Biała biotechnologia jako szansa dalszego rozwoju cukrowni *

Transkrypt

1 Seminarium cukrownicze Biała biotechnologia jako szansa dalszego rozwoju cukrowni * White biotechnology as a promising perspective for further development of sugar plants Prof. dr hab. Stanisław Bielecki Dr inż. Halina Kalinowska Instytut Biochemii Technicznej, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności PŁ Rozwój białej biotechnologii, czyli biotechnologii przemysłowej, umożliwiającej pogodzenie rozwoju gospodarczego z ochroną naturalnego środowiska i opartej na odnawialnych surowcach, przetwarzanych w biorafineriach, stwarza nowe szanse dla dotychczas działających zakładów przemysłu spożywczego, w tym cukrowni. Szeroka gama produktów, które można uzyskać z buraka cukrowego na drodze konwersji enzymatycznej obejmuje nutraceutyki, biopolimery, glikodendrymery i nanostruktury. The development of white biotechnology, i.e. industrial biotechnology, enabling both economical development and protection of natural environment, and exploiting only renewable raw materials processed in biorafineries creates a promising perspective for the operating food industry factories inclusive of sugar plants. Nutraceuticals, biopolymers, glycodendrimers and nanostructures rank among potential products of enzymatic conversion of sugar beets. Rozwój nowoczesnej gospodarki w dużym stopniu zależy od wykorzystania osiągnięć naukowych. Jednym z szybko rozwijających się obszarów nauki, techniki i gospodarki jest biotechnologia. Po czerwonej biotechnologii, ukierunkowanej na ochronę zdrowia i agrobiotechnologii zielonej biotechnologii, ukierunkowanej na genetyczne modyfikacje roślin uprawnych, które zdominowały minione piętnastolecie rozwoju biotechnologii, pierwsze dekady obecnego wieku będą należały do biotechnologii przemysłowej, określanej mianem białej biotechnologii. Jej celem jest m.in. zastąpienie konwencjonalnych procesów chemicznych przez bioprocesy. O ile te pierwsze, oparte głównie na przetwórstwie ropy i gazu, są energochłonne i najczęściej generują toksyczne dla środowiska produkty uboczne, to bioprocesy gwarantują czystość produkcji, recykling na ogół biodegradowalnych produktów oraz brak odpadów przy znacznie obniżonych nakładach na energię. Dzięki biotechnologii przemysłowej można uzyskiwać zróżnicowane produkty, takie jak specyficzne chemikalia, chiralne prekursory farmaceutyków, antybiotyki, witaminy, składniki żywności i pasz, środki zapachowe i smakowe, słodziki, kosmetyki, detergenty, bioplastiki oraz biopaliwa [6, 18]. Biotechnologia przemysłowa daje istotne korzyści ekologiczne, gdyż nie powoduje wzrostu efektu cieplarnianego i wykorzystuje * Referat wygłoszony podczas Seminarium nt.: Uwarunkowania restrukturyzacji cukrowni w Polsce, Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności Politechniki Łódzkiej, Łódź 19 września 2006 r. łatwo dostępne, także w Polsce, odnawialne surowce, takie jak zboża, buraki cukrowe, ziemniaki oraz tradycyjne produkty ich przerobu, w tym skrobię, glukozę, melas czy sacharozę. Rozwój biotechnologii przemysłowej i tworzenie biorafinerii może przyczynić się do rozwoju istniejących i często podupadających przedsiębiorstw przemysłu spożywczego. Nowe produkty uzyskiwane z tradycyjnych surowców pozwolą też podnieść opłacalność produkcji Agro -przemysł Nowe środki ochrony roślin Przedsiębiorstwa weterynaryjne Nowe szczepionki i leki dla zwierząt, nutraceutyki w paszy Biogaz, syngaz Sektor ochrony środowiska Biorafinerie Bioremediacja, bioutylizacja Biopaliwa (biodiesel, bioetanol) Biotechnologia przemysłowa Nowe chemikalia Nowe enzymy dla przemysłu spożywczego Nowe biokatalizatory Nutraceutyki Żywność funkcjonalna Przemysł chemiczny Procesy biotransformacji i biokonwersji Nowe szczepionki Antybiotyki Biofarmaceutyki Sektor ochrony zdrowia Substancje słodzące dla diabetyków Producenci żywności Rys. 1. Sektory białej biotechnologii, czyli biotechnologii przemysłowej 328 Gazeta Cukrownicza 11/2006

