ŻYWNOŚĆ. Nauka. Technologia. Jakość, 2006, 2 (47) Supl., 190 - 197
EWA MAJEWSKA, EWA BIAA
ECKA-FLORJAC
CZYK, KINGA SUA
OWSKA
DROŻDŻE PIEKARSKIE JAKO BIOKATALIZATOR REAKCJI
HYDROLIZY ESTRÓW
S t r e s z c z e n i e
Jedną z metod modyfikacji tłuszczów jest reakcja enzymatycznego przeestryfikowania,
wykorzystująca enzymy lipolityczne. Z uwagi na złożony proces izolacji enzymy te są reagentami
kosztownymi i trudnodostępnymi. Alternatywnym rozwiązaniem może być użycie mikroorganizmów
produkujących enzymy, bez konieczności wydzielania ich w czystej postaci. Rolę tę mogą spełniać
drożdże piekarskie (Saccharomyces cerevisiae), które są z
ródłem różnych enzymów, wykazujących
katalityczny wpływ na przebieg wielu reakcji chemicznych.
Celem pracy było wstępne rozpoznanie możliwości wykorzystania drożdży piekarskich do
modyfikacji triacylogliceroli. Jako modelowÄ… reakcjÄ™ wybrano hydrolizÄ™ dioctanu heksano-1,2-diolu 
estru zawierającego grupy acetylowe o różnej rzędowości. Proces hydrolizy prowadzono w obecności
drożdży liofilizowanych, drożdży prasowanych lub biomasy szczepu Saccharomyces cerevisiae 102, jako
biokatalizatorów, w roztworze wodnym, w temp. 30°C przy staÅ‚ym mieszaniu. PostÄ™p reakcji
kontrolowano metodą chromatografii gazowej. Stwierdzono, że hydrolazy wydzielane przez drożdże
wykazywały regioselektywność w stosunku do grup acetylowych o różnej rzędowości, powodując
dwukrotnie szybszą hydrolizę grupy pierwszorzędowej, co stwarza praktyczne perspektywy
wykorzystania drożdży piekarskich w przemianach acylogliceroli. Rodzaj użytych drożdży piekarskich
nie miał znaczącego wpływu na szybkość reakcji.
Słowa kluczowe: drożdże piekarskie, triacyloglicerole, lipazy, hydroliza
Wprowadzenie
Tłuszcze  estry glicerolu i długołańcuchowych kwasów tłuszczowych  stanowią
jeden z podstawowych składników pożywienia człowieka, pełniąc w organizmie
funkcje energetyczne i metaboliczne. Są one strukturalną częścią błon komórkowych
oraz bogatym z
ródłem wielu substancji biologicznie czynnych, takich jak witaminy A,
D, E, K czy niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe (NNKT).
Dr E. Majewska, dr hab. E. Białecka-Florjańczyk, Kinga Sułowska, Katedra Chemii, Wydz. Technologii
Żywności, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, ul. Nowoursynowska 159 C, 02-776 Warszawa
DROŻDŻE PIEKARSKIE JAKO BIOKATALIZATOR REAKCJI HYDROLIZY ESTRÓW 191
Właściwości funkcjonalne i żywieniowe, takie jak: plastyczność, konsystencja,
temperatura topnienia czy stabilność oksydatywna, różnych produktów spożywczych
kształtowane są głównie przez tłuszcze i zależą nie tylko od rodzaju kwasów
tłuszczowych estryfikowanych w triacyloglicerolach, ale również od rozkładu tych
kwasów w cząsteczkach triacylogliceroli. Procesem pozwalającym na zmianę tych
właściwości, w celu uzyskania produktu o pożądanych parametrach, jest modyfikacja
tłuszczów, a jednym z jej sposobów jest reakcja enzymatycznego przeestryfikowania z
użyciem enzymów lipolitycznych zwanych lipazami. Lipazy zdefiniowano jako
hydrolazy estrów glicerolowych; enzymy hydrolizujące estry innych alkoholi niż
glicerol zaliczono do esteraz [3].
