Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биоконверсия растительного сырья. Учебное пособие
.pdf
β-1,4-глюкан, который может быть гидролизовав с помощью целлюлолитических
ферментов.
Ксилозидаза входит в состав ферментных комплексов препаратов целлюлаз
в качестве сопутствующего фермента. Препараты ксилозидазы специально не про-
изводятся.
Ксиланы характерны для одревесневших клеточных стенок большинства
растительных тканей. У двудольных растений ксиланы являются компонентами
структуры как вторичной, так и первичной стенки, а у однодольных их находят
преимущественно во вторичной стенке.
Ксиланы высших растений построены по единому принципу. Линейная
часть полимера - β-1,4-поликсилозид. К остаткам ксилозы в положениях 0-2 и 0-3
присоединены боковые цепочки, состоящие из 1-4 остатков сахаров (арабинозы,
галактозы, ксилозы) или уроновых кислот (глюкуроновой, метилглюкуроновой).
Присоединение боковых цепочек происходит через первый углеродный атом
остатка арабинозы или уроновой кислоты.
Ксиланы с низкой степенью замещения основной цепи ассоциируются с
целлюлозой. Высокозамещенные ксиланы менее склонны к ассоциации с целлюло-
зой и имеют более высокую растворимость в воде, чем низкозамещенные.
В эндосперме семян злаков содержатся арабиноксиланы. В их молекулах
чередуются блоки из 20-25 незамещенных ксилозных остатков и участки из 2-5
остатков, несущих боковые ветви. Арабиноксиланы различаются степенью ветвле-
ния и соотношением арабинозы и ксилозы.
Из семян риса выделено две фракции водорастворимого, сильно ветвленно-
го арабиноксилана. В оболочках пшеничного зерна содержится арабиноглюкуро-
ноксилан с соотношением ксилоза : арабиноза : глюкуроновая кислота = 5:4:1.
В стержнях кукурузных початков найдено несколько ксиланов, рас-
творимых в щелочи: арабиноксилан, глюкуроноксилан, глюкуроноарабиноксилан,
монометилглюкуроногалактоарабиноксилан. В арабиноксилане на 30 остатков
ксилозы приходится 7 остатков арабинозы. Глюкуроноарабиноксилан имеет низ-
кую степень ветвления: на 100 ксилозных остатков приходится 5 точек ветвления.
21
В организме человека ксилан, как и другие гемицеллюлозы, фермен-
тируются в основном микрофлорой толстого кишечника. Степень переваримости
ксиланов составляет от 30 % до 100 %, другие гемицеллюлозы также могут быть
расщеплены практически полностью. Ферментативный гидролиз ксиланов включа-
ет несколько стадий с участием различных ферментов. Так гидролиз арабинокси-
лана может протекать в четыре стадии по схеме (рисунок 1).
Рисунок 1 – Стадии гидролиза арабиноксилана
На первой стадии гидролиза происходит отщепление боковых цепочек, со-
стоящих из одного или более арабинозных остатков. Далее незамещенный ксилан
гидролизуется по классической схеме расщепления полисахаридов. Возможен и
другой путь: эндо-ксиланаза, способная расщеплять арабиноксилан в обход точек
ветвления, гидролизует арабиноксилан с образованием арабиноксиланодекстринов
и ксиланодекстринов. Арабиноксилан освобождается от боковых цепей под дей-
ствием арабинозидазы, после чего образовавшиеся на первой и второй стадии кси-
ланодекстрины гидролизуются с участием экзо-ксиланазы и ксилобиазы. Существенно, что действие экзо-фермента возможно только после отделения боковых
цепей.
Ксиланазы входят в комплексы ферментов микробного происхождения,
предназначенные для гидролиза структурных полисахаридов растений.
Ферментативное расщепление ксиланов не может непосредственно повы-
сить питательную ценность растительных продуктов для человека, поскольку про-
дукты гидролиза не усваиваются в организме. Эти сахара сбраживает микрофлора
22
пищеварительного тракта жвачных животных, синтезируя биомассу, которая слу-
жит для животных источником белка.
