Badania nad zmianami w strukturze mikrofibryli celulozowych i ich uporządkowania w roślinnej ścianie komórkowej oraz ich wpływ na właściwości mechaniczne ściany komórkowej w czasie rozwoju, dojrzewania i przechowywania owoców

Tytuł: Badania nad zmianami w strukturze mikrofibryli celulozowych i ich uporządkowania w roślinnej ścianie komórkowej oraz ich wpływ na właściwości mechaniczne ściany komórkowej w czasie rozwoju, dojrzewania i przechowywania owoców.

UMO-2011/01/D/NZ9/02494

Kierownik: Monika Szymańska-Chargot

Okres: 2011-2015

Typ projektu i finansowanie: Narodowe Centrum Nauki, program Sonata

Celem niniejszego projektu jest określenie:

Jaki wpływ ma organizacja mikrofibryli celulozowych na strukturę i mechanikę ścian komórkowych podczas wzrostu, dojrzewania i przechowywania owoców?

Roślinna ściana komórkowa składa się ze składników szkieletu złożonego z celulozy zorganizowanej w mikrofibryle oraz ze składników podłoża składającego się z nie-celulozowych polisacharydów (pektyn i hemiceluloz), białek oraz fenoli. Mikrofibryle celulozy wykazują zróżnicowanie strukturalne: wysokokrystaliczny rdzeń otoczony jest przez amorficzną formę celulozy. Natomiast składniki podłoża są w zupełności amorficzne i nie wykazują praktycznie żadnego uporządkowania. Od stopnia krystaliczności celulozy, czyli od stosunku obszaru krystalicznego do obszaru amorficznego, zależą właściwości fizykochemiczne ścian komórkowych, takie jak zdolność wiązania wody, czy zdolność wchodzenia w reakcje chemiczne, a także właściwości mechaniczne, które w bezpośredni sposób wpływają na teksturę owoców i warzyw.

Podejrzewa się, że na strukturę mikrofibryli celulozowych ma wpływ obecność składników podłoża. Główne składniki podłoża: pektyny i hemicelulozy (głównie ksyloglukan), występują w różnych stężeniach w zależności od źródła. Główną rolą pektyn i hemiceluloz jest wiązanie mikrofibryli celulozowych w ścianie komórkowej. Hemicelulozy (ksyloglukan) otaczają mikrofibryle celulozowe, przyłączają się do ich powierzchni, jak i pomiędzy nimi. Uważa się natomiast, że pektyny tworzą zupełnie niezależną sieć. Koncentracja nie-celulozowych polisacharydów ściany komórkowej zmienia się podczas dojrzewania owoców, jak i pozbiorczego przechowywania. Podczas dojrzewania zmiany we właściwościach ścian komórkowych są wynikiem głównie syntezy, natomiast po zbiorze degradacji. W tym drugim etapie następuje depolimeryzacja  i spadek ilości pektyn i hemiceluloz w wyniku działania enzymów, co powoduje rozluźnienie struktury ścian komórkowych. Z drugiej strony, nie-celulozowe polisacharydy są wbudowywane w ścianę komórkową w różnym czasie jej wzrostu i różnicowania.

W związku z powyższym powstają następujące pytania:

• czy stopień krystaliczności celulozy jest wartością stałą w czasie, kiedy i w jakich warunkach się ewentualnie tworzy i jak wpływa na pozbiorczą teksturę  owoców?
• czy struktura i uporządkowanie mikrofibryli celulozowych w ścianie komórkowej zmienia się w czasie oraz jaki ma wpływ na mechanikę ściany komórkowej oraz jaki wpływ mają nie-celulozowe polisacharydy ściany komórkowej na uporządkowanie oraz strukturę samych mikrofibryli celulozowych.

Obecna wiedza na ten temat jest cząstkowa zarówno w obszarze badań eksperymentalnych jak i modelowych.

