Studien Ober Pflanzenkolloide XL. Ober die Reaktion der St trke mit EiweiBk6rpern.

Von M. S a m e c . , (Nach Versuchen yon A. Du rj ava . ) �9 (Aus dem Chemischen Institut der K6nig-Alexander-UniversitS.t Ljubljana,

Jugoslawien.) (Mit 2 Figuren.)

(Eingegangen am 13. November 193-1.)

Iri den StS.rkek6rnern der meisten Pflanzen linden wit stickstoff- haltige Begleitstoffe. W~hrend in vielen FS.llen (z. B. bei Kartoffelst~irke und denVerwandten) diese die physikochemischen und kolloidchemisehen Merkmale der L6sungen in keinem gr6t3eren Ausmat3e beeinflussen, maehen sich in anderen F/illen (z. B. Weizenst/irke) N-haltige Begleit- stoffe stark geltend. Wir beobachten bei dieser zweiten Gruppe von St/irkearten vor allem eine Inaktivierung des Phosphors und eine im Vergleich zu den Vertretern der ersten Gruppe relativ niedrige Kleister- zghigkeit.

In der vorliegenden Arbeit suchten wit auf synthetischem Wege einige BeitrS.ge zu der Frage der Stlirke-Eiweil3-Kombinationen zu bringen.

Diesem Thema wurden in der letzten Zeit zwei gr6Bere Unter- suchungen gewidmet. Wo. O s t w a l d und R:H. H e r t e l 1) untersuchten die Entmischungs- und Flockungserseheinungen beim Mischen yon Mais, Reis, Weizen und Kartoffelst/~rke mit Gelatine, und zwar bei variabler Konzentration der StS.rke (1/4 bis ,5 Proz.) und der Gelatine (1 bis 8 P-roz.). Es zeigte sich, dab die StS.rke durch geeignet konzentrierte Gelatine bis zur Flockung entwS.ssert werden kann.

NS.her zu unserem Problem stem die Arbeit yon St. J. v. P e r z y - l eck i und M. P. G r y n b e r g 2 ) . Sic suchten Verbindungen zwischen Amylopektin und NukleinsS.ure sowie zwischen Amylopektin-, Nuklein- sS.ure und Proteinen herzustellen.

WS.hrend beim ersten Paar im Bereich von PH = 3,0--8,0 keine Kombinationen beobachtet werden konnten, finden sich solche beim Hin-

z) Wo. Ostwald u. R.:H. Her te l , Kolloid-Z. 47, 258, 357 (199.9). =) St. J. Perzylecki u. M. P. Grynbe rg , Biochem. Z. ~80, 895 (1983).

9.9

450 KOLLOID-BEIHEFTE BAND 40, HEFT 7--19

zutreten eines Proteins. Die Zusammensetzung dieser Dreistoffsysteme

erwies sich als unabhiingig yon der Konzentra t ion der Komponenten,

yon der Natur des Proteins und yore PH, doch gelingt ihr Aufbau nu t bei geringen relativen Mengen yon Nukleins/iure, da das Amylopekt in

durch diese aus der Eiweiflverbindung verdriingt wird.

I. Unsere bier beschriebenen Versuche sind unmit te lbar der Frage ge-

widmet, ob man an Mischungen yon Kartoffelamylopektin mit Eiweitl-

k6rpern eine derartige Verschiebung der Eigenschaften beobaehten kann,

daft sich das Kartoffelamylopektin dem Weizenamylopekt in ann/ihert.

