Определение целесообразности предварительной декатионизации растительного сырья для ферментативной фрагментации протопектинового комплекса

Введение: Использование ферментных препаратов для обработки растительного сырья налагает некоторые ограничения, определяемые структурой молекул ферментов и свойствами среды. Одним из основных лимитирующих факторов является возможное присутствие в среде ингибитора, подавляющего каталитическую активность. Потенциальным ингибитором могут являться катионы поливалентных металлов, поэтому определение целесообразности декатионизации среды перед ферментативной обработкой является актуальным.

Цель: исследования является разработка подхода к определению целесообразности предварительной декатионизации сырья перед ферментативным процессом.

Материалы и методы: В качестве субстрата использовали негранулированный сухой немелассированный свекловичный жом. Ферментативную обработку проводили гомоферментным препаратом рамногалактуронан лиазного действия в концентрации 0,00,0,05, 0,1, 0,2, 0,4 и 0,8 % от массы сухого субстрата. Предварительную обработку набухшего сырья поводили 0,00, 0,20, 0,50 и 0,91 ед. от 2,87 % водного раствора комплексона (ЭДТА). Фактором отклика была удельная электрическая проводимость. Ферментативный процесс проводили при температуре 45 °С течение 8 часов. Аппроксимацией экспериментальных данных для каждого варианта исследований получали математическое описание динамик ферментативного процесса.

Результаты: По характеру зависимости обратных кинетических показателей было установлено, что в пределах каждой концентрации ферментного препарата значение асимптотического темпа процесса Vmax = const, а константа Михаэлиса Km непрерывно увеличивается. Для комплексной оценки исследуемых динамик была разработана система критериев, включающая критерий изменчивости константы Михаэлиса Q (Km), дискретный критерий оптимальности Z, комплексный критерий оптимальности декатионизации F и критерий оценки Q, сопровождаемые 4 постулируемыми условиями оптимизации.

Выводы: В результате разработанная система критериев позволяет решать сразу три задачи — определение целесообразности предварительной декатионизации, оптимальные концентрации комплексона и гомоферментного препарата.

1. Rimareva, L. V., Serba, E. M., Sokolova, E. N., Borshcheva, Yu. A., Ignatova, N. I. (2017). Enzyme preparations and biocatalytic processes in the food industry. Voprosy pitaniia = Problems of Nutrition, 86(5): 62–74. https://doi.org/10.24411/0042-8833-2017-00078

2. Mandake, M. B., Das, U., Phad, L., Busamwar, S. (2020). Application of Enzyme Immobilization in the Food Industry. International Journal of Advanced Research in Chemical Science, 7(2): 6–10. http://dx.doi.org/10.20431/2349-0403.0702002

3. Ochiai, A., Itoh, T., Kawamata, A., Hashimoto, W., Murata, K. (2007). Plant cell wall degradation by saprophytic Bacillus subtilis strains: gene clusters responsible for rhamnogalacturonan depolymerization. Applied and Environmental Microbiology, 73(12): 3803–3813. https://doi.org/10.1128/aem.00147-07

4. Silva, I. R., Larsen, D. M., Meyer, A. S., Mikkelsen, J. D. (2011). Identification, expression, and characterization of a novel bacterial RGI lyase enzyme for the production of bio-functional fibers. Enzyme and Microbial Technology, 49(2): 160–166. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2011.04.015

5. Dhillon, A., Fernandes, V. O., Dias, F. M. V., Prates, J. A. M., Ferreira, L. M. A., Fontes, C. M. G. A., Centeno, M. S., Goyal, A. (2016). A New Member of Family 11 Polysaccharide Lyase, Rhamnogalacturonan Lyase (CtRGLf) from Clostridium thermocellum. Molecular Biotechnology, 58: 232–240. https://doi.org/10.1007/s12033-016-9921-6

6. Yuan, Y., Zhang, X.-Y., Zhao, Y., Zhang, H., Zhou, Y.-F., Gao, J. (2019). A Novel PL9 Pectate Lyase from Paenibacillus polymyxa KF-1: Cloning, Expression, and Its Application in Pectin Degradation. International Journal of Molecular Sciences, 20(12): 3060. https://doi.org/10.3390/ijms20123060

7. Wang, W., Wang, Y., Yi, H., Liu, Y., Zhang, G., Zhang, L., Mayo, K.H., Yuan, Y., Zhou, Y. (2022). Biochemical Characterization of Two Rhamnogalacturonan Lyases from Bacteroides ovatus ATCC 8483 with Preference for RG-I Substrates. Frontiers in Microbiology, 12: 799875. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.799875

8. Jensen, M. H., Otten, H., Christensen, U., Borchert, T. V., Christensen, L. L. H., Larsen, S., Leggi, L. L. (2010). Structural and Biochemical Studies Elucidate the Mechanism of Rhamnogalacturonan Lyase from Aspergillus aculeatus. Journal of Molecular Biology, 404(1): 100–111. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2010.09.013

