7.3.2 Структурные полисахариды
7.3.2.1 Целлюлоза (С6Н10О5) – полисахарид второ-го порядка, является основным компонентом клеточных стенок. Целлюлоза состоит из остатков -D-глюкозы, соединенных между собой 1 4 гликозидной связью (рис. 9, а). Среди других полисахаридов, из которых состоит клеточная стенка растений, он относится к микрофибриллярным полисахаридам, так как в клеточных стенках молекулы целлюлозы соединены в структурные единицы, получившие название микрофибрилл. Последняя состоит из пучка молекул целлюлозы, расположенных по ее длине параллельно друг другу.
Строение целлюлозы
Рис. 9. Строение целлюлозы
а – соединение молекул глюкозы; б – структура микрофибрилл; в – пространственная структура
Распространение целлюлозы
Содержание целлюлозы в растениях колеблется в широких пределах: в волокнах хлопчатника 90 %, древесине 50, листьях табака 10, семенах злаковых культур 3…5, подсолнечника 2, ягодах винограда 1 %.
В среднем на одну молекулу целлюлозы приходится около 8000 остатков глюкозы. Гидроксилы у атомов углерода С2, С3 и С6 не замещены. Повторяющееся звено в молекуле целлюлозы — остаток дисахарида целлобиозы.
Свойства целлюлозы
Целлюлоза не
растворяется в воде, но в ней набухает.
Свободные гидроксильные группы способны
замещаться на радикалы — метильный
—СН3
или ацетальный
с образованием простой или сложноэфирной
связи. Это свойство играет большую роль
при изучении строения целлюлозы, а также
находит применение в промышленности
при производстве искусственного волокна,
лаков, искусственной кожи и взрывчатых
веществ.
Усвояемость целлюлозы
У большинства животных и человека целлюлоза не переваривается в желудочно-кишечном тракте, так как в их организме не вырабатывается целлюлаза — фермент, гидролизующий 4 гликозидную связь. Этот фермент синтезируется различного рода микроорганизмами, вызывающими гниение древесины. Целлюлозу хорошо переваривают термиты, потому что в их кишечнике живут симбиотические микроорганизмы, вырабатывающие целлюлазу.
В кормовые рационы крупного рогатого скота включают целлюлозу (в составе соломы и других компонентов), так как в их желудке находятся микроорганизмы, синтезирующие фермент целлюлазу.
Значение целлюлозы
Промышленное значение целлюлозы огромно — производство хлопчатобумажных тканей, бумаги, деловой древесины и целый ряд химических продуктов, в основе которых лежит переработка целлюлозы.
7.3.2.2 Гемицеллюлозы — полисахариды второго порядка, образующие вместе с пектиновыми веществами и лигнином матрикс клеточных стенок растений, заполняющий пространство между каркасом стенок, сложенных из целлюлозных микрофибрилл.
Гемицеллюлозы подразделяют на три группы:
1. Ксиланы;
2. Маннаны;
3. Галактаны.
1. Ксиланы образованы остатками D-ксилопиранозы, соединенными связями 4 в линейную цепь. Семь из каждых десяти ксилозных остатков ацетилированы по С3 и редко по С2. К некоторым ксилозным остаткам присоединена 4-о-метил--D-глюкуроновая кислота через гликозидную 2 связь.
2. Маннаны состоят из основной цепи, образованной из -D-маннопиранозных и -D-аминопиранозных остатков, связанных гликозидными 4 связями. К некоторым остаткам маннозы основной цепи 6 связями присоединены единичные остатки -D-галактопиранозы. Гидроксильные группы при С2 и С3 некоторых остатков маннозы ацетилированы.
3. Галактаны состоят из -галактопиранозных остатков, соединенных 4 связями в основную цепь. К ним по С6 присоединены дисахариды, состоящие из D-галактопиранозы и L-арабофуранозы.
7.3.2.3 Пектиновые вещества представляют собой группу высокомолекулярных полисахаридов, которые вместе с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином образуют клеточные стенки растений.
Строение пектиновых веществ
Основным структурным компонентом пектиновых веществ служит галактуроновая кислота, из которой строится главная цепь; в состав боковых цепей входят арабиноза, галактоза и рамноза. Часть кислотных групп галактуроновой кислоты этерифицирована метиловым спиртом (рис. 10), т.е. мономером является метоксигалактуроновая кислота. В метоксиполигалактуроновой цепи мономерные звенья связаны 4 гликозидными связями, боковые цепи (разветвления) присоединены к главной цепи 2 гликозидными связями.
