Особенности биохимической мацерации отечественного и импортного льняного сырья: сопоставительный анализ химического строения пектиновых веществ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Химия растительного сырья. 2010. №3. С. 11-16.

Биополимеры растений

УДК 581.192:677.11:577.151.04/.36

ОСОБЕННОСТИ БИОХИМИЧЕСКОЙ МАЦЕРАЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И ИМПОРТНОГО ЛЬНЯНОГО СЫРЬЯ: СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ

© С.В. Алеева , С.А. Кокшаров

Институт химии растворов РАН, ул. Академическая, 1, Иваново, 153045 (Россия) e-mail: [email protected]

Методом ИК-спектроскопии пленок пектиновых веществ проведен анализ химического состояния карбоксильных групп структурных звеньев полиуронидных соединений для четырех видов льняного волокна отечественного (калужский, вологодский, бийский) и зарубежного (голландский) производства, С использованием приема последовательных превращений свободной неэтерифицированной и метоксилированной форм галактуроновой кислоты в пектат кальция установлено, что пектиновые вещества отечественного льняного сырья являются высокометоксилированными соединениями с содержанием метилгалакгуронатных звеньев от 54 до 61%, Доля незамещенных звеньев, между которыми проявляют активность деполимеризующие пектолитические ферменты, в полиуронидах отечественных сортов льна в 1,8.. .2,7 раза меньше величины для импортируемого сырья, что существенно уменьшает расщепляемость пектинов при первичной обработке льна-долгунца и качестве лубоволокнисгого сырья,

Ключевые слова: лен-долгунец, ИК-спектроскопия, пектиновые вещества, карбоксильные группы, степень меток-силирования, кальций-пектинатная форма,

Введение

Клеящей основой связующих веществ в лубяных пучках и окружающих их паренхимных тканях льняного стебля являются полиуронидные соединения - пектины. Их расщепление в условиях первичной обработки льносоломы предопределяет легкость выделения лубяной части и степень ее засоренности инкрустами и частицами «присушистой костры», а в процессах подготовки технического волокна к прядению - его способность к дроблению на более тонкие комплексы для достижения требуемой толщины пряжи. Сопоставление поступающего на текстильные предприятия лубоволокнистого сырья показывает, что льноволокно российских производителей, как правило, отличается более высокой засоренностью в сравнении с волокном, импортируемым из стран Европы, в частности из Голландии, и трудно поддается мацерации пектолитическими ферментами, например отечественным препаратом пектофоетидин ГЗх [1]. Специфика действия энзимов пектиназного комплекса, содержащихся в данном препарате и в совокупности ферментов, вырабатываемых почвенной микрофлорой при получении льнотресты методом лугового расстила, предусматривает возможность проявления активности деполимеризующих биокатализаторов лишь на участках, образованных звеньями свободной галактуроновой кислоты. Наличие заместителей в карбоксильных группировках препятствует действию полигалак-туроназ и снижает эффективность биокатализируемого расщепления полиуронидов.

В научной литературе приводятся данные о степени метоксилирования (СМ) пектиновых веществ в плодово-овощных культурах. Например, известно, что яблочный и цитрусовый пектин метоксилирован на 70.78% [2]. Низкометоксилированным соединением является свекольный пектин с величиной СМ=35%

[3]. При этом отсутствуют сведения о химическом состоянии полиуронидов в структуре из лубоволокни -стых растений или древесной целлюлозы. В связи с этим цель исследований заключается в изучении осо-

* Автор, с которым следует вести переписку,

бенностей химического строения пектинов в различных видах льняного сырья, что позволит оптимизировать условия их биохимического расщепления.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования использованы несколько видов чесанного льняного волокна с учетом принятого на текстильных предприятиях подразделения сырья по регионам его производителей, а именно образцы перерабатываемых на предприятии ОАО «Вологодский текстиль» трех отечественных сортов (калужский, вологодский, бийский) и импортного (голландский) льна.

Исследуемые виды льняного волокна имеют следующий химический состав (в % от массы): целлюлоза -

60,0...76,6; гемицеллюлозы - 10,2_15,1; лигнин - 5,8.8,3; пектиновые - 2,2.6,3, белковые - 1,5.2,1

и воскообразные вещества - 1,7_2,8; зола - 0,7_1,6; другие - 1,3_3,8.

