Крахмал как уникальный полимер
advertisement
Крахмал как уникальный биополимер Научно-образовательный интерактивный курс Начать обучение Курс разработан к.б.н., ст.н.с. РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева П.Ю.Крупиным при финансовой поддержке Минобрнакуи России в рамках соглашения 8137 от 23.07.2012 Крахмал как уникальный биополимер 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 4 Крахмал в растениях 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 7 Итоговый тест 1 Введение • Крахмал – важный компоненты питания • Вместе с другими углеводами является основным источником энергии для человека (55-60% от всех калорий) • Содержится в злаках, картофеле, некоторых фруктах. Потребляется человеком в составе хлебо-булочных и макаронных изделий, круп и фруктов. • Также используется для производства спирта и биоорганических изделий выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 2 Строение крахмала • Крахмал является сложным полимером, состоящим из амилозы и амилопектина • Свойства крахмала определяются: – строением амилозы – строением амилопектина – их взаиморасположением выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 2.1 Строение крахмала: амилоза • Амилоза - линейный гомополимер, обладающий небольшой молекулярной массой (51-54 кДа) • Мономером является молекулы α-Dглюкозы, связанные между собой 1,4-гликозидными связями • Полимер амилозы закручен в правую спираль выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 2.2 Строение крахмала: амилопектин • Амилопектин - разветвлённый гомополимер, обладающий большой молекулярной массой • Мономером является молекулы α-D-глюкозы, связанные между собой 1,4 и 1,6-гликозидными связями • Ветви амилопектина организованы в двойные αспирали, образующие кластерную структуру, напоминающую гроздь • Каждый кластер («гроздь») амилопектина формирует кристаллическую ламеллу. Каждая кристаллическая ламелла перемежается с аморфной неразветвлённой ламеллой выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 2.3 Строение крахмала: взаиморасположение амилозы и амилопектина • Линейные молекулы амилозы погружены в матрикс амилопектина. Последние исследования позволяют предположить, что связанные цепи амилозы распределены и в аморфных, и в кристаллических ламеллах амилопектина. • Отдельные молекулы амилозы в кристаллической области образуют одномерные структуры – «нити», а в аморфной части имеют неупорядоченную структуру (Капуцкий и др., 2012) • Таким образом, хотя крахмал как гомополимер состоит только из одного типа мономера – глюкозы, – он обладает сложной многоуровневой архитектурой По материалам статьи Капуцкого и др., В мире науки (2012) 9(115) выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 3 Биосинтез крахмала • Мономером крахмала являются молекулы глюкозы • Молекулы глюкозы синтезируется во время темновой фазы за счёт энергии, запасённой в результате протекания световой фазы • Специальные ферменты катализируют полимеризацию отдельных молекул глюкозы в полимерные амилопектин и амилозу • Синтез крахмала в клетке происходит в амилопластах выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 3.1 Биосинтез амилопектина • Ферменты, участвующие в синтезе амилопектина, представлены следующими группами: Группа Представители Функции Донорформирующие АДФ-глюкофосфорилаза (АГФ) Фосфорилирование глюкозо-1фосфата Удлиняющие Крахмалсинтазы (SSI, SSII, SSIII) Синтез длинных цепей за счёт формирования α-1,4-гликозидных связей Ветвящие BEI, BEII Ветвелние цепей за счёт расщепления α-1,4- и формирования α-1,6-гликозидные связи Деветвящие Изоамилаза (ISA), пуллуланаза (PUL) Гидролизуют α-1,6-гликозидные связи выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 3.2 Биосинтез амилозы • Молекула амилопектина ферментативно гидролизуется, в результате чего образуется затравка для синтеза амилозы • Гранул-связанная синтаза крахмала (GBSS) катализирует синтез длинных цепочек амилозы, присоединяя молекулы D-глюкозы с помощью 1,4-α-гликозидных связей к этой олигосахаридной затравке выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 3.3 Биосинтез крахмала в амилопластах • Синтез амилозы и амилопектина происходит в лейкопластах. В результате накапливающий крахмал откладывается в виде концентрических оболочек, формируется крахмальная гранула, или амилопласт • Чередование слоёв в грануле соответствует