Химия растительного сырья

Скачать 3.83 Mb.

Название	Химия растительного сырья
страница	5/79
Тип	Обзор

rykovodstvo.ru > Руководство эксплуатация > Обзор

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 79

3. Механизм пероксидазного окисления лигнина и родственных ему соединений

Согласно представленному выше механизму пероксидазного окисления различных субстратов их превращение начинается с одноэлектронного окисления, приводящего к образованию катион-радикала. Поэтому при рассмотрении химических аспектов пероксидазного окисления лигнина основным является вопрос о трансформации образующихся катион-радикалов лигнина и родственных ему соединений. На рисунке 4 представлены наиболее типичные примеры превращений синтетических моделей лигнина, окисляемых пероксидом водорода в присутствии лигнинпероксидазы.

Основная часть этих реакций (1–3) интерпретируется на основе схемы, предложенной Шумейкером для описания превращений катион-радикалов фенилкарбинолов (1) (рис. 5).

Такие катион-радикалы (2) либо отщепляют протон и подвергаются повторному одноэлектронному окислению в кетоны или альдегиды (3) (путь А), либо распадаются на фрагменты с разрывом С^α–С^β связи (путь В). Один из этих фрагментов представляет собой катион (4), теряющий далее протон и превращающийся в нейтральную молекулу (5), а другой – радикал (6), который окисляется ферментом или атмосферным кислородом. Соотношение этих альтернативных путей зависит от прочности С^α–С^β связи в первичном катион-радикале. У первичных фенилкарбинолов (в частности, у вератрилового спирта) оба пути совпадают.

Для окислительно-гидролитического деметилирования (реакция 4, рис. 4) ключевой стадией, по-видимому, является атака воды на катион-радикал. Об участии воды в этой реакции свидетельствует включение кислородной метки в хинон при проведении реакции в среде Н₂¹⁸O [38]. Последняя реакция (реакция 5, рис. 4), представляет собой окислительное сочетание фенолов при их окислении пероксидом водорода, которое катализируется многими пероксидазами.

Наличие большого объема исследований в данной области все же не дает полного понимания о механизме действия ферментов на сам лигнин. LiP, MnP и лакказы считаются ключевыми ферментами в окислении фенольных и нефенольных структур лигнина до катионрадикалов, подвергающихся затем серии неферментативных реакций, включающих расщепление С–С и С–О-связей и фрагментацию трехмерной сетки лигнина. Существует несколько мнений о действии ферментов на лигнин. Некоторые исследователи утверждают [8], что деполимеризация лигниновой матрицы и других высокомолекулярных субстратов опосредуется низкомолекулярным деметоксифенильным медиатором типа вератрола, образующим под действием фермента стабильную катионрадикальную частицу.


Рис. 4. Примеры превращений лигниноподобных соединений при лигниназном окислении

Рис. 5. Пероксидазное окисление арилкарбинолов [39]

Другие исследователи придерживаются иной точки зрения, что фермент способен непосредственно действовать на лигнин [40]. Известно, что окислительная деполимеризация ферментами модельных димеров лигнина с разными типами связей (рис. 6) не требует участия медиатора.

Далее рассмотрим более детально, как протекает пероксидазное окисление некоторых соединений, представляющих собой модели лигнина. В процессе окисления гваяцильных структур лигнина со свободной реакционной ОН-группой наблюдается инактивация фермента данными субстратами. Образующиеся при окислении данных фенольных субстратов феноксирадикалы не могут участвовать в реакциях переноса заряда, а в отсутствие катионрадикалов становится возможной реакция соединения II с пероксидом водорода с образованием неактивного соединения III [45].

Типичный пример данного явления – окисление фенольного субстрата феруловой (4-окси-3-метоксикоричной) кислотой. В ходе ее окисления наблюдается инактивация фермента по двум возможным путям. Первый – пероксид зависимая инактивация, вызванная накоплением соединения III даже при относительно низких концентрациях пероксида. Второй механизм инактивации включает взаимодействие феноксирадикалов или продуктов окисления феруловой кислоты с ферментом [47]. Так, в результате пероксидазного окисления феруловой кислоты пероксидом водорода наблюдается образование димеров и тримеров с последующей их дальнейшей полимеризацией (рис. 7) [48].

Данное явление наблюдается и для эвгенола, при окислении его пероксидом водорода в присутствии пероксидазы хрена (рис. 8) [49].