Ферментативный гидролиз гемицеллюлоз является важной стадией биокон-
версии многих видов растительных отходов в пищевые и кормовые белковые про-
дукты.
Глюканы входят в состав зерна злаков. Их содержание в зерне без оболочек
составляет у пшеницы 0,6 %; ячменя - 3,8-4,5 %; овса - 3,9 %; ржи – 2,2-2,6 %. В
эндосперме этих злаков соответственно 0,3 %; 3,7-4,5 %; 1,4-2,3 % и 1,5-2,0 %. В
эндосперме ячменя и овса глюкан составляет около 75 % массы клеточных стенок.
Глюкан присутствует в ячмене и овсе в формах водорастворимого и щелочераство-
римого.
Наиболее изучен глюкан ячменя. Он представляет собой полимер нерегу-
лярной структуры, в котором остатки β-глюкозы соединены 1,3- и 1,4-
гликозидными связями. Соотношение числа связей 1,3 и 1,4 составляет 3:7. Участ-
ки, состоящие из β-1,4-связанпых глюкозвых остатков, соединены β-1,3-связями.
Молекулярная масса ячменного глюкана колеблется в пределах от 38 до 300 кДа,
что отражает сортовые отличия, условия произрастания и хранения ячменя, осо-
бенности процедуры выделения полимера.
Глюкан в клеточных стенках образует фибриллярные структуры благодаря
наличию строго линейных участков, состоящих из β-1,4-связанных остатков глюкозы. Линейные участки соседних молекул орентируются по типу целлюлозы.
При замачивании зерна глюкан сильно набухает с образованием гелеобраз-
ных структур. В таком виде он становится доступным действию гидролитических
ферментов растения, и в процессе прорастания зерна используется как резервный
полисахарид.
В гидролизе глюкана участвует эндо-β-1,3-, эндо-β-1,4-, эндо-β- 1,3-1,4-, экзо-β-1,3-, экзо-β-1,4- глюканазы, целлобиаза и ламинарибиаза. Эти ферменты продуцируются высшими растениями, микроорганизмами, низшими животными.
Промышленное применение имеют глюканазы солода, бактерий и микроскопиче-
ских грибов.
23
Специфические (то есть расщепляющие только один вид связи) эндо-1,3 и
эндо-1,4-β-глюканазы солода и грибов гидролизуют по неупорядоченному механизму соответственно β-1,3 и β-1,4-гликозидные связи в глюкане зерновых культур
с образованием в начальной стадии растворимого полимера пониженной массы так называемого гумми-глюкана, а также глюканодекстринов. Неспецифические
бактериальные эндо-β-1,3-1,4-глюканазы расщепляют оба вида гликозидных связей
в зерновом глюкане.
Глубокий гидролиз глюкана осуществляется при участии комлекса эндо- и
экзо-глюканаз, те и другие входят в ферментные комплексы солода и многих микроскопических грибов. Конечный продукт расщепления - глюкоза - образуется при
гидролизе целлобиозы и ламинарибиозы (β-1,3-связанный дисахарид глюкозы), соответственно целлобиазой и ламинарибиазой.
Для гидролиза растительных глюканов используют препараты глюканаз,
выделяемые из культур различных штаммов В. subtilis и грибов аспергиллов. В состав препарата глюканазы из культуры штамма В. subtilis 103 входит фермент с
молекулярной массой 30-33 кДа, оптимум действия при pH 6,0-6,5 и температуре
50-55 °С. Фермент расщепляет по эндо-механизму глюканы смешанного типа (яч-
менный глюкан, лихенин). Накопление редуцирующих сахаров начинается после
снижения вязкости раствора субстрата на 80 %.
Активным продуцентом глюканазы является гриб A. foetidus ГП - 10-20.
Фермент с молекулярной массой 19 кДа проявляет максимум β-1,3-1,4глюканазной активности при pH 5-6 и температуре 37 °С. Стабилен при температуре до 55 °С, стабилизаторы фермента - соли цинка.