Пектин извлекали экстракцией 1%-ным раствором лимоннокислого аммония при кипении в течение 2 ч

[4]. ИК-спектроскопические исследования сформированных пленок проводили на спектрофотометре АУАТАЯ-360 в режиме на пропускание в интервале 500_4000 см-1 в соответствии с рекомендациями [5, 6]. Для дифференцированной оценки долевого соотношения неэтерифицированной (ГК-Н), метоксилированной (ГК-СНз) и Са-пектатной форм (ГК-Са) мономерных звеньев в главной цепи макромолекул пектина использовали прием последовательных химических превращений свободной неметоксилированной и метоксилированной форм в пектат кальция, опубликованный в работе [7]. Основные этапы трансформации пленок пектина проиллюстрированы на схеме:

пектин

пектинат кальция пектовая кислота ёБ2 ёБз

пектат кальция ёБ4

После снятия спектра исходного пектина на первой стадии осуществляли количественный перевод входящей в его состав фракции ГК-Н в пектинат путем обработки образца в 0,1 N растворе хлорида кальция в течение 1 ч при комнатной температуре. Затем посредством гидролиза метоксилированной формы раствором едкого натра и последующей нейтрализации пектинат кальция превращали в незамещенную кислоту ГК-Н. На заключительной стадии раствором хлорида кальция образующуюся пектовую кислоту трансформировали в пектат кальция. Во избежание искажений в спектре анализируемых образцов, связанных с образованием и отщеплением молекул воды, все операции проводили в 70%-ном этаноле. После каждой обработки образцы пленок промывали для обезвоживания 70 и 96%-ным этанолом, отжимали, сушили 15_20 мин при 50 °С и спектрофотометрировали.

Для учета различия толщины пленок пектина и изменений величины фона, обусловленных дефектами их поверхности, оценку осуществляли с применением метода базовой линии, проводимой через минимумы поглощения при 1900 и 860 см-1, поскольку измерения ведутся по соотношению оптических плотностей близко лежащих полос [5]. Анализ спектра пектинов проводили на основании измерений интенсивности полосы, относящейся к валентным колебаниям ионизированного карбоксила - уа8(СОО) = 1615 см-1 и являющейся характеристической частотой поглощения для всех разновидностей образования пектатов с одно-и двухвалентными ионами металлов [5]. В качестве внутреннего стандарта, характеризующего содержание мономерных звеньев, использована интенсивная и подвергающаяся наименьшим отклонениям полоса валентных колебаний связей С-С и С-0 в пиранозном цикле 1020 см4. При расшифровке спектров пропускания величину оптической плотности определяли из соотношений:

• Iі

О- = ^;

Б1615

ГЇ°П _ о1020

где Б1 - оптическая плотность в максимуме 1-й полосы; I1 и ¡о1 - интенсивность поглощения света соответственно 1-й полосы спектра и фона (по положению базовой линии); - показатель относительной оп-

тической плотности образца пленки на соответствующей стадии анализа (п = 1_4); б1020 и Б1615 - оптическая плотность полосы внутреннего стандарта и максимума полосы уа8(СОО”).

Долевое соотношение групп в субстрате рассчитывали из соотношений:

О (ГК - Н )= а°2 ДР1 ;

ёБ4 - ёБ3

О (ГК - СН 3) = ё°4 ё°2 ; О (ГК - Са) = ^ ё°3

ёО4 - ёО3

ёБ4 - ёБ3

где О(ГК - Н), О(ГК - СН3), О(ГК - Са) - долевое содержание соответственно неэтерифицированной, ме-токсилированной и Са-пектатной форм мономерных звеньев в макромолекулах пектина.

Количество пектина в анализируемых образцах льняного волокна оценено методом [8], основанным на измерении поглощения света окрашенным комплексом полиуронидов с о-толуидином при длине волны 360 нм.

Обсуждениерезультатов

На рисунке 1 в качестве примера продемонстрирована трансформация спектральных кривых пленки пектина, выделенного из ленты калужского льняного волокна, в ходе проведения последовательных химических превращений. Полученные результаты свидетельствуют, что перевод неметоксилированных групп исходного пектина в пектинат кальция сопровождается приростом интенсивности поглощения ёО2 на полосе ионизированного карбоксила в сравнении с соответствующей величиной ёБ1 для исходного пектина.

В случае анализа пектовой кислоты интенсивность полосы уа8(СОО”) и величина ёБ3 минимальны. Максимальное значение имеет величина ёО4, характеризующая полный перевод карбоксильных группировок в форму пектата кальция.

Результаты обработки спектрограмм для четырех групп параллельно трансформируемых пленок пектина из калужского сырья суммированы в таблице 1.

Значения интенсивности пропускания фона 10 для анализируемых образцов варьируют с учетом морфологической неоднородности пектиновых пленок, определяющей различие в расположении базовой линии на спектрограммах. При этом фиксируемые отклонения величины оптической плотности внутреннего

стандарта для параллельных экспериментов пренебрежимо малы, что свидетельствует о корректности метода. Оптическая плотность на полосе ионизированного карбоксила меняется в соответствии с изменениями содержания метилгалактуронатной формы на последовательных стадиях обработки пленок и превращений полиуронидов.

Аналогичный массив данных получен для вологодского, бийского и голландского льняного волокна. В таблице 2 суммированы результаты анализа химического состава пектиновых веществ для сравниваемого отечественного и импортного льняного сырья. При сопоставлении полученных результатов следует учесть, что пектин принято считать высокометоксилированным, если степень этерификации превышает 50%.

Волновое число,

Рис. 1. ИК-спектры производных пектина, выделенного из калужского льна: 1 - исходный пектин; 2 - пектинат кальция; 3 - пектовая кислота; 4 - пектат кальция

Таблица 1. Спектральные характеристики пектиновых веществ калужского льняного волокна

Анализируемая фракция Т 1615 1 0 1І6І5 Т 1020 10 1І020 Б1615 ^1020

Исходный пектин 80,4+0,6 28,5+0,8 66,8+0,5 20,9+0,3 0,45+0,01 0,50+0,01

Пектинат кальция 81,3+0,8 22,0+0,7 75,7+0,9 21,2+0,2 0,56+0,02 0,55+0,01

Пекговая кислота 76,9+0,8 33,5+0,5 60,3+0,8 20,5+0,6 0,36+0,01 0,46+0,01

Пектат кальция 72,9+0,7 22,6+0,6 66,2+0,9 29,1+0,5 0,50+0,01 0,35+0,02

Таблица 2. Соотношение форм мономерных звеньев в полиуронидах различных видов льняного волокна

Льняное Относительная оптическая плотность, (Юи Долевое содержание звеньев

сырье аБ! аБ2 аБ3 аБ4 О(ГК-СНз) О(ГК-Н) О(ГК-Са)

Калужское 0,91 1,03 0,79 1,38 0,611 0,187 0,202

0,92 1,05 0,79 1,47 0,614 0,187 0,199

0,87 0,99 0,75 1,41 0,611 0,193 0,196

0,88 1,02 0,74 1,44 0,612 0,185 0,203

среднее значение 0,61 0,19 0,20

Вологодское 0,90 1,03 0,77 1,40 0,588 0,194 0,218

0,93 1,06 0,78 1,47 0,593 0,190 0,217

0,89 1,02 0,75 1,41 0,594 0,185 0,221

0,91 1,04 0,76 1,44 0,590 0,193 0,217

среднее значение 0,59 0,19 0,22

Бийское 0,89 1,06 0,80 1,37 0,542 0,288 0,170

0,88 1,07 0,78 1,40 0,542 0,289 0,169

0,85 1,04 0,73 1,41 0,545 0,281 0,174

0,86 1,06 0,75 1,43 0,541 0,291 0,168

среднее значение 0,54 0,29 0,17

Голландское 0,82 1,18 0,75 1,43 0,378 0,519 0,103

0,85 1,18 0,78 1,41 0,373 0,522 0,105

0,84 1,17 0,78 1,42 0,379 0,518 0,103

0,81 1,17 0,74 1,44 0,378 0,525 0,097

среднее значение 0,38 0,52 0,10

Расчет долевого соотношения форм мономерных звеньев в макромолекулах пектина свидетельствует, что различия химического состава полиуронидных соединений в отечественных видах льняного сырья следует признать значимыми. Отклонения содержания метоксилированных звеньев превышают 1,1 раза, а неэтери-фицированной формы - 1,5 раза. Причины наблюдаемых колебаний свойств пектиновых веществ, по-видимому, связаны с генетической природой растения и природно-климатическими условиями онтогенеза, что предстоит в дальнейшем выяснить биологам. Вместе с тем состав полиуронидов в российских сортах льна принципиально отличается от характеристик голландского волокна, пектиновые вещества которого включают значительно меньшее (в 1,4.1,6 раза) количество метоксилированных звеньев, что в совокупности с пониженным содержанием Са-пектатной формы обусловливает увеличение в 1,8...2,7 раза доли структурных фрагментов незамещенной галактуроновой кислоты, связь между которыми подвергается деструкции под действием гидролитических ферментов эндо- и экзополигалактуроназ согласно схеме:

*-о

соон

/н \н Н/<

У

|\° Н М

Г н

\ О Э ^

у°н пектиназы

о

соон

соон

'I О\ н н /

.н х| + |/<

\он н

I N

ж н/\ \н /Г

—|/он нАТ о/н

с

о

соон

Полученные значения содержания неметоксилированных звеньев в полиуронидах полностью согласуются с уровнем их расщепляем ости в условиях получения стланцевого волокна, контролируемой по данным остаточного содержания пектиновых веществ в объектах исследования, представленного на рисунке 2. Установлено, что максимальное содержание пектиновых примесей имеет калужское льняное сырье. Количество их в бийском волокне ниже в 1,3 раза, а в голландском льне - в 2,1...2,9 раза. Причем избыточное количество полиуронидов дислоцируется на волокне в виде инкрустирующего слоя остатков паренхимных тка-ней стебля, которые обеспечивают адгезионные взаимодействия с частицами костры, а также затрудняют дробление волокна в процессах прядения, поскольку трудно поддаются расщеплению химическими реагентами в текстильном производстве [9].