W procesie modyfikacji tłuszczów lipazy katalizują wiele reakcji m.in.: hydrolizę,
estryfikację, interestryfikację, alkoholizę czy acydolizę. Mechanizm działania
katalitycznego większości znanych lipaz zależy od właściwości substratu i warunków
procesu. Reakcje hydrolizy i resyntezy, zachodzÄ…ce podczas enzymatycznego
przeestryfikowania, sÄ… odwracalne. W roztworze wodnym przebiega hydroliza,
natomiast reakcja resyntezy przeważa w środowiskach o ograniczonej zawartości wody
[5].
Wiele lipaz wykazuje regioselektywność, polegającą na rozróżnianiu w
cząsteczce triacyloglicerolu pozycji zewnętrznych (pierwszorzędowe wiązania
estrowe) od pozycji wewnętrznej (drugorzędowe wiązania estrowe). W czasie lipolizy
lipaza sn-1,3 regiospecyficzna preferuje hydrolizę wiązań estrowych w pozycjach sn-1
i sn-3 triacyloglicerolu (rys.1).
sn-1
CH2OCR
O
sn-2
H
R'CO C
O
sn-3
CH2OCR''
O
Rys. 1. Pozycje sn-1, sn-2, sn-3 w czÄ…steczkach triacylogliceroli.
Fig. 1. Representation of sn-nomenclature of triacylglicerols.
Prowadzi to do powstania równomolowej mieszaniny sn-1,2 diacylogliceroli i sn-
2,3 diacylogliceroli, która następnie może hydrolizować dalej do sn-2
monoacylogliceroli.
Enzymy lipolityczne otrzymywane są z grzybów, bakterii oraz tkanek
zwierzęcych i roślinnych. W skali przemysłowej stosowane są lipazy pochodzenia
192 Ewa Majewska, Ewa Białecka-Florjańczyk, Kinga Sułowska
zwierzęcego oraz mikrobiologicznego, uzyskiwane głównie z grzybów strzępkowych
oraz drożdży, takich jak Candida rugosa i Candida antartica [11]. Z uwagi na
skomplikowany proces izolacji i oczyszczania enzymów oraz mały rynek zbytu, lipazy
są reagentami kosztownymi. Wygodniejszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie
mikroorganizmów, a zwłaszcza drożdży piekarskich (Saccharomyces cerevisiae), które
w przeciwieństwie do enzymów są surowcem tanim, dostępnym i łatwym w użyciu
(nie wymagają sterylnych warunków hodowli). Komórki drożdży są w stanie
syntetyzować kilkaset enzymów [10], (takich jak oksydoreduktazy i hydrolazy), a
także koenzymy niezbędne do przebiegu wielu procesów utleniania i redukcji.
Drożdże piekarskie są z powodzeniem wykorzystywane od lat w syntezie
chemicznej [2, 9], głównie w reakcjach redukcji związków karbonylowych.
Stwierdzono, że mają one również wpływ na przebieg innych reakcji chemicznych np.
reakcję hydrolizy. Można je stosować w postaci prasowanej, suchej, liofilizowanej czy
immobilizowanej, a reakcje z ich udziałem zachodzą zarówno w wodzie, jak i w
rozpuszczalnikach organicznych.
Obecność enzymów lipolitycznych w drożdżach piekarskich udowodniono już
dawno [6], a nawet wydzielono i scharakteryzowano lipazÄ™ z frakcji mitochondrialnej
drożdży piekarskich i potwierdzono jej aktywność w stosunku do triacylogliceroli [8].
Ostatnio wzrosło zainteresowanie tym zagadnieniem w kontekście inżynierii
genetycznej [1, 7], np. poprzez ekspresjÄ™ genu lipA kodujÄ…cego lipazÄ™ A z Bacillus
subtilis m.in. w drożdżach piekarskich zwiększono ilość wytwarzanej przez nie lipazy.