внутренней ламеллярной структуре, для которой характерно чередование аморфных и полукристаллических слоёв выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 4 Крахмал в растениях • В темновой фазе фотосинтеза в хлоропластах листьев синтезируется глюкоза, из неё образуется крахмал • Избыток крахмала в листьях ферментативно гидролизуется, по флоэме поступает в запасные органы, где в амилопластах вновь синтезируется крахмал • Растения различаются по содержанию крахмала • Растениями запасенный крахмал используется как источник пластических веществ и энергии на ранней, гетеротрофной стадии развития зародыша семени или глазков клубня выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 4 Крахмал в растениях • Органы-реципиенты крахмала: – Семена (зерновые, зернобобовые, крупяные культуры); – Клубни (картофель, ямс, тапиока) – Ягоды (бананы) • Среди некоторых растений встречаются как вакси (дефицитные по амилозе), так и высокоамилозные мутанты выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 5 Свойства крахмала • Крахмал обладает уникальными физико-химическими свойствами, обусловленными строением амилозы и амилопектина, а также структурой крахмальных зёрен: – клейстеризация (желатинизация) крахмала – рекристаллизация (ретроградация) – декстринизация и гидролиз выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 5.1 Свойства крахмала: клейстеризация • Клейстеризация (желатинизация) крахмала – это процесс, при котором крахмал становится растворимым, связывает воду и превращается в гель • Поглощение воды крахмалом происходит при повышении температуры, при этом водопоглощение возрастает (гель набухает), а прозрачность и вязкость геля повышаются • Температура клейстеризации – это температура, при которой тает кристаллическая структура крахмала. Зависит от соотношения амилопектина и амилозы выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 5.2 Свойства крахмала: рекристаллизация • Рекристаллизация (ретроградация) крахмала – образование упорядоченных структур линейными молекулами амилозы после длительного хранения геля, полученного из крахмала • Сопровождается уплотнением и расслоением первоначально однородного геля • Разветвлённые молекулы амилопектина образуют пространственные структуры, препятствующие ретроградации выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 5.3 Декстринизация и гидролиз крахмала • Декстринизация крахмала – деструкция крахмала при сухом нагреве. В результате образуются растворимые в холодной воде олигосахариды – пиродекстрины • Гидролиз крахмала – разрушение молекулы крахмала на молекулы глюкозы. Обычно осуществляется под воздействием кислот при нагревании выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 6 Применение крахмала • Крахмала широко используется в промышленности и быту: – – – – – в в в в в бумажной промышленности текстильной промышленности пищевой промышленности производстве клея производстве красок • Такое распространение крахмал получил благодаря своим уникальным свойствам выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 6 Применение крахмала Свойство крахмала Ценность свойства для промышленности Специфическая вязкость Вкусовые ощущения, скользкость, послевкусие Жидкое кипение Характеристики суспензии Устойчивость к обработке кислотой и механическому сдвигу Клейкость (адгезивность) Стабильность при замораживании-оттаивании Кристалличность Текстура и консистенция геля при различных температурах Нейтральный вкус Прозрачность или матовость Долгий срок хранения Устойчивость к условиям переработки Гигроскопичность Спосоность удерживать жиры Цвет Устойчивость геля к ретроградации Неслёживаемость Блеск Диспергируемость или набухаемость в холодной воде Свойства текучести гелей Набухаемость и устойчивость к набуханию Способность стабилизировать эмульсии Плёнкообразующие свойства По материалам ресурса http://www.nprb.ru/primenenie.pisha.html выход 1 Введение 2 Строение крахмала 3 Биосинтез 4 Крахмал крахмала в растениях 5 Свойства 6 Применение 7 Итоговый крахмала крахмала тест 1,4-гликозидные связи между молекулами α-D-глюкозы 1,4-гликозидные связи выделены красным Изображение с ресурса http://www.intechopen.com/books/economic-effectsof-biofuel-production/limitations-and-challenges-for-wheat-based-bioethanolproduction Правозакрученная спираль амилозы Изображение с ресурса