Гваякол (2-метоксифенол) также хорошо окисляется и соединением I и соединением II фермента, с образованием димера (рис. 9) [46]. Согласно представленной схеме, явление дальнейшей полимеризации не наблюдается, что объясняется строением данного соединения, а именно отсутствием заместителя в п-положении.

Данное предположение подтверждают работы [53, 54], в которых исследуется лигнинпероксидазное окисление препаратов лигнина, предварительно подвергнутых исчерпывающему метилированию. Этот процесс приводит не к конденсации, а к тем же низкомолекулярным продуктам деградации, что и окисление моделей лигнина.

Рис. 6. Модельные нефенольные димеры лигнина с разными типами связей: β-1 (1), β-О-4 (2) и β-5 (3)

Рис. 7. Образование димерных и тримерных структур в результате пероксидазного окисления феруловой кислоты пероксидом водорода

Рис. 8. Предполагаемая полимеризация структур, полученных в ходе пероксидазного окисления эвгенола пероксидом водорода

Рис. 9. Образования окрашенного продукта 3,3-диметокси-4,4-дибензохинона в ходе реакции пероксидазного окисления гваякола пероксидом водорода

Несколько иной характер носит ферментативное окисление диметоксилированных ароматических соединений. Так, 1,2,4,5-тетраметоксибензол окисляется пероксидом водорода в присутствии всех вышерассмотренных ферментов через катоионрадикал до 2,5-диметокси-п- и 4,5-диметокси-о-бензохинона в соотношении 4 : 1 с выделением двух молей метанола на моль субстрата. При этом в случае пероксидазы хинонные атомы кислорода заимствуются из молекул воды, т.е. происходит отщепление метоксильной группы как целого. Вообще, катионрадикалы являются короткоживущими промежуточными продуктами при окислении ди- и тетраметоксибензолов и их производных. Их образование включает как ферментативные так и целый ряд последовательных неферментативных стадий. Примером в данном случае может служить окисление 3,4-диметоксибензилового спирта (вератрола) до вератрового альдегида. В процессе окисления затрагивается не ароматическое кольцо, а, в основном, боковая цепь. Образующийся катионрадикал подвергается неферментативным превращениям в результате нуклеофильной атаки молекулой воды: происходит отщепление протона с образованием бензильного радикала (рис. 10) [44].

В аэробных условиях этот радикал может присоединять молекулу кислорода, образуя при этом оксибензилпероксирадикал. Разложение последнего дает супероксиданион и вератральдегид (до 83%).

Таким образом, при ферментативном окислении ароматических субстратов кислород отвечает за образование пероксирадикалов, которые могут затем вовлекать в цепные неферментативные реакции новые молекулы субстрата, значительно ускоряя его превращение. Но роль кислорода в данном процессе особенно важна, так как необходимо преодолевать явление рекомбинации углеродных радикалов, образуемых при выбросе протона катионрадикалами – непосредственными продуктами ферментативного окисления.


Рис. 10. Неферментативное превращение катионрадикала вератрола и образование вератральдегида в аэробных условиях

Рис. 11. Димеризация монолигнолов сирингильного типа под действием системы пероксид водорода + пероксидаза хрена

За последнее время активно стали развиваться исследования, направленные на получение «синтетического лигнина» – вещества, сходного по структуре, свойствам и строению с природным лигнином (так называемый дигидрополимер – ДГП). Он образуется при пероксидазном окислении мономерных структур как гваяцильного, так и сирингильного ряда. Примером может служить процесс синтеза лигнина при пероксидазном окислении монолигнола синапового спирта (рис. 11) [50].

ДГП как близкий аналог природного лигнина широко применяется в научных исследованиях, поскольку можно управлять его молекулярной массой и мономерным составом, а также включать в нужные места изотопные метки.

Показано, что данный полимер – аналог елового лигнина – разрушается пероксидазой напрямую, согласно рисунка 12 [41].

В литературе приведены сведения о процессе окисления димерных соединений, принадлежащих к классу β-О-4 моделей, лигнинпероксидазой [51, 52]. Данные модели имитируют наиболее распространенный в лигнинах тип димерных фенилпропановых блоков. В молекуле субстрата, принадлежащего к классу β-О-4 моделей, присутствуют два несопряженных диалкоксифенильных остатка, которые могут окисляться лигнинпероксидазой независимо. Если реакция начинается с одноэлектронного окисления диметоксифенильной части молекулы, происходит либо С^α–С^β -фрагментация первичного катион-радикала, приводящая к вератровому альдегиду (8) и продуктам (9), (10), либо его депротонирование и повторное окисление дочернего радикала в кетон (11) (рис. 13).