Dotychczas jednak nie podjęto próby zastosowania komórek drożdży w przemianach
acylogliceroli.
Celem pracy było wstępne rozpoznanie możliwości wykorzystania drożdży
piekarskich do modyfikacji triacylogliceroli. Ponieważ cechą decydującą o
przydatności lipaz w tej reakcji jest ich regioselektywność, pierwszym etapem badań
było porównanie katalitycznego efektu drożdży w reakcji hydrolizy estrów alkoholi
pierwszo- i drugorzędowych. Jako modelową reakcję wybrano hydrolizę dioctanu
heksano-1,2-diolu  estru zawierającego grupy acetylowe o różnej rzędowości.
Materiał i metody badań
Proces hydrolizy prowadzono w obecności drożdży liofilizowanych (S. I.
Lesaffre), drożdży prasowanych (Józefów) lub biomasy szczepu Saccharomyces
cerevisiae 102 (wyhodowanego w Zakładzie Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności
WTÅ» SGGW), jako biokatalizatorów, w roztworze wodnym, w temp. 30°C przy
stałym mieszaniu.
Do hodowli wgłębnej szczepu Saccharomyces cerevisiae 102 zastosowano płynne
podłoże YPD o następującym składzie: 2% glukozy, 2% peptonu i 1% ekstraktu
drożdżowego. Do przechowywania drożdży na skosach stosowano podłoże YPD z 2%
DROŻDŻE PIEKARSKIE JAKO BIOKATALIZATOR REAKCJI HYDROLIZY ESTRÓW 193
agarem. Wszystkie podÅ‚oża wyjaÅ‚owiono w autoklawie w temp. 121ºC przez 20 min, a
ich pH ustalono na poziomie 5,0. Do przygotowania podłoży używano wody
dejonizowanej.
Biomasę szczepu Saccharomyces cerevisiae 102 namnażano w podłożu YPD
posiewanym materiałem komórkowym z hodowli na skosie (YPD z 2% agarem).
Hodowle prowadzono w kolbach o poj. 500 cm3, zawierających 80 cm3 podłoża, na
wytrzÄ…sarce posuwisto-zwrotnej SM-30 Control (Edmund Bühler, Niemcy) o
czÄ™stotliwoÅ›ci drgaÅ„ 250 cykli na min, w temp. 28ºC przez 48 godz. Zawartość kolb
przenoszono do uprzednio zważonych gilz i wirowano przez 10 min przy 3500
obr./min (Centrifuge type MPW  365, Polska). Supernatant zlewano znad osadu, a
odwirowane drożdże, po oznaczeniu suchej masy, używano do reakcji.
Dioctan heksano-1,2-diolu otrzymano w reakcji heksano-1,2-diolu (6,0 g, 0,05
moli) z nadmiarem bezwodnika octowego (15,5 g, 0,15 moli). Produkt z mieszaniny
poreakcyjnej ekstrahowano chloroformem (3 x 50 cm3) i destylowano ( temp. wrzenia
85°C, 2 mm Hg).
Reakcja hydrolizy: w kolbie okrągłodennej umieszczano 3,0 g drożdży (w
przeliczeniu na suchÄ… masÄ™), 3,0 g sacharozy oraz 60 cm3 wody. ZawiesinÄ™ mieszano
mieszadÅ‚em magnetycznym przez 30 min w temp. 20 Ä… 2°C. NastÄ™pnie dodawano 0,3 g
(1,5 mmola) dioctanu heksano-1,2-diolu rozpuszczonego w niewielkiej ilości etanolu
(0,5 cm3). Reakcje kontynuowano przez 9 godz., pobierając próbki do kontroli
przebiegu reakcji w ciągu tego czasu. Z pobranych próbek dioctan heksano-1,2-diolu i
produkty jego hydrolizy ekstrahowano chloroformem (2 x 5 cm3). ReakcjÄ™
prowadzono w dwóch wariantach: bez stabilizacji pH (wówczas pH mieszaniny
reakcyjnej wynosiło około 4,5) i w buforze o pH 7. Próby wykonywano w
dwukrotnym powtórzeniu, uzyskując porównywalne wyniki.