9. Laatu, M, Condemine, G. (2003). Rhamnogalacturonate lyase RhiE is secreted by the out system in Erwinia chrysanthemi. Journal of Bacteriology, 185(5): 1642–1649. https://doi.org/10.1128/JB.185.5.1642-1649.2003

10. Iwai, M., Yamada, H., Ikemoto, T., Matsumoto, S., Fujiwara, D., Takenaka, S., Sakamoto, T. (2015). Biochemical Characterization and Overexpression of an Endo-rhamnogalacturonan Lyase from Penicillium chrysogenum. Molecular Biotechnology, 57(6): 539–548. https://doi.org/10.1007/s12033-015-9847-4

11. Morales-Quintana, L., Ramos, P., Méndez-Yáñez, A. (2022). Rhamnogalacturonan Endolyase Family 4 Enzymes: An Update on Their Importance in the Fruit Ripening Process. Horticulturae, 8: 465. https://doi.org/10.3390/horticulturae8050465

12. Fujimoto, Z., Jackson, A., Michikawa, M., Maehara, T., Momma, M., Henrissat, B., Gilbert, H. J., Kaneko, S. (2013). The structure of a Streptomyces avermitilis α-L-rhamnosidase reveals a novel carbohydrate-binding module CBM67 within the six-domain arrangement. The Journal of Biological Chemistry, 288(17): 12376–12385. https://doi.org/10.1074/jbc.M113.460097

13. O'Neill, E. C., Stevenson, C. E., Paterson, M. J., Rejzek, M., Chauvin, A. L., Lawson, D. M., Field, R. A. (2015). Crystal structure of a novel two domain GH78 family α-rhamnosidase from Klebsiella oxytoca with rhamnose bound. Protein, 83(9): 1742–1749. https://doi.org/10.1002/prot.24807

14. Furusawa, G., Azami, N. A., The, A.-H. (2021). Genes for degradation and utilization of uronic acid-containing polysaccharides of a marine bacterium Catenovulum sp. CCB-QB4. PeerJ, 9: 10929. http://doi.org/10.7717/peerj.10929

15. Robin, T., Reuveni, S., Urbakh, M. (2018). Single-molecule theory of enzymatic inhibition. Nature Communications, 9, 779. https://doi.org/10.1038/s41467-018-02995-6

16. Ivanova, Yu. V. (2022). Enzymes seen by restorers eyes or the ingenious gentleman don Quixote of la Mancha. Art Heritage. Research. Storage. Conservation, 4: 7–20. (in Russ)

17. Patadiya, N., Panchal, N., Vaghela, V. (2021). A Review on Enzyme Inhibitors. International Research Journal of Pharmacy, 12(6): 60–66. http://dx.doi.org/10.7897/2230-8407.1206145

18. Zhang, Y., Ren, H., Wang, Y., Chen, K., Fang, B., Wang, Sh. (2016). Bioinspired Immobilization of Glycerol Dehydrogenase by Metal Ion-Chelated Polyethyleneimines as Artificial Polypeptides. Scientific Reports, 6, 24163. https://doi.org/10.1038/srep24163

19. Joslyn, M. A. (1963). The Chemistry of Protopectin: A Critical Review of Historical Data and Recent Developments. Advances in Food Research, 11: 1–107. https://doi.org/10.1016/S0065-2628(08)60064-6

20. Kondratenko, V. V., Petrov, A. N., Kondratenko T. Yu. (2022). Basic notions for kinetics of enzymatic processes and approaches to its determination. Vsyo o myase, 6: 12–19. https://doi.org/10.21323/2071-2499-2022-6-12-19 (in Russ)

21. Kondratenko, V. V., Tsaryova, M. A., Kondratenko, T. Yu., Davydova, A. Yu., Alabina, N. M. (2018). O dekationizatsii pektinosoderzhashchego syrʹya na primere sveklovichnogo zhoma [Decation of pectin-containing raw materials using beet pulp as an example]. Nauchnye trudy Severo-Kavkazskogo Federalʹnogo nauchnogo tsentra sadovodstva, vinogradarstva i vinodeliya [Scientific Proceedings of the North Caucasus Federal Scientific Center for Horticulture, Viticulture and Winemaking], 21: 42–48. (in Russ)

22. Seltman, Y.J. (2018). Experimental Design and Analysis. Pittsburgh: Carnegie Mellon University. 414 p. https://www.stat.cmu.edu/~hseltman/309/Book/Book.pdf.

23. Kondratenko, V. V., Petrov, A. N., Kondratenko, T. Yu. (2022). Razrabotka metodov opredeleniya optimalʹnoy kontsentratsii fermentov na osnovanii analiza dinamiki fermentirovaniya [Development the methods for determining the optimal concentration of enzymes based on analysis of fermentation dynamics]. Pishchevaya promyshlennostʹ [Food Industry], 11: 67–74. https://doi.org/10.52653/PPI.2022.11.11.016 (in Russian).