Форми моносахаридів у розчині

У вільному вигляді моносахариди існують у відкритій формі, наприклад глюкоза:

 

 

 

В такій формі у складі полісахаридів глюкоза не зустрічається ніколи, оскільки це неможливо. В розчині моносахариди знаходяться у циклічній формі. В розчинах утворюються містки між 1 та 4 і між 1 і 5 атомами вуглецю (у кетози – фруктози: між 2-4 та між 2-5). В залежності від цього – фуранозні і піранозні форми. При цьому у 1-го (у кетози – у 2-го) атому вуглецю утворюється ще один гідроксил, який має надзвичайне значення. Він називається глюкозидний гідроксил і може розташовуватись у 2-х положеннях відносно атому вуглецю, в залежності від цього утворюється ще 2 форми моносахаридів. Їх називають α- і β-форми. Таким чином глюкоза в розчині існує в 4-х формах: α- і β-фуранозній та α- і β-піранозній. Те ж саме відносно галактози та інших моносахаридів. Виходить, багато форм полісахаридів можуть існувати з 3-х моносахаридів – глюкози, галактози і фруктози, з яких побудовані всі полісахариди сировини. Однак в природі існують не всі ці форми, а саме: по-перше всі моносахариди зустрічаються тільки у піранозній формі, тільки фруктоза – у фуранозній. Глюкоза і галактоза зустрічаються у α- і β-піранозній формі, фруктоза – тільки у β-фуранозній.

Якщо циклічні форми відображати так, як відображають фуранозні, піранозні та інші цикли речовин, то можна написати всі форми моносахаридів, які зустрічаються у полісахаридах сировини.

Як видно від форми глюкозидного гідроксилу залежить форма моносахаридів. Але дуже велике значення цього гідроксилу в іншому: всі зв'язки між залишками моносахаридів у полічахаридах утворюються за допомогою глюкозидного гідроксилу. Моносахарид зв'язується з іншим моносахаридом або з будь-якою речовиною тільки через глюкозидний гідроксил. Є багато речовин, до складу яких входять моносахариди, але вони не є вуглеводами. В усіх випадках моносахарид зв'язується через свій глюкозидний гідроксил, причому утворюється глюкозидний зв'язок. Зв'язок, що йде від другої речовини може бути не глюкозидним, але перший зв'язок обов’язково глюкозидний. Найважливішим є те, що ферменти, що розкладають полісахариди діють тільки на глюкозидні зв'язки. Щоб добре уявити дію ферментів на вуглеводи треба добре знати всі ці деталі структури моно- та дисахаридів.

 

Полісахариди, що зустрічаються в сировині

Всі полісахариди поділяються на оліго- та полісахариди.

Тут ми зустрічаємося з явищем, про яке говорилося вище: мальтоза і целобіоза побудовані з глюкози (зв'язок 1-4) відрізняються лише формою глюкози. Але за властивостями мають величезну різницю: мальтоза – найкращий вуглевод, який дуже легко засвоюється всіма живими організмами, дуже добре розчинний у воді. Целобіоза – навпаки.

З полісахаридів ІІ порядку (поліоз) найбільш розповсюдженим є крохмаль, але у відходах він міститься у невеликих кількостях, оскільки використовується в первинних технологіях.

У вторинній сировині є целюлоза. > 50 % всього органічного вуглецю припадає на целюлозу. У деревині приблизно 50 % целюлози, у бавовні – 100 %. Структура: лінійний полісахарид. Молекули целюлози розташовані паралельно одна одній, між ними – водневий зв'язок (створює додаткову міцність целюлози).

На ранніх стадіях росту рослин целюлоза має низьку ступінь полімеризації. Молекула целюлози не має певної довжини. Число залишків глюкози може бути від 150 до 14000 (молекули бавовни – 1500, деревини – 8000-10000). Чим більша ступінь полімеризації, тим більш міцні молекули целюлози. Целюлоза в рослинах завжди супутня геміцелюлозі, лігніну, терпенам, смолам. При гідролізі целюлози поряд з целобіозою утворюються целотриоза та целотетроза.