Próbki mieszaniny reakcyjnej analizowano przy użyciu chromatografu gazowego
Shimadzu GG-171, wyposażonego w detektor płomieniowo-jonizacyjny. Zastosowano
kolumnę kapilarną BPX 70. Rozdział chromatograficzny rejestrowano z użyciem
programu CHROMAX 2005 w nastÄ™pujÄ…cych warunkach: temp. 60°C przez 1 min,
przyrost 10°/min do 200°C, 5 min w 200°C.
Produkty rozpadu estru analizowano metodÄ… spektrometrii masowej, po
uprzednim rozdziale w kolumnie chromatograficznej BPX 70, w warunkach 55°C
przez 1 min, przyrost 4°/min do 220°C, 3 min w 220°C, w aparacie Shimadzu GCMS
2010. Na widmie masowym izomeru 1 zaobserwowano pik molekularny M=159 oraz
następujące piki jonów fragmentacyjnych: m/z = 129, m/z = 117, m/z = 87, m/z = 74,
m/z = 69. W przypadku izomeru 2 zaobserwowano: M = 159, m/z = 103, m/z = 87, m/z
= 74, m/z = 69, a na widmie substratu zaobserwowano: M = 202, m/z = 129, m/z =
117, m/z = 100, m/z = 86, m/z = 82.
194 Ewa Majewska, Ewa Białecka-Florjańczyk, Kinga Sułowska
Wyniki i dyskusja
Hydroliza dioctanu heksano-1,2-diolu w obecności drożdży piekarskich
prowadziła do powstania dwóch monooctanów, w zależności od tego czy hydrolizie
uległa pierwszorzędowa (izomer 1) czy drugorzędowa grupa acetylowa (izomer 2)
(rys. 2).
Postęp reakcji hydrolizy śledzono za pomocą chromatografii gazowej. Oznaczano
jedynie względną zawartość dioctanu i monooctanów, które w przeciwieństwie do
stosunkowo dobrze rozpuszczalnego w wodzie heksano-1,2-diolu, ulegały całkowitej
ekstrakcji chloroformem. Przykładowy chromatogram mieszaniny reakcyjnej
przedstawiono na rys. 3. Poszczególne piki zidentyfikowano na podstawie ich widm
masowych.
Wyniki kolejnych prób przedstawiono w tab. 1.
O
CH3 C OCH2CHCH2CH2CH2CH3
O C CH3
O
O
HOCH2CHCH2CH2CH2CH3 +
CH3 C OCH2CHCH2CH2CH2CH3
O C CH3
OH
izomer 1 izomer 2
isomer 1 isomer 2
O
Rys. 2. Schemat hydrolizy dioctanu heksano-1,2-diolu.
Fig. 2. The scheme of hexane-1,2-diol diacetate hydrolysis.
We wszystkich przypadkach stwierdzono regioselektywny przebieg reakcji 
hydroliza pierwszorzędowej grupy acetylowej zachodziła w przybliżeniu około
dwukrotnie szybciej. Prawidłowość tę zaobserwowano także w przypadku reakcji
prowadzonej w roztworze buforowym o pH = 7, przy czym stabilizacja pH w
niewielkim stopniu zwiększała zarówno wydajność, jak i regioselektywność reakcji
hydrolizy. Taki wpływ pH na przebieg reakcji hydrolizy enzymatycznej jest zgodny z
ogólnym mechanizmem działania hydrolaz [4]. Nie stwierdzono natomiast istotnego
wpływu rodzaju drożdży piekarskich ani na wydajność, ani na regioselektywność
reakcji. Zatem w dalszych etapach pracy celowe będzie zastosowanie drożdży
liofilizowanych, które w przeciwieństwie do pozostałych cechuje większa trwałość, co
pozwala na osiąganie powtarzalnych i porównywalnych wyników.