2 rolnej i zminimalizować ryzyko związane z okresowym obniżonym popytem na niektóre artykuły spożywcze, które zamiast oczekiwać i ulegać stopniowej degradacji w magazynach, zostaną wykorzystane w procesach biorafinacji. Biała biotechnologia Rysunek 1 ukazuje potencjał i obszary zastosowań białej biotechnologii. Jak można zauważyć, obejmuje ona wytwarzanie żywności, pasz, środków ochrony zdrowia (nie tylko dla ludzi, ale także zwierząt) i wielu innych niezbędnych produktów. Opierając się na tym schemacie, można opracować sieć potencjalnych biotechnologicznych zastosowań poszczególnych odnawialnych surowców, szczególnie łatwo dostępnych w Polsce, do których należą m.in. sacharoza oraz melas, wysłodki i liście buraka cukrowego. Pojęcie odnawialne surowce jest w zasadzie równoznaczne z terminem biomasa, stosowanym w odniesieniu do wszystkich substancji wytwarzanych przez żywe organizmy, czyli rośliny, zwierzęta i drobnoustroje. Ich podstawowe źródło stanowi proces fotosyntezy, bez którego nie tylko rośliny, ale także zwierzęta i drobnoustroje nie miałyby skąd czerpać substancji pokarmowych. Jak szacują różni eksperci, roczna produkcja biomasy na kuli ziemskiej sięga 170 x 10 9 ton, a jej głównymi składnikami są cukrowce (75%), ligniny (20%) oraz tłuszcze, białka, terpeny, alkaloidy itp. (5%). Stopień wykorzystania tej ogromnej ilości odnawialnych substancji jest niski, gdyż sięga tylko 3,5% (6 x 10 9 ton), z czego większość (62%) zużywane jest jako żywność i pasza, 33% dostarcza energii, papieru i materiałów budowlanych, a tylko 5% wykorzystywane jest w produkcji tekstyliów, detergentów itp. Ogromna większość (~96,5%) potencjalnych odnawialnych surowców dla różnych gałęzi gospodarki pozostaje w przyrodzie i jest spożywana przez dzikie zwierzęta, spalana lub ulega naturalnej mineralizacji. Procesy biokonwersji (biotransformacji) surowców w użyteczne produkty są katalizowane przez jeden lub więcej specyficznych biokatalizatorów [4]. Grupa ta obejmuje zarówno białka katalityczne, takie jak enzymy i abzymy (katalityczne przeciwciała), jak i katalityczne kwasy nukleinowe, z których większość to katalityczne RNA, czyli rybozymy. Niewątpliwie największe zastosowanie praktyczne mają enzymy, czyli zróżnicowana pod względem struktury i mechanizmu katalizy grupa globularnych białek, wytwarzanych przez wszystkie żywe organizmy i wirusy. Enzymy katalizują prawie wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w organizmach producentów (poza np. reakcją syntezy wiązań peptydowych podczas transkrypcji mrna), a ponadto niektóre z nich wydzielane są na zewnątrz, np. w celu wniknięcia do komórki gospodarza w przypadku ataku wirusa lub zdobycia substancji pokarmowych przez drobnoustroje oraz niektóre rośliny i zwierzęta. Jak dotąd poznano ponad trzy tysiące różnych enzymów, które sklasyfikowano zarówno według rodzaju katalizowanej reakcji (sześć klas: oksydoreduktazy, transferazy, hydrolazy, liazy, izomerazy i ligazy), jak również według struktury i mechanizmu katalizy (rodziny enzymów z poszczególnych klas). Największe praktyczne zastosowanie znalazły dotychczas enzymy biorące udział w konwersji cukrowców, lipidów i białek, ale także pozostałe grupy związków, np. ligniny i inne substancje aromatyczne, są coraz częściej modyfikowane lub degradowane enzymatycznie. Jako biokatalizatory stosowane są zarówno preparaty enzymów o różnym stopniu oczyszczenia, rozpuszczalne lub unieruchomione na stałym nośniku, jak i całe komórki lub ich fragmenty. Wykorzystanie całych komórek znacznie ułatwia regenerację kofaktorów, stabilizuje enzymy wewnątrzkomórkowe, umożliwia przeprowadzenie wieloetapowego procesu katalizowanego przez