background image

 

Ćwiczenie 3 

Przedmiot: Biotechnologia żywności (2012), 

Studia stacjonarne I stopnia 

 

Temat:  Oznaczanie  aktywności  pektynoesterazy  oraz  amylolitycznej  w  preparatach                   

o przemysłowym zastosowaniu. 

 

Pektynazy  są  enzymami  powszechnie  występującymi  w  tkankach  roślin  wyższych. 

Mogą być  również syntezowanie przez grzyby należące do rodzaju  AspergillusPenicilium

Botritis  i  Fusarium,  a  także  przez  bakterie  z  rodzaju  Bacillus,  Clostridium  i  Erwinia  oraz 

drożdże  z  rodzaju  Saccharomyces.  O  efektywności  ich  akcji  katalitycznej  wobec 

niejednorodnego substratu, jakim są substancje pektynowe decyduje współpraca co najmniej 

czterech  pektynaz  należących  do  dwóch  różnych  klas:  pektynoesterazy  (pektohydrolaza 

pektyn,  E.C.  3.1.1.11)  i  poligalakturonazy  (poli  1,4-

-D-galakturonian  glukanohydrolaza) 

będących hydrolazami oraz liazy pektynianowej (transeliminaza pektynianowa, E.C. 4.2.2.10) 

i liazy kwasu pektynowego (transeliminaza kwasu pektynowego, E.C. 4.2.2.2.) należących do 

klasy  liaz.  Według  niektórych  autorów  do  enzymów  pektynolitycznych  należy  zaliczyć 

również arabanazy, głównie 

-L-arabinofuranozydazę (E.C. 3.2.1.55). Ich udział jest bowiem 

konieczny do hydrolizy krótkich łańcuchów bocznych pektyny składających się  z arabanów, 

arabanogalaktanów, ramnogalaktanów i mannanów. Mechanizm działania pektynaz polega na 

degradacji  łańcucha  pektynowego  do  fragmentów  o  mniejszych  rozmiarach,  kwasu 

galakturonowego  i  alkoholu  metylowego.  Długie,  liniowe  łańcuchy  pektyny  zbudowane  

z jednostek kwasu  D-galakturonowego o różnym stopniu  metylacji połączonych wiązaniami 

-1,4-glikozydowymi  są  atakowane  przez  enzymy  depolimeryzujące:  liazę  pektynianową  

liazę kwasu pektynowego. Pierwsza rozszczepia wiązanie glikozydowe tylko w sąsiedztwie 

estryfikowanych  metanolem  grup  karboksylowych,  druga  wykazuje  specyficzność  

w  stosunku  do  wiązań  glikozydowych  w  pobliżu  wolnych  grup  karboksylowych.  W  obu 

przypadkach  katalizowany  proces  nosi  nazwę 

-eliminacji  i  polega  na  transeliminowaniu 

jednego  protonu  połączonego  z  węglem  piątym  na  tlen  wiązania  glikozydowego  

z utworzeniem podwójnego wiązania między atomami węgli 4 i 5 kwasu galakturonowego na 

nowo powstałym nieredukującym końcu łańcucha. Jednocześnie pektynoesteraza katalizując 

hydrolizę wiązań estrowych występujących między grupami metylowymi i karboksylowymi 

reszt  kwasu  galakturonowego  pektyny  powoduje  jej  demetylację  umożliwiając  tym  samym 

działanie  enzymom  endopoligalakturonazie  (E.C.  3.2.1.15)  i  egzopoligalakturonazie 

(E.C.3.2.1.67).  Enzymy  te,  ze  względu  na  rozmiary  swoich  cząsteczek  są  hamowane  przez 

background image

 

grupy metylowe i mogą działać dopiero od momentu zredukowania stopnia metylacji pektyny 

poniżej 60%. Endopoligalakturonazy w sposób przypadkowy hydrolizują łańcuch pektyny od 

wewnątrz,  zaś  egzopoligalakturonazy  rozrywają  wiązania  od  końca  łańcucha.  Produktem 

końcowym  działania  poligalakturonaz  są  cząsteczki  kwasu 

-D-galakturonowego. 

Specyficzność  akcji  katalitycznej  poszczególnych  enzymów  pektynolitycznych  wobec 

łańcucha pektyny przedstawiono na rysunku. 

