Міністерство аграрної політики України
Кафедра
землеробства і агрохімії
на тему: ”Розкладання пектинових речовин. Хімізм. Збудники в анаеробних і аеробних умовах. Значення цього процесу в природі і практиці”.
Виконали: студенти другого курсу агрономічного
факультету.,
Зміст
1. Класифікація пектинових речовин.Хімізм.
1.2 Розкладання пектинових речовин в анаеробних і аеробних умовах.
1.3 Бродіння при вимочуванні лубоволокнистих рослин.
1.4 Застосування анаеробного і аеробного вимочування на практиці.
2. Феномени пектинових речовин.
3. Електромембране очищення пектину.
4. Лікувальні властивості пектинів.
4.1 Пектин нарівні з фруктовими соками.
4.2 Лікування пектиновим екстрактом.
4.3 Продукти збагачені пектиновими речовинами.
4.4 Безалкогольні напої з пектином.
Розкладання пектинових речовин
Міжклітинні речовини рослинних тканин – пектини – знайдені в так званих серединних пластинках, які знаходяться між окремими стінками тканин рослини. Первинні і вторинні клітинні стінки також містять полісахариди цього типу.
Пектинові речовини являють собою складні полісахариди полігалактуроніди, які складаються із залишків a-d–галактуронових кислот, з`єднаних 1,4–зв`язками.
Є три типи пектинових речовин:
- протопектин – водонерозчина складова частина клітинної стінки;
- пектин – водорозчинний полімер галоктуронової кислоти, яка містить метилефірні зв`язки ;
- пектинова кислота – водорозчинний полімер галактуронової кислоти, вільний від метилефірних зв`язків. Пектинова кислота складається з довгих ланцюжків галактуронових кислот, здатних після обробки кальцієвими солями до утворення твердого пектинового гелю.
1,2 Бактерії і гриби можуть розкладати пектин, протопектин і пектинову кислоту в аеробних і анаеробних умовах. В грунті виявлено велика кількість мікроорганізмів, які розкладають пектинові речовини ( до 1млн. клітин на 1г. грунту). Вельми великою пектинорозкладаючою активністю володіє представник сімейства Bcillaceae – аеробні бактерії роду Bacillus ( Bacillus macerans, Bacillus polymyxa) і анаеробні бактерії роду Clostridium ( Clostridium pektinovorum, Clostridium pectinolyticum, Clostridium corallinum), а також багато грибів. Пектини розкладаються під впливом фітопатогенних грибів і бактерій, які завдяки цьому проникають у тканину сільськогосподарських рослин і викликають хвороби типу гнилі.
Мікроорганізми синтезують три групи екзофементів, каталізуючих розпад пектинових речовин:
- протопектиназу, яка каталізує розкладання протопектину з утворенням розчинного пектину;
- пектинестеразу, яка гідролізує метилоефірний з`язок пектину і отримання при цьому пектинової кислоти;
- пектиназу, руйнуючу зв`язки між одиницями галактуронової кислоти, пектину або пектинової кислоти з утворенням невеликих ланцюжків і в кінцевому результаті d – галактуронової кислоти.
При гідролізі пектинової кислоти пектинозою протягом перших стадій розкладання акумулюються тільки невеликі кількості вільної d–галактуронової кислоти. Звичайно ферментами розкладаються ди-, три-, тетра-, пентагалактуронові кислоти. В послідуючі стадії гідролізу довгі молекули розпадаються під впливом каталітичної діяльності пектинази і накопичуються вільна d – галактуронова кислота і інші сполуки.
Розпад пектинової кислоти може бути виражений наступною схемою:
С46Н68О40 + nН2О = СНО( СНОН)4СООН + С6Н12О6 + С5Н10О5 + С5Н10О5 +
Пектинова кислота галактуринова кислот галактоза арабіноза ксилоза
СН3ОН + СН3СООН
метиловий оцтова
спирт кислота
Продукти розпаду пектинової кислоти підлягають окисленню або зброджуванню різноманітними мікроорганізмами. А саме, при анаеробіозі вони зброджуються маслянокислими бактеріями, які відносяться до роду Clostridium .
Продуктами бродіння Clostridium pectinovorum являються масляна і оцтова кислоти, а також гази водень і вуглекислий, а Clostridium felsineum, крім вказаних речовин, утворює і невелику кількість ацетону і бутилового спирту.
Пектинове бродіння спостерігається при вимочуванні лубоволокнистих рослин – льону, коноплі, канатника, кенафу. Целюлозні волокна цих рослин, які мають промислове значення, склеєні з оточуючими їх тканинами пектинам. Для відокремлення волокон необхідне розкладання пектину, що здійснюється під дією пектинорозкладаючих ферментів аеробних бактерій.
