Xylan- und Xylooligomer-Hydrolyse durch Pentopan®, eine kommerzielle Endoxylanase

Abstract

Xylan ist der wichtigste Vertreter der Hemicellulosen und das zweithäufigste Polysaccharid in der Natur. Aufgrund der heterogenen Struktur von Xylan wird ein ganzer Enzymkomplex für den Abbau des Polysaccharids benötigt, wobei vor allem die Endo-1,4-[beta]-Xylanasen in den Abbau des Xylans involviert sind. Pentopan ist eine von der Firma Novozymes hergestellte Endo-1,4-[beta]-Xylanase, die vom Pilz Thermomyces lanuginosus produziert wird und keine Cellulaseaktivität aufweist. Diese cellulasefreien Endoxylanasen sind in der Papier- sowie Textilindustrie von besonderer Bedeutung, da dort die Hemicellulosen aus den Rohstoffen entfernt werden müssen ohne die Cellulosefasern zu beschädigen. Pentopan ist jedoch nicht in der Lage Xylan vollständig zu hydrolysieren, da einerseits Xylan durch starke Wechselwirkungen im Zellwandverband mit Cellulose und Lignin verbunden ist und andererseits vermutet wird, dass das Enzym durch Produkte des Abbaus gehemmt wird. Der unvollständige Abbau von Weizenstrohxylan durch Pentopan wurde im Zuge der Diplomarbeit untersucht. Der Umsatz von Weizenstrohxylan zu Xylobiose und Xylotriose, den beiden Hauptprodukten des Xylanabbaus, ergab einen sehr geringen Wert von 25,16 % und die Hydrolysekurven von Xylobiose und Xylotriose einen unerwarteten Verlauf. In den Umsatzkurven war eine Plateaubildung zu erkennen, die nicht durch die im Laufe der Arbeit festgestellte Produkthemmung durch das unverzweigte Xylooligomer Xylotriose erklärt werden kann. Beim Xylanabbau fallen auch verzweigte Xylooligomere und - im Falle von Weizenstrohxylan - insbesondere das Arabinoxylooligomer AraXyl4 als Produkte an. Es stellte sich daher die Frage, ob dieses verzweigte Arabinoxylooligomer die Kinetik des Xylanabbaus negativ beeinflusst.<br />Daher wurde versucht, AraXyl4 durch Hydrolyse von Weizenstrohxylan mittels Pentopan und anschließender Flash Chromatographie zur Auftrennung der Zucker herzustellen. Die Identifizierung von AraXyl4 erfolgte mit Hilfe der Dünnschichtchromatographie, HPLC und Methanolyse mit anschließender GC. Es zeigte sich jedoch, dass das AraXyl4 nicht als Reinsubstanz vorlag, sondern höchstwahrscheinlich mit Glucuronoxylooligomeren verunreinigt war. Die Auswirkungen des hergestellten AraXyl4 auf den Abbau wurden dennoch untersucht, wobei Xylopentaose als Substrat gewählt wurde. Aus den Experimenten des Xylopentaoseabbaus mit Zugabe von AraXyl4 ging hervor, dass sich das hergestellte Oligo in den ersten 120 Sekunden der Hydrolyse überraschenderweise als Aktivator und erst im späteren Verlauf als Inhibitor auf die Xylopentaosehydrolyse auswirkt. Die hier beobachtete Hemmwirkung von AraXyl4 liefert eine mögliche Erklärung für die oben erwähnte Plateaubildung beim Xylanabbau. Zur Erklärung der zweifachen Wirkungsweise des AraXyl4 als Aktivator und Inhibitor wurde ein hypothetisches Reaktionsschema sowie eine Simulation der Werte mit Hilfe des Webtools Enzo erstellt. Die Simulation des X5-Abbaus mit Zugabe des AraXyl4 ergab eine gute Anpassung an die experimentell ermittelten Daten.