Пектиновые вещества сахарной свеклы, яблок, плодов цитрусовых растений различаются между собой по составу боковых цепей полигалактуроновой цепи и по физическим свойствам.
В
Рис. 10. Строение
пектина
Пектиновые вещества — это физические смеси пектинов с сопутствующими веществами — пентозанами и гексозанами. Молекулярная масса пектина от 20 до 50 кДа.
Содержание пектиновых веществ
Содержание пектиновых веществ в растительном сырье колеблется от 0,5 до 1,5 % и более: в яблоках от 0,8 до 1,3 %, в абрикосах около 1,0, в черной смородине около 1,5, в моркови и сахарной свекле около 2,5 %.
Различают яблочный пектин, который получают из яблочных выжимок, цитрусовый пектин — из цитрусовых корочек и выжимок, свекловичный пектин — из свекловичного жома. Богаты пектиновыми веществами айва, красная смородина, кизил, алыча и другие плоды и ягоды.
В растениях пектиновые вещества присутствуют в виде нерастворимого протопектина, связанного с арабаном или ксиланом клеточной стенки. Протопектин переходит в растворимый пектин либо при кислотном гидролизе, либо под действием фермента протопектиназы. Из водных растворов пектин выделяют осаждением спиртом или 50%-ным ацетоном.
Пектиновые кислоты и их соли
Пектиновые кислоты — высокомолекулярные полигалактуроновые кислоты, небольшая часть карбоксильных групп у которых этерифицирована метиловым спиртом. Соли пектиновых кислот называют пектинатами. Если пектин полностью деметоксилирован, то их называют пектовыми кислотами, а их соли — пектатами.
Пектолитические ферменты
Ферменты, участвующие в гидролизе пектиновых веществ называются пектолитическими. Они имеют большое значение, так как способствуют повышению выхода и осветлению плодово-ягодных соков.Пектиновые вещества в растениях обычно содержатся не в свободном виде, а в виде сложного комплекса- протопектина. В этом комплексе метоксилированная полигалактуроновая кислота связана с другими углеводными компанентами клетки – арабаном и галактаном. Под действием фермента протопектиназы происходит отщепление арабана и галактана от протопектина. В результате действия этого фермента образуется метоксилированная полигалактуроновая кислота, или растворимый пектин. Растворимый пектин далее расщепляется другими пектолитическими ферментами.
При действии фермента пектинэстеразы на растворимый пектин гидролизуются сложноэфирные связи, в результате чего образуется метиловый спирт и полигалактуроновая кислота, т. е. пектинэстераза отщепляет метоксильные группы метоксиполигалактуроновой кислоты.
Фермент полигалактуроназа при действии на растворимый пектин расщепляет связи между теми участками полигалактуроновой кислоты, которые не содержат метоксильных групп.
Технологическое и физиологическое значение
Важное свойство пектиновых веществ — способность их к желированию, т. е. образовывать прочные студни в присутствии большого количества сахара (65…70 %) и при рН 3,1…3,5. В образующемся студне массовая доля пектина составляет от 0,2 до 1,5 %.
Пектиновые вещества способны образовывать также при соответствующей обработке гели — в присутствии перекиси водорода и пероксидазы происходит перекрестная «сшивка» боковых цепей; в присутствии кислоты и сахара, а также солей кальция пектины также образуют гели с высокой водопоглощающей способностью — 1 г пектина может поглотить от 60 до 150 г воды.
Плотные гели образуют только высокоэтерифици-рованные пектины. Частичный гидролиз метиловых эфиров приводит к снижению желирующей способности. При полном гидролизе метоксильных групп в щелочных растворах или под действием фермента пектинэстеразы образуются пектиновые кислоты, которые представляют собой полигалактуроновую кислоту. Полигалактуроновая кислота не способна образовывать желе.
На желирующей способности пектиновых веществ основано использование их в качестве студнеобразующего компонента в кондитерской промышленности для производства конфитюров, мармелада, пастилы, желе, джемов, а также в консервной промышленности, хлебопечении и в производстве сыров.
Пектиновые вещества обладают важными физиологическими свойствами, выводя из организма тяжелые металлы в результате соединения многовалентных ионов металлов с неэтерифицированными группами —СОО– по типу ионных связей.