도가 높으면 겔의 강도가 증가하고 pregelation이 일어나는 지점 인 겔링 온도가 증가한다. 즉, 겔링 온도가 끓는 점에 가까이 간다.

 

Amidated pectin is a modified form of pectin. Here, some of the galacturonic acid is converted with ammonia to carboxylic acid amide. These pectins are more tolerant of varying calcium concentrations that occur in use.[13]
To prepare a pectin-gel, the ingredients are heated, dissolving the pectin. Upon cooling below gelling temperature, a gel starts to form. If gel formation is too strong, syneresis or a granular texture are the result, whilst weak gelling leads to excessively soft gels. Pectins gel according to specific parameters, such as sugar, pH and bivalent salts (especially Ca2+).[14]
In high-ester pectins at soluble solids content above 60% and a pH-value between 2.8 and 3.6, hydrogen bonds and hydrophobic interactions bind the individual pectin chains together. These bonds form as water is bound by sugar and forces pectin strands to stick together. These form a 3-dimensional molecular net that creates the macromolecular gel. The gelling-mechanism is called a low-water-activity gel or sugar-acid-pectin gel.
In low-ester pectins, ionic bridges are formed between calcium ions and the ionised carboxyl groups of the galacturonic acid. This is idealised in the so-called “egg box-model”. Low-ester pectins need calcium to form a gel, but can do so at lower soluble solids and higher pH-values than high-ester pectins. Normally low-ester pectins form gels with a range of pH from 2.6 to 7.0 and with a soluble solids content between 10 and 70%.
Amidated pectins behave like low-ester pectins but need less calcium and are more tolerant of excess calcium. Also, gels from amidated pectin are thermo-reversible; they can be heated and after cooling solidify again, whereas conventional pectin-gels will afterwards remain liquid.
High-ester pectins set at higher temperatures than low-ester pectins. However, gelling reactions with calcium increase as the degree of esterification falls. Similarly, lower pH-values or higher soluble solids (normally sugars) increase gelling speed. Suitable pectins can therefore be selected for jams and for jellies, or for higher sugar confectionery jellies.









 

 

 


 


 



펙틴의 식품 응용 분야

잼과 젤리
HM 펙틴은 겔이 되기 위해 55-85%의 설탕과 pH2.5–3.8이 필요하다. 이러한 조건 때문에 HM 펙틴을 겔링 물질로 이용할 수 있는 범위가 가당 과일 제품으로 한정되며, 전세계 HM 펙틴 생산 중 약 80%가 잼과 젤리 제조에 사용되는데 이 때 펙틴은 “결핍된 천연 펙틴”을 보충하기 위해 첨가한다. 펙틴의 역할은 잼이나 젤리에 다른 변화 없이 조직감을 전달할 수 있도록 하고 좋은 풍미를 내며 이수를 최소화하는 것이다. 잼을 제조하는 동안 펙틴은 반드시 기계로 섞는 것이 멈추는 순간부터 젤리 단계에 있는 동안 과일 입자 분배를 일정하게 유지해야 한다. 즉, 펙틴은 filling 후 곧장 고정되어야 한다. 펙틴의 사용 농도는 잼과 젤리의 경우 0.1-0.4%이다.
cold process에서 가용성 고형분 함량이 60-65%이고 pH3.8-4.2인 펙틴-설탕-시럽을 fruit acid 용액과 섞어 pH3.0이 되면 펙틴이 겔화된다. 이 공정은 스칸디나비아에서 젤리를 얹은 과일 파이를 만드는 제조업체에서 이용하는 방식이다. 이 기술을 변형하여 pH2.9이고 가용성 고형분 함량 25%인 펙틴 용액을 액체 설탕과 섞으면 가용성 고형분 함량 53%를 얻을 수 있다.
온도뿐 아니라 시간에 따라 HM 펙틴의 겔화 결과로 이 두 공정을 이용할 수 있다. LM 펙틴은 전통적으로 가용성 고형분 함량이 55% 미만인 잼에 사용해 왔는데 이 수치는 HM 펙틴 사용의 한계값이다. 과일에 들어 있는 칼슘 함량은 보통 amidated LM 펙틴을 정하는 데 충분한 반면 acid demethylated LM 펙틴은 칼슘염이 더 필요하다. LM 펙틴의 유형은 application medium에서 가용성 고형분 함량/pH 조건에 따라 신중하게 선택해야 한다. 예를 들어 당뇨병 환자용의 무설탕 잼과 같이 고형분 함량이 매우 낮은 제품에서 LM 펙틴은 물의 결합이 충분히 이뤄지기가 힘들어 carrageenan이 더 적합하다. 어떤 경우에는 LM 펙틴과 carrageenan을 혼합할 때 도움이 되기도 한다.
LM 펙틴 겔의 열 가역성은 glazing 목적으로 제과용 잼과 젤리에 이용할 수 있다. 약 65%의 가용성 고형분 함량을 지닌 잼이나 젤리는 상대적으로 미생물상 안전하지만 LM 펙틴만이 pregelation 때문에 제품에 paste와 같은 조직감을 준다. 응용전에 base를 물로 희석시켜 약 40%의 고형분으로 만든 다음 가열하여 LM 펙틴 겔을 다시 녹인다. LM 펙틴을 케이크와 파이 위에 부으면 고형분이 줄어든 상태로 적당히 겔이 되어 밀착되고 윤기 나는 glazing을 형성한다.