Пектиновые вещества как важный компонент структуры входят в состав
всех растительных тканей. Пектины регулируют водный обмен растений, являются
промежуточным звеном в поглощении и транспорте ионов.
Содержание пектина составляет (в % к сухим веществам): в корзинках под-
солнечника 15-20, коробочках хлопчатника 10-15, плодах цитрусовых 14-18, тыквенных - до 24, семечковых - до 20, корнеплодах 6-30, коре деревьев 8-9.
24
Общим признаком пектиновых веществ является наличие неразветвленных
блоков α-1,4-связанных остатков Д-галактуроновой кислоты. Часть карбоксилов
при С6-атоме галактуроновой кислоты этерифицирована метанолом, степень метоксилирования колеблется от 30 % до 70 % в зависимости от источника выделения пектина. При атомах С2 и С3 могут быть ацетильные заместители, как это имеет место в пектине сахарной свеклы.
Наряду с галактуронаном в пектины входят нейтральные полисахариды:
арабинаны, галактаны, арабиногалактаны. Их доля в препаратах пектина составля-
ет 40-60 %.
Рисунок 2 - Фрагмент структуры рамногалактуронана первичной стенки
клеток явора
Цепь галактуронана имеет разветвеленное строение, V-образованные точки
ветвления образуют остатки рамнозы, чередующиеся с остатками галактуроновой
кислоты (рисунок 2).
Пектины представляют собой весьма гетерогенную группу полимеров. Это
связано не только с видовыми различиями растительных, пектинов, но и с лабиль-
ностью их структуры. В ходе роста и дифференцировки растительных тканей пек-
тин претерпевает изменения под действием ферментов. По мере старения клеток
снижается молекулярная масса пектина и его водоудерживающая способность,
25
увеличивается степень метоксилирования. Различные состояния пектиновых ве-
ществ отражает терминология.
Протопектин - нерастворимый в воде полимер, в состав которого входит частично метоксилированный галактуронан и нейтральные полисахариды.
Растворимый пектин - частично метоксилированный полимер галактуроновой кислоты, растворимый в воде.
Пектиновая кислота - низкоэтерифицированная полигалактуроновая кислота.
Пектовая кислота - неметоксилированная полигалактуроновая кислота.
Соли пектиновой и пектовой кислот носят названия соответственно пекти-
наты и пектаты.
Состав и молекулярная масса пектиновых веществ зависит в значительной
мере от способа выделения из растительного материала. В тканях растений пектин
связан с гемицеллюлозами, отдельные молекулы пектина ассоциированы друг с
другом. Связь с гемицеллюлозами может быть ковалентной и ионной, ассоциация
пектина основана на образовании перекрестных ионных связей с участием свобод-
ных карбоксильных и ацетильных групп и ионов поливалентных металлов. Опре-
деленную роль играют водородные связи. В процессе выделения пектина различ-
ные типы связей разрушаются в разной степени в зависимости от химического
агента или ферментов, применяемых для обработки растительного материала. Со-
ответственно изменяется состав и величина извлекаемых молекул. Различные об-
разцы пектина, полученного из высших растений, имеют молекулярную массу от
20 до 200 кДа.
Пектиновые вещества являются полиэлектролитами. Молекулы пектина с
низкой степенью метоксилирования в щелочной среде несут значительное количе-
ство отрицательных зарядов, что препятствует спирализации. В кислой среде по-
нижается степень диссоциации свободных карбоксилов, уменьшаются силы оттал-
кивания отдельных участков молекулы и она скручивается в спираль. Наиболее
спирализованы высокоэтерифицированные пектины. Они же имеют самую высо-
кую растворимость в воде и пластичность. Низкая растворимость слабоэтерифици-
рованных пектинов связана с тем, что они ассоциируют за счет ионных связей.