zespół takich enzymów i obniża koszty biokatalizatora, gdyż niepotrzebne są operacje jego wydzielania z komórek, oczyszczania i ewentualnego unieruchamiania. Obecnie stosowane na skalę przemysłową preparaty enzymatyczne są otrzymywane głównie przy użyciu organizmów modyfikowanych genetycznie (GMO), przede wszystkim drobnoustrojów, których w pełni kontrolowana hodowla jest zwykle tańsza niż hodowle tkankowe komórek roślinnych i zwierzęcych. Zastosowanie GMO umożliwiło syntezę biokatalizatorów o znacznie lepszych właściwościach, takich jak wyższa aktywność i stabilność oraz precyzja działania, w porównaniu z enzymami wytwarzanymi przez rośliny, mezofilne drobnoustroje lub tkanki zwierzęce, które dominowały w początkowej fazie rozwoju biotechnologii, trwającej właściwie od czasów starożytnych do drugiej połowy XX wieku, kiedy to dynamiczny rozwój technik analitycznych i inżynierii genetycznej pozwolił na rozpoczęcie szybkiego doskonalenia białek katalitycznych. Zaczęto też wtedy interesować się drobnoustrojami ekstremofilnymi, wytwarzającymi enzymy wykazujące wysoką aktywność i stabilność w ekstremalnych warunkach ph, temperatury, ciśnienia lub zasolenia. Ekspresja genów kodujących te białka w komórkach bezpiecznych dla człowieka gospodarzy umożliwiła ich wydajną produkcję na większą skalę. Najefektywniej działające enzymy przemysłowe uzyskano jednak na drodze tzw. ukierunkowanej ewolucji białek, polegającej na równoczesnej selekcji tysięcy transformantów z wklonowanym zmodyfikowanym genem określonego enzymu pod kątem wydajnej biosyntezy katalizatora o najbardziej pożądanych przez biotechnologów właściwościach. Metoda ta okazała się szybsza i tańsza niż przypadkowe lub punktowe modyfikacje genomu szczepów przemysłowych. Konstruowane są też GMO ze zmodyfikowanymi szlakami metabolicznymi, co upraszcza katalizę nawet najbardziej skomplikowanych sekwencji przemian danego surowca. Osiągnięcia w dziedzinie otrzymywania efektywnie działających biokatalizatorów umożliwiły przetwarzanie pozornie małowartościowych surowców w cenne produkty, czego doskonałą ilustrację stanowią biorafinerie [6, 18]. Biorafinerie Biorafineria jest ogólnym pojęciem linii procesowej (rys. 2), w której paszowa biomasa roślinna ulega przemianom w szerokie spektrum Gazeta Cukrownicza 11/

3 BIOPALIWA: wodór, etanol itp. BIOMASA CUKROWCE BIOCHEMIKALIA o różnym stopniu LIGNINY przetworzenia i skali produkcji: skrobia, TŁUSZCZE kwas glukonowy, sacharoza, witaminy, BIAŁKA antybiotyki, nutraceutyki itp. Rys. 2. Ogólny schemat biorafinerii cennych produktów. Jest ona wzorowana na tradycyjnej rafinerii petrochemicznej. Pełnowartościowym surowcem dla biorafinerii są także liście buraka cukrowego, które dotychczas były wykorzystywane głównie w postaci kiszonek jako pasza dla zwierząt. Podobnie jak trawa, słoma itp. są one materiałem bogatym w ligninocelulozy, nadającym się (po uprzedniej enzymatycznej konwersji do glukozy, pentoz i innych monomerów) np. do produkcji etanolu, biopaliw [6, 18] oraz kwasów organicznych, w tym mlekowego [9]. Blisko 75% przerabianej w biorafineriach biomasy stanowią cukrowce i dlatego enzymy katalizujące ich konwersję do różnorodnych produktów należą do najważniejszych biokatalizatorów, zaangażowanych w przerób odnawialnych surowców [4]. Spośród enzymów przedstawionych w tabeli 1 niewątpliwie największą rolę odgrywają w praktyce hydrolazy, transferazy i liazy glikozydowe. Tabela 1. Podstawowe grupy enzymów katalizujące konwersję cukrowców Hydrolazy glikozydowe, np. amylazy, inwertaza, dekstranaza Glikosyntazy Transferazy glikozydowe, np. dekstranosacharaza Liazy polisacharydów, np. liazy inuliny, liaza lewanu, liaza pektynowa, liaza pektatowa Esterazy hemiceluloz i pektyny Izomerazy, np. izomeraza ksylozowa (glukozowa) BIOMATERIAŁY: polimleczan, polimaślan i inne polimery