요구르트용 과일 조리
LM 펙틴은 종종 요구르트용 과일 조리에 사용하여 부드럽고 약간 thixotropic한 겔조직을 만들고 과일 분포가 일정하기에 충분할 정도로 단단하지만 요구르트 안에서 쉽게 휘저을 수 있을 정도로 만들어준다. 펙틴은 특히 다른 식물 검과 혼합할 때 최종 제품의 요구르트 단계로 색상이 이동하는 것을 더욱 줄여준다.

과일 농축액
펙틴의 겔화는 공정 중 어떤 단계에서 겔링 조건을 얻을 수 있다면 multiphase system을 안정화시키는 방법으로서 이용할 수 있다. 겔화는 emulsion과 suspension, foam의 영구적인 안정성을 얻기 위해 필요한 yield value를 제공한다. HM 펙틴은 과일 농축액에 사용하여 oil emulsion과 과일 입자 suspension을 안정시킨다. 이 응용 분야에서는 밀착된 겔 조직이 기계적으로 부서져 부드럽게 흘러가기 때문에 겔화가 thickening 결과로서 최종 제품에서만 확연히 드러난다. 안정성을 보장하기 위해 충분한 yield value가 여전히 있어야 하므로 광범위한 균질화를 이용해서는 안 된다.

과일 주스
HM 펙틴의 특성을 이루는 점성이나 식감은 주스의 식감을 신선한 것으로 회복하기 위해 주스 제품을 다시 혼합할 때 사용된다. 또한 인스턴트 과일 주스 파우더에서 자연스런 식감을 제공하기 위해 펙틴을 이용한다.

과일/밀크 디저트
LM 펙틴이 함유된 시럽에 칼슘 이온(우유)을 첨가할 때 즉각적인 겔화를 얻기 위해 LM 펙틴의 칼슘 반응을 이용할 수 있다. 가용성 고형분 함량 25-30%에 pH4.0인 과일 시럽에 2% LM 펙틴을 함유한 과일 통조림을 동일한 양의 찬 우유와 섞으면 과일향이 나는 반겔화된 밀크 디저트가 된다. LM 펙틴은 과일 조리의 제조 조건, 즉 pH가 4.0이고 적절한 저온 살균 조건에서 안정성이 뛰어나다. LM 펙틴 용액은 칼슘 함량이 겔화를 유발하기에 불충분하기 때문에 상온에서 유체 상태로 남아 있는다. 과일 요리를 우유와 섞으면 LM 펙틴을 겔화하기에 충분한 칼슘이 생긴다. 이러한 기본 개념을 응용한 것으로 농축 가당 LM 펙틴 용액을 차가운 우유의 세부분과 혼합하는 것이다. 이 개념을 띤 ‘중간 습기 식품’의 특성으로 보다 넓은 pH 범위를 포함하여 바닐라나 초콜릿 맛을 사용할 수도 있다. 그 다음 세 번째 버전으로 우유를 첨가하기 전에 분말을 차가운 물에 용해시키는 것이 있다.