26
Низкомегоксилированные пектины со степенью метоксилирования не выше
40 % используют как комплексообразователи, для выведения солей тяжелых ме-
таллов из организма. Пектины с высокой степенью метоксилирования и высокой
молекулярной массой применяют как студнеобразователи. Для повышения проч-
ности гелей в кислые растворы пектина вводят сахара, что приводит к снижению
содержания свободной воды и облегчает ассоциацию пектиновых молекул.
Высшие животные и человек не продуцируют пектолитических ферментов.
Гидролиз пектиновых веществ происходит у человека в нижнем отделе кишечника
под действием ферментов микрофлоры, степень расщепления пектина может до-
стигать 100 %.
В природных биоценозах гидролиз пектинов осуществляют микроскопические грибы и бактерии.
В гидролизе пектиновых веществ участвуют следующие ферменты: пек-
тинэстераза, эндополигалактуроназа, экзополигалактуроназа. Негидролитическое
расщепление пектиновых веществ катализируют ферменты из класса лиазпектинтрансэлиминазы.
Пектинэстераза (пектин-пекгил-гидролаза, 3.1.1.11) гидролизует сложноэфирные связи пектина с образованием метилового спирта и поли-
галактуроновой кислоты с низкой степенью этерефикации. Активность фермента
тем выше, чем выше степень этерификации субстрата. По мере деметоксилирова-
ния пектина скорость гидролиза снижается, и полное отщепление метоксильных
групп не достигается. Пектинэстераза предпочтительно действует на крупные мо-
лекулы, метоксилированные олиго-урониды расщепляются медленнее.
Полигалактуроназа (поли-1,4-α-Д-галактуронид-гликаногидролаза, 3.2.1.15)
катализирует гидролиз галактуронидов различной степени этерефикации. Микро-
организмы и высшие растения чаще синтезируют полигалактуроназу, предпочти-
тельно расщепляющую низкоэтерифицированный субстрат. При атаке высокоэте-
рифицированного субстрата первая стадия гидролиза проходит под действием пек-
тинэстеразы. После частичного деметоксилирования пектина начинается гидролиз
полигалактуроновой кислоты. Снижение молекулярной массы пектина приводит к
27
замедлению реакции деметоксилирования. В результате действия двух ферментов
образуются продукты реакции, несвободные от метоксильных групп.
Некоторые микроорганизмы синтезируют полигалактуроназу, расщепляю-
щую метоксилированный субстрат. Такой тип фермента называют полиметилгалактуроназой.
Различают полигалактуроназы эндо- и экзо-действия. Эндополигалактуро-
наза катализирует гидролиз пектина по неупорядоченному механизму с образова-
нием в качестве продуктов реакции олигоуронидов и небольших количеств ди- и
моногалактуроновой кислоты. По мере расщепления субстрата скорость реакции
снижается, олигоурониды гидролизуются значительно медленнее, чем полимерный
субстрат.
Экзополигалактуроназа катализирует гидролиз полигалктуроновой кислоты
путем последовательного отщепления моногалактуроновой кислоты.
В природе и в технологических процессах переработки растительного сырья
ферментативному гидролизу подвергается как растворимый пектин, так и прото-
пектин. Механизм гидролиза протопектина недостаточно изучен. Известно, что
многие микроорганизмы, в частности, обширное семейство бацилл, образуют фер-
мент протопектиназу. Последний не разрушает полигалактуроновую кислоту, но
действует на арабиногалактан, соединяющий полигалактуроновую кислоту с геми-
целлюлозами типа ксилоглюкана. Гидролиз протопектина - несомненно важное
звено цепи биодеградации пектиновых веществ. Из числа бацилл - продуцентов
протопектиназы - некоторые синтезируют пектинтрансэлиминазы (ферменты негидролитического расщепления пектина), что позволяет предполагать естественный многоступенчатый процесс деградации пектина.