Oksydoreduktazy, np. oksydaza glukozowa, piranozo-2-oksydazy, reduktaza aldozowa Inne, np. lipazy, proteinazy Jednakże podczas hydrolizy niektórych polisacharydów, zawierających estrowo związane reszty metanolu lub kwasów organicznych (np. octowego, ferulowego i p-kumarowego) działanie tych enzymów byłoby utrudnione bez współudziału odpowiednich esteraz (np. acetyloesterazy ksylanu, acetyloesterazy mannanu, esterazy ferulowej, esterazy p-kumarowej) [5]. W konwersji cukrowców stosowane są też izomerazy (np. izomeraza ksylozowa popularnie zwana izomerazą glukozową) oraz specyficzne oksydoreduktazy [4], a także stosunkowo od niedawna lipazy i proteinazy [11, 14]. Lipazy umożliwiają syntezę nie tylko estrów cukrów i kwasów tłuszczowych, ale także innych pochodnych cukrowców. Hydrolazy te katalizują także reakcję transestryfikacji acylogliceroli, dzięki czemu stosuje się je do produkcji estrów metylowych i etylowych kwasów tłuszczowych, czyli tzw. biodiesla. Bardzo istotne podczas tego ostatniego procesu jest to, że nie trzeba w nim stosować całkowicie bezwodnego etanolu. Może to być rektyfikat uzyskany w gorzelni rolniczej lub biorafinerii. Proteinazy, które katalizują nie tylko hydrolizę białek i peptydów, ale wykazują również aktywność esteraz, zaczęły być stosowane np. do syntezy pochodnych winylowych cukrów [14]. Inną grupą ważnych pochodnych cukrowców są estry cukrów i aminokwasów, które stosowane są m.in. do badań dotyczących roli biologicznej niektórych naturalnych substancji tego typu [7]. Coraz ważniejszą rolę w glikobiotechnologii odgrywają tzw. glikosyntazy, czyli enzymy otrzymywane na drodze mutacji punktowych w cząsteczkach hydrolaz glikozydowych, które podczas aktu katalizy nie zmieniają pozycji grupy hydroksylowej na anomerycznym atomie węgla (tzw. retaining glycosidases) [4]. Mutacje te polegają na zamianie nukleofilowej reszty aminokwasowej w centrum katalitycznym (Asp lub Glu) na małą niepolarną grupę, taką jak grupy boczne Gly lub Ala, lub grupę boczną Ser. Zmutowany enzym nie jest w stanie katalizować hydrolizy wiązania glikozydowego, natomiast w obecności dodatkowego nukleofila (np. anionów mrówczanowych lub azydkowych) może przenosić fragmenty glikozylowe wysoce aktywnych donorów (np. fluorków glikozyli, α-1f-cukier) o łatwo odłączajacych się aglikonach. Stosując glikosyntazy można otrzymywać nawet najbardziej skomplikowane cukrowce i ich pochodne o ściśle określonej konfiguracji wiązań glikozydowych. Sacharoza jako surowiec dla białej biotechnologii Cukrownictwo należy do najważniejszych i posiadających długą i piękną tradycję gałęzi polskiego przemysłu spożywczego. Sacharoza stanowi istotny składnik wielu produktów spożywczych i choć ze względu na wysoką kaloryczność oraz szkodliwość dla osób chorych na cukrzycę jest często zastępowana innymi substancjami słodzącymi, to jej znaczenie w przemyśle spożywczym jest nadal niepodważalne. Cukier ten jest także doskonałym surowcem do produkcji etanolu. Ponieważ wysoka konsumpcja alkoholu etylowego nie jest zjawiskiem korzystnym ani ze zdrowotnego ani ze społecznego punktu widzenia, więc wykorzystanie etanolu albo jako bardzo czystego paliwa, albo jako surowca do produkcji estrów etylowych kwasów tłuszczowych, czyli jednego z typów biodiesla, stanowi bardzo korzystną alternatywę. Sacharoza jest wspaniałym surowcem, z którego na drodze enzymatycznej konwersji można wyprodukować nie tylko etanol, ale także zaliczane do tzw. nutraceutyków prebiotyczne niskokaloryczne środki słodzące (w tym najbardziej pożądane fruktooligosacharydy, FOS), polisacharydy (takie jak np. dekstran) oraz liczne pochodne tych ostatnich związków [4, 13]. Inwert, czyli mieszanina glukozy i fruktozy uwalnianych w wyniku hydrolizy sacharozy, będący jednym z tradycyjnych produktów jej konwersji, również jest atrakcyjnym surowcem dla biotechnologii. Można go produkować albo na drodze tradycyjnej hydrolizy kwasowej, albo enzymatycznej, katalizowanej przez enzym inwertazę. Ze względu na stosunkowo wysoką (50%) zawartość fruktozy, inwert może być też traktowany jako doskonałe źródło tego poszukiwanego monosacharydu. Produkty, które można otrzymać na drodze enzymatycznej 330 Gazeta Cukrownicza 11/2006

