Роль і фізико-хімічні властивості крохмалю як резервного полісахариду рослин

Основними представниками нецукроподібних полісахаридів є крохмаль, глікоген, целюлоза, інулін, ліхенін, геміцелюлоза, пектинові речовини, хітин, камеді та слизи.

Крохмаль є одним із найпоширеніших резервних полісахаридів рослин. Він утворюється в процесі фотосинтезу в листі рослин і в міру накопичення розщеплюється та перетворюється до розчинних сполук, а потім повторно відкладається як запасна речовина в коренях, насінні та плодах. Надалі крохмаль використовується рослинною клітиною як енергетичний та будівельний матеріал.

У великих кількостях він міститься в ендоспермі злаків – 65-85% його маси, в картоплі – до 20 % (табл. 18; Шеуджен А.Х., Оніщенко Л.М., Корсунова М.І. та ін., 2004).

Крохмаль не є хімічно індивідуальною речовиною. До його складу, крім полісахаридів, входять:

• мінеральні речовини, в основному представлені фосфорною кислотою;
• ліпіди;
• високомолекулярні жирні кислоти – пальмітинова, стеаринова та деякі інші сполуки, адсорбовані вуглеводною полісахаридною структурою крохмалю.

У клітинах ендосперму крохмаль знаходиться у вигляді зерен (гранул). Крохмальні зерна мають овальну, сферичну або неправильну форму. Діаметр крохмальних зерен коливається в межах 0,002–0,15 нм. Найбільші крохмальні зерна у картоплі, а найдрібніші – у рису та гречки.

Крохмальні зерна поділяються на прості та складні: прості зерна являють собою однорідні утворення; складні зерна – поєднання дрібніших частинок. Прості крохмальні зерна характерні для картоплі, пшениці, жита, складні – для рису, овесу.

Характерною властивістю крохмалю є його здатність забарвлюватися в синій колір при додаванні водного розчину йодиду калію. Поява синього кольору пояснюється утворенням комплексних та адсорбційних сполук між крохмалем і йодом.

У холодній воді крохмальні зерна набухають внаслідок приєднання води, але не розчиняються. Проте при поступовому нагріванні крохмаль утворює в'язкий колоїдний розчин – крохмальний клейстер. Температура, при якій відбувається ця зміна крохмалю, називається температурою клейстеризації.

Крохмаль картоплі клейстеризується при температурі 55–65оС, кукурудзи – 64–71, пшениці – 60–80, рису – 70–80оС.

Таблиця 18 – Вміст крохмалю в плодах і насінні

Вуглеводна частина крохмалю складається з двох полісахаридів: амілози та амілопектину, які розрізняються за фізичними та хімічними властивостями.

За хімічною будовою амілоза являє собою довгий нерозгалужений ланцюг глюкозних залишків, з'єднаних (14) глюкозидними зв'язками (рис. 23; Щербаков В.Г., Лобанов В.Г., Прудникова Т.Н. та ін., 2003).

Кожна молекула амілози містить від сотень до кількох тисяч глюкозних залишків, з'єднаних, головним чином, α1→4 глюкозидними зв'язками. Її молекулярна маса становить 3105–1106. У амілози розрізняють відновлювальний кінець (А) і невідновлювальний (В). Ланцюгова молекула амілози має спіральну форму та діаметр 1 нм, причому кожен виток спіралі складається із шести глюкозних залишків. У внутрішній канал спіралі можуть проникати молекули діаметром менше 1 нм, утворюючи комплекси, які називаються сполуками включення, або клатратами. Молекулярний комплекс амілози з йодом має сине забарвлення (mak=620–680 нм). Це використовується в аналітичних цілях для визначення крохмалю та йоду.

Амілопектин являє собою розгалужений компонент крохмалю. У його молекулі глюкозні залишки з'єднані глюкозидними зв'язками не тільки між 1-м і 4-м вуглецевими атомами, але також між 1-м і 6-м. Амілопектин забарвлюється розчином йоду в синьо-фіолетовий колір. Кожна молекула амілопектину має один відновлювальний (А) і велике число невідновлювальних кінців (В). Структура амілопектину тривимірна, його гілки розташовані в усіх напрямках і надають молекулі сферичну форму. Молекулярна маса амілопектину коливається від 106 до 109.

Рис. 23. Крохмаль, його будова. Амілоза та амілопектин. а – схема з'єднання молекул глюкози в амілозі; б – просторова структура амілози; в – схема з'єднання глюкози в амілопектині; г – просторова молекула амілопектину

Крохмаль, як типовий представник полісахаридів, утворює за гідроксильними групами прості та складні ефіри. При кислотному та ферментативному гідролізі, γ-опроміненні та термічній обробці сухого крохмалю отримуються продукти його часткового розщеплення – декстрини. При гідролізі крохмалю під дією кислот спочатку відбувається послаблення та розрив асоціативних зв'язків між макромолекулами амілози та амілопектину. Це супроводжується порушенням структури крохмальних зерен та утворенням гомогенної маси. Далі йде розрив –D–(1,4)– та –D–(1,6)– зв'язків із приєднанням за місцем розриву молекули води. У процесі гідролізу наростає число вільних альдегідних груп, зменшується ступінь полімеризації. У міру гідролізу та наростання відновлювальних речовин вміст декстринів зменшується, глюкози – збільшується, концентрація мальтози, три- та тетрасахаридів спочатку збільшується, потім їхня кількість знижується. Кінцевим продуктом гідролізу є глюкоза. На проміжних стадіях утворюються декстрини, три- та тетрацукри, мальтоза.