Die drei besonders typischen Merkmale dieser beiden St~irkeprodukte

sind bekanntl ich der Aspekt, die 1 G r a m m a t o m P entsprechende Pro-

tonen-Aktivitl i t und die Kleisterz~ihigkeit. Wir fanden z. B.1):

den Aspekt

bei Kartoffelst~irke . klar, schleimig,

fadenziehend

bei Weizen . . . . mehlig, weifl, trfib, past6s

t/t I 1 Grammatom P in lproz. L6sung entsprechende (1/2 Stunde auf

Grammionen H 1200 erhitzt)

0 ,6--0,7 11,6

0,02 1,8

Ffir die hier beschriebene Untersuchung mischten wir analog wie bei den seinerzeit ausgeftihrten potentiometrischen Titrationen des Kar-

toffelamylopektins ~) passend verdtinnte L6sungen von Kartoffelamylo-

pektin mit Gelatine, bzw. Ovalbumin 8) unter AnschluB der Luftkohlen-

1) M. Samec u. R. Klemen , Kolloid-Beih. $8, 254 (1931). 2) M. Samec, Kolloid-Beih. 89, 449(1931); Chemicky listi $6, 1 (1932). 3) a) Bereitung des Kartoffelamylopektins: 24 g reinste Handelskartoffel-

stiirke wurde in 1 Liter Wasser 1/2 Stunde auf 120 o erhitzt und nach dem Ab- ktihlen so lange elektrodialysiert t150 V), bis die elektrische Leitfiihigkeit bei tiiglieh dreimaligem Wasserwechsel in den Aullenzellen konstant blieb (3 bis 4 Tage). Die Solphase wurde abpipettiert, die Gelphase nach Ermittelung ihres Substanzgehaltes auf 1 Proz. Trockengehalt mit ausgekochtem destilliertem Wasser verdfinnt.

b) Die Gelatine wurde in B15.ttern gegen dreimal tiiglich gewechseltes destilliertes Wasser 21 Tage dialysiert (Leitfiihigkeitskonstanz); unten im Dialy- siergefiiB befand sich Chloroform, oben Toluol. Die gequolienen Platten wurden. bei 40 o geschmolzen, die LSsung war 7,1prozentig, sie wurde unter Toluol aufbewahrt.

c) Bereitung des Ovalbumins nach Wo. Pauli . Aus 25 verliiBlich [rischen Eiern wurde das Eiklar abgetrennt, mit dem doppelten Volumen destilliertem Wasser verriihrt und unter Verwendung passender Vorschaltwiderstiinde elektro- dialysiert. Anfangs wttrde das Wasser alle halben Stunden gewechselt. Nach 2 Tagen konnten die Kiivetten direkt an die Gleichstromleitung yon 150 V

SAMEC, STUDIEN I~BER PFLANZENKOLLOIDE XL 451

s~iure, so daft die Endkonzentration des Amylopektins 0,5 Proz. be- trug. Die zugesetzte EiweiBmenge wurde variiert. In der Weizenst~trke

betr~igt das atom~ire Verh~iltnis P : N etwa 1 : 3; auf dieser Grundlafie magen wit einige 15gliedrige Serien derart zusammengestellter Amylo- pektin-Gelatine-Mischungen, dab das Verh~iltnis P : N in den Grenzen zwischen 4 : 1 und 1 : 10 lag; hierbei stieg der Gelatine-Gehalt der Mi- schung y o n 0,0005 au f 0,022 Proz., und das Gewichtsverh~iltnis Amylo- pektin: Gelatine von 1 : 0,001 auf 1 : 0,044.

In diesem Mengenverh~ltnis konnten wir eine Ver~inderung der Amylopektinmerkmale durch Eiweigk6rper nicht feststellen. Die Mi- schung glich ~iuflerlich dem Amyl0pektin-Sol. Durch Zusatz von Alkohol 1) trfibten sich die Sole und flockten nach einigen Tagen aus, doch konnte ein verl/~Blich reproduzierbarer Unterschied im Trtibungsgrade oder im Volumen des Koagulums nicht beobachtet werden. Auch das PH der AmylopektinlSsung, welches nach B j e r r u m - A r r h e n i u s 3,7 betrug, ~inderte sich nach Zusatz der Gelatine (PH 5,9--6,0) nicht merklich ;be im Verh/iltnis P : N ~--- 1 : 1 0 erreichte das PH den Wert 3,9.