DROŻDŻE PIEKARSKIE JAKO BIOKATALIZATOR REAKCJI HYDROLIZY ESTRÓW 195
substrat
substrate
izomer 2 izomer 1
isomer 2 isomer 1
Rys. 3. Chromatogram mieszaniny poreakcyjnej 1a po 4 godz.
Fig. 3. GC profile of the reaction mixture 1a after 4 hours.
T a b e l a 1
Zawartość izomerycznych monoacetyloheksanodioli w mieszaninie poreakcyjnej [%].
The percentage of isomeric monoacetylhexanediols content in the reaction mixture.
Drożdże liofilizowane
1a
Liofilized baker s yeast
Bez buforu Bufor pH 7
Czas reakcji [godz] Without buffer Buffer pH 7
Reaction time [h] Izomer 1 Izomer 2 Izomer 1 Izomer 2
Isomer 1 Isomer 2 Isomer 1 Isomer 2
0,5 0,0 0,0 0,0 0,0
1 10,5 0,0 15,0 4,0
2 11,0 5,0 24,0 12,0
3 25,6 11,4 34,0 12,0
4 34,0 16,0 34,0 14,0
7 36,0 17,0 45,0 15,0
9 38,0 19,0 46,0 18,0
196 Ewa Majewska, Ewa Białecka-Florjańczyk, Kinga Sułowska
c.d. tab. 1
Drożdże prasowane
1b
Fresh baker s yeast
Bez buforu Bufor pH 7
Without buffer Buffer pH 7
Czas reakcji [godz]
Izomer 1 Izomer 2 Izomer 1 Izomer 2
Reaction time [h]
Isomer 1 Isomer 2 Isomer 1 Isomer 2
0,5 2,0 3,0 0,0 0,0
1 10,0 8,0 4,0 3,0
2 15,0 12,0 13,0 7,0
3 16,0 17,0 27,0 13,0
4 26,0 18,0 28,0 20,0
7 41,0 19,0 35,0 25,0
9 44,0 21,0 43,0 26,0
Szczep Saccharomyces cerevisiae 102
1c
The breeding strain Saccharomyces cerevisiae 102
Bez buforu Bufor pH 7
Without buffer Buffer pH 7
Czas reakcji [godz]
Izomer 1 Izomer 2 Izomer 1 Izomer 2
Reaction time [h]
Isomer 1 Isomer 2 Isomer 1 Isomer 2
0,5 3,0 5,0 0,0 0,0
1 7,0 8,0 6,0 8,0
2 13,0 14,0 12,0 12,0
3 22,0 18,0 24,0 17,0
4 24,0 20,0 31,0 17,0
7 42,0 21,0 50,0 30,0
9 45,0 23,0 50,0 30,0
Wnioski
1. Enzymy produkowane przez drożdże wykazują regioselektywność w stosunku do
grup acetylowych o różnej rzędowości: estry alkoholi pierwszorzędowych są
hydrolizowane w przybliżeniu dwukrotnie szybciej niż drugorzędowych.
2. Rodzaj użytych drożdży piekarskich nie ma znaczącego wpływu na szybkość
hydrolizy estru.
3. Uzyskane wyniki stanowią podstawę do podjęcia badań nad wykorzystaniem
enzymów hydrolitycznych wydzielanych przez drożdże w przemianach
acylogliceroli.
Literatura
DROŻDŻE PIEKARSKIE JAKO BIOKATALIZATOR REAKCJI HYDROLIZY ESTRÓW 197
[1] Athenstaedt K., Daum G.: Tg14p and Tg15p, two triacylglycerol lipases of the yeast Saccharomyces
cerevisiae are localized to lipid particles. J. Biol. Chem., 2005, 280, 37301-37309.
[2] Csuk R., Glanzer B.I.: Baker s yeast mediated transformations in organic chemistry. Chem. Rev.,
1991, 49-97.
