Разложение пектиновых веществ

Межклеточные вещества растительных тканей — пектины — найдены в так называемых срединных пластинках, расположенных между отдельными клетками тканей растений. Первичные и вторичные клеточные стенки также содержат полисахариды пектинового типа. Пектиновые вещества — сложные полисахариды, полигалактурониды, это неразветвленные полимеры, состоящие из остатков D-галактуроновых кислот, соединенных 1,4-гликозидными связями.

Существуют три типа пектиновых веществ: протопектин — водонерастворимая составная часть клеточной стенки; пектин — водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащей метилэфирные связи; пектиновая кислота — водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей. Пектиновая кислота образована длинными цепочками галактуроновых кислот, способных после обработки кальциевыми солями к формированию твердого пектинового геля.

Бактерии и грибы воздействуют на пектин, протопектин и пектиновую кислоту в аэробных и анаэробных условиях. В почве обнаружено большое число микроорганизмов, разлагающих пектиновые вещества (до 1 млн клеток на 1 г почвы). Высокой пектинолитической активностью обладают представители семейства ВасШасеае — аэробные бактерии рода Bacillus (В. macerans, В. polymyxa) и анаэробные рода Clostridium (С. pectinovorum, С. felsineum, С. aurantibutyricum, С. pectinolyticum, С. corallinum, С. flavum и др.), а также многие грибы. Пектины разлагаются и под влиянием фитопатогенных грибов (Botrytis cinerea, Fusarium oxysporum f. lycopersici) и бактерий (Erwinia carotovora), использующих эту свою способность для проникновения в ткани растений.

Микроорганизмы синтезируют следующие экзоферменты (эстеразы и деполимеразы), катализующие распад пектиновых веществ:

• • протопектиназу, участвующую в разложении протопектина с образованием растворимого пектина;
• • пектинэ стер азу, гидролизующую метилэфирную связь пектина с образованием пектиновой кислоты и метилового спирта;
• • пектиназу (полигалактуроназу), разрушающую связи между отдельными составляющими галактуроновой кислоты, пектина или пектиновой кислоты с образованием небольших цепочек и в конечном счете свободной D-галактуроновой кислоты.

При гидролизе пектиновой кислоты пектиназой на первых этапах аккумулируются только небольшие количества свободной D-галактуроновой кислоты. Обычно при участии ферментов разлагаются ди-, три-, тетраи пентагалактуроновые кислоты. В последующих этапах гидролиза длинные молекулы распадаются под влиянием каталитической деятельности пектиназы и накапливаются свободная D-галактуроновая кислота и другие соединения.

Распад пектиновой кислоты может быть выражен следующей схемой:

Продукты распада пектиновой кислоты (галактоза, арабиноза и др.) подвергаются окислению или сбраживанию при воздействии разнообразных микроорганизмов. При анаэробиозе это маслянокислые бактерии, относящиеся к роду Clostridium (С. pectinovorum, С. felsineum и др., рис. 40). Продуктами распада С. pectinovorum служат масляная и уксусная кислоты, а также газы Н₂ и С0₂, а в культуре С. felsineum кроме указанных веществ образуется и небольшое количество ацетона и бутанола.

Рис. 40. Клетки Clostridium pectinovorum, х4000 (по: С. Робиноу) Разложение пектиновых веществ наблюдается при мочке лубоволокнистых растений — льна, конопли, кенафа, джута, канатника и др. Целлюлозные волокна указанных растений склеены с окружающими их тканями пектином. Для отделения волокон необходимо разложение пектина, для чего используют пектинолитическое действие ферментов анаэробных бактерий.

При водной мочке после погружения в воду стебли льна набухают. При этом экстрагируются водорастворимые вещества (сахара, глюкозиды, таннины, растворимые соединения азота и пигменты) и начинают развиваться бактерии. Сначала размножаются аэробные формы, так как вода содержит кислород и питательные вещества, способствующие их развитию. Дрожжи и плесневые грибы развиваются на поверхности среды. Поглощение аэробными микроорганизмами из жидкости кислорода обусловливает создание в среде анаэробных условий. Начинают развиваться факультативно анаэробные бесспоровые бактерии, близкие к Escherichia coli. Постепенно в среде накапливаются органические кислоты (в том числе молочная) и выделяются газы С0₂ и Н₂.

Отделение волокон происходит во время основной стадии брожения, когда анаэробные бактерии типа С. pectinovorum начинают расщеплять пектин. Накопление органических кислот приводит к прекращению деятельности С. pectinovorum. Последнего сменяет более кислотоустойчивый микроорганизм С. felsineum. В результате воздействия ферментов микроорганизмов двух указанных видов на пектиновые вещества паренхимной ткани от коры и древесины отделяются пучки волокон.

На льнозаводах тепловую мочку льноволокна выполняют в особых чанах — мочилах при 32—38 °С в течение трех-пяти суток. Для ускорения мочки и увеличения выхода длинного волокна предложен препарат пектолитин, содержащий споры активного пектинразлагающего микроорганизма — С. felsineum. Внесение пектолитина в мочильную жидкость приводит к ускорению процесса в среднем на 27%, повышается и выход длинного волокна, его качество. В производство льняного волокна внедряют также препараты пектолитических ферментов.

Применяют и аэробную мочку льна и других лубоволокнистых культур. В этом случае пектиновые вещества разрушаются аэробными микроорганизмами. Предварительно пектиновые вещества гидролизуются до галактуроновых кислот, галактозы, арабинозы, ксилозы, уксусной кислоты и метанола, а затем начинается окисление (бактериями, дрожжами, грибами) возникших соединений до С0₂ и Н₂0.

Существует несколько способов аэробной мочки льна. Расстил, или росяная мочка, — самый старый и наиболее примитивный биологический способ получения волокна. При этом лен в осеннее время года расстилают на траве. Широкий доступ воздуха, систематичное и порой длительное отсутствие влаги, воздействие света и атмосферных осадков, суточные колебания температуры обусловливают длительность процесса (три-восемь недель) и преобладание в нем не бактерий, а плесневых грибов. Насчитывают до 80 видов грибов, участвующих в росяной мочке. Первое время после расстила стеблей на траве наблюдается развитие бактерий, а затем преобладают грибы — Rhizopus, Aureobasidium, Alternaria и Gonatobotrys. Развитие перечисленных представителей грибов указывает на оптимальную степень мочки льносоломы. Видовой состав микрофлоры при мочке определяется географическими и почвенно-климатическими условиями. При мочке расстилом существует опасность, что многие грибы (например, Cladosporium herbarum, Trichoderma lignorum), появляющиеся на льносоломе после Rhizopus, Alternaria и др., разрушат целлюлозу, т. е. волокно. Особенно часто это происходит при перележивании разостланной соломы.

В благоприятных атмосферных условиях (теплая и влажная погода), сочетающихся с тщательным уходом за соломой (защита от спутывания, переворачивание рядков, своевременная уборка со стлища), расстил дает вполне удовлетворительное по качеству и выходу волокно.