Wir steigerten daher in den folgenden Versuchen die Menge des Ei- weiBk6rpers so, dab nicht sein N-Gehalt, sondern sein A.quivalent- gewicht mit dem P-Gehalte des Amylopektins in eine st6chiometrische Relation gebracht wurde. Bei der Reaktion mit S/iuren entsprechen 1 Grammatom H 960g Gelatine oder 909 g Ovalbumina). Da 100cm3einer lprozentigen Kartoffelamylopektinl6sung 25" 10 .6 Grammatome Phos- phor enthalten, wfirde man bei der vereinfachten Annahme, da0 je einem Atom P ein reaktionsf/ihiges Proton entspricht, 25 �9 10 .6 �9 960 2,4 �9 10 .3 g Gelatine oder 2,3 �9 10 'a g Ovalbumin zu seiner Neutralisation ben6tigenS). Da bei dem komplizierten Bau der reagierenden Molekfile oder Molate das aus der Reaktion mit einfachen S/iuren errechnete Aquivalentgewicht sicher nicht eine volle Geltung haben kann, setzten wir bis zu 18gliedrige Serien so zusammen, dab bei konstant gehaltener Amylopektinmenge (0,5 Proz. Endkonzentration) das Verh/iltnis Gramm-

angeschlossen werden. Das sich abscheidende Koagulum wurde entfernt. Nach einer Gesamtdialysierdauer yon 6 Tagen blieb das Sol klar (Trockengehalt 3,91 Proz.). Es wurde unter Toluol aufbewahrt.

x) Gleiche Volumina der Amylopektin.Gelatine-Mischung und 96 Proz. Alkohol.

3) Wo. Pauli u. Valk6, Kolloidchemie der Eiweil~k6rper. 3) Fiir die Mischungen diente uns je eine Stamml6sung von Amylopektin,

Gelatine und Ovalbumin. Das Amylopektin war lprozentig, die Gelatine 0,24- und das Ovalbumin 1,15prozentig. Es wurden gleiche Raumteile Amylopektin und passend verdiinnte EiweigstammlSsungen gemischt und 48 Stunden stehen gelassen. Die Alkoholmischungen beobachteten wir 1 Woche lang.

452 �9 KOLI:OID - BEIHEFTE BAND ~0; HEFT 7--12 " '

a t o m P: GrammS.qu iva l en t Ge la t ine in den Grenzen 1:1]4 bis 1 : 3 0 var i -

ier te . Der Eiwei t3gehal t der 1.6sung war hierbei na t t i r l i cherweise n i eh t

u n b e d e u t e n d (0,003 bis 0,36 Proz.) .

Bei dieser Arbe i t swe i se b e o b a c h t e t m a n - - wie zu e rwar t en war -~-

e inen Ab ta l l der P ro tonenak t iv i tS . t , welche sehliefl l ich der P r o t o n e n -

akt ivi t~i t des in der Mischung v o r h a n d e n e n Eiwei f lkSrpers g l e i c h k o m m t .

Die Tabe l l e I g ibt ein Beispiel ffir e inen solehen Neu t r a l i s a t i onsp rozeB

mi t Ge la t ine und Tabe l l e I I mi t O v a l b u m i n .

T a b e l l e I.

R e a k t i o n v 0 n K a r t o f f e l a m y l o p e k t i n m i t G e l a t i n e . "

E n d k o n z e n t r a t i o n des A m y l o p e k t i n s 0,5 Proz . , ) k q u i v a l e n t g e w i c h t

der G e l a t i n e Ae = 960.

N~tch 48s t t indiger R e a k t i o n s d a u e r gemessen .

Mischungs. verhiiltnis

Gramm/iqui- valente Ei-

weig pro Grammatom .... - P " 105

1/4 0,24 . 1/2 0 ,22

a ] 4 0,21 1 0,20

2 0,25 3 0 ,22 4 0,24 5 0,22

R e a k t i o n y o n

E n d k o n z e n t r a t i o n

P

I ] . . . . . . . . .