[3] Enzyme nomenclature. Academic Press, INC, ed. Webb. E. C. London 1984.
[4] Faber K.: Biotransformations in organic chemistry, Springer Verlag, Berlin 2000.
[5] Jaeger K.E., Dijkstra B.W., Reetz M.T.: Bacterial biocatalists: molecular biology, three-dimensional
structures, and biotechnological applications of lipases. Ann. Rev. Microbiol., 1999, 53, 315-351.
[6] Nurminen T., Suomalainen H.: The lipolytic activities of the isolated cell envelope fractions of
baker s yeast. Biochem. J., 1970, 118, 759-763.
[7] Sanchez M., Prim N., Randez-Gil F., Pastor J., Diaz P.: Engineering of baker s yeast, E. coli and
Bacillus host for the production of Bacillus subtilis lipase A. Biotechnol. Bioeng., 2002, 78 (3), 339-
345.
[8] Schousboe I.: Properties of triacylglycerol lipase in mitochondrial fraction from baker s yeast
(Saccharomyces cerevisiae). Biochim. Biophys. Acta., 1976, 450 (2), 165-74.
[9] Servi S.: Enzymatic reactions in organic chemistry. Synthesis, 1990, pp. 1-25.
[10] Walker G.M.: Yeast-physiology and biotechnology, ed. J. Wiley, Chichester, 1998,
[11] Vakhlu J., Kour A.,: Yeast lipases: enzyme purification, biochemical properties and gene cloning.
Elect. J. Biotechnol., 2006, 19.
Praca stanowi fragment badań wykonanych w ramach grantu uczelnianego nr 504
0927 0011 pt.  Biotransformacje z udziałem drożdży piekarskich .
BAKER S YEAST AS BIOCATALYST OF ESTERS HYDROLYSIS
S u m m a r y
One of the methods of fats modifications is enzymatic interesterification, which uses lipolitic
enzymes. Taking their complex isolation process into account, these enzymes are quite expensive and
difficult to obtain. The employment of microorganisms, which release enzymes, may be the alternative
solution to this problem, for example baker s yeast (Saccharomyces cerevisiae) could be possibly used.
Baker s yeast are a great source of various enzymes, which may catalyze many chemical reactions.
The objective of this study was to carry out initial investigations, aiming at employing baker s yeast in
triacylglicerols modifications. As a model reaction a hydrolysis of hexane-1,2-diol diacetate (an ester
containing esters groups of different order) was chosen. The experiments were carried out in the presence
of liofilized and fresh baker s yeast as well as the breeding strain. The progress of the reactions was
monitored by gas chromatography. It was proved that hydrolases released by baker s yeast showed
positional specificity towards acetyl groups of different order  hydrolysis of primary group proceeded
twice as fast. It may create practical opportunities for utilizing baker s yeast in triacylglicerols
modifications. The variety of used yeast had not influenced on the speed of reaction.
Key words: baker s yeast, triacylglicerols, lipases, hydrolysis


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
BADANIE KINETYKI REAKCJI HYDROLIZY SACHAROZY KATALIZOWANEJ PRZEZ INWERTAZĘ Z DROŻDŻY
skladniki pokarmowe jako przyczyna reakcji alergicznych i pseudoalergicznych
Zgrzebna poezja Tadeusza Różewicza jako jedynie możliwa reakcja na doświadczenia wojny
Anoreksja jako reakcja dziecka na niewłaściwe wychowanie w rodzinie
cwiczenie 2 hydrolazy czynniki wplywajace na szybkosc reakcji enzymatycznych 05 05 2014
JĘZYK SZTUKI OBRAZ JAKO KOMUNIKAT
Katar jako geopolityczne centrum Bliskiego Wschodu (Biuletyn Opinie)
Drożdżowiec
Sylwetka Stefana Żeromskiego jako ucznia kieleckiego gim~403
Faworki drożdżowe
Hydroliza enzymatyczna
EKO VI Promocja jako proces komunikacji

więcej podobnych podstron