1.2.2 Белки
Наиболее богаты белком семена бобовых культур, значительное количество
белка содержат семена масличных, несколько меньше - злаковых (таблица 2) [1]
Содержание белка в клубнях и корнеплодах, в пересчете на сухое вещество,
сопоставимо с содержанием в зерновых культурах. Оно составляет в моркови 12,7,
28
свекле 5,7-13,0, картофеле 4,7-12,1, топинамбуре 7,7-9,5 %. При оценке роли дан-
Источники
белка
Содержание белка, %
Основные группы белка
пределы
изменений
среднее
Зерновые
Пшеница
9-26
13,5
Проламины, глютелины
Рожь
7-19
12,4
Альбумины, проламины
Ячмень
7-25
12,5
Проламины, глютелины
Овес
9-25
17,1
Проламины, глютелины
Кукуруза
5-24
11,7
Проламины, глютелины
Рис
5-10
7,2
Глютелины
Бобовые и масличные
Соя
27-50
39,0
Г лобулины
Чечевица
21-36
30,4
Глобулины
Рапс (безэруко-
вые сорта)
23-25 - Глобулины
Горох
20-36
27,8
Глобулины
Арахис
20-27 - Глобулины
Лен
21-23
21,4
Глобулины
Фасоль
17-32
24,3
Глобулины
Подсолнечник
(ядро)
16-20
17,1
Глобулины
ного вида белка в питании нужно учитывать, что клубни и корнеплоды содержат
около 80 % воды.
Таблица 2 - Растительные белки
В последние десятилетия в кормлении животных с успехом применяют бел-
ковые препараты, полученные из зеленой массы растений. Белок зеленых листьев
используется и в питании человека. Зеленая масса растений является ценным ис-
точником белка. В биомассе люцерны, наиболее часто используемой для выделе-
ния белковых препаратов, содержание белка составляет 3-5 % на сырой вес. В сухом веществе биомассы кориандра содержится 61, амаранта - 58, лебеды - 57, клещевины – 37-41, тыквы - 35, капусты и сои - 24, люцерны – 16-22, салата-латука –
21 % белка. Белок выделяют из сока, полученного прессованием измельченной зе-
леной массы. Осаждение белка проводят в изоэлектрической точке, с добавлением
полиэлектролитов, или путем термической коагуляции. В соке различных растений
29
содержание белка составляет от 12 % до 33 % к сухим веществам, в белковых пре-
Аминокислота
% к сумме аминокислот
Лизин
5,2-7,3
Фенилаланин
5,5-6,8
Треонин
4,5-5,3
Метионин
1,2-2,6
Лейцин
8,8-10,9
Изолейцин
4,5-5,5
Валин
5,6-6,9
Триптофан
1,2-2,3
паратах из сока - от 50 % до 90 %, в зависимости от технологии выделения последних.
Белки различаются по аминокислотному составу, который определяет их
пищевую ценность. Белок зерновых культур характеризуется недостаточном со-
держанием лизина (2,6-3,8 % при норме 5,5 % в идеальном белке). Лишь у овса и
высоколизиновых сортов ячменя содержание лизина достигает нормы. Белок мас-
личных дефицитен по метионину, цистеину и триптофану, богат дикарбоновыми
аминокислотами. Биологическая ценность соевого белка составляет 72 % по отношению к белку куриного яйца, белка арахиса – 58 %. Наиболее полноценным по
аминокислотному составу является белок зеленой массы растений, в котором со-
держание большинства незаменимых аминокислот выше, чем в идеальном белке
(таблица 3). Относительно высокое содержание лизина, метионина и триптофана
делает листовой белок хорошим дополнением к муке из зерновых и бобовых в
кормах для животных.
Таблица 3 - Содержание незаменимых аминокислот в белке из листьев
Локализация белков связана с их физиологической ролью. Запасные белки
семян локализуются в клетках преимущественно в виде белковых телец (алейроно-
вых зерен), которые образуются из вакуолей. В белковых тельцах сосредоточено
60-80 % общего белка семян. Белковые тельца имеют округлую форму, диаметр их
0,2-20 мкм. Различают три типа телец: простые, без включений; сложные, с глобо-
идами; сложные, с глобоидами и кристаллоидами. Белковые тельца всех типов по-
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]