4 Tabela 2. Wybrane produkty konwersji sacharozy Inwert Fruktooligosacharydy Polisacharydy bakteryjne: dekstran, alternan, mutan, lewan Pochodne polisacharydów bakteryjnych, w tym izomaltooligosacharydy i inne produkty modyfikacji dekstranu oraz produkty częściowej hydrolizy pozostałych polisacharydów Inne produkty reakcji transglikozylacji, katalizowanych przez specyficzne wobec sacharozy hydrolazy i transferazy glikozydowe Estry sacharozy i kwasów tłuszczowych, kwasów aromatycznych lub innych związków Etanol, kwas mlekowy, kwas glukonowy itp. typu α-1,6-), dzięki czemu tak prosty substrat jak sacharoza ulega przekształceniu w polimer glukozy o wysokiej masie cząsteczkowej. W przemysłowej syntezie dekstranu i pokrewnych cukrowców najczęściej stosowane są dekstranosacharazy wytwarzane przez szczepy bakterii Leuconostoc mesenteroides i Streptococcus mutants, które zostały dokładnie scharakteryzowane zarówno pod względem mechanizmu działania jak i parametrów katalitycznych. Dzięki temu stało się możliwe precyzyjne sterowanie procesem technologicznym, prowadzącym do produktów o kontrolowanym składzie. Okazało się, że w procesie tym ważne jest zachowanie właściwych proporcji stężeń donora i akceptora, a także istotna jest struktura tego ostatniego. W tabeli 3 przedstawiono najważniejsze produkty uzyskiwane z sacharozy przy wykorzystaniu dekstranosacharazy. Tabela 3. Produkty transformacji sacharozy przez dekstranosacharazę Donor Akceptor Produkt Sacharoza Maltoza Glukoza Fruktoza Rafinoza D-Sorbitol Dekstran (m. cz. 6 x 10 6 Da) Oligosacharydy DP< 10 Potencjalne prebiotyki Wysokocząsteczkowe polimery dekstranu (m. cz. do 6 x 10 6 Da) wytwarzane są z użyciem maltozy jako tzw. aktywnego akceptora. Z kolei zastosowanie innych akceptorów, jak np. glukozy, fruktozy, rafinozy, D-sorbitolu lub D-glicerolu umożliwia syntezę oligosacharydów (DP<10) o potencjalnych właściwościach prebiotycznych. Należy podkreślić, że stosując enzym dekstranazę można dokonać Tabela 4. Inne produkty enzymatycznej konwersji sacharozy Rys. 3. Struktura polimerów otrzymywanych z sacharozy pod działaniem odpowiednich sacharaz, takich jak dekstranosacharaza, mutanosacharaza, amylosacharaza (struktura bakteryjnego reuteranu odpowiada strukturze amylozy) i alternanosacharaza [8] Enzym Inulinosacharaza Lewanosacharaza Amylosacharaza Alternanosacharaza Inwertaza lub β-(2,1)-fruktan: β-(2,1)-fruktan fruktozylotransferaza (FFT) Dekstranosacharaza i endodekstranaza Liaza lewanu (EC ) Produkt Inulina (2,1-β-fruktan) Lewan (2,6-β-fruktan) Amyloza (1,4-α-glukan) Alternan (1,3-α-, 1,6-α-glukan, naprzemienny układ obu typów wiązań) Fruktooligosacharydy (typu kestozy) Izomaltooligosacharydy o przewadze wiązań α-1,6-glikozydowych pomiędzy resztami glukopiranozy DFA IV* konwersji sacharozy oraz wybrane produkty biokonwersji tych ostatnich przedstawiono w tabeli 2. Powstający podczas przechowywania buraków dekstran (rys. 3) jest dla cukrowników kłopotliwym, lepkim polimerem, obniżającym wydajność sacharozy i utrudniającym proces technologiczny. Polisacharyd ten stanowi jednak cenny zamiennik osocza krwi i surowiec do produkcji wielu innych pożądanych substancji. Proces jego syntezy z sacharozy katalizuje enzym dekstranosacharaza (EC ), należący do transferaz glikozydowych [8]. Jest to jeden z enzymów zdolnych do syntezy wiązań glikozydowych (głównie Liaza inuliny (EC ) DFA I* Liaza inuliny (EC ) Izomeraza sacharozowa Lipazy Proteinazy DFA III* Izomaltuloza, trehaluloza, izomaltoza, izomelezytoza Estry sacharozy i kwasów tłuszczowych lub innych związków Estry sacharozy i innych związków, np. pochodne winylowe *DFA oznacza cykliczny bezwodnik difruktanu (dianhydryd), DFA I α-d- -fruktofuranozo-β-d-fruktofuranozo-1,2 : 2,1 -dianhydryd, DFA III α-d- -fruktofuranozo-β-d-fruktofuranozo-2, 1: 2,3 -dianhydryd, DFA IV α-d- -fruktofuranozo-β-d-fruktofuranozo-2, 6: 2,6 -dianhydryd. Gazeta Cukrownicza 11/

