Введение к работе
Актуальность проблемы и общая характеристика работы.
В последнее время растительные олигосахариды находят все более широкое применение в различных отраслях пищевой промышленности: при производстве различных напитков (фруктовые воды, чаи и пр.), молочных продуктов (йогуртов, мороженого, порошкового молока), а также при создании пребиотичеких и симбиотических продуктов питания, при производстве кондитерских изделий (желе, кексы, мармелады и т.д.). Что касается непищевого использования олигосахаридов, то они применяются при создании систем доставки лекарственных средств и различных биоимплантов, а также в косметической промышленности.
На сегодняшний день существует несколько основных способов получения олигосахаридов: непосредственное выделение из растительного сырья; химический и ферментативный синтез из моносахаридов, а также гидролиз (кислотный и ферментативный) растительных полисахаридов, при этом особого внимания заслуживает энзиматическая деградация гетерополисахаридных субстратов иммобилизованными энзимами. Существует довольно много методов иммобилизации, но ни один из них не является универсальным. Одним из эффективных методов иммобилизации является ковалентное закрепление фермента на полимерных носителях, которые должны обладать рядом свойств: механическая прочность, высокая химическая стойкость и невысокая стоимость.
В промышленности широко используются моноферментные каталитические системы гидролиза крахмалистых гомополисахаридов. Однако естественными компонентами пищевого рациона человека всегда являлись частично деградируемые кишечной микрофлорой гетерополисахариды, продукты гидролиза которых оказывают многосторонние положительные эффекты на здоровье человека. В рационе современного человека доля подобных соединений существенно уменьшилась и это связано прежде всего с тем, что гетерополисахариды рассматриваются как балластные компоненты лекарственного и пищевого растительного сырья, наличие и содержание которых не нормируется, а их главный исочник - отходы переработки зерновых культур и дикорастущих растений игнорируются, что приводит к развитию дисбактериозов у большинства жителей развитых стран и широкому распространению иммунодефицитных состояний.
2 Решить данную проблему можно только с использованием полифункциональных ферментативных систем, позволяющих эффективно получить необходимые фракции низкомолекулярных продуктов гидролиза для использования их в качестве функционально активных компонентов пищи. В связи с этим, создание и установление свойств стабильных катализаторов на основе иммобилизованных на твердом полимерном носителе комплекса ферментов для гидролиза гетерополисахаридов является актуальным, перспективным и экономически выгодным направлением исследований.
Цель работы заключается в разработке эффективных катализаторов гидролиза растительных гетерополисахаридов на основе иммобилизованного гликолитического ферментного комплекса гриба Trichoderma viride.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
теоретический анализ методов иммобилизации ферментов и обоснование выбора исходных компонентов каталитической системы;
оптимизация состава разрабатываемой каталитической системы;
исследование оптимальной каталитической системы физико-химическими методами для формулировки гипотезы о структуре полученного катализатора;
теоретическое обоснование выбора источников гетерополисахаридов и разработка эффективного метода экстракции гликанов из растительного сырья;
экспериментальное исследование кинетики гидролиза растительных гетерополисахаридов на оптимальном катализаторе;
- расчет кинетических параметров процесса каталитического гидролиза гликанов и определение условий реакции, при которых достигается максимальное накопление олигосахаридов в реакционной среде.
Научная новизна и практическая значимость работы. В работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования полимерных носителей для иммобилизации гликолитического ферментного комплекса гриба Trichoderma viride. Впервые изучено влияние модификации носителя на активность и стабильность полученных катализаторов, а также проведен сравнительный анализ синтезированных катализаторов на основе двух различных полимерных носителей. На основе модифицированного глутаровым альдегидом носителя получена каталитическая система, сохраняющая активность в течение 10 циклов. На основании экспериментальных данных определены кинетические параметры процессов ферментативного гидролиза ксилана, полисахаридов льна
обыкновенного и валерианы лекарственной. Подобраны оптимальные условия реакций гидролиза гетерополисахаридов для накопления максимального количества три- и пентаолигосахаридов в реакционной среде. Впервые предложены эффективные методики получения доступных гетерополисахаридов, являющиеся перспективными субстратами для ферментативного получения олигосахаридов. Доказана эффективность использования ультразвукового воздействия при экстракции полисахаридов льна, что позволяет существенно сократить время процесса.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: XI, XII Региональных Каргинских чтениях - Областной научно-технической конференции молодых ученых "Физика, химия и новые технологии" (Тверь, 2005, 2006), Международных конференциях молодых ученых "Живые системы и биологическая безопасность населения" (Москва, МГУ ПБ, 2006, 2008), V и VI Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2008, 2009 гг.), XV и XVI Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008, 2009 г.), на втором Международного форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2008), XIII Международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология-наука XXI века» (Пущино, 2009)
Публикации. По результатам работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 в центральной печати. Получен Патент на изобретение РФ № 2358983 «Способ получения полисахаридов льна».
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Текст изложен на 137 страницах, включает 60 рисунков, 24 таблицы. Список использованных источников содержит 120 наименований.