Геміцелюлоза. Міститься в оболонці рослин. Складається з полісахаридів – ксилану, поліуронових кислот (поліглюкуронової, манану, галактанів). Найбільш розповсюджені – ксилани. Кукурудзяні качани – 30 % ксилану. Велика кількість геміцелюлози в соломі, соняшниковій луззі, бавовняній шелусі, кукурудзяних качанах... Зв'язки між моносахаридами: 1-3, 1-2, 1-4, 1-6.

Лігнін складається з залишків фенілпропану. Знаходиться у вигляді лігнінполісахаридного комплексу. В деревині, яка переробляється на спирт – 20-30 % лігніну. Це є відхід. З нього готують паливо.

При сульфітній варці лігнін розчиняється і переходить в луг. Делігніфікація – обробка розчином сильного лугу. Деякі мікроорганізми здатні до деструкції лігніну (ферменти фенолаза, лактаза).

Пектинові речовини містяться у жомі, вичавках яблук. З яблук одержують жом для кондитерського виробництва (Болгарія). В Україні –буряк, жом …

Структура:

 

Пектинові речовини не засвоюються організмом людини і тварин, але багато м/о засвоюють пектини. Їх багато в структурних полісахаридах льону, вони розкладаються за допомогою пектинредукуючих бактерій (Granulol. pectinoforum). Можна знайти м/о для застосування у вторинній біотехнології.

Білки вторинної сировини

Білки не застосовуються як первинна сировина. Але багато відходів містить білки, особливо відходи м'ясної, молочної промисловості, багато білків у відходах рослинного походження –пивоварна, спиртова промисловість тощо. Білки різного походження розрізняються за структурним і амінокислотним складом. Відомо, що рослинні білки неповноцінні за АК-складом. Як це відображається на здатності м/о до розкладу білків вторинної сировини та СВ? Це питання ніколи не виникало. Ми знаємо, що такі білки, як кератини, не розкладаються в звичайних умовах. Для їх розкладу необхідна підготовка, яка знижує міцність зв'язків в міцелах кератину. Міцність деяких білків обумовлена наявністю великої кількості дисульфідних зв'язків –S-S-. Дисульфідні зв'язки утворюються між поліпептидними ланцюгами за рахунок цистеїну:

Кип’ятіння з сечовиною і іншими речовинами послаблює міцність –S-S-зв'язків, але руйнування їх можливе шляхом лужного гідролізу. Під дією лугу відбувається руйнування –S-S-:

Руйнування –S-S- відбувається також під дією відновника:

Подрібнення сировини поліпшує гідроліз кератину. Міцність кератину залежить не тільки від –S-S-зв'язків. Кератинові тканини мають І, ІІ і ІІІ структури.

Кератинові поліпептиди у вторинній структурі є спіральні. Кожні 3 і 2 спіралі скручуються разом і утворюють третинну структуру – трьохжильні канати, які називаються протофібри. Протофібри упаковані в мікрофібри – ІV структура. Вона містить 11 протифібрів.

При палінні і ін. способах руйнування кератинів утворює багато меркаптанів –R-SH. Кератини – повноцінні білки, тому використання їх як вторинної сировини дуже доцільно. Продукти хімічного гідролізу кератинів широко застосовуються у народному господарстві (піноутворювач, клей та ін.), але глибокий гідроліз руйнує деякі незамінні АМ.

Слід відмітити, що звичайне нагрівання не приводить до поліпшення розкладу кератинів. Навпаки, при цьому руйнуються слабкі зв'язки, а –S-S- зв'язки залишаються без змін, внаслідок чого відбувається стискання, усадка кератинових тканин і вони стають більш міцними.