5 kontrolowanej, częściowej hydrolizy dekstranu do izomaltooligosacharydów, charakteryzujących się właściwościami prebiotycznymi, zbliżonymi do tych, które wykazują fruktooligosacharydy. Dekstran nie jest jedynym polisacharydem, otrzymywanym na drodze enzymatycznej konwersji sacharozy (tabela 4). Inne transferazy o mechanizmie działania zbliżonym do dekstranosacharazy, takie jak amylosacharaza i alternanosacharaza przekształcają sacharozę w glukany, takie jak reuteran (o strukturze podobnej do amylozy) lub alternan (rys. 3), natomiast pod działaniem inulinosacharazy i lewanosacharazy powstają fruktany, takie jak inulina lub lewan. Każdy z tych polimerów można poddać kontrolowanej, częściowej hydrolizie enzymatycznej, uzyskując odpowiednie prebiotyczne oligosacharydy lub bezwodniki cukrowe. Do prebiotycznych przedstawicieli tej ostatniej grupy związków należą m.in. cykliczne bezwodniki difruktanów, otrzymywane przy użyciu liaz lewanu i inuliny [4]. Zaliczane do najbardziej aktywnych prebiotyków fruktooligosacharydy uzyskuje się też z sacharozy przy użyciu inwertazy, czyli enzymu ogólnie stosowanego do hydrolizy tego dwucukru. Z kolei izomeryzacja sacharozy, katalizowana przez specyficzną izomerazę pozwala uzyskać mieszaninę dwucukrów, stosowaną jako środek słodzący o obniżonej kaloryczności. Sacharazy na ogół katalizują konwersję sacharozy do mieszaniny produktów, co wynika z ich dość szerokiej specyficzności pod względem kierunku reakcji. Przykładem tego jest przedstawiony na rys. 4, proces katalizowany przez lewanosacharazę, która oprócz lewanu generuje także FOS oraz glukozę i fruktozę [8]. Rys. 5. Przykład chemicznej modyfikacji (na drodze utleniania nadjodanem) dekstranu do pochodnych polialdehydowych [13] Rys. 6. Struktura estrów sacharozy i kwasów tłuszczowych [1] Zarówno sama sacharoza, jak i otrzymywane z niej polisacharydy są także poddawane szeregowi modyfikacji chemicznych do różnorodnych pochodnych, zawierających nowe reaktywne grupy funkcyjne, takie jak np. grupy aldehydowe, wprowadzone do cząsteczek dekstranu na drodze utleniania nadjodanem (rys. 5) [13]. I Hydroliza II Reakcja akceptorowa III Polimeryzacja Rys. 4. Produkty transformacji sacharozy przez lewanosacharazę [8] 332 Gazeta Cukrownicza 11/2006

6 Inną grupą pochodnych cukrowców o istotnym znaczeniu dla biotechnologii są glikodendrymery [16]. Jedną z możliwych struktur tych silnie rozgałęzionych związków przedstawia rysunek 9. Glikodendrymery stosowane są m.in. do badań interakcji pomiędzy cukrowcami a białkami znajdującymi się na powierzchni różnorodnych komórek, co umożliwia projektowanie leków przeciwko pewnym schorzeniom oraz lepsze poznanie procesów umożliwiających komunikowanie się komórek i oddziaływań typu wirus-komórka gospodarza. Zarówno sama sacharoza, jak i cukrowce uzyskane na drodze jej enzymatycznej konwersji są potencjalnymi substratami do syntezy dendrymerów. Ponieważ sacharoza i wchodzące w jej skład glukoza i fruktoza stanowią łatwo przyswajalne źródło węgla dla ogromnej większości drobnoustrojów, więc lista produktów otrzymywanych przy udziale tych ostatnich z trzech wspomnianych cukrów nie ma praktycznie końca. Jednym z takich produktów jest np. celuloza bakteryjna [2]. Rys. 7. Struktura estrów sacharozy i kwasów aromatycznych [1] Zupełnie innym typem produktów enzymatycznej konwersji sacharozy są amfipatyczne (tzn. jednocześnie hydrofilowe i lipofilowe) estry sacharozy i kwasów tłuszczowych (rys. 6), coraz szerzej stosowane jako naturalne, biodegradowalne ( zielone ) detergenty [1, 11]. Zbliżoną strukturę mają estry sacharozy i innych kwasów organicznych (rys. 7) [1]. Jak Rys. 8. Nanomatryca otrzymana już wspomniano, enzymami katalizującymi reakcję estryfikacji cukrowców, w tym sacharo- z sacharozy [10] zy, są lipazy i proteinazy [11, 14]. Struktura krystaliczna sacharozy pozwala też otrzymywać z niej na drodze odpowiedniej obróbki termicznej unikatowe struktury na potrzeby nanobiotechnologii [10]. Rysunek 8 przedstawia budowę i wymiary nanomatrycy zbudowanej z regularnie ułożonych atomów węgla, pozostałych po prażeniu ultracienkiej warstwy wodnego roztworu sacharozy. Melas jako surowiec dla biotechnologii Melas, czyli ciekła pozostałość po krystalizacji sacharozy jest uważany za jedno z najtańszych źródeł węgla dla biotechnologii i z tego względu wykorzystywany jest na szeroką skalę do produkcji etanolu [19], celulozy bakteryjnej [2], β-karotenu [3], mannitolu [12], kwasu mlekowego, polihydroksymaślanu (PHA, tzw. bioplastik), pullulanu, gumy ksantanowej i wielu innych substancji [2]. Podobnie jak ma to miejsce w przypadku sacharozy, glukozy i fruktozy, ilość różnorodnych produktów otrzymywanych na drodze hodowli drobnoustrojów w podłożach zawierających melas jest trudna do określenia. Wysłodki buraka cukrowego jako surowiec dla biotechnologii Wysłodki buraka cukrowego, które dotychczas zagospodarowuje się w Polsce jako paszę, stanowią bogate źródło pektyny. Jej zastosowanie w przemyśle spożywczym ograniczają słabe właściwości żelujące, spowodowane nieco odmienną budową w porównaniu z pektyną jabłkową, czy pektyną owoców cytrusowych. Z biotechnologicznego punktu widzenia pektyna ta ma ogromną zaletę, polegającą na wysokiej zawartości (8 mg/g s. m.) kwasu ferulowego (4-hydroksy-3-metoksy-cynamonowego), stosowanego m.in. jako filtr UV w kosmetykach [5]. Kwas ten jest związany za pomocą wiązań estrowych z O-2 reszt arabinozy lub O-6 reszt galaktozy, Rys. 9. Przykładowa struktura glikodendrymeru [16] Rys. 10. Biotransformacja kwasu ferulowego w pochodne o charakterze lignanów katalizowana przez lakkazę Trametes versicolor [15] Gazeta Cukrownicza 11/

7 wchodzących w skład substancji pektynowych. Rozkład tych wiązań katalizuje wspomniana już esteraza ferulowa, wytwarzana przez szereg grzybów strzępkowych, w tym szczepy Aspergillus. Następnie kwas ferulowy ulega konwersji do kwasu wanilinowego (4-hydroksy-3-metoksy-benzoesowego), a ten ulega redukcji do aldehydu, czyli waniliny. Te dwa etapy konwersji prowadzone są z udziałem grzybów strzępkowych Pycnoporus cinnabarinus, Paecilomyces variotii, Pestalotia palmanum i Fusarium solani. Innym produktem biokonwersji kwasu ferulowego, otrzymywanym na drodze jego polimeryzacji pod działaniem lakkazy (enzym oksydoredukcyjny) są pochodne o charakterze lignanów (rys. 10) [15], uważane za funkcjonalne składniki żywności, przeciwdziałające m.in. chorobom serca i układu pokarmowego [17]. Zarówno z pektyn jak i hemiceluloz zawartych w wysłodkach buraka cukrowego można na drodze hydrolizy enzymatycznej otrzymać również takie poszukiwane cukry, jak ramnoza, L-arabinoza i kwas galakturonowy [5]. Ramnoza jest prekursorem związku zapachowego zwanego furaneolem, który wzmacnia aromat karmelu i owoców w wypiekach. L-arabinoza okazała się skutecznym środkiem w leczeniu choroby Parkinsona i dobrym źródłem węgla w diagnostycznych podłożach, stosowanych w mikrobiologii, zaś estry kwasu galakturonowego i niektórych kwasów tłuszczowych są środkiem przeciw nadciśnieniu. Podsumowanie Ciągły postęp w dziedzinie biotechnologii, związany z rosnącą wiedzą na temat struktury biomolekuł i mechanizmów działania enzymów, a także możliwością konstrukcji