발효 및 직접 산성화된 유제품
HM 펙틴의 ‘보호 콜로이드’ 효과는 배양시킨 신 유제품이나 직접 산성화 제품 (과일 주스-우유 혼합물)을 안정화시키는 데 이용된다. 펙틴은 카제인과 반응하고 등전(isoelectric) pH (4.6) 미만의 산성에서 카제인 입자의 응집을 막으며, 신 유제품을 저온 살균시켜 유통 기한을 연장시킬 수 있다. 요구르트의 조직은 요구르트 우유를 가열시키기 전 약간량의 LM 펙틴을 첨가하여 향상시킬 수 있다. LM 펙틴은 이수를 막지는 않는다.

겔화된 유제품
LM 펙틴은 밀크 디저트에서 겔링 물질로서 적합하지만 훨씬 적은 농도를 이용하여 우유를 겔화시키는 carrageenan에 비해 사용면에서 덜 경제적이다. 그러나 LM 펙틴은 신 밀크 푸딩이나 과일과 혼합된 밀크 디저트에 겔링 물질로 더 선호할 수도 있다. Carrageenan과 달리 LM 펙틴은 줄어든 pH 값에서 카제인과 함께 침전되지 않기 때문에 제품의 합리적인 유통 기한을 보장한다.

제과 제품
HM 펙틴은 주로 천연 과일 성분 및 합성 향으로 향을 낸 과일 젤리와 젤리 중심을 만들기 위해 제과 업계에서 사용한다. Whipping agent와 함께 사용하면 aerated fruit flavoured 제품에 texturizer로서 사용된다. 겔 형성을 위해 산을 첨가하지 않아도 되는 LM 펙틴은 HM 펙틴의 겔화에 필요한 낮은 pH 값이 향의 이유로 허용되지 않는 젤리와 center (예를 들어 페퍼민트나 시나몬향 젤리)에 사용된다. LM 펙틴은 낮은 농도에서 thixotropic 조직을 제과 filling에 준다. 더 높은 농도에서는 칼슘 이온이 filling속으로 확산된다면 차가운 겔을 얻을 수 있다. 제과 제품에 흔히 사용되는 다른 겔링 물질과 비교하여 펙틴은 recipe와 생산 요인을 엄격히 준수해야 하지만 매우 섬세한 조직과 식감, 뛰어난 풍미, 빠르고 조절 가능한 겔화에 따른 현대의 지속적인 가공법에 적합한 이점을 제공한다.

제약 분야
점성을 늘리고 emulsion과 suspension을 안정화시키는 펙틴의 기능은 수많은 액체 약물 조제에 이용된다. 펙틴은 수많은 귀중한 생물학적 효과가 있는 것으로 보고되는데 가장 잘 알려진 효과로는 지사 효과가 있다. 지사 효과를 지닌 suspension이나 분말, 정제 등에 kaolin과 펙틴, 항생 물질 등의 혼합물을 함유하고 있을 경우가 많다. 펙틴은 ostomy ring의 접착 부분에 광범위하게 사용된다. 이 분야에서는 물 결합 효과와 습기 표면에 달라붙는 기능이 이용된다. 펙틴은 피부에 접촉시 자극을 일으키지 않으며 오히려 세균 및 상처 치료 효과가 있는 것으로 보고되었다.