http://www.biologie.uni-hamburg.de/bonline/library/newton/Chy251_253/Lectures/BiopolymersII/BiopolymersIIFS.html 1,4- и 1,6-гликозидные связи между молекулами α-D-глюкозы 1,4-гликозидные связи выделены красным 1,6-гликозидные связи выделены зелёным Изображение с ресурса http://www.intechopen.com/books/economic-effectsof-biofuel-production/limitations-and-challenges-for-wheat-based-bioethanolproduction Разветвлённая структура амилопектина Изображение с ресурса http://sci-toys.com/ingredients/starch.html Пространственное взаиморасположение молекул амилопектина в крахмале Кластерная модель амилопектина. Чёрными стрелками указаны кристаллические ламеллы, красными – аморфные ламеллы Изображение с ресурса http://www.scienceinschool.org/print/1164 Кристаллические ламеллы формируют удлиненные отдельные блоки (чёрные стрелки), окруженные крупными блоками, состоящими из аморфных ламелл (красные стрелки) Изображение по Myers et al., Plant Physiol. Vol. 122, 2000 Пространственное взаиморасположение молекул амилозы и амилопектина в крахмале Возможное взаиморасположение спирали амилозы (красная) и двойной спирали амилопектина (синежёлтая) Изображение с ресурса http://www.scienceinschool.org/print/1164 Синтез глюкозы в темновой фазе фотосинтеза Нестабильный промежуточный продукт CO2 3 молекулы С1 Фосфоглицериновая кислота Рибулозо-1,5-бисфосфат 3 молекулы С5 6 молекул С3 Фосфоглицериновый альдегид Фосфоглицериновый альдегид 5 молекул С3 6 молекул С3 Фруктоза Фосфоглицериновый альдегид 1 молекула С1 Глюкоза Путь синтеза крахмала Амилопектин Амилоза Деветвление цепей Гранул-связанная крахмал синтаза GBSS Цитозоль Амилопласт DBE Глюкозо-6фосфат Глюкозо-1фосфат Крахмал синтаза SS (удлиненние цепи) Ветвление цепей АГФаза BE Синтез длинных цепей SSIII Синтез средних цепей SSII Синтез коротких цепей SSI АДФглюкоза Изображение по Pandey et al., Biotechnology Advances 30 (2012) 1697–1706 Молекула ветвящего фермента BEI риса в комплексе с мальтопентаозой Изображение с ресурса http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=3VU2 Молекула деветвящего фермента ячменя Изображение с ресурса http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=4AIO Наращивание цепи из молекул глюкозы Изображение с ресурса http://www.uky.edu/~dhild/biochem/11A/lect11A.html Ветвление цепей Изображение с ресурса http://www.uky.edu/~dhild/biochem/11A/lect11A.html Молекула гранул-связанной синтазы I риса в комплексе с АДФ Изображение с ресурса http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=3VUF Наращивание цепи из молекул глюкозы Изображение с ресурса http://www.uky.edu/~dhild/biochem/11A/lect11A.html Амилопласты у разных культур А – картофель, B- пшеница, С – кукуруза (увеличение ×600), D – пористая поверхность гранулы вакси-кукурузы Изображения A, B и С из статьи Galliard, T. Critical reports on applied chemistry, 1987, Vol. 13, p. 59; D – из статьи Fannon et al., Cereal Chemistry, 1992, 69, 284-288 Архитектура гранулы крахмала Амилопектиновый кластер (0,1-1,0 nm) Ламелла (10 nm) Блок (20-250 nm) Кристаллическая Аморфная Плотные слои Гранула крахмала (1000 nm) Рыхлые слои Нормальные блоки Дефектные блоки Изображение по http://5e.plantphys.net/article.php?ch=t&id=422 Содержание крахмала у различных культур Культура Локализация Содержание крахмала, % Рис Кукуруза Пшеница эндосперм семени эндосперм семени эндосперм семени 75 65 60 Гречиха Горох Фасоль Картофель эндосперм семени эндосперм семени эндосперм семени мякоть клубня 62 44 46 20 Ямс Бананы мякоть клубня мякоть ягоды 55 64 Семена крахмалсодержащих культур Зерновые пшеница рожь кукуруза рис Зернобобовые горох чечевица фасоль Крупяные гречиха просо Клубни крахмалсодержащих культур тапиока ямс картофель Ягоды крахмалсодержащих культур банан Вакси-мутант кукурузы Вакси-мутант (слева) и дикий тип (справа) кукурузы Изображение с ресурса http://corn.agronomy.wisc.edu/Management/L002.aspx Этапы клейстеризации крахмала Параметры I этап клейстеризации II этап клейстеризации Форма крахмальных зёрен Форма сохраняется Крахмальные зерна превращаются в пузырьки с оболочкой из амилопектина; внутри находится раствор амилозы. Зерна поглощают значительное количество воды - 200-400% Условия Нагревание крахмала с малым количеством воды (до 100% от его веса) до 100˚/ нагревание с большим количеством воды до температуры клейстеризации Нагревание с большим количеством воды до температуры