Hemicellulózt Bontó Enzimek: Működés, Források és Jelentőség

A növényi maradványok mikrobiológiai lebontása fontos a humuszképződés, a kórokozó gombák visszaszorítása, valamint az elemek körforgásának szempontjából is. A nitrogén-, a foszfor- és a káliumtartalmú vegyületek legtöbbször vízben nem oldható növényi részekben, a sejtfalban találhatók nagyobb mennyiségben. A maradványokat bontó mikroorganizmusok anyagcsere-intenzitása mindig az adott ökológiai feltételekhez (hőmérséklet, nedvesség, kémhatás, egyéb anyagok jelenléte) alkalmazkodik, és attól függően mindenkor maximális sebességű.

A baktériumok és a gombák hatékonyan ásványosítják a nem vízoldható növényi maradványokat a morfológiai tulajdonságaik, a növekedési és a szaporodási tulajdonságaikból is adódó enzimatikus képességeik miatt. A növényi biomassza legnagyobb hányadát, mintegy 40%-át a cellulóz polimerek alkotják. A cellulóz a Föld legelterjedtebb makromolekulája, mely a növényi sejtfal alkotóelemeként a leggyakoribb összetevője a növényi biomasszának. A cellulóz a növényi szárazanyag tömegben kb. 35 - 50% koncentrációban található meg.

A természetben a cellulóz csak ritkán fordul elő tiszta állapotban, a legtöbb esetben egyéb vegyületek pl. hemicellulóz és lignin közé ágyazva található. A cellulóz rostok hemicellulózokkal borítottak, melyekhez lignin régiók kapcsolódnak, emiatt korlátozott a cellulázok hozzáférése a cellulóz szálakhoz. Amennyiben a rendszerben (talajban) un. segítő enzimek is képződnek, a növényi maradványok bontása kedvezőbb lehet és rövidebb lánchosszúságú molekulák keletkeznek.

A cellulóz homopoliszaharid, és a legkisebb ismétlődő egysége a cellobióz, mely két β-1,4-kötéssel kapcsolódó glükóz molekulából tevődik össze, és benne a glükóz monomerek egymáshoz képest 180°-kal elforgatva helyezkednek el. A cellulóz hosszú (10 000-15 000 glükóz egységekből áll) lineáris polimer, mely inter- és intramolekuláris hidrogén kötések kialakítására nagymértékben hajlamos, az így stabilizált makromolekula nagyfokú rendezettséggel jellemezhető. Vízben oldhatatlan, kémiailag stabil és enzimeknek is viszonylag ellenálló. Az elsődleges sejtfalban a cellulóz rostok átmérője jellemzően 3 nm. A cellulózbontó törzsek vizsgálatára a Fuller-Normann-féle cellulóz-dextrin és karboximetil-cellulóz tartalmú agarlemezek alkalmasak.

Az évelő és az egynyári növényekben a hemicellulózok alkotják a biomassza 25-35%-át. A hemicellulózok mindazon nem keményítő jellegű poliszaharidok, amelyek a magasabb rendű növények elsődleges és másodlagos sejtfalában a cellulózzal asszociálva fordulnak elő és lúggal kivonhatók, feltárhatók. Polimerizációs fok és összetétel tekintetében nagy változatosságot mutatnak.

Irodalom és technológia: Ady Endre esete

A lánchosszúságuk általában kisebb, mint cellulóz esetében, ugyanakkor nagyszámú oldallánc helyezkedik el a fő vázon, így a hemicellulózok a cellulózhoz viszonyítva kevésbé kristályos, reakcióképesebb molekulák. Leggyakoribb vegyülete a xilán. Legfőbb alkotóelemeik az L-arabinóz, a D-galaktóz, a D-glükóz, a D-glükuronsav, a D-mannóz és a D-xilóz, de ezen kívül L-frukóz, L-ramnóz és L-galaktóz is megtalálható oldalláncaikban.

Hemicellulóz szerkezete

A Hemicellulózt Bontó Enzimek Típusai

Az endoglükanázok a cellulózláncból hasítanak változó hosszúságú oligoszacharidokat, és ezzel együtt új láncvégeket hoznak létre. Az exoglükanázok a cellulóz redukáló és nem redukáló végeinek hasításával glükózt, vagy cellobiózt szabadítanak fel. Az amorf cellulóz részen támadni képes endo (belső)-1,4-β-D-glükanázok a cellulózt véletlenszerűen hasítják, hosszabb-rövidebb kisebb, de mindenképpen rövidebb hosszúságú láncokra.

A másodlagos sejtfal fő hemicellulózának, a hidrolízisében endo- és exoenzimek együttesen vesznek részt. Az endo-1,4-β-xilanázok az oldhatatlan xilán láncot rövidebb, oldható láncokká és xilobiózzá (két egységből álló molekula) hidrolizálják, amit az 1,4-β−D-xilozidázok xilózzá alakítanak. A xilán láncok gyakran tartalmaznak a láncon egyéb szénhidrátokat, amelyeket újabb enzimek hasítanak le. További savcsoportok is lehetnek a hemicellulóz láncon (pl.

A cellulóz bontására képes Bacillus sp. és Pseudomonas sp. baktériumok részt vesznek a búzaszalma lebontásában:

Autóbontók a környéken

Búzaszalma lebontása Bacillus és Pseudomonas által

Búzaszalma degradálódása 2 és 4 hónap alatt

Az endoglükanázok a cellulóz poliszacharid lánc amorf régiójában hasítanak, mellyel változó hosszúságú oligoszacharidokat, és ezzel együtt új láncvégeket hoznak létre. Az exoglükanázok a cellulóz redukáló és nem redukáló végeinek hasításával glükózt vagy cellobiózt szabadítanak fel.

