Σχέσεις δομής και ιδιοτήτων πολυσακχαριτών σε συστήματα χαμηλής και υψηλής συγκέντρωσης διαλύτη

Abstract

Structure - function relations of polysaccharides in high and low solvent systems were explored in this study. Pullulan solutions and (1>3), (1>4)-β-D-glucan solutions and hydrogels, as well as amorphous systems of pullulan, chitosan and starch-chitosan and pullulan-chitosan blends plasticized with small amounts of water and/or sorbitol were the study systems. The microbial polysaccharide pullulan was fractionated by a solvent-gradient technique into different molecular mass fractions and characterized by 13C-NMR spectroscopy and high-performance size exclusion chromatography (HPSEC) combined with a multiangle laser light scattering (MALLS) and a refractive index detector (RI). The isolation and purification of β-glucans from three different cereal genera (oat, barley and wheat) was carried out under mild conditions and involved successive enzyme digestions with a thermostable microbial a-amylase, pancreatin, and a microbial xylanase. The molecular size of β-glucans was determined by a HPSEC- RI system and all samples analyzed by NMR spectroscopy (1H, and 13C, and 1H-1H and 1H-13C 2D-NMR) and high-performance anion exchange chromatograph (HPAEC) of the cellulosic oligomers released by the action of lichenase have shown the typical fine structure of mixed-linkage linear (1>3), (1>4)-β-D-glucan. The lichenase digestion of β-glucans from different origins revealed differences in the amounts of 3-O-β-cellobiosyl-D-glucose (DP3) and 3-O-β-cellotriosyl-D-glucose (DP4) in the polymeric chain. Moreover, the total amount of cellulosic oligosaccharides with degrees of polymerization DP?5 was similar (3.6-9.7%) for the cereal β-glucans, whereas it differed significantly from that of lichenan (22,5%). The molar ratios of tri- to tetrasaccharides (DP3/DP4) were found to follow the order of lichenan (24.5) > wheat (3.7) > barley (2.8-3.0) > oat (2.0-2.3). For pullulan samples with weight average molecular weight (Mw) ranging between 100 and 560 x 103, the values of limiting viscosity ([η]), critical concentration (c*) and coil overlap parameter (c*[η]) were within the range 0.38-0.70 dl/g, 1.4-3.1 g/dl and 1.0-1.2, respectively. For β-glucan samples with molecular weight (Mw of the peak fraction of the main eluting peak) ranging between 35 to 250 x 103, the values of limiting viscosity ([η]), second critical concentration (c**) and coil overlap parameter (c**[η]) were within 0.67-3.83 dl/g, 0.70-2.10 g/dl and 1.4-3.2, respectively.

Οι σχέσεις της μοριακής δομής και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων πολυσακχαριτών μελετήθηκαν τόσο σε συστήματα υψηλής συγκέντρωσης διαλύτη (διαλύματα και υδροπηκτές πουλλουλάνης και (1>3),(1>4)-β-D-γλυκανών) όσο και σε άμορφες καταστάσεις πλαστικοποιημένες με μικρές συγκεντρώσεις νερού και σορβιτόλης (πουλλουλάνη, χιτοσάνη και μίγματα αμύλου-χιτοσάνης και πουλλουλάνης-χιτοσάνης). Η κλασμάτωση του μικροβιακού πολυσακχαρίτη πουλλουλάνη σε κλάσματα διαφορετικού μοριακού μεγέθους έγινε με βαθμίδωση της συγκέντρωσης του διαλύτη και ο χαρακτηρισμός της μοριακής δομής με 13C-NMR φασματοσκοπία και χρωματογραφία αποκλεισμού μεγέθους υψηλής απόδοσης (HPSEC) συνδεμένης με δύο ανιχνευτές, σκεδασμού του φωτός υπό πολλαπλές γωνίες (MALLS) και δείκτη διάθλασης (RI). Η απομόνωση και ο καθαρισμός των β-γλυκανών από τρεις διαφορετικές πηγές δημητριακών καρπών έγινε με ήπιες συνθήκες και περιλάμβανε διαδοχικά υδρολυτικά στάδια με καθαρά ένζυμα, όπως α-αμυλάση (θερμοάντοχη, μικροβιακής προέλευσης), παγκρεατίνη, ξυλανάση (μικροβιακής προέλευσης). Το μοριακό μέγεθος των β-γλυκανών προσδιορίστηκε με HPSEC-RI σύστημα, ενώ η ανάλυση όλων των δειγμάτων των β-γλυκανών με NMR φασματοσκοπία (1Η, 13C και δύο διαστάσεων 1Η-1Η και 1Η-13C φάσματα) και των κυτταρινικών ολιγοσακχαριτών, που απελευθερώνονται από τη δράση της λιχενάσης, με χρωματογραφία ανιοανταλλαγής υψηλής απόδοσης (HPAEC) έδειξε την τυπική πρωτοταγή δομή των γραμμικών (1>3), (1>4)-β-D-γλυκανών. Μεταξύ των ενζυμικών υδρολυμάτων των β-γλυκανών από διαφορετικές πηγές υπήρξαν διαφορές στις μοριακές συγκεντρώσεις του τρισακχαρίτη 3-Ο-β-κελλοβιόζη-D-γλυκόζη (DP3) και του τετρασακχαρίτη 3-Ο-β-κελλοτριόζη-D-γλυκόζη (DP4) στην αλυσίδα του πολυμερούς. Επίσης το συνολικό ποσό των κυτταρινικών ολιγοσακχαριτών με βαθμό πολυμερισμού DP?5 ήταν παρόμοιο (3,6-9,7%) για τις β-γλυκάνες που απομονώθηκαν από δημητριακά (βρώμη, κριθάρι, σιτάρι), αλλά διέφερε σημαντικά στο δείγμα της λιχενάνης (22,5%). Η μοριακή αναλογία DP3/DP4 ακολούθησε τη σειρά λιχενάνη (24,5) > σιτάρι (3,7) > κριθάρι (2,8-3,0) > βρώμη (2,0-2,3). Για τα δείγματα πουλλουλάνης με μέση μοριακή μάζα (Mw) μεταξύ 100 και 560 x 103, οι τιμές του οριακού ιξώδους ([η]), της κρίσιμης συγκέντρωσης (c*) και της παραμέτρου αλληλοεπικάλυψης των αλυσίδων (c*[η]) κυμάνθηκαν μεταξύ 0,38-0,70 dl/g, 1,4-3,1 g/dl και 1,0-1,2, αντίστοιχα. Για τα δείγματα των β-γλυκανών με φαινομενικό μοριακό βάρος (Mw της κορυφής των HPSEC χρωματογραφημάτων) μεταξύ 35 και 250 x 103 οι αντίστοιχες τιμές του [η], της δεύτερης κρίσιμης συγκέντρωσης (c**) και της παραμέτρου αλληλοεπικάλυψης των αλυσίδων (c**[η]) βρέθηκαν μεταξύ των 0,67-3,83 dl/g, 0,7-2,1 g/dl και 1,4-3,2.