udoskonalonych biokatalizatorów dla określonych potrzeb sprawia, że urealnione zostaje dążenie do rozwoju ekonomicznego opartego na surowcach odnawialnych. Jednym z takich surowców jest burak cukrowy. Niewątpliwie sacharoza jest najważniejszym produktem jego przerobu, ale nie należy też lekceważyć potencjału melasu, wysłodków i liści, pozostających po jej produkcji. Zarówno sacharoza, jak i te trzy produkty uboczne są doskonałymi surowcami dla biorafinerii, dzięki czemu lista produktów otrzymywanych z buraka cukrowego ciągle się wydłuża. Spis literatury [1] ARTAMONOV A. F., ALDABERGENOVA M. T., NIGMATULINAF. S., DZHIEBAEV B. Z.: Synthesis of saccharose esters. Chem. Nat. Comp., 2000, 36, [2] BAE S. O., SHODA M.: Production of bacterial cellulose by Acetobacter xylinum BPR2001 using molasses medium in a jar fermentor. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2005, 67, [3] BHOSALE P., GADRE R. V.: β-carotene production in sugarcane molasses by a Rhodotorula glutinis mutant. J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 2001, 26, [4] BIELECKI S.: Enzymatic conversions of carbohydrates. W: Chemical and Functional Properties of Food Saccharides. Wyd. P. Tomasik, CRC Press, Boca Raton, 2004, str [5] BONNIN E., BRUNEL M., GOUY Y., LESAGE-MEESEN L., ASTHER M., THILBAULT J.-F.: Aspergillus niger I-1472 and Pycnoporus cinnabarinus MUCL39533, selected for the transformation of ferulic acid to vanillin, are also able to produce cell wall polysaccharide-degrading enzymes and feruloyl esterases. Enz. Microbiol. Technol., 2001, 28, [6] HALASZ L., POVODEN G., NARODOSLAVSKY M.: Sustainable processes synthesis for renewable resources. Resources, Conservation and Recycling, 2005, 44, [7] JERIC I., SIMICIC L., STIPETIC M., HORVAT S.: Synthesis and reactivity of the monosaccharide esters of amino acids as models of teichoic acid fragment. Glycoconjugate J., 2000, 17, [8] KORAKLI M., VOGEL R. F.: Structure/function relationship of homopolysaccharide producing glycansucrases and therapeutic potential of their synthesized glycans. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2006, 71, [9] MAAS R. H. W., BAKKER R. R., EGGINK G., WEUSTHUIS R. A.: Lactic acid production from xylose by the fungus Rhizopus oryzae. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2006, 72, [10] MATOS J., LAINE J.: A carbon macro-network from the controlled pyrolysis of saccharides. J. Mat. Sci. Lett., 1998, 17, [11] NUNEZ A., FOGLIA T. A., ASHBY R.: Enzymatic synthesis of a galactopyranose sophorolipid fatty acid-ester. Biotechnol. Lett., 2003, 25, [12] SAHA B. C.: A low-cost medium for mannitol production by Lactobacillus intermedius NRRL B Appl. Microbiol. Biotechnol., 2006, 72, [13] SIBIKINA O. V., IOZEP A. A., PASSET B. V.: Acylation of aromatic amines with carboxymethyl-dextrane in the presence of small amounts of water. Russ. J. Appl. Chem., 2004, 77, [14] TOKIWA Y., KITAGAWA M., FAN H., RAKU H., HIRAGURI Y., SHIBA- TANI S., KURANE R.: Synthesis of vinyl arabinose ester catalyzed by protease from Streptomyces sp. Biotechnol. Lett., 1999, 13, [15] TRANHIMAND S., TRON T., GAUDIN C., IACAZIO G.: Synthesis of bis-lactone lignans through laccase catalysis. J. Mol. Cat. B: Enzymatic, 2006, 42, [16] TURNBULL W. B., STODDART J. F.: Design and synthesis of glycodendrimers. Rev. Mol. Biotechnol., 2002, 90, [17] WESTCOTT N. D., MUIR A. D.: Flax seed lignan in disease prevention and health promotion. Phytochem. Rev., 2003, 2, [18] WILLKE T., VORLOP K.-D.: Industrial bioconversions of renevable resources as an alternative to conventional chemistry. Appl. Microbiol. Biotechnol., 2004, 66, [19] ZAYED G. Production of alcohol from sugar beet molasses without heat or filter sterilization. J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 1997, 19, Gazeta Cukrownicza 11/2006