Методологический подход к определению последовательности ферментов для фрагментации полигликанового комплекса растительной ткани

Введение. Максимальная ступенчатая ферментативная декомпозиция биополимерного комплекса матрикса клеточных стенок потенциально позволяет получать комплекс компонентов, обладающих ценными физико-химическими свойствами, находящими широкое применение в пищевой промышленности и медицине. Одновременно достигается цель глубокой переработки и максимальной конверсии сырья. Оптимальная форма активных агентов – гомоферментный препарат с максимально узким спектром целевых активностей. Однако в большинстве случаев доже гомоферментные препараты обладают побочными активностями. В результате свойства конечных продуктов, получаемых с использованием данных ферментных препаратов могут отличаться от требуемых.

Цель. Разработка методологического подхода пассивной инактивации нецелевых активностей ферментных препаратов посредством определения рациональной последовательности их применения.
Материалы и методы. Объектом исследования была совокупность данных о спектре и величине целевых активностей комплексных и гомоферментных препаратов, имеющих потенциал использования для выделения полигликанов из матрикса клеточных стенок при последовательной обработке свекловичного жома. В работе использован исключающий итеративный комбинаторный подход, основанный на комплексном анализе целевых характеристик каждого ферментных препаратов с целью выявления критериев, позволяющих однозначно ранжировать варианты при каждой итерации, исключая при этом те, которые не удовлетворяют заданным условиям. 
Результаты. Совокупность ферментных препаратов рассмотрена как абстрактное множество, целевые и паразитные активности которого сгруппированы в соответствии с компонентным составом матрикса клеточных стенок. На основании этого для всего рассматриваемого пула ферментных препаратов сформирована матрица активностей. В качестве критериев определены количество строк с ненулевым значением в пределах каждой целевой активности и количество столбцов с ненулевым значением в пределах каждого элемента множества ферментных препаратов. На основании анализа численных значений критериев в пределах каждой итерации каждому из них присвоен ранг. Заданы граничные условия. Алгоритм реализации методологического подхода имеет итеративную форму с применением комбинаторных методов. Подход апробирован на комплексе ферментных препаратов для декомпозиции жома сахарной свёклы. 
Выводы. В результате проведённых исследований были разработаны система критериев, методологический подход и алгоритм определения последовательности применения гомоферментных препаратов для ступенчатого извлечения биологически активных компонентов полигликанового комплекса растительного сырья, основанные на пассивной инактивации нецелевых активностей. Предположительно, разработанные критерии, методологический подход и алгоритм его реализации, универсальны и применимы для анализа комплексов гомоферментных препаратов для их использования с целью глубокой переработки. Разработанный методологический подход является неотъемлемой составляющей дерева принятия решений для разработки технологий промышленного производства растительных полигликанов с гарантированными физико-химическими характеристиками.

1. Pérez García, M., Zhang, Y., Hayes, J., Salazar, A., Zabotina O.A., & Hong M. (2011). Structure and Interactions of Plant Cell-Wall Polysaccharides by Two- and Three-Dimensional Magic-Angle-Spinning Solid-State NMR. Biochemistry, 50(6):989-1000. https://doi.org/10.1021/bi101795q

2. Yoo, H.D., Kim, D., & Paek, S.H. (2012). Plant cell wall polysaccharides as potential resources for the development of novel prebiotics. Biomol Ther (Seoul), 20(4):371-9. https://doi.org/10.4062/biomolther.2012.20.4.371.

3. Held, M.A., Jiang, N., Basu, D., Showalter, A.M., & Faik, A. (2014). Plant Cell Wall Polysaccharides: Structure and Biosynthesis. In: Ramawat K., Mérillon J.M. (eds) Polysaccharides. Springer, Cham. pp 1-47. https://doi.org/10.1007/978-3-319-03751-6_73-1.

4. Voiniciuc, C., Pauly, M., & Usadel, B. (2018). Monitoring Polysaccharide Dynamics in the Plant Cell Wall. Plant Physiol., 2018, 176(4):2590-2600. https://doi.org/10.1104%2Fpp.17.01776.