Незалежно від міцності кератинів, вони при тивалому накопичуванні відходів на території підприємства підлягають гниттю. Справа в тому, що в кератинових відходах завжди є домішки білків м’язів, крові тощо, які добре споживаються м/о. Причому з'являються м/о, які руйнують –S-S- зв'язки між ланцюгами кератину, а потім здійснюють і більш глибокий розклад кератину з утворенням меркаптану і багатьох отруйних речовин. Цей процес, очевидно, можна здійснити в штучних умовах, але для цього потрібно дослідження.

Багато білків у відходах молочного виробництва. Серед них є альбумін, глобулін тощо, у відношення яких не виникає проблеми розкладу м/о-ми. Особливу структуру має білок казеїн. За регламентом він повинен повністю осаджуватися і використовуватися для виготовлення продуктів, але частка казеїну переходить у відходи з цільного молока або разом з сироваткою. Ми знаємо, що м/о мають певну специфіку у відношенні казеїну. Засвоєння казеїну організмом людини і тварини також має особливості (як і засвоєння лактози молока). Все це пояснюється тим, що природа передбачила споживання молока (в т.ч. казеїну, лактози) на ранній стадії життєдіяльності людини і тварини в дитячому віці. З віком організм втрачає здатність до споживання складових речовин молока. Чому до цього так відносяться м/о не відомо.

До речі, казеїн – більш повноцінний білок ніж альбумін і глобулін молока.

В молоці казеїн знаходиться у вигляді казеїната Ca. Казеїн – фосфопротеїд, він містить фосфорну кислоту, яка приєднується до АК – серину:

При наявності фосфорної кислоти (вільного, неорганічного фосфату) казеїнат Са може з’єднатись в казеїнат – кальційфосфатний комплекс (ККФК):

Дія м/о на казеїн, очевидно, залежить від стану казеїну, але цього ніхто не вивчає.

Ліпіди відходів

Основну кількість ліпідів у відходах становлять жири. Зустрічаються також воски (у деяких сортах яблук, цитрусових). Відношення мікроорганізмів до восків ніколи не вивчалося. З жирів у відходах є тверді і рідкі жири. Тверді – у відходах м'ясної промисловості, напівтверді – відходи молочної промисловості, рідкі – жиро-олійної промисловості. Жири – погано засвоюються будь-якими організмами і навіть м/о, але їх складові частини – гліцерин і жирні кислоти – дуже добре. Краще засвоюються ненасичені жирні кислоти – їх багато в рослинних жирах, в молочному жирі, в жирі м'ясопродуктів їх дуже мало або немає зовсім. Звідси – проблема переробки відходів, що містять жири. Для покращення гідролізу жиру на гліцерин і жирні кислоти можна здійснювати підігрів середовища, як це роблять при вирощуванні дріжджів на парафінах нафти. Можна застосовувати попередню обробку асоціацією ліполітичних мікроорганізмів. Але все це потребує дослідження.

Запитання для самоперевірки та контролю засвоєння

1. Вміст органічних кислот в мелясній барді.

2. Склад амінокислот мелясно-спиртової барди.

3. Зерно-картопляне спиртове виробництво.

4. Біохімічний склад зерно-картопляної спиртової барди.

Література:

Основна

Салюк А.І. Біотрансформація відходів харчової та переробної промисловості, К.2007 НУХТ 347 с.

Додаткова

11. Вторичные материальные ресурсы пищевых производств. Справочник. М.1984

12. Забродский А.Г.Технологический контроль производствава кормовых дрожжей.на меласной барде. М. 1980

13. Залашко М.В., Л.С. Микробиологический синтез на молочной сыворотке. Минск 1976

14. Никитин Г.А. Метановое брожение в биотехнологии. К.1970

15. Никитин Г.А. Биохимические основы микробиологического производства. К.1997;

16. Николаенко А.Ф. Организация безотходного производства в мясной промышленности. К.1991

17. Разуваев Н.И. Комплексная переработка вторичных продуктов виноделия. М.1990

18. Храмцов А.Г. Молочная сыворотка. М.1990

19. Шифрин С.М.Очистка сточных вод предприятий мясной и молочной промышленности. М.1981

20. Экологчическая биотехнология. Под ред Фостера Л.1990