C I M,schungs-i C I c" . H , I r , v , v , �9 verh~iltnis I ~ , " . , der Gelatine- . . . . . .~o. c-.~_.:_~ der Gelatine- , urammaqul- i ,-,,-- ,-,,--~--~- Amylo- ! . . . . ' , , , Amylo- - " 1 va~ente ~ - wasser - . . pe~ctm- , . . pemm-

x~;ochu. = weld pro Mischung Mischun,~ .... ~ ,,s Grammatom b

�9 1 0 5 . 1 0 5 . l0 s

25,7 6 12,6 7 11,5 8 10,7 9 10,2 10

8,8 20 7,9 30 7,0 46 6,6

T a b e l l e I I .

0,20 0,20 0,17 0,19 0,18 0,24 0,20 0,17

6,3 5,3 4,9 4,8 3,7 1,3

0 , 2 3 0,23

C H

der Gelatine- Wasser-

Mischung

K a r t o f f e l a m y l o p e k t i n m i t O v a l b u m i n .

des A m y l o p e k t i n s 0,5 Proz. , A q u i v a l e n t g e w i c h t

des O v a l b u m i n s Ae = 909.

Nach 48st f indiger R e a k t i o n s d a u e r gemessen .

Mischungsverhfiltnis Gramm/iquivalente

Eiweifl pro Grammatom P

:

10 20 30 40

' i

C H ' C H . :

; der Ovalbumin- Wasser- ~ derOvalbumin- Amylo- Mischung �9 l0 s

0,38 0,37 0,36 0,36

pektin-Mischung �9 105:

19,1 0,81 0,44 0,36 0,36

SAMEC, S ' I4UDIEN OBI~.R PFLANZENKOLI/ )21IDE X L ~ : 5 ~

Eine Reaktiori des Amylopektins mit den.Eiweitlk6rpern zeigt auch die Viskosit~it an. (Tabelle III und IV).

Tabel le IlI. Re la t ive Re ibung von A m y l o p e k t i n - Ge la t ine -Mischungen bei 250 C.

Endkonzentration des Amylopektins 0,5 Proz.

Mischung, Grammiiquivalente Eiweifl ['. pro Grammatom P 0

i . . . . . i

U b e r d r u c k 10 cm

Mischung Spezifische Reibung {

7--1 Berechneter

additiver Wert

Ob

Relative Reibung t/t 1 { %

Spezifische Reibung { 7 - - 1

Berechneter additiver Wert

10 20 30

2,790 Gelatine Mischung 1,790

Mischung 1,790

e r d r u c k 40 cm Gelatine Misehung 9,,217 Gelatine Mischung 1,217

Mischung 1,217

Wasse r . 1,102 2,212 0,102

, 1,212

i 1,892 Wasse r .

J 1,100 1,896 0,100 0,896

�9

1,275 2,415 0,275 1,415

2,060

1,260 2,100 0,260 1,100

1,477

1,522 2,888 0,522 1,888

2,312

1,417 2,433 0,417 1,433

1,639

Tabel le IV. Re la t ive R e i b u n g v o n A m y l o p e k t i n - O v a l b u m i n - Mischungcn bei 250 C.

Endkonzentration des Amylopektins 0,5 Proz.