Különböző Enzimek és Funkcióik

Az alábbi táblázat néhány fontosabb hemicellulózbontó enzimet és azok funkcióit foglalja össze:

Enzim neve	Funkció
Cellulase	A cellulóz lebontása
Endo-1,3-(1,4)-ß-glucanase	Hidrolizálja az 1,3-ß-D- illetve 1,4-ß-D-glükozidos kötéseket a ß-D-glükánban, ha a redukáló vég felöli ß-D-glükóz 3. szénatomja szubsztituálva van.
Glucan endo-1,3-ß-D-glucosidase	Endo-1,3-ß-glucanase
Glucan 1,3-ß-glucosidase	Glucan endo-1,2-ß-glucosidase
Licheninase	Hidrolizálja az 1,3-ß-D- illetve 1,4-ß-D-glükozidos kötéseket a ß-D-glükánban akkor, ha mindkét tipusú kötés jelen van.
Glucan 1,4-ß-glucosidase	Glükóz egységeket hasít le az 1,4-ß-D-kötéseket hidrolizálva a cellulóz (ß-D-glükán) nem redukáló végérl.
Glucan endo-1,6-ß-glucosidase	-
Cellulose 1,4-ß-cellobiosidase	-

Összefoglalóan megállapíthatjuk, hogy a holt szerves anyag bontása bonyolult mikrobiológiai, biokémiai és mikrobiális ökológiai folyamatok eredményeként jellemezhető.

Szabadalmi Leírás (1934)

1934. évi szeptember hó 16-án a MAGYAR KIRÁLYI SZABADALMI BÍRÓSÁG közzétett egy szabadalmi leírást (112992. SZÁM), melynek címe: "Eljárás cellulózt és hemicellulózt bontó enzimek létesítésére". A szabadalmat Karreth August gyáros (München) nyújtotta be, és pótszabadalom volt a 111766 lajstromszámú törzsszabadalomhoz. A pótszabadalom bejelentésének napja 1934. évi november hó 15-ike volt, németországi elsőbbsége pedig 1933. évi december hó 23-ika.

Renault Clio I alkatrészek

A 111.766. sz. szabadalomban védett eljárással penészgombákból, különösen Aspergillus-fajtákból iparilag foganatosítható módon igen hatékony cellulóz- és hemieellulózhasító enzimkészítményeket lehet létesíteni. E szerint az eljárás szerint a nevezett penészgombákat a szokásos táptalajon az eddig szokásosnál hosszabb ideig, nevezetesen a micéliumfejlődésen túlmenőn a spóraképzésig tenyésztjük.

Ezt az eljárást természetesen az összes Aspergillus-fajtákra, mint pl. A. candidus, A. cellulosae, A. niger, A. flavus, A. terreus, A. Wentii fajtákra, valamint a sajátságaik tekintetében hasonló gombaféleségekre, mint pl. a Penicillium- és Rhizopus-fajtákra alkalmazhatjuk.

Felismerték, hogy ezt az eljárást másnemű penészgombákra is alkalmazhatjuk. A találmány értelmében cellulóz- és hemicellulóz-hasító enzimeket másfajta penészgombákból, különösen a Botrytis-, valamint a Fusarium- és Oidium-fajtákból is létesíthetünk úgy, hogy ezeket a gombákat a micéliumképződésen túlmenően a spóraképződésig tenyésztjük.

Ilyen módon cellulóz- és hemicellulózhasító enzimeket, pl. a következő gombákból termelhetünk: Botrytis cinerea, Botrytis verrucosa, Fusarium solani, Fusarium oxysporum, Fusarium scirpi, Oidium aurantiacum stb. A jelen találmány szerint alkalmazandó penészgombák életfeltételei tudvalevően lényegesen különböznek az Aspergillus-fajtákétól, úgy, hogy nem volt előre látható, hogy az Aspergillus-fajtákkal és hasonló gombafajokkai foganatosítható eljárást másfajta penészgombákkal is foganatosíthatjuk cellulóz és hemicellulóz termelésére.

A találmány szerint tekintetbejövő penészgombák tenyésztésére célszerűen olyan táptalajokat használunk, melyek elegendő mennyiségű fehérjeanyagokon és ásványi sókon kívül cellulózákat is tartalmaznak. Ilyen táptalajok pl. a gabonamagvak, maláta, korpa, tápoldattal (fehérjeoldattal vagy peptonokkal és ásványi sókkal) itatott fűrészpor stb.

Foganatosítási Példák:

1.5 kg korpát 1 liter vízzel összekeverünk s esetleg 15 g szokásos tápsóelegyet is adunk hozzá, mely ismert módon a kálium, kalcium, magnézium és ammónium, továbbá a foszforsav és kénsav sóiból tevődik össze. Az így előkészített korpát sterilizáljuk s lehűtés után Aspergillus niger-t oltunk belé. A tenyészetet szellőzés közben szokott módon 3-6 napig hagyjuk fejlődni, amíg az egész tömeget egyenletes, fekete spóraszőnyeg nem vonja be. Ezután vízzel extrahálunk s a vizes kivonatot besűrítjük vagy beszárítjuk.
Az 1. példa szerint előkészített korpát sterilizáljuk s lehűlése után Penicillium glaucum-ot oltunk belé. A tenyészetet szellőzés közben 5-12 napig hagyjuk szokott módon fejlődni, amíg az egész tömeget egyenletes zöld spóraszőnyeg nem vonja be. Ezután vízzel extrahálunk s a vizes kivonatot besűrítjük vagy beszárítjuk.
Az 1. példa szerint előkészített korpát sterilizáljuk és lehűlés után Rhizopus stolonifer-t oltunk belé.