Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 2. Химическое строение целлюлозы
При действии на целлюлозу концентрированных растворов щелочи изменяются ее химические, физико-химические и структурные свойства: отмечается интенсивное набухание, изменяется степень кристалличности. Высокомолекулярная фракция целлюлозы, нерастворимая в 17,5%-ной NaOH, называется а-целлюло-зой. Хлопок состоит из а-целлюлозы, а другие растения и древесина содержат главным образом |3-целлюлозы, растворимые в концентрированном растворе щелочи.
На ранних стадиях роста растения целлюлоза имеет наиболее низкую степень полимеризации, более пориста и обладает более высокой сорбционной способностью, чем целлюлоза созревших растений. В природных целлюлозосодержащих субстратах ей обычно сопутствуют гемицеллюлозы, лигнин, танин, крахмал, а также воска, жиры, белки (от 2 до 10%), смолы, терпены и другие органические соединения. Различные примеси не только прочно адсорбируются на поверхности микрофибрилл целлюлозы, но и могут быть включены внутрь.
Из-за выраженной межмолекуляркой когезии и водородных связей разделение микрофибрилл на отдельные молекулы затруднительно. Выделение чистой и относительно неизмененной целлюлозы с применением различных химических реагентов (спирта, эфира, едкого натрия) рекомендуется вести в атмосфере инертного газа.
Целлюлоза представляет собой наиболее высокомолекулярный полисахарид, линейный |3-1,4-глюкан с видовой специфичностью степени полимеризации (СП). Так, для целлюлозы волосков семян хлопчатника СП первичной клеточной стенки равна
2—6 тыс., вторичной— 13—14 тыс., для целлюлозы Acetobacter xylinum — 2,0—5,7 тыс., для древесины — около 8,3 тыс. Несмотря на то что целлюлоза состоит лишь из остатков глюкозы, наличие р-1,4-связей между этими остатками заставляет считать, что основным повторяющимся структурным элементом полисахарида является дисахарид целлобиоза. В клеточных стенках молекулярные цепи целлюлозы входят в состав надмолекулярных структур — микрофибрилл, состоящих из 60—70 целлюлозных нитей. Полагают, что в обычных условиях микрофпбриллы целлюлозы не имеют окончаний. Они непрерывны в отличие от составляющих их индивидуальных молекул целлюлозы, которые имеют перекрывающиеся концы цепей внутри микрофибрилл (Тарчев-ский, Марченко, 1985).
Химический состав целлюлозы соответствует формуле (С6Н10О5)п. Элементарным звеном макромолекулы является ан-гидро-/)-глюкоза, которая содержит три гидроксильные группы у 2, 3 и 6-го атомов углерода. Однако, по данным инфракрасного и рентгеноструктурного анализа, элементарной единицей целлюлозы является ангидроцеллобиоза, а не ангидроглюкоза (Blackwell, 1982; Atalla, 1983). Таким образом, хотя в химическом отношении целлюлоза представляет собой линейный полимер р-/)-глюкопи-ранозы (рис. 2), интересно отметить, что целлобиоза является главным промежуточным продуктом расщепления целлюлозы целлюлолитическими и бактериальными ферментными системами. СП целлюлозы около 10000 соответствует ММ 1,5 млн. В этом случае длина ангидроглюкозной единицы 0,515 нм, а общая длина целлюлозной молекулы больше 5 мкм. Целлобиоза, целлотрио-за и целлотетраоза растворимы в воде. Целлюлозные молекулы с СП более G000 считаются нерастворимыми, что, по мнению исследователей, обусловлено наличием водородных связей между целлюлозными молекулами. Такие водородные связи в целлюлозе имеются между глюкозными остатками в самой цепи глю-кана и между цепями. Гидрофобные взаимодействия между цепями также имеют место.
Элементарные звенья макромолекул целлюлозы (ангидро-Z)-глюкопираноза) соединены между собой р-гликозидной связью. Участок макромолекулы, отмеченный на рис. 2 скобками,— целлобиоза. Это продукт неполного гидролитического расщепления макромолекул. В гидролизатах могут быть также обнаружены целлотриоза и целлотетраоза. При полном гидролизе целлюлозы образуется D- (+)-глюкоза. Элементарные волокна целлюлозы состоят из множества линейных макромолекул с поперечным сечением 0,6—0,7 нм. Размеры молекул целлюлозы льна и хлопчатника более однородны, чем размеры молекул целлюлозы травянистых растений (Йиргенсонс, 1964; Роговин, 1972).
Ввиду регулярности строения полимерной цепи и строго определенной конфигурации асимметрических углеродных атомов целлюлозу относят к стереорегуляриым полимерам. Наличие в
ю
пиранозном цикле атома кислорода делает возможными две конформации кресла и шесть конформаций ванны. В зависимости от конформации пиранозного звена при том же строении в цикле изменяется пространственная ориентация заместителей (ОН-групп). Гидроксильные группы могут располагаться экваториально и аксиально, т. е. перпендикулярно плоскости кольца.
Полагают, что макромолекула целлюлозы состоит из большого числа остатков D-глюкопиранозы в конформации кресла, соединенных р-1,4-гликозидными связями. Различные химические н физические воздействия, однако, способствуют переходу звеньев в другую конформацию. Особенности конформации молекулы целлюлозы определяют ее ригидность и наклонность к агрегации. Целлюлозные молекулы не имеют определенной длины, число глюкозных остатков (СП) варьирует от 15 до 14000 со средним значением около 3000 (Роговин, 1972). У целлюлозы хлопка СП может достигать 1500, у целлюлозы древесины — 8000—10 000. Максимальная экспериментально установленная ММ целлюлозы составляет 6 000 000 (у льна). В настоящее время исследователи отказались от представления о том, что макромолекулы целлюлозы являются линейно вытянутыми жесткими структурами. Полагают, что макромолекулы целлюлозы сложены в свернутые в спираль ленты. Тем не менее имеются расхождения между этой моделью и теми, что описаны другими исследователями (Роговин, 1972).