выше температуры клейстеризации Использование Стадия достигается при выпечке мучных изделий Обусловливает разные выходы рассыпчатых каш, приготовленных из различных круп Температура клейстеризации крахмала разных культур1-5 культура Кукуруза % амилозы % амилопектина Т клейстеризации, °С 21-241 76-791 751 1 – 21 98 - 991 801 631 391 1051 18-202 80-822 63-662 12 992 58-592 293 713 713 43 963 733 223 783 803 23 983 763 Ямс 364 644 77-794 Тапиока 234 774 69-714 Вакси-кукуруза Высокоамилозная кукуруза Пшеница Вакси-пшеница Картофель Вакси-картофель Рис Вакси-рис Видео процесса5* *Будет осуществлён переход по гиперссылке на ресурс YouTube, требуется доступ в Интернет Клейстеризация и рекристаллизация крахмала A→B клейстеризация, B→C – рекристаллизация крахмала. Молекулы амилозы изображены линиями и спиралями, молекулы амилопектина – в виде разветвлённых структур Изображение с ресурса http://wiki.ubc.ca/File:GelatinizationRetrogradation.jpeg Крахмал в бумажной промышленности • Увеличивает набухание волокон целлюлозы, их гибкость и эластичность, способствует образованию дополнительных межволоконных связей в готовой бумаге • Повышает прочность бумаги, придаёт упругость и устойчивость к истиранию и излому; способствует удержанию наполнителя. • Улучшает внешний вид и типографские свойства бумаги, увеличивает прочности, придаёт гидрофобность • Используется как адгезив при меловании и нанесении покрытий • Применяется как для проклейки плоских слоёв картона, так и для склеивания листов гофрокартона По материалам ресурса http://www.nprb.ru/primenenie.pisha.html Изображение с ресурса http://www.globus.grd.ru/bumaga_dmnojitelnoy_tehniki.html Крахмал в текстильной промышленности • Шлихтование –пропускание нитей основы через клеящий состав (шлихту, в качестве которой используется крахмал), создающий после высушивания на нити гладкую, эластичную плёнку, которая предохраняет нить от разрыва при ткачестве • Аппретирование – операция по отделке материалов (тканей, трикотажа), в результате которой материал приобретает ряд уникальных свойств: негорючесть (огнезащитные пропитки), гидрофобность (плащевые ткани), противогнилостность (обработка солями меди и хрома), наполненность ткани, безусадочность. В качестве апрета могут используют крахмал По материалам ресурса http://www.nprb.ru/primenenie.pisha.html Изображение с ресурса http://www.geeksugar.com/PhotographyTip-Use-Piece-White-Tissue-Paper-Diffuse-Your-Camera-Flash3208738 Крахмал в пищевой промышленности • Непосредственно как клейстеризованный крахмал, кисель и т.п. • В качестве загустителя, благодаря вязким свойствам (в супах, детском питании, соусах, подливах и т.д.) • Как наполнитель, входящий в состав твёрдого содержимого супов, пирогов • Как связующее для закрепления массы и предотвращения высыхания в процессе приготовления (колбасы и мясные продукты). • Как стабилизаторы, благодаря высокой способности крахмала удерживать влагу По материалам ресурса http://www.nprb.ru/primenenie.pisha.html Изображение с ресурса http://rurecipes.com/ Крахмал в производстве клея • Крахмал является распространённой основой для производства клея, который чаще всего применяется для склеивания бумаги к таким материалам, как стекло, минеральная вата и глина. • Крахмал, кроме того, может служить прекрасным связующим для небумажных материалов, таких как уголь и угольные брикеты, минеральная вата в потолочных керамических элементах перед обжигом. По материалам ресурса http://www.nprb.ru/primenenie.pisha.html Изображение с ресурса http://www.alibaba.com/product-free/123332711/non_acid_corn_starch_school_glue.html Крахмал в производстве красок • При производстве красок в качестве загустителя используется вещества растительного происхождения, как, например, крахмал • На окраску бумаги влияет введение в качестве проклеивающего вещества окисленного крахмала. В тоже время окисленный крахмал оказывает вредное действие на удержание титановых пигментов По материалам ресурса http://www.nprb.ru/primenenie.pisha.html Изображение с ресурса http://www.fantom-xp.com/ru_23__Paint_life.html Ссылки 1. Kibar et al., GIDA (2010) 35 (4):237-244 2. Varavinit et al., Starch (2003) 55 (9): 410– 415 3. Jiranuntakul et al., Journal of Food Engineering (2011) 104 (2): 246–258 4. Freitas et al., Carbohydrate Polymers (2004) 55(1): 3-8 5. https://www.youtube.com/user/GuelphCe realLab