Mischung Grammiiquivalente Eiweil3 ! 0 10 20 30 pro Grammatom P 4o

U b e r d r u c k 10 cm IOvalbuminll --

RelativeReibungt/tx/Mischung II 3,063 Spezifische Reibung J Ovalbumin II --

7 -- 1 [ Mischung 2,063 Berechneter

additivcr Wert Mischung 2,063

U b e r d r u c k 40 em

Relative Reibung t/t I J'Ovalbumin/[ -- [Misehung 2,394

Spezifisehe Reibung [Ovalbumin �9 / - - 1 /Mischung /I Berechneter 1,394

additiver Wert Misehung 1/.1,394

Wasser . I 1,094 1,028

2,770 2,455 0,034 0,028 1,770 1,455

2,097 2,091 Wasser . 1,010 1,015 2,203 2,045 0,010 0,015 1,203 1,045

1,404 1,409

1,024 2,331 0,024 1,331

2,087

1,001 1,943 0,001 0,943

1,395

1,035 2,184 0,035 1,184

2,098

1,035 1,858 0,035 0,858

1,429

4 5 ~ KOLLOID- BEIHEFTE BAND 40, HEFT 7--18

Wir sehen, dab der Zusatz yon EiweiBk6rpern die innere Reibung des Amylopektins erniedrigt; bei Gelatinemischungen, welche reicher an Gelatine sind, steigt nach Obersehreiten eines Minimums die innere Rei-

x-

~ I E~RE KHNETE P~ E. ~ AbI~.WERT ~ 21>I. ~ MrSEHgNb

GELATI'NE

I I I 40 20 30 AE0.U~ALENT~ G ELATINE

= PRO BRAMATOM PH05PHOR Fig. 1.

.!1 O: 2 0

I/1

U.

N U O. io tP

0

OE~EEHNE~E~

~ M ( S C ~JNO

OVAL~UN~ ,6 25 ~

AEQuI'VALENTE OVAL{aUMFI~ P~O GDAMATOM ~HOSPHOCq Fig. 2.

SAMEC, STUDIEN 0BEN PFLANZENKOLLOIDE XL 4 5 5

bung wieder an, was bei der hohen Eigenreibung der Gelatine nicht ver-

wunderlich ist, doch bleibt sie aber immer unter dem additiven Wert. Bei Amylopektin-Ovalbumin-Mischungen ist eine solehe Umkehr nicht zu beobaehten (vgl. Fig. 1 und 2).

Ein analoges Bild wie die Viskositlit gibt auch die Alkoholf~illung. Mischt man z. B. 1 cm 3 der Amylopektin-EiweiB-Misehung mit einigen

Zehntel Kubikzentimeter 96prozentigen Alkohols, so sieht man, dab die Koagulationstendenz des Amylopektins durch die Eiweiflk6rper ver- st/irkt wird. Bei der Gelatine entspricht dem Minimum der Viskositiit ein Maximum der Alkoholf/illbarkeit, so dab diese in der gelatinereicheren

Mischung wieder etwas nachl~it3t, bei Ovalbumin-Amylopektin-Mischun- gen hingegen steigt symbat mit dem Absinken der Reibung die F/illbar-

keit durch Alkohol. Ovalbumin gegentiber spielt tibrigens das Amylopektin eine schtit-

zende Rolle; seine verschieden konzentrierten LSsungen werden bei Gegenwart yon Amylopektin schwerer gef~illt als ohne dieses.

T a b e l l e V.

Elektro- Aussehen dialytisch

und fiillbarer Konsistenz Anteil

Proz.

CramIll- ionen H

pro Gramm- atom P

Suspension

/

Kartoffelamylopektin klar, schleimig, / fadenziehend 91 0,66

L

Kartof/elamylopektin + Gelatine triib, nicht sehleimig, P : Eiweifl/iqu. = 1 : 30 nicht fadenziehend 79 0,015

Kartoffelamylopektin + nieht fadenziehend, Ovalbumin sehr triib 49 0,03

P : Eiweil~iqu. = 1 : 30

Weizenamylopektin milchig, weige 77 0,02

Die kolloidchemischen Ver~nderungen, welche das Amylopektin durch die Paarung mit Eiweit3k6rpern erf~hrt, werden aueh bei der Elektrodialyse der LSsungen sichtbar. Das durch Elektrodialyse aus der St~trkel6sung abgeschiedene Kartoffelamylopektin wird nach dem An- riihren mit Wasser elektrodialytisch fast quant i ta t iv wieder geflillt, so dab man es durch Wiederholen dieser Manipulation ,,waschen" kannl). Ist jedoch ein Eiweit3k6rper zugegen, so bleibt ein betrlichtlicher Rest

1) M. Samec u. A. Mayer, Kolloid.Beih. 18, 279. (1921).