5. Amos, R.A., & Mohnen, D. (2019). Critical Review of Plant Cell Wall Matrix Polysaccharide Glycosyltransferase Activities Verified by Heterologous Protein Expression. Front. Plant Sci., 10:915. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00915

6. Siemińska-Kuczer, A., Szymańska-Chargot, M., & Zdunek, A. (2022). Recent advances in interactions between polyphenols and plant cell wall polysaccharides as studied using an adsorption technique. Food Chemistry, 373B:131487. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.131487.

7. Du, J., Anderson, C.T., & Xiao, C. (2022). Dynamics of pectic homogalacturonan in cellular morphogenesis and adhesion, wall integrity sensing and plant development. Nat. Plants, 8:332340. https://doi.org/10.1038/s41477-022-01120-2.

8. Panchev, I.N., Slavov, A., Nikolova, Kr., & Kovacheva, D. (2010). On the water-sorption properties of pectin. Food Hydrocolloids, 24(8):763e769. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2010.04.002

9. Venzon, S.S., Canteri, M.H., Granato, D., Junior, B.D., Maciel, G.M., Stafussa, A.P., & Haminiuk, C.W. (2015). Physicochemical properties of modified citrus pectins extracted from orange pomace. J. Food Sci. Technol., 52(7):4102-12. https://doi.org/10.1007/s13197-014-1419-2.

10. de Moura, F.A., Macagnan, F.T., Dos Santos, L.R., Bizzani, M., de Oliveira Petkowicz, C.L., & da Silva, L.P. (2017). Characterization and physicochemical properties of pectins extracted from agroindustrial by-products. J. Food Sci. Technol., 2017, 54(10):3111-3117. https://doi.org/10.1007/s13197-017-2747-9.

11. Bok-Badura, J., Jakóbik-Kolon, A., Karoń, K., & Mitko, K. (2018). Sorption studies of heavy metal ions on pectin-nano-titanium dioxide composite adsorbent. Separation Science and Technology, 53(7):1034-1044, https://doi.org/10.1080/01496395.2017.1329840.

12. Wang, R., Li, Y., Shuai, X., Chen, J., Liang, R., & Liu, C. (2021). Development of Pectin-Based Aerogels with Several Excellent Properties for the Adsorption of Pb2+. Foods, 10(12):3127. https://doi.org/10.3390/foods10123127.

13. Semenycheva, L.L., Kuleshova, N.V., Mitin, A.V., Belaya, T.A., & Mochkina, D.V. (2020). Molecular weight characteristics and sorption properties of pectin extracted from different substrates. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology, 10(4):728-737. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2020-10-4-728-737.

14. Einhorn-Stoll, U., Kastner, H., & Senge, B. (2012). Comparison of Molecular Parameters; Material Properties and Gelling behaviour of Commercial Citrus Pectins. In: Williams P.A., Phillips G.O. (eds) Gums and Stabilisers for the Food Industry 16. The Royal Society of Chemistry, pp.199-206. ISBN 978-1-84973-358-8. https://doi.org/10.1039/9781849734554-00199.

15. Yuliarti, O., Low Sok-Hoon, A., & Yee, S. (2017). Chong Influence of pH, pectin and Ca concentration on gelation properties of low-methoxyl pectin extracted from Cyclea barbata Miers. Food Structure, 11:16-23. https://doi.org/10.1016/j.foostr.2016.10.005.

16. Gawkowska, D., Cybulska, J., & Zdunek, A. (2018). Structure-Related Gelling of Pectins and Linking with Other Natural Compounds: A Review. Polymers (Basel), 10(7):762. https://doi.org/10.3390/polym10070762.

17. Lee, B.H., Jung, H.T., Kim, H.S., & Yoo, S.H. (2021). Structural and gelling properties of very low methoxyl pectin produced by an alkali-treatment. Korean J. Food Sci. Technol., 2021, 53(2):121-125. https://doi.org/10.9721/KJFST.2021.53.2.121.

18. Kazantsev, E.V., Kondratev, N.B., Rudenko, O.S., Petrova, N.A., & Belova, I.A. (2022). Formation of a foamy structure of confectionery pastille products. Food systems, 5(1):64-69. (In Russ.) https://doi.org/10.21323/2618-9771-2022-5-1-64-69.

