thesis

Biochimie et histologie de la dégradation enzymatique du son de blé par une endoxylanase

Defense date:

Jan. 1, 2002

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Institution:

Reims

Disciplines:

Biochemistry

Authors:

Directors:

Abstract EN:

Agricultural by-products represent vast renewable energy which can be harnessed using enzymatic bioconversion strategies. The enzymatic treatment of lignocellulose substrates is an alternative to environmentally-damaging chemical processes which are often employed for the hydrolysis of this material. Wheat bran, an important by-product of the cereal industry, is a hemicellulosic-rich substrate whose major component is xylan (40 % of dry matter). Using a 20. 7 kDa thermostable endo-β (14)-xylanase, 50 %of the cell wall xylan in wheat bran was solubilized. This maximum rate of degradation was observed for very low ratio enzyme/substrate (about 8 µg of protein per g of substrate). Monosaccharide composition of the hydrolysis products suggest that the xylanase solubilized arabinoxylans lowly substituded. Beside the release of oligosaccharides in the supernatant, the hydrolysis reaction induced some protein and β-glucans solubilization. Whereas recalcitrant hemicelluloses structures are highly substituded (X/A = 1). Our studies indicate, that high arabinose substitution of residual arabinoxylans constitute a limiting factor to endoxylanase degradation. However, in addition ot the structural feature of arabinoxylans, other cell wall components may be responsible for the limitation of enzyme-mediated hydrolysis of arabinoxylans. Plant cell walls are composites of cellulose microfibrils imbedded in a matrix, which is composed of various hemicellulosic polysaccharides (arabinoxylans and pectin), proteins, and lignin. These different polymers are held together by various kinds of linkages to give a true cell wall network, which may limit access of hydrolase. Notably, feruloyl moieties that can form cross linkages between polysaccharide chains, or between lignin and polysaccharide, may hamper enzymatic action. In order to provide a more precise identification of the structural (arabinoxylan structure) and histological features of wheat bran which limit enzyme action, a part of this study was conducted using different wheat bran fractions which were obtained by microdissection. In this way, the hydrolysis of three individual layers, the aleurone cell layer (AL), the middle layer (ML, composed of the nucellus, testa, tubes cells and cross cells) and the external layer (EL), composed of the thin walled cells, hypodermis and epidermis) was studied. Xylanase released 80 % and 50 % of aleurone layer and middle layer carbohydrate content respectively. In contrast the external layer was insensible at enzymatic hydrolysis.

Abstract FR:

Les co-produits agricoles représentent une matière première renouvelable disponible en quantité importante pouvant être valorisée par bioconversion enzymatique. La valorisation des substrats lignocellulosiques par voie enzymatique représente une alternative aux procédés chimiques polluants et non spécifiques, généralement employés. Le son de blé, co-produit issu de la production du blé, est particulièrement riche en hémicelluloses (40 % de sa matière sèche). L’hydrolyse du son de blé par une β (1,4) endoxylanase thermostable de 20 KDa permet la libération de 50 % des arabinoxylanes. Ce taux maximal d’hydrolyse est observé même lorsque le rapport [E]/[S] est très faible (de l’ordre de 8 µg de protéine/g de substrat). La détermination de la composition en monosaccharide des produits de réactions montre que la xylanase permet la solubilisation de structures arabinoxylanes de type faiblement substituées. En plus de la libération d’oligosaccharides dans le surnageant, l’action de la xylanase s’accompagne de la solubilisation de protéines et de β-glucanes. Les structures hémicellulosiques non dégradées par l’enzyme sont fortement (X/A = 1). Nos travaux mettent en évidence que le degré de substitution élevé des arabinoxylanes résiduels représente un facteur limitant l’action de l’enoxylanase. Cependant, en plus de la structure des arabinoxylanes, d’autres polymères pariétaux sont responsables de la limitation de la dégradation enzymatique des hémicelluloses in situ. Les parois végétales sont composