Крахмал как уникальный биополимер Научно-образовательный интерактивный курс Начать обучение Курс разработан к.б.н., ст.н.с. РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева П.Ю.Крупиным при финансовой поддержке Минобрнакуи России в рамках соглашения 8137 от

Крахмал как уникальный биополимер 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение 7 Итоговый тест

1 Введение Крахмал – важный компоненты питания Вместе с другими углеводами является основным источником энергии для человека (55-60% от всех калорий) Содержится в злаках, картофеле, некоторых фруктах. Потребляется человеком в составе хлебо-булочных и макаронных изделий, круп и фруктов. Также используется для производства спирта и биоорганических изделий 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Крахмал является сложным полимером, состоящим из амилозы и амилопектина Свойства крахмала определяются: –строением амилозыстроением амилозы –строением амилопектинастроением амилопектина –их взаиморасположениемих взаиморасположением Строение крахмала 2 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Строение крахмала: амилоза Амилоза - линейный гомополимер, обладающий небольшой молекулярной массой (51-54 кДа) Мономером является молекулы α-D- глюкозы, связанные между собой 1,4-гликозидными связями Полимер амилозы закручен в правую спираль Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Строение крахмала: амилопектин Амилопектин - разветвлённый гомополимер, обладающий большой молекулярной массой Мономером является молекулы α-D-глюкозы, связанные между собой 1,4 и 1,6-гликозидными связями Ветви амилопектина организованы в двойные α- спирали, образующие кластерную структуру, напоминающую гроздь Каждый кластер («гроздь») амилопектина формирует кристаллическую ламеллу. Каждая кристаллическая ламелла перемежается с аморфной неразветвлённой ламеллой Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Строение крахмала: взаиморасположение амилозы и амилопектина Линейные молекулы амилозы погружены в матрикс амилопектина. Последние исследования позволяют предположить, что связанные цепи амилозы распределены и в аморфных, и в кристаллических ламеллах амилопектина. Отдельные молекулы амилозы в кристаллической области образуют одномерные структуры – «нити», а в аморфной части имеют неупорядоченную структуру (Капуцкий и др., 2012) Таким образом, хотя крахмал как гомополимер состоит только из одного типа мономера – глюкозы, – он обладает сложной многоуровневой архитектурой Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход По материалам статьи Капуцкого и др., В мире науки (2012) 9(115) 7 Итоговый тест

3 Биосинтез крахмала Мономером крахмала являются молекулы глюкозы Молекулы глюкозы синтезируется во время темновой фазы за счёт энергии, запасённой в результате протекания световой фазы Специальные ферменты катализируют полимеризацию отдельных молекул глюкозы в полимерные амилопектин и амилозуамилопектин амилозу Синтез крахмала в клетке происходит в амилопластах амилопластах 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Биосинтез амилопектина Ферменты, участвующие в синтезе амилопектина, представлены следующими группами: ГруппаПредставителиФункции Донор- формирующие АДФ-глюкофосфорилаза (АГФ) Фосфорилирование глюкозо-1- фосфата УдлиняющиеКрахмалсинтазы (SSI, SSII, SSIII) Синтез длинных цепей за счёт формирования α-1,4-гликозидных связей ВетвящиеBEI, BEIIВетвелние цепей за счёт расщепления α-1,4- и формирования α-1,6-гликозидные связи ДеветвящиеИзоамилаза (ISA), пуллуланаза (PUL) Гидролизуют α-1,6-гликозидные связи Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Биосинтез амилозы Молекула амилопектина ферментативно гидролизуется, в результате чего образуется затравка для синтеза амилозы Гранул-связанная синтаза крахмала (GBSS) катализирует синтез длинных цепочек амилозы, присоединяя молекулы D-глюкозы с помощью 1,4-α-гликозидных связей к этой олигосахаридной затравке Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Биосинтез крахмала в амилопластах Синтез амилозы и амилопектина происходит в лейкопластах. В результате накапливающий крахмал откладывается в виде концентрических оболочек, формируется крахмальная гранула, или амилопласт Чередование слоёв в грануле соответствует внутренней ламеллярной структуре, для которой характерно чередование аморфных и полукристаллических слоёв Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