19. Nakauma, M., Funami, T., Noda, S., Ishihara, S., Al-Assaf, S., Nishinari, K., & Phillips, G.O. (2008). Comparison of sugar beet pectin, soybean soluble polysaccharide, and gum arabic as food emulsifiers. 1. Effect of concentration, pH, and salts on the emulsifying properties. Food Hydrocolloids, 22(7):1254-1267. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2007.09.004.

20. Duan, X., Yang, Z., Yang, J., Liu, F., Xu, X., & Pan, S. (2021). Structural and Emulsifying Properties of Citric Acid Extracted Satsuma Mandarin Peel Pectin. Foods, 10:2459. https://doi.org/10.3390/foods10102459.

21. Bindereif, B., Karbstein, H.P., Zahn, K., & van der Schaaf, U.S. (2022). Effect of Conformation of Sugar Beet Pectin on the Interfacial and Emulsifying Properties. Foods, 11:214. https://doi.org/10.3390/foods11020214.

22. Prandi, B., Baldassarre, S., Babbar, N. et al. (2018). Pectin oligosaccharides from sugar beet pulp: molecular characterization and potential prebiotic activity. Food Funct., 9:1557-1569. https://doi.org/10.1039/C7FO01182B.

23. Ishisono, K., Mano, T., Yabe, T., & Kitaguchi, K. (2019). Dietary Fiber Pectin Ameliorates Experimental Colitis in a Neutral Sugar Side Chain-Dependent Manner. Front. Immunol., 10:2979. https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.02979.

24. Larsen, N., Bussolo de Souza, C., Krych, L., Barbosa Cahú, T., Wiese, M., Kot, W., Hansen, K.M., Blennow, A., Venema, K., & Jespersen, L. (2019). Potential of Pectins to Beneficially Modulate the Gut Microbiota Depends on Their Structural Properties. Front. Microbiol., 10:223. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00223.

25. Sundar Raj, A.A., Rubila, S., Jayabalan, R,. & Ranganathan, T.V. (2012). A Review on Pectin: Chemistry Due to General Properties of Pectin and Its Pharmaceutical Uses. Omics International, 1(12):1-4. https://doi.org/10.4172/scientificreports.550.

26. Kumar, R.V., Srivastava, D., Singh, V. et al. (2020). Characterization, biological evaluation and molecular docking of mulberry fruit pectin. Sci Rep, 10:21789. https://doi.org/10.1038/s41598-020-78086-8.

27. Zhang, W., Xu, P., & Zhang, H. (2015). Pectin in cancer therapy: A review. Trends in Food Science & Technology, 44(2):258-271. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2015.04.001.

28. Delphi, L., & Sepehri, H. (2016). Apple pectin: A natural source for cancer suppression in 4T1 breast cancer cells in vitro and express p53 in mouse bearing 4T1 cancer tumors, in vivo. Biomed Pharmacother., 2016, 84:637-644. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2016.09.080.

29. Wang, L., Zhao, L., Gong, F.l. et al. (2022). Modified citrus pectin inhibits breast cancer development in mice by targeting tumor-associated macrophage survival and polarization in hypoxic microenvironment. Acta Pharmacol. Sin., 43:1556-1567. https://doi.org/10.1038/s41401-021-00748-8.

30. Kondratenko, V.V., Kondratenko, T.Yu., Petrov, A.N., & Belozerov, G.A.. (2020). Assessing protopectin transformation potential of plant tissue using a zoned criterion space. Foods and Raw Materials, 8(2):348-361. http://doi.org/10.21603/2308-4057-2020-2-348-361.

31. Kondratenko, V.V., Kondratenko, T.Yu., & Petrov, A.N. (2021). Directed homoenzymatic fragmentation of the plant protopectin complex: Assessment criteria. Foods and Raw Materials, 9(2):254-261. https://doi.org/10.21603/2308-4057-2021-2-254-261.