 

 

 

O

O

O

O

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

O

COOH

COOH

COOH

O

pektynoesteraza

poligalakturonaza i
liaza poli- -1,4-galakturonianu

liaza poli- 1,4-metylogalakturonianu

-

O

C

CH

3

O

O

C

CH

3

O

O

O

O

O

O

 

 

 

Preparaty  pektynolityczne  znalazły  zastosowanie  w  przemyśle  winiarskim  

i  owocowo-warzywnym.  Wykorzystuje  się  je  do  maceracji  miazgi  owocowo-warzywnej,  do 

obniżania  lepkości  soków  i  ich  klarowania.  Stosowane  są  również  w  procesie  fermentacji 

tytoniu  i  herbaty  oraz  podczas  oczyszczania  ziaren  kawy  i  kakao.  W  przemyśle 

kosmetycznym  służą  do  ekstrakcji  olejków  eterycznych,  zaś  w  farmaceutycznym  do 

otrzymywania witaminy C. 

W  Polsce  produkcja  preparatów  pektynolitycznych  została  uruchomiona  na  skalę 

przemysłową  w  1963  roku  w  ZPOW–Jasło.  Obecnie  dostępne  są  4  rodzaje  preparatów 

pektynolitycznych  produkowanych  tym  zakładzie:  Pektopol  PT  400  (preparat  płynny 

termostabilny  o  ogólnej  aktywności  pektynolitycznej  co  najmniej  400 000 

o

PM,  uboczne 

aktywności  proteazowa  i  fitazowa),  Pektopol  PS  150  (preparat  płynny),  Pektopol  PM  200 

(preparat  płynny)  oraz  Pektopol  PA  (preparat  płynny  o  podwyższonej  aktywności 

amylolitycznej  do  klarowania  soków  jabłkowych  preparatów  podwyższonej  zawartości 

skrobi). Większość preparatów pektynolitycznych, oprócz deklarowanych przez producentów 

aktywności  odpowiedzialnych  za  depolimeryzację  substancji  pektynowych,  zawiera 

domieszki  innych  enzymów, najczęściej  celulaz, amylaz, arabanaz i  proteaz. Podnosi to  ich 

skuteczność w procesie obróbki tkanki roślinnej i stwarza szansę szerszego zastosowania. 

Preparaty  pektynowe  otrzymuje  się  głównie  z  odpadów  surowców  roślinnych 

bogatych  w  protopektyny,  jak  np.  wytłoki  jabłkowe,  albedo  owoców  cytrusowych,  wytłoki 

background image

 

buraczane, łuski słonecznika itp. Przez ogrzewanie i ekstrakcję tych surowców w środowisku 

kwaśnym  powoduje  się  przechodzenie  rozpuszczalnych  pektyn  z  protopektyn  do  roztworu. 

Podczas ekstrakcji dąży się do osiągnięcia jak najmniejszej depolimeryzacji łańcucha kwasu 

pektynowego,  gdyż  im  większa  jest  masa  cząsteczkowa  otrzymanych  pektyn,  tym  lepszą 

wykazują  one  zdolność  żelowania.  Inna  cenna  właściwość  pektyn,  a  mianowicie  szybkość 

żelowania, jest uzależniona od stopnia estryfikacji grup karboksylowych metanolem, czyli od 

procentowej  zawartości  grup  metoksylowych.  Ze  względu  na  zawartość  tych  grup,  pektyny 

podzielono na wysokometylowane o stopniu  estryfikacji wyższym  od 50% wszystkich grup 

karboksylowych i na niskometylowane o estryfikacji poniżej 50%.  

Proces  żelowania  pektyn  wysokometylowanych  przebiega  winny  sposób 

niskometylowanych.  Uważa  się,  że  mechanizm  przemian  zoli  w  żele  u  pektyn 

wysokometylowanych jest oparty w głównej mierze na pobocznych wiązaniach wodorowych. 

Pektyny  te  są  zdolne  do  tworzenia  żeli  w  środowisku  bogatym  w  cukry  i  kwaśnym. 

Optymalne  galaretowacenie  przy  użyciu  tych  pektyn  następuje  przy  zawartości  cukru  ok. 

65%, pH ok. 3 i stężeniu pektyn 0,3-1,0 %.  

Szybkość  żelowania  pektyn  wysokometylowanych  jest  na  ogół  tym  większa,  im 

wyższa  jest  w  nich  zawartość  grup  metoksylowych,  np.  pektyny  o  stopniu  zestryfikowania 

powyżej 72% odznaczają się krótkim czasem żelowania (poniżej 3 minut) , a zestryfikowane 

w 60-65% żelują wolno (powyżej 20 minut). Stwierdzono jednak, że ze stopniem estryfikacji 

wyższym  od  80-82%  nie  zawsze  wiąże  się  skrócenie  czasu  żelowania.  Również  obniżenie 

estryfikacji  poniżej  65%  niekoniecznie  wpływa  na  przedłużenie  czasu  żelowania.  Jest  to 

związane z obecnością soli buforowych w układzie żelującym.  