При водяному вимочуванні після занурення стебел льону у воду вони набухають. При цьому екстрагуються водорозчинні речовини ( цукор, глюкоза, розчинні сполуки азоту, пігменти) і починають розвиватися бактерії. Спочатку розмножуються аеробні форми, так як вода містить кисень і поживні речовини, які сприяють їхньому розвитку. Дріждні і плісняві гриби розвиваються на поверхні середовища. Поглинання кисну в рідині анаеробними мікроорганізмами зумовлює створення в середовищі анаеробних умов. При цьому починають розвиватися факультативно – анаеробні безспорові бактерії, близькі до Escherrichia coli і в середовищі утворюється органічні кислоти ( в тому числі і молочна) і виділяється газ вуглекислий і водень.
Відокремлення волокон відбувається під час основної стадії бродіння. В цей період анаеробні бактерії типу Clostridium pectinovorum починають розмножуватись і розщеплювати пектин. Накопичення органічних кислот в рідинні призводить до припинення діяльності Clostridium pectinovorum, якого змінює більш кислотостійкий організм Clostridium felsineum. В результаті дії ферментів цих мікроорганізмів на пектинові речовини паренхімної тканини від кори і деревини відділяються пучки волокон.
На льонозаводах проводять теплове вимочування льонового волокна в особливих чанах при 32 – 38 градусах Цельсія протягом 3 – 5 діб. З метою прискорення вимочування льону і збільшення виходу довгого волокна Всезоюзним Н І І сільськогосподарської мікробіології запропонований препарат пектолітин, який містить спори активного пектинрозкладаючого мікроорганізма – Clostridium felsineum. Внесення пектоліну в вимочувальну рідину призводить до прискорення процесу вимочування льону в середньому на 27%, підвищується вихід довгого волокна і його якість.
На практиці застосовують також аеробне вимочування льону інших лубоволокнистих культур. В цьому випадку пектинові речовини руйнуються аеробними мікроорганізмами. Попередньо проходить гідроліз пектинових речовин до галактуронових кислот, галактози, арабінози, ксилози, оцтової кислоти і метилового спирту, а потім – окислення мікроорганізмами до СО2 і Н2О.
Існує декілька способів аеробного вимочування льону. Ростил, або росяне вимочування – самий старий і найбільш примітивний біологічний спосіб отримання волокна. При цьому способі вимочування льон в осінній час розстилають на траві, що і дало назву методу. Широкий доступ повітря, систематична і іноді довгочасна відсутність крапельно-рідинної вологи, дія світла і атмосферних опадів, добові коливання температури зумовлюють тривалість процесу ( 3 – 8 тижнів) і переважання в ньому не бактерій, а пліснявих грибів – Cladosporium herbarum, Alternaria ( іноді Rhodotorulas). Видовий склад основної мікрофлори визначається географічними і грунтово-кліматичними умовами. При вимочуванні розстилом існує небезпека, пов`язана з тим, що багато грибів здатні руйнувати клітковинну, тобто зачіпати і волокно. Це відбувається при перележані розісланої соломи. При сприятливих атмосферних умовах ( тепла і волога погода) і ретельному догляді за соломою ( захист від зпутування, перевертання рядків, своєчасний збір), розстилання дає досить задовільне по якості і виходу волокно. Пектинове бродіння широко використовується для отримання волокна з луб`яних рослин (льон, коноплі, кендирь). Луб`яні волокна, які використовують на виготовлення пряжі, повинні бути відокремленні від клітин паркнхімної тканини кори і від деревини, а це можливо тоді, коли паренхіма після руйнування пектинових речовин розпадається на окркмі клітини. Після руйнування пектинових речовин луб`яні волокна відокремлюються від стебла механічно. Для руйнування пектинових речовин і застосовується анаеробне водяне вимочування, при ньому пектин розкладається анаеробними бактеріями, і аеробне росяне вимочування, коли в розкладанні пектину приймають участь деякі аеробні бактерії і плісняві гриби.
Феномен пектинових речовин
Досліджуючи процеси виробництва пектину з рослинної сировини та стабільність одержаних елементів, виявили явище синусоїдної зміни концентрації пектинових речовин у водних розчинах. Ця закономірність спостерігалася в екстрактів, одержаних з використанням різних гідролізуючих агентів, рН середовища і температури процесу. Для її вивчення автори досліджували кінетику зміни концентрації пектинових речовин в екстракті за різних технологічних параметрів.
Гіпотеза синусоїдальної зміни концентрації П Р ( пектинових речовин) в екстракті від тривалості процесу гідролізу екстрагування полягає в слідуючому.
П Р – це вуглеводовмісні біополімери, які мають складну хімічну макромолекулу. Конфігурація і конформація її змінюються в залежності від температури, тривалості процесу, рН середовища. Надзвичайно різні по молекулярній масі П Р розрізняються по будові ланцюгів і характеру надмолекулярних структур. Пектинові молекули мають переважно нитчасту структуру і відносяться до лінійних колоїдів з довжиною молекули близько 0,00001 см. В водних розчинах пектинова молекула набуває форму спіралі. Цю конформацію звичайно набувають макромолекули, у яких дальній конформаційний порядок у вигляді спіралі іммобілізований наприклад, водневими зв`язками. Конформаційні характеристики визначають також важливу для полімера якість, як гнучкого ланцюга, тобто здатність змінювати свою конформацію в результаті внутрішньомолекулярного теплового руху або дії інших сил.