4 Крахмал в растениях В темновой фазе фотосинтеза в хлоропластах листьев синтезируется глюкоза, из неё образуется крахмал Избыток крахмала в листьях ферментативно гидролизуется, по флоэме поступает в запасные органы, где в амилопластах вновь синтезируется крахмал запасные органы Растения различаются по содержанию крахмала Растениями запасенный крахмал используется как источник пластических веществ и энергии на ранней, гетеротрофной стадии развития зародыша семени или глазков клубня 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

4 Крахмал в растениях Органы-реципиенты крахмала: –Семена (зерновые, зернобобовые, крупяные культуры); –Клубни (картофель, ямс, тапиока) –Ягоды (бананы) Среди некоторых растений встречаются как вакси (дефицитные по амилозе), так и высокоамилозные мутанты 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

5 Свойства крахмала Крахмал обладает уникальными физико-химическими свойствами, обусловленными строением амилозы и амилопектина, а также структурой крахмальных зёрен: –клейстеризация (желатинизация) крахмалаклейстеризация (желатинизация) крахмала –рекристаллизация (ретроградация)рекристаллизация (ретроградация) –декстринизация и гидролиздекстринизация и гидролиз 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Свойства крахмала: клейстеризация Клейстеризация (желатинизация) крахмала – это процесс, при котором крахмал становится растворимым, связывает воду и превращается в гель Поглощение воды крахмалом происходит при повышении температуры, при этом водопоглощение возрастает (гель набухает), а прозрачность и вязкость геля повышаются Температура клейстеризации – это температура, при которой тает кристаллическая структура крахмала. Зависит от соотношения амилопектина и амилозы Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Свойства крахмала: рекристаллизация Рекристаллизация (ретроградация) крахмала – образование упорядоченных структур линейными молекулами амилозы после длительного хранения геля, полученного из крахмала Сопровождается уплотнением и расслоением первоначально однородного геля Разветвлённые молекулы амилопектина образуют пространственные структуры, препятствующие ретроградации Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

Декстринизация и гидролиз крахмала Декстринизация крахмала – деструкция крахмала при сухом нагреве. В результате образуются растворимые в холодной воде олигосахариды – пиродекстрины Гидролиз крахмала – разрушение молекулы крахмала на молекулы глюкозы. Обычно осуществляется под воздействием кислот при нагревании Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

6 Применение крахмала Крахмала широко используется в промышленности и быту: –в бумажной промышленности –в текстильной промышленности –в пищевой промышленности –в производстве клея –в производстве красок Такое распространение крахмал получил благодаря своим уникальным свойствамуникальным свойствам 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

6 Применение крахмала Свойство крахмалаЦенность свойства для промышленности Специфическая вязкостьВкусовые ощущения, скользкость, послевкусие Жидкое кипениеХарактеристики суспензии Устойчивость к обработке кислотой и механическому сдвигу Клейкость (адгезивность) Стабильность при замораживании-оттаиванииКристалличность Текстура и консистенция геля при различных температурах Нейтральный вкус Прозрачность или матовостьДолгий срок хранения Устойчивость к условиям переработкиГигроскопичность Спосоность удерживать жирыЦвет Устойчивость геля к ретроградацииНеслёживаемость БлескДиспергируемость или набухаемость в холодной воде Свойства текучести гелейНабухаемость и устойчивость к набуханию Способность стабилизировать эмульсииПлёнкообразующие свойства По материалам ресурса 4 Крахмал в растениях 2 Строение крахмала 3 Биосинтез крахмала 5 Свойства крахмала 6 Применение крахмала 1 Введение выход 7 Итоговый тест

1,4-гликозидные связи между молекулами α-D-глюкозы 1,4-гликозидные связи выделены красным Изображение с ресурса of-biofuel-production/limitations-and-challenges-for-wheat-based-bioethanol- productionhttp:// of-biofuel-production/limitations-and-challenges-for-wheat-based-bioethanol- production

Правозакрученная спираль амилозы Изображение с ресурса online/library/newton/Chy251_253/Lectures/BiopolymersII/BiopolymersIIFS.htmlhttp:// online/library/newton/Chy251_253/Lectures/BiopolymersII/BiopolymersIIFS.html

1,4-гликозидные связи выделены красным 1,6-гликозидные связи выделены зелёным 1,4- и 1,6-гликозидные связи между молекулами α-D-глюкозы Изображение с ресурса of-biofuel-production/limitations-and-challenges-for-wheat-based-bioethanol- productionhttp:// of-biofuel-production/limitations-and-challenges-for-wheat-based-bioethanol- production

Разветвлённая структура амилопектина Изображение с ресурса

Пространственное взаиморасположение молекул амилопектина в крахмале Изображение с ресурса Кристаллические ламеллы формируют удлиненные отдельные блоки (чёрные стрелки), окруженные крупными блоками, состоящими из аморфных ламелл (красные стрелки) Кластерная модель амилопектина. Чёрными стрелками указаны кристаллические ламеллы, красными – аморфные ламеллы Изображение по Myers et al., Plant Physiol. Vol. 122, 2000

Пространственное взаиморасположение молекул амилозы и амилопектина в крахмале Возможное взаиморасположение спирали амилозы (красная) и двойной спирали амилопектина (сине- жёлтая) Изображение с ресурса

Синтез глюкозы в темновой фазе фотосинтеза Рибулозо-1,5-бисфосфат 3 молекулы С 5 Нестабильный промежуточный продукт Фосфоглицериновая кислота 6 молекул С 3 Фосфоглицериновый альдегид 6 молекул С 3 Фруктоза Глюкоза CO 2 3 молекулы С 1 Фосфоглицериновый альдегид 5 молекул С 3 Фосфоглицериновый альдегид 1 молекула С 1

Путь синтеза крахмала Глюкозо-6- фосфат Глюкозо-1- фосфат АГФаза АДФ- глюкоза Синтез коротких цепей Синтез средних цепей Синтез длинных цепей SSI SSII SSIII Крахмал синтаза SS (удлиненние цепи) BE Ветвление цепей DBE Деветвление цепей Амилопектин Гранул-связанная крахмал синтаза GBSS Амилоза Цитозоль Амилопласт Изображение по Pandey et al., Biotechnology Advances 30 (2012) 1697–1706

Молекула ветвящего фермента BEI риса в комплексе с мальтопентаозой Изображение с ресурса

Молекула деветвящего фермента ячменя Изображение с ресурса

Наращивание цепи из молекул глюкозы Изображение с ресурса

Ветвление цепей Изображение с ресурса

Изображение с ресурса Молекула гранул-связанной синтазы I риса в комплексе с АДФ

Наращивание цепи из молекул глюкозы Изображение с ресурса

Амилопласты у разных культур Изображения A, B и С из статьи Galliard, T. Critical reports on applied chemistry, 1987, Vol. 13, p. 59; D – из статьи Fannon et al., Cereal Chemistry, 1992, 69, А – картофель, B- пшеница, С – кукуруза (увеличение ×600), D – пористая поверхность гранулы вакси-кукурузы

Архитектура гранулы крахмала Амилопектиновый кластер (0,1-1,0 nm) Ламелла (10 nm) Кристаллическая Аморфная Блок ( nm) Нормальные блоки Дефектные блоки Плотные слои Рыхлые слои Гранула крахмала (1000 nm) Изображение по

Содержание крахмала у различных культур КультураЛокализацияСодержание крахмала, % Рисэндосперм семени75 Кукурузаэндосперм семени65 Пшеницаэндосперм семени60 Гречихаэндосперм семени62 Горохэндосперм семени44 Фасольэндосперм семени46 Картофельмякоть клубня20 Ямсмякоть клубня55 Бананымякоть ягоды64

Семена крахмалсодержащих культур Зерновые Зернобобовые Крупяные пшеница рис кукуруза рожь горох фасоль чечевица гречиха просо

Клубни крахмалсодержащих культур картофель ямс тапиока

Ягоды крахмалсодержащих культур банан

Вакси-мутант кукурузы Вакси-мутант (слева) и дикий тип (справа) кукурузы Изображение с ресурса

Этапы клейстеризации крахмала ПараметрыI этап клейстеризацииII этап клейстеризации Форма крахмальных зёрен Форма сохраняетсяКрахмальные зерна превращаются в пузырьки с оболочкой из амилопектина; внутри находится раствор амилозы. Зерна поглощают значительное количество воды % УсловияНагревание крахмала с малым количеством воды (до 100% от его веса) до 100˚/ нагревание с большим количеством воды до температуры клейстеризации Нагревание с большим количеством воды до температуры выше температуры клейстеризации ИспользованиеСтадия достигается при выпечке мучных изделий Обусловливает разные выходы рассыпчатых каш, приготовленных из различных круп

Температура клейстеризации крахмала разных культур культура% амилозы% амило- пектина Т клейстеризации, °С Видео процесса 5 * Кукуруза Вакси-кукуруза1 – Высокоамилозная кукуруза Пшеница Вакси-пшеница Картофель Вакси-картофель Рис Вакси-рис Ямс Тапиока *Будет осуществлён переход по гиперссылке на ресурс YouTube, требуется доступ в Интернет

Клейстеризация и рекристаллизация крахмала A B клейстеризация, BC – рекристаллизация крахмала. Молекулы амилозы изображены линиями и спиралями, молекулы амилопектина – в виде разветвлённых структур Изображение с ресурса

Крахмал в бумажной промышленности Увеличивает набухание волокон целлюлозы, их гибкость и эластичность, способствует образованию дополнительных межволоконных связей в готовой бумаге Повышает прочность бумаги, придаёт упругость и устойчивость к истиранию и излому; способствует удержанию наполнителя. Улучшает внешний вид и типографские свойства бумаги, увеличивает прочности, придаёт гидрофобность Используется как адгезив при меловании и нанесении покрытий Применяется как для проклейки плоских слоёв картона, так и для склеивания листов гофрокартона По материалам ресурса Изображение с ресурса

Крахмал в текстильной промышленности Шлихтование –пропускание нитей основы через клеящий состав (шлихту, в качестве которой используется крахмал), создающий после высушивания на нити гладкую, эластичную плёнку, которая предохраняет нить от разрыва при ткачестве Аппретирование – операция по отделке материалов (тканей, трикотажа), в результате которой материал приобретает ряд уникальных свойств: негорючесть (огнезащитные пропитки), гидрофобность (плащевые ткани), противогнилостность (обработка солями меди и хрома), наполненность ткани, безусадочность. В качестве апрета могут используют крахмал По материалам ресурса Изображение с ресурса Tip-Use-Piece-White-Tissue-Paper-Diffuse-Your-Camera-Flash http:// Tip-Use-Piece-White-Tissue-Paper-Diffuse-Your-Camera-Flash

Крахмал в пищевой промышленности Непосредственно как клейстеризованный крахмал, кисель и т.п. В качестве загустителя, благодаря вязким свойствам (в супах, детском питании, соусах, подливах и т.д.) Как наполнитель, входящий в состав твёрдого содержимого супов, пирогов Как связующее для закрепления массы и предотвращения высыхания в процессе приготовления (колбасы и мясные продукты). Как стабилизаторы, благодаря высокой способности крахмала удерживать влагу По материалам ресурса Изображение с ресурса

Крахмал в производстве клея Крахмал является распространённой основой для производства клея, который чаще всего применяется для склеивания бумаги к таким материалам, как стекло, минеральная вата и глина. Крахмал, кроме того, может служить прекрасным связующим для небумажных материалов, таких как уголь и угольные брикеты, минеральная вата в потолочных керамических элементах перед обжигом. По материалам ресурса Изображение с ресурса

Крахмал в производстве красок При производстве красок в качестве загустителя используется вещества растительного происхождения, как, например, крахмал На окраску бумаги влияет введение в качестве проклеивающего вещества окисленного крахмала. В тоже время окисленный крахмал оказывает вредное действие на удержание титановых пигментов По материалам ресурса Изображение с ресурса

Ссылки 1.Kibar et al., GIDA (2010) 35 (4): Varavinit et al., Starch (2003) 55 (9): 410– Jiranuntakul et al., Journal of Food Engineering (2011) 104 (2): 246–258 4.Freitas et al., Carbohydrate Polymers (2004) 55(1): realLab