Pektyny  niskometylowane  są  zdolne  do  tworzenia  żeli  niskocukrowych  lub 

bezcukrowych  w  obecności  jonów  wapnia.  Mechanizm  tworzenia  żelu  przez  te  pektyny  ma 

polegać  na  wytworzeniu  siatki  przestrzennej  z  ujemnie  naładowanych  reszt 

poligalakturonidów,  połączonych  jonami  metali  wielowartościowych.  Ostatnio  stwierdzono, 

ze  im  większa  jest  liczba  wolnych  grup  karboksylowych  w  pektynach  niskometylowanych, 

tym mniejsza dawka wapnia jest konieczna do optymalnego żelowania. Stąd sugeruje się, że 

w siatce przestrzennej żelu występują nie wiązania jonowe, ale chelatowe wapnia.  

Jak  dotąd  większe  zastosowanie  w  przemyśle  spożywczym  mają  pektyny 

wysokometylowane  niż  niskometylowane.  Spowodowane  to  jest  dużą  wrażliwością  pektyn 

niskometylowanych  na  stężenie  jonów  wapnia  oraz  gorszymi  cechami  reologicznymi  żeli, 

spowodowanymi  głównie  mniejszą  masą  cząsteczkową  tych  pektyn.  Pektyny 

niskometylowane  otrzymuje  się  z  pektyn  wysokometylowanych,  gdyż  tylko  te  ostatnie 

występują w surowcach roślinnych. W procesie deestryfikacji pektyn wysokometylowanych, 

background image

 

prowadzonym  metodą  chemiczną  (przy  działaniu  kwasem  lub  ługiem)  lub  enzymatyczną 

(użycie  metyloesterazy  pektynowej)  występują  również  niepożądane  zjawiska 

depolimeryzacji.  

W  krajach  anglosaskich  produkuje  się  na  szeroką  skalę  galaretki  pomarańczowo-

cytrynowe  z  zawieszonymi  w  nich  drobno  pokrajanymi  skórkami  pomarańczy.  Produkt  ten 

popularnie nazywa się dżemem pomarańczowym. 

 

1. Oznaczanie aktywności pektynoesterazy 

 

Zasada  metody:  Pektynoesteraza  katalizuje  hydrolizę  wiązania  estrowego  pomiędzy  grupami 

karboksylowymi  kwasu  poligalakturonowego  i  metanolem.  Oznaczenie  aktywności  enzymu 

opiera  się  na  uwalnianiu  grup  karboksylowych  przy  stałym  pH  7,2-7,3,  optymalnym  dla 

działania  enzymu.  Nie  można  przekroczyć  pH  7,3,  ponieważ    następuje  w  tych  warunkach 

samorzutny rozpad estrów. 

 

Wykonanie 

 

 

1. Przygotowanie wyciągu z owoców : 

 10 g rozdrobnionych owoców (pomidory, pomarańcze, bakłażan) zalać w zlewce 20 ml 12 % 

NaCl (w 0,1 M octanie sodu),  rozetrzeć dokładnie w moździerzu, pozostawić na 15 minut, 

odcisnąć przez gazę, następnie przesączyć przez sączek z bibuły miękkiej (lub  - w przypadku 

pomarańczy – odwirować*). Przed analizą uregulować pH ekstraktu na 7,2. 

*wyciąg rozpipetować po 0,5ml do probówek typu eppendorf i odwirować przez 5 min. 

 

2. Wykonanie pomiarów aktywności enzymatycznej: 

Do zlewki z mieszadłem odmierzyć 50 ml roztworu pektyny [0,5% roztwór (w/v) pektyny w 

0,1M  NaCl],  poczekać  na  wyrównanie  się  temperatury.  Bezpośrednio  przed  oznaczeniem 

uregulować pH roztworu pektyny do 7,1-7,2, przy pomocy 0,lM NaOH. 

Następnie  do  roztworu  pektyny  dodać  0,5  ml  (wyciąg  z  pomidora)  lub  1  ml  (bakłażan, 

pomarańcze)  roztworu  enzymu  (o  uregulowanym  pH!)  i  natychmiast  mieszaninę 

miareczkować  0,01N  NaOH,  tak  aby  pH  utrzymywało  się  w  granicach  7,2.  Co  l  minutę 

(przez około 20 minut) zapisywać ilość zużytego NaOH. 