Біологічна роль крохмалю полягає в тому, що він є формою зберігання поживних речовин у рослинах. Якщо виникає потреба в енергії та джерелі вуглецю, крохмаль легко вивільняється з гранул і гідролізується ферментами.

Більшість рослин містять два різні типи гідролітичних ферментів, які традиційно називають -амілазою та -амілазою. Обидва ці ферменти розщеплюють і амілозну, і амілопектинову фракції крохмалю за (14)-зв'язком, але на різні фрагменти:

• -Амілаза діє на ціле крохмальне зерно, атакуючи його, розпушуючи поверхню та утворюючи канали й борозенки, тобто ніби розколює зерно на частини. Клейстеризований крохмаль гідролізується нею з утворенням низькомолекулярних декстринів.
• У міру накопичення декстринів підключається -амілаза, що розщеплює їх до цукрів, які є безпосереднім будівельним матеріалом проростка, що розвивається. На відміну від -амілази, -амілаза практично не гідролізує нативний крохмаль, клейстеризований крохмаль гідролізується до мальтози в -конфігурації.

Целюлоза (клітковина) – це найпоширеніша органічна сполука. Вона зустрічається всюди в рослинному світі як структурний компонент клітинної стінки. У деяких частинах певних рослин вона присутня майже в чистому вигляді.

Целюлоза складається з полімерних ланцюжків молекул D-глюкози (до 1000 ланок), з'єднаних між собою (14)-глікозидними зв'язками. Ці ланцюжки об'єднуються, утворюючи волокна. Коли молекули глюкози, що знаходяться в С1-конфігурації, утворюють (14)-ланцюжки, формується -структура. Пов'язано це з тим, що цукрові залишки, з'єднані глікозидними зв'язками, втрачають повну свободу обертання навколо 1С–О– та О–С4– зв'язків через наявність масивних 6СН2ОН-груп, і полімер набуває конфігурації, сприятливої для утворення міжланцюгових водневих зв'язків, у разі, коли ланцюжки розташовуються антипаралельно.

Структура целюлози добре пристосована для її біологічної ролі. Здатність утворювати водневі зв'язки між окремими ланцюгами целюлози дуже висока, оскільки кожен залишок здатний брати участь трьома своїми ОН-групами в їх утворенні. Це надає інтактним волокнам високої міцності і є причиною нерозчинності целюлози у воді. У клітинних стінках рослин ці волокна целюлози щільно упаковані в шари, які додатково стабілізовані внаслідок присутності в них інших сполук полісахаридної природи, наприклад геміцелюлози, пектину та лігніну, які відіграють роль сполучного матеріалу.

Целюлоза – дуже стійка хімічна сполука, не розчиняється в більшості звичайних розчинників, але може розчинятися під дією реактиву Швейцера – водного розчину мідно-аміачного комплексу [Cu(NH3)4](OH)2. При кип'ятінні з концентрованою соляною або сірчаною кислотою відбувається гідроліз целюлози. При її повному гідролізі утворюється -D-глюкоза. Гідроліз целюлози з утворенням молекул целобіози йде під дією ферменту целюлази.

Глікоген – полісахарид, що міститься в тканинах тіла людини і тварин, у грибах і дріжджах, у зерні цукрової кукурудзи. Рослинний глікоген, що міститься в зерні кукурудзи, іноді називають фітоглікогеном. У структурному відношенні глікоген являє собою розгалужену молекулу поліглюкози, аналогічну амілопектиновій фракції крохмалю, проте глікоген сильніше розгалужений.

Всередині клітин молекули глікогену гідролізуються глікоген-фосфорилазою – ферментом, що послідовно відщеплює по одному залишку глюкози від будь-якого з невідновних кінців, призводячи до утворення глюкозо-1-фосфату. Для розщеплення полімеру в точках розгалуження за (14)-зв'язками та (16)-зв'язками використовуються спеціальні ферменти.

Інулін – високомолекулярний вуглевод (5000–6000), розчинний у воді, що осідає з водних розчинів при додаванні спирту. Молекули фруктози в інуліні з'єднані 1,2-зв'язками. Зазвичай у молекулі інуліну міститься 35–42 залишків фруктози. При гідролізі інуліну за допомогою кислот утворюється фруктофураноза і невелика кількість глюкопіранози.

Цей полісахарид у великій кількості міститься в наступних культурах, де він замінює крохмаль:

• бульбах земляної груші та жоржини;
• корінні кульбаби, кок-сагизу та цикорію;
• артишоках;
• корінні, листі та стеблах каучукової рослини гваюли.

Захисні полісахариди: як калоза, хітин та геміцелюлози рятують рослини від пошкоджень

Рослини захищають себе від механічних травм та проникнення патогенів за допомогою структурних полісахаридів. Головний механізм екстреної герметизації судин — калоза. Цей глюкан складається приблизно зі 100 залишків глюкози, з'єднаних β-1,3-зв'язками. У нормальних умовах калоза тонким шаром вистилає ситоподібні пластинки флоеми, але при пошкодженні її роль різко змінюється.