н

он

п,

7 т масс. %

6 5 4 3

Рис. 2. Удельное содержание пектиновых веществ 2 (П) в стланцевом льняном волокне отечественного и зарубежного производства: 1 - калужский лен;

2 - вологодский лен; 3 - бийский лен; 12 3 4

4 - голландский лен

Полученные результаты обусловливают целесообразность использования при получении льнотресты из отечественного льняного сырья процессов тепловой мочки, которые основаны на развитии в мочильной жидкости анаэробных термофильных бактерий рода Clostridium. Продуцируемые ими ферменты элиминирующего действия обеспечивают негидролитическое расщепление высокометоксилированных пектиновых примесей согласно схеме:

COOCH

'Ч/н \ i/o, |\°чу1 -Ан

н он С<

COOCH

Vн °\н h/Oh H\iлиазы 5O/H °х

н

O

COOCH-

\ oh Н/| н\|_____|/он

н он

I-------------O н

O

COOCH

Вместе с тем при построении биохимических технологий получения текстильных материалов из стланцевого льняного волокна отечественных производителей для эффективной деструкции полиуронидов можно рекомен-довать использование пектиназных препаратов, содержащих необходимое количество фермента пектинэстераза (ПЭаза), катализирующего отщепление метоксильных группировок в этерифицированных звеньях по схеме:

Это обеспечивает возможность последующего быстрого расщепления полимеров под действием полигалак-туроназ.

Выводы

1. На основании оценки долевого соотношения неэтерифицированной, метоксилированной и Са-пектатной форм мономерных звеньев в цепи главных валентностей полиуронидов установлено, что пектиновые вещества отечественного льняного сырья являются высокометоксилированными соединениями (степень этерификации 54.61%) с высоким содержанием кальций-пектатной формы (16.22%). Доля незамещенных звеньев, по отношению к которым проявляют активность деполимеризующие пектолитические ферменты, в полиуронидах отечественных сортов льна в 1,8.. .2,7 раза меньше величины для импортируемого сырья (Голландия).

2. Различия строения полиуронидов в перерабатываемых видах сырья существенным образом отражаются на эффективности их деструкции в условиях лугового растила на стадии первичной обработки льна-долгунца: удельное содержание пектинов, выделенных из образцов льняного волокна отечественного производства, в 2,1.. .2,9 раза выше результатов мацерации импортного сырья.

Список литературы

1. Чешкова А.В., Шибашова С.Ю., Кузьмин А.В. Безгипохлоритная технология беления льносодержащих текстильных материалов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2002. №4-5. С. 75-78.

2. Ежова А.Ю., Шишкова. Э.А., Бравова Г.Б. и др. Разделение и характеристика ферментного комплекса культуры Bac. macerans // Биотехнология. 2002. №1. С. 21-27.

3. Li Y., Hardin I.R. Enzymatic scouring of cotton: effects on structure and properties // Textile chemist and colorist. 1997. V. 29. N8. Pp. 71-76.

4. Отделка хлопчатобумажных тканей / подред. Б.Н. Мельникова. М., 1991. 432 с.

5. Филиппов М.П. Инфракрасные спектры пектиновых веществ. Кишинев, 1978. 75 с.

6. Тарутина Л.И., Позднякова Ф.О. Спектральный анализ полимеров. Л., 1986. 248 с.

7. Забываева О.А., Лепилова О.В., Чистякова Г.В. Особенности химического строения пектиновых веществ в отечественных и импортных сортах льняного сырья // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья : матер. III Всерос. конф. Барнаул, 2007. Кн. 1. 271 с.

8. Усов А.И., Яроцкий С.В. Раздельное определение гексоз и пентоз при помощи о-толуидинового реагента // Из-вестияАкадемии наукСССР. Серия химическая. 1974. №4. С. 877-880.

9. Kashayp R. et al. Degumming of buel (Grewia optiva) bast fibres by pectinolytic enzyme from Bacillus sp. DT7 // Biotechnology Letters. 2001. V. 23. P. 1297-1301.

Поступило в редакцию 17 сентября 2009 г.

После редакции 7 декабря 2009 г.