Właściwości mechaniczne ścian komórkowych mają wpływ na teksturę owoców, która jest głównym wyznacznikiem jakości konsumenckiej owoców i warzyw. Podczas procesów metabolicznych, takich jak dojrzewanie czy przechowywanie i przetwarzanie, tkanki owoców ulegają zmianom prowadzącym między innymi do niepożądanego mięknięcia owocu. Na elastyczność ścian komórkowych ma wpływ zawartość wody, która wiąże się w amorficznych obszarach ściany komórkowej, a także zawartość i stopień estryfikacji pektyn. Stopień krystaliczności celulozy (obszary krystaliczne są sztywniejsze na rozciąganie) oraz uporządkowanie fibryli będzie prawdopodobnie wpływać na właściwości mechaniczne ściany komórkowej i tym samy na zewnętrzne cechy tekstury, które są istotne dla konsumenta. Niniejszy projekt podejmuje zagadnienie poznania podstaw tego zjawiska i pozwoli określić czy budowa mikrokrystaliczna i jej ewentualne zmiany mają wpływ również na cechy makro, czyli mechanikę ścian komórkowych. Pod tym względem wyniki projektu będą miały znaczenie dla dalszych badań nad optymalizowaniem, również pod kątem atrakcyjności konsumpcyjnej, procesów wzrostu, zbioru i przechowywania owoców i warzyw.

Roślinne ściany komórkowe są wykorzystywane również w wielu gałęziach przemysłu (wytwarzanie papieru, biopaliwa, wytwarzanie pasz, suplementacja produktów spożywczych, przemysł włókienniczym). Jest też substancją wyjściową do otrzymywania wielu surowców chemicznych, np. nitrocelulozy służącej do wyrobu tworzyw sztucznych i materiałów wybuchowych oraz acetylocelulozy, z której wyrabia się tworzywa sztuczne i sztuczny jedwab. Stopień uporządkowania mikrofibryli celulozowych, czy ich stopień krystaliczności w ścianie komórkowej również mają ogromny wpływ na procesy przetwórcze i zarządzanie odpadami. Celuloza jest wyjątkowo mocnym polimerem, który ulega hydrolizie pod wpływem enzymu (celulazy) lub działaniu stężonych kwasów (siarkowego, azotowego). Związki chemiczne, mające na celu rozkład celulozy najefektywniej oddziaływają na obszary amorficzne, natomiast mają niewielki dostęp do obszarów krystalicznych. Opracowywanie optymalnych technologii hydrolizy celulozy ma na celu zwiększenie jej efektywności oraz zmniejszenie nakładanych kosztów. Dlatego też badania nad strukturą krystaliczną mikrofibryli celulozowych oraz ich uporządkowaniem w ścianach komórkowych są także istotne z punktu widzenia optymalizacji procesów przetwórczych.

Znaczenie niniejszego projektu jest również poznawcze. Dotychczas ukazało się niewiele prac, podejmujących temat zmian struktury mikrofibryli celulozy podczas wzrostu, dojrzewania, czy przechowywania owoców. Istotnym również będzie określenie wpływu zmieniających się stężeń pektyn, czy hemiceluloz na strukturę celulozy, również poprzez wykonanie badań modelowych.

Publikacje:

1. Szymanska-Chargot M., Chylinska M., Kruk B., Zdunek A. „Combining FT-IR spectroscopy and multivariate analysis for qualitative and quantitative analysis of the cell wall composition changes during apples development.” Carbohydrate Polymers, 115 (2015) 93–103.
2. Chylińska M., Szymańska-Chargot M., Zdunek A., 2014. „Imaging of polysaccharides in the tomato cell wall with Raman microspectroscopy.” Plant Methods, 10:14 (2014) 1-9.
3. Szymańska-Chargot M., Zdunek A. “Use of FT-IR spectra and PCA to the bulk characterization of cell wall residues of fruits and vegetables along a fraction process.”  Food Biophysics,  8 (2013) 29-42.
4. Szymanska-Chargot M., Adamiak A.,Zdunek A.. “Pre-harvest monitoring of apple fruits development with the use of biospeckle method.” Scientia Horticulturae 145 (2012) 23-28.