Polymer analytical characterization of glucan and mannan from yeastSaccharomyces cerevisiae

Abstract

Samples of glucans and mannans isolated from yeast, Saccharomyces cerevisiae, were characterized using polymer analytical methods: 13C and 1H NMR spectroscopy, IR spectroscopy and light scattering coupled with size exclusion chromatography (SEC/MALLS). Despite partially incomplete reactions, high-molar-mass mannans with a trimodal distribution were obtained with all the enzyme systems. Mannoprotein with a molar mass of 410 000 g mol–1 was obtained using a recombinant glucanase that was completely void of protease activity. Chemically extracted mannans had molar masses of 21 000–62 000 g mol–1, whereas enzymatically isolated mannans had molar masses between 64 000 and 112 000 g mol–1. The native structure of the mannans was damaged by acids and alkalis in chemical extraction. Mannans that were isolated with protease after 6–7 h had molar masses from 116 000–190 000 g mol–1. Here the protein matrix was not completely hydrolysed. Glucan exhibited the 6 signals of the ring C atoms in the 13C NMR spectrum, and in the IR spectrum the typical mannan bands at 820 cm–1 had disappeared. The degree of substitution of the synthesized CM-glucans (CM = carboxymethyl), which was determined by 13C NMR spectroscopy, had values ranging from DS = 0.5–1. In curdlan derivatives, depending upon the synthesis, over 90% degradation was found for the phosphatization, whereas in the carboxymethylation of barley glucan the degradation was only 15–35%. The glucan derivatives of the baker's yeast investigated have higher molar masses than those of the spent brewer's yeast investigated. CM-glucans synthesized from yeast had a bimodal distribution. This was not observed for CM-curdlan. Reacting the cell walls with an enzyme cocktail (EC3) at pH = 9 was intended to suppress the glucanase activity in favour of protease activity, so as to achieve high-molar-mass glucan. However, the molar masses of 65 000–100 000 g mol–1 from the CM-glucans synthesized in this way showed that the glucanase activity could only be partially suppressed. Aus Hefe Saccharomyces Cerevisiae isolierte Glucane und Mannane wurden mit den Methoden 13C- und 1H-NMR-Spektroskopie, IR-Spektroskopie und Lichtstreuung gekoppelt mit Größenausschlußchromatographie (SEC/MALLS) charakterisiert. Trotz teilweise unvollständiger Umsetzungen ließen sich mit allen Enzymsystemen hochmolekulare Mannane mit trimodaler Verteilung gewinnen. Bei Einsatz einer rekombinanten Glucanase, die völlig frei von Protease-Aktivität war, wurde Mannoprotein mit einer Molmasse von 410 000 g mol–1 erhalten. Chemisch extrahierte Mannane hatten Molmassen von 21 000–62 000 g mol–1, während enzymatisch isolierte Mannane Molmassen zwischen 64 000 und 112 000 g mol–1 hatten. Durch Säuren oder Laugen wurde bei der chemischen Extraktion die native Struktur des Mannans beschädigt. Mannane, die mit Protease nach 6–7 h isoliert wurden, hatten Molmassen von 116 000–190 000 g mol–1. Hier wurde die Protein-Matrix noch nicht vollständig hydrolysiert. Glucan zeigte im 13C-NMR-Spektrum die 6 Signale der Ring-C-Atome, und im IR-Spektrum war die typische Mannan-Bande bei 820 cm–1 verschwunden. Der durch 13C-NMR-Spektroskopie bestimmte Substitutionsgrad DS der hergestellten wasserlöslichen Carboxymethyl(CM)-Glucane lag bei DS = 0,5–1. Am Beispiel von Curdlanderivaten wurde für die Phosphatierung eine synthesebedingte Degradation von über 90% nachgewiesen, während bei der Carboxymethylierung von Gerstenglucan die Degradation nur 15–35% betrug. Die Glucanderivate der untersuchten Bäckerhefe haben höhere Molmassen als die der untersuchten Brauereiüberschußhefe. CM-Glucane, die aus Hefe synthetisiert wurden, hatten eine bimodale Verteilung. Dies wurde für CM-Curdlan nicht beobachtet. Durch Umsetzung von Zellwänden mit einem Enzymcocktail (EC3) bei pH = 9 sollte die Glucanase-Aktivität zugunsten der Protease-Aktivität unterdrückt werden, um so hochmolekulares Glucan zu gewinnen. Die Molmassen von 65 000–100 000 g mol–1 der daraus hergestellten CM-Glucane zeigten jedoch, daß die Glucanase-Aktivität nur unvollständig unterdrückt werden konnte.