32. Marry, M., McCann, M.C., Kolpak, F., White, A.R., Stacey, N.J., & Roberts, K. (2000). Extraction of pectic polysaccharides from sugar-beet cell walls. J. Sci. Food Agric, 80:17-28. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-0010(20000101)80:1<17::AID-JSFA491>3.0.CO;2-4.

33. Yapo, B.M., Robert, C., Etienne, I., Wathelet, B., & Paquot, M. (2007). Effect of extraction conditions on the yield, purity and surface properties of sugar beet pulp pectin extracts. Food Chemistry, 100(4):1356-1364. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2005.12.012.

34. Elizaryev, A., Kostryukova, N., Vdovina, I., Riianova, E., Melnikova, A., & Sadykova, A. (2020). Low-waste production of pectin from beet pulp. E3S Web Conf., 203:04012. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020304012.

35. Jung, S.K., Parisutham, V., Jeong, S.H., & Lee, S.K. (2012). Heterologous Expression of Plant Cell Wall Degrading Enzymes for Effective Production of Cellulosic Biofuels. Journal of Biomedicine and Biotechnology, 2012:Article ID 405842. https://doi.org/10.1155/2012/405842.

36. Dominiak, M., Søndergaard, K.M., Wichmann, J., Vidal-Melgosa, S., Willats, W.G.T., Meyer, A.S., & Mikkelsen, J.D. (2014). Application of enzymes for efficient extraction, modification, and development of functional properties of lime pectin. Food Hydrocolloids, 40:273-282. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2014.03.009.

37. Marjamaa, K., & Kruus, K. (2018). Enzyme biotechnology in degradation and modification of plant cell wall polymers. Physiol. Plantarum, 164:106-118. https://doi.org/10.1111/ppl.12800.

38. Mota, Th.R., de Oliveira, D.M., Marchiosi, R., Ferrarese-Filho, O., & dos Santos, W.D. (2018). Plant cell wall composition and enzymatic deconstruction. AIMS Bioengineering, 5(1):63-77. https://doi.org/10.3934/bioeng.2018.1.63.

39. Carpita, N.C., & McCann, M.C. (2020). Redesigning plant cell walls for the biomass-based bioeconomy. J. Biol. Chem., 295(44):15144-15157. https://doi.org/10.1074/jbc.rev120.014561.

40. Abou-Elseoud, W.S., Hassan, E.A., & Hassan, M.L. (2021). Extraction of pectin from sugar beet pulp by enzymatic and ultrasound-assisted treatments. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, 2:100042. https://doi.org/10.1016/j.carpta.2021.100042.

41. Hennessey-Ramos, L., Murillo-Arango, W., Vasco-Correa, J., & Paz Astudillo, I.C. (2021). Enzymatic Extraction and Characterization of Pectin from Cocoa Pod Husks (Theobroma cacao L.) Using Celluclast® 1.5 L. Molecules, 26:1473. https://doi.org/10.3390/molecules26051473.

42. Bonnin, E., Garnier, C., & Ralet, M.C. (2014). Pectin-modifying enzymes and pectin-derived materials: applications and impacts. Appl. Microbiol. Biotechnol., 98:519-532. https://doi.org/10.1007/s00253-013-5388-6.

43. Gudmundsson, M. (2014). Structure and functional studies of plant cell wall degrading enzymes. Diss. (sammanfattning/summary) [Doctoral thesis] Uppsala: Sveriges lantbruksuniv., Acta Universitatis Agriculturae Sueciae, 2014:83. 96 p. ISSN 1652-6880. ISBN 978-91-576-8114-0. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:slu:epsilon-e-2233.

44. Xia, J.L., & Li, P.J. (2019). Pectic enzymes. In: Melton L., Shahidi F., Varelis P. (eds) Encyclopedia of Food Chemistry. Academic Press, Oxford, UK. pp.270-276. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100596-5.21645-4.

45. Giovannoni, M., & Gramegna, G., Benedetti, M., Mattei B. (2020). Industrial Use of Cell Wall Degrading Enzymes: The Fine Line Between Production Strategy and Economic Feasibility. Front. Bioeng. Biotechnol., 8:358. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00356.