~ 6 KOLLOID - BEIHEFTE BAND 40, HEFT 7--1'2

als.Sol fibrig. Die Phasentrennung erfolgt langsam, das abgeschiedene Gel ist~ weifl,trfib, locker~ wenig viskos und nicht fadenziehend; seine Konzent~ation erreicht nur:el~wa 2,5 Proz., wAhrend man das reine Kar- toffelamylopektin ohne Schwierigkeit dureh Elektrodialyse auf 7--8 Proz Trockengehalt konzentrieren kann. Die AktivitAt der H:Ionen bleibt aueh nach der Elektrodialyse auf jenem niedrigen Wert, auf den sic durah Eiweigzusatz gedrfiekt worden ist. Die Tabelle V gibt eine Uber- sicht fiber diese Versuche.

II.

Diese Versuehe zeigen, daft Zwischen dem Kartoffelamylopektin und Gelatine bzw. Ovalbumin tats~.ehlich eine Art Neutralisationsprozeg ab- iAuft, bei welchem symbat mit dem Abfall der H-Ionen-AktivitAt die charakteristischen kolloiden Merkmale weehseln. Die hierfar notwendige i~iweiBmenge ist jedoch betrAchtlich ; ein Abfallen der C H auf die Gr6gen- ordnung 10 .6 erfolgt erst bei Zusatz yon etwa 10 Aquivalenten Eiweig pro Grammatom P. Die Bindung der beiden Kolloide erfolgt wohl dureh Vermittlung der basischen NHo-Gruppen des Proteins und der POsH2- Gruppe des Amylopektins. Die neue Mieelle umgeben, wenn auch in sehr geringer AktivitAt, Protonen, das Kolloid bleibt auch naeh erfolgter ,,Net/tral~sation" negativ geladen.

Die."Kombination des Kartoffe|amylopektins mit Eiweiflk6rpern Ifihrt zu kolloiden Systemen, welche dem Weizenamylopektin nailer stehen als dem Kartoffe]amylopektin; ein v611iges Angleichen gelingt jedoch auf dem beschriebenen V~Tege nicht. In erster Linie wissen wir ja, daft die Natur der Samenproteinr eine wesentlich andere ist, als die der yon uns gebrauchten Eiweiflk6rper; ~uch.die Bedingungeni unter wel- chen die Reservestoffe im Getreidekorn deponiert werden, k6nnen mit unseren einfachen Mischungsmanipulationen nicht verglichen werden. Trotzdem aber stimmen die besehi:iebenen Versuche einerseits v611ig zu dem Bilde, welches wir fiber die Reaktionen der AmylophosphorsAure entwiekelt haben, anderseits aber stfitzen sie die von uns bereits mehr- fach geAuBerte Ansicht, dab in der WeizenstArke ein Teil des Phosphors mit der N-llaltigen Atomgruppe in festerer Bindung vorliegt, als etwa bei einfacher Salzbildung der Fall ware.

SAMEC, STUDIEN I~IBER PFLANZENKOLLOIDE XL ~57

Zusammenfassung. Mischt man die dutch Elektrodialyse einer Kartoffelst~irkel6sung ab-

geschiedene Gelphase (Amylopektin), deren Eigenschaften durch eine Organophosphors~iure bestimmt werden, mit LSsungen yon EiweiiL kSrpern (Gelatine Ovalbumin), so erfolgt ein Neutralisationsprozefl, bei welehem die H-Ionenaktivit~it der Mischung auf die GrSt3enordnung yon 10-~n f~illt.

Hierbei sinkt die Viskosit~it, es steigt die F~illbarkeit durch Alkohol, das Kolloid wird elektrodialytisch schwerer und unvollkommen f~llbar.

Das Kartoffelamylopektin wird in mancher Hinsicht ~ihnlich dem Weizenamylopektin.

29*