Если же реакция начинается с одноэлектронного окисления метоксифеноксильного фрагмента молекулы, то происходит гидролитическое расщепление С-О-связей в катион-радикале (в частности, ведущее к соединению (14)) или внутримолекулярная атака -гидроксильной группы с образованием промежуточного кеталя (15) (рис. 14).

Таким образом, катион-радикалам лигниноподобных веществ свойственно множество превращений. Выбор направления зависит от прочности С^α–С^β -связи (фрагментация), доступности для атаки воды (гидролитическое деметилирование), вероятности одноэлектронного окисления дочернего радикала (образование кетонов и альдегидов без фрагментации), а также вида самого фермента.

Рис. 12. Пероксидазное окисление структуры лигнина с образованием ряда продуктов

Данные схемы наглядно демонстрируют, что природа и положение заместителей определяют распределение электронной и спиновой плотности, пространственные взаимодействия, а значит и ход реакции пероксидазного окисления. Так, для модельных соединений лигнина, имеющих заместителей в п-положении, свойственна полимеризация мономерных структур с образованием димеров и тримеров, что существенно снижает скорость их ферментативного окисления.

Рис. 13. Лигнинпероксидазное окисление модели лигнина типа β-О-4 в аэробных условиях. Основные реакции с разрывом С–С связей

Рис. 14. Лигнинпероксидазное окисление модели лигнина типа β-О-4 в аэробных условиях. Основные реакции с разрывом С–О связей

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 79

Похожие:

	Г Основы заготовительного процесса растительного сырья (сбор, первичная... Заготовка лекарственного растительного сырья является многогранным процессом, охватывающим цикл операций, начиная со сбора и заканчивая...		Химия растительного сырья Ю. Д. Алашкевич, В. И. Белоглазов, В. К. Дубовый, Д. А. Дулькин, И. Н. Ковернинский, Б. Н. Кузнецов, А. В. Кучин, Ю. С. Оводов, Г....
	Химия растительного сырья Ю. Д. Алашкевич, В. И. Белоглазов, В. К. Дубовый, Д. А. Дулькин, И. Н. Ковернинский, Б. Н. Кузнецов, А. В. Кучин, Ю. С. Оводов, Г....		Химия растительного сырья Ю. Д. Алашкевич, В. И. Белоглазов, В. К. Дубовый, Д. А. Дулькин, И. Н. Ковернинский, Б. Н. Кузнецов, А. В. Кучин, Ю. С. Оводов, Г....
	Фармакогнозия Под подлинностью лекарственного растительного сырья понимают соответствие сырья Под доброкачественностью лекарственного растительного сырья понимают соответствие сырья		Заготовка сырья дикорастущих и культивируемых лекарственных растении Упаковка, маркировка, транспортирование и хранение лекарственного растительного сырья
	Общая фармакопейная статья Хранение лекарственного растительного сырья и лекарственных растительных препаратов осуществляется в соответствии с офс «Хранение...		Курсовая работа по аптечной технологии лекарств на тему: «Современные... «Современные экстракционные лекарства из растительного сырья. Лекарственные формы»
	Бизнес-план развитие предприятия по сбору и переработке растительного... Обоснование рентабельности развития предприятия по сбору, переработке и экспорту для реализации на территории Российской Федерации...		Ростехнадзор приказ «Требования к применению взрыворазрядителей на оборудовании взрывопожароопасных производственных объектов хранения и переработки...
	Основной документ, регламентирующий приемку фасованного лрс Под доброкачественностью лекарственного растительного сырья понимают соответствие его		2. Место производственной практики в структуре ооп бакалавриата Кафедра: Товароведение, технология сырья и продуктов животного и растительного происхождения имени С. А. Каспарьянца
	Особенности заготовки и анализа дальневосточных видов лекарственного растительного сырья Выявить виды, морфологически сходные с лекарственными; научиться различать их между собой		Федеральный горный и промышленный надзор россии постановление Утвердить "Инструкцию по составлению планов ликвидации аварий и защиты персонала на взрывопожароопасных производственных объектах...
	Разработка и интенсификация процесса сублимационной сушки растительного... Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дагестанский...		Отдел вирусологии и молекулярной диагностики Перечень нормативной... Му 3 1917-04 Порядок и организация контроля за пищевой продукцией, полученной из/или с использованием сырья растительного происхождения,...

Руководство, инструкция по применению

rykovodstvo.ru