Odrzucić wartości skrajne i wyliczyć średnie zużycie ml NaOH na minutę.  

Obliczenia:  

Obliczyć aktywności pektynoesterazy dla poszczególnych ekstraktów z owoców / warzyw.  

background image

 

 Jednostkę  aktywności  pektynoesterazy  (PE)  zdefiniowano  jako  ilość  μM  metanolu 

uwolnionych  przez  enzym  w  czasie  1  minuty.  Ilość  moli  zużytego  NaOH  jest  wprost 

proporcjonalna do ilości uwolnionego metanolu. 

Obliczyć  aktywności  przypadające  na  1  gram  suchej  masy  badanego  materiału.  Do  obliczeń 

przyjąć sucha masę próbek: pomarańcze – 29%, bakłażan 7,2 %, pomidor 6,4%. 

Opracowanie wyników: 

Dane zestawić na wykresie słupkowym, wyrażając aktywność PE / gram suchej masy. Porównać                                

i  skomentować uzyskane wyniki. 

 

 

2. Oznaczanie aktywności amylaz metodą z kwasem dwunitrosalicylowym 

(DNS) 

 
Zasada  oznaczania  aktywności  amylaz  metodą  z  kwasem  3,5-dwunitrosalicynowym  polega  na 
utlenieniu  grup  redukujących  w  produktach  uwolnionych  w  wyniku  enzymatycznej  degradacji 
skrobi i spektrofotometrycznym oznaczeniu powstającego kompleksu przy długości fali 550 nm. 

 

COOH

OH

NO

2

O N

2

+

C-H

O

R

4

COOH

OH

NH

H N

2

2

+

4   C-OH

O

R

 

 
   

kwas 3,5 dwunitrosalicylowy 

 

     kwas 3,5 dwuaminosalicylowy                                               

      żółtopomarańczowy                                         czerwonobrunatny

 

 

Odczynniki: 

  Substrat:  2%  roztwór  skrobi  o  pH  4,5  (90  ml  roztworu  skrobi  +  10  ml  1M  buforu 

octanowego o pH 4,5) 

 

Roztwór kwasu dwunitrosalicylowego (DNS): 

przygotowano  wg.  przepisu:  30  g  winianu  sodowo-

potasowego  rozpuścić    na    gorąco    w   jak  najmniejszej  ilości    wody,   do    ciepłego   winianu  wlać    wodną 
zawiesinę 1g DNS (rozcierając  grudki  i  popłukując  zlewkę) dodać 20 ml 2 n NaOH (na ciepło nie powinno 
być osadu). Ostudzić  roztwór i uzupełnić do objętości 100 ml.  Jeśli  po  ostudzeniu  wytrąci się osad należy 
zdekantować  płyn.  Przechowywać  w temperaturze pokojowej.

 

 

Preparaty  enzymatyczne:  Wybrać  z  listy  dostępnych  preparatów:  Rapidase  Liq+,  Rapidase 
Pomaliq  2F,  Ultrazym  AFP-L,  Econase  CE.,  Rapidase  Pomalique,  Pektopol  PT  200  dwa 
enzymy
 i przygotować rozcieńczenia 1:50, 1:200, 1: 500.  
Dla  pierwszego  rozcieńczenia  pobrać  0,5  ml  wyjściowego  preparatu  i  dopełnić  do  5  ml  wodą 
destylowaną.  Rozcieńczenia  wykonać  w  systemie  2-3  etapowym  w  probówkach,  za  każdym 
razem dokładnie mieszając (wstrząsacz mechaniczny, „vortex”).  
 

Oznaczenie wykonać w dwóch powtórzeniach - czyli dla każdego rozcieńczenia wykonać 2 próby 
właściwe i 2 próby kontrolne.  

background image

 

Próby właściwe: 
Do krótkich szklanych probówek pobrać 0,2 ml substratu i umieścić w łaźni wodnej (30

o

C) na 

2-3  minuty.  Następnie  dodawać  0,2  ml  enzymu  (odpowiednio  rozcieńczony  preparat 
enzymatyczny) do probówek z substratem (pipetować ze stoperem co 30 sekund do kolejnych 
probówek).  Po  15  minutach  inkubacji  w  łaźni  wodnej  (30

o

C)  dodawać  0,4  ml  DNS  do 

kolejnych  probówek  (początek:  15  minuta  na  stoperze,  pipetować  w  odstępach  30 
sekundowych  w  identycznej  kolejności  jak  poprzednio).  Po  zamieszaniu  probówki  wyjąć  z 
łaźni wodnej. 
Następnie  probówki  umieścić  na  wrzącej  łaźni  wodnej  i  gotować  dokładnie  przez  5  minut, 
natychmiast schłodzić i dopełnić do 4 ml. 
 
Próby kontrolne: 
Do krótkich szklanych probówek pobrać 0,2 ml substratu. Dodać 0,4 ml DNS, wymieszać i 
dodać 0,2 ml enzymu. 
Następnie  probówki  umieścić  na  wrzącej  łaźni  wodnej  i  gotować  dokładnie  przez  5  minut, 
natychmiast schłodzić i dopełnić do 4 ml. 
 
Wzorce: 

Krzywa wzorcowa: 
   Odmierzyć do krótkich szklanych probówek zgodnie z tabelą:  
 
         
            wzorzec – 120mg% glukoza [µl]      H

2

O [µl]           glukoza [

M] 

1  

 

 

 

 

400 

 

  0,000 

2  

 

 

34 

 

 

366 

 

  1,1326 

3  

 

 

66 

 

 

334 

 

  2,1986 

4  

 

 

134 

 

 

266 

 

  4,4689 

5  

 

 

200 

 

 

200 

 

  6,6626 

6  

 

 

266 

 

 

134 

 

  8,8613 

7  

 

 

334 

 

 

66 

 

11,1265 

8  

 

 

400 

 

 

 

13,3252 

 

Do  tak  przygotowanych  roztworów  wzorcowych  dodać  0,4  ml  DNS.  Następnie  probówki 
umieścić na wrzącej łaźni wodnej i gotować dokładnie przez 5 minut, natychmiast schłodzić i 
dopełnić do 4 ml. 
 
Pomiar:  
Pobrać  po  300  ul  roztworów  próbek  właściwych,  kontrolnych  oraz  wzorców  do  studzienek 
mikropłytki zgodnie z poniższym schematem.  

W – wzorce, PK – próby kontrolne, PW – próby właściwe.  
Wiersze C-D-E = preparat enzymatyczny I, wiersze E-F-G = preparat enzymatyczny II.  

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W1 

W1 

W2 

W3 

W4 

W5 

W6 

W7 

W8 

PK1:50 

PK1:50 

PW1:50 

PW1:50 

 

 

 

 

 

PK1:200  PK1:200  PW1:200  PW1:200   

 

 

 

 

PK1:500  PK1:500  PW1:500  PW1:500   

 

 

 

 

PK1:50 

PK1:50 

PW1:50 

PW1:50 

 

 

 

 

 

PK1:200  PK1:200  PW1:200  PW1:200   

 

 

 

 

PK1:500  PK1:500  PW1:500  PW1:500   

 

 

 

 

 

background image

 

Odczytać  ekstynkcję  na  czytniku  mikropłytek  Bio-Rad  przy  długości  fali  540  nm.  Barwa 
stabilna 45 minut po dopełnieniu. 
 
Obliczenia: 
       Jednostkę  aktywności  amylolitycznej  (AmU)
  zdefiniowano  jako  ilość  mikromoli 
glukozy uwolnionych przez 1 ml enzymu w czasie 1 minuty w warunkach analizy. 
 

R

K

W

ml

AmU

15

)

(

/

 

gdzie:  W  = 

M  glukozy  dla  próby  właściwej,  K=

M  glukozy  dla  próby  kontrolnej,  R  = 

rozcieńczenie enzymu. 
 
Obliczyć  aktywność  testowanych  preparatów,  wybierając  średnią  wartość  z  odpowiednich 
rozcieńczeń (dla których uzyskano odczyty mieszczące  się w krzywej wzorcowej).  
 
 

Literatura uzupełniająca

1.  Kujawski  M.,  Żyła  K.  1999.  Stosowanie  preparatów  enzymatycznych  w    wybranych 

gałęziach przemysłu spożywczego. Biotechnologia 45(2): 38-46. 

2. Cavalitto S.F., Hours R.A., Mignone C.F., 1999.  Quantification of protopectinase SE, 

an  endopolygalacturonase  with  pectin-releasing  activity  from  Geotrichum  klebahnii. 

Biotechnology Techniques 13: 385-390. 

3.  Specyfikacja  preparatów  handlowych  Pektopol  PS  150  oraz  Pektopol  PT  400  (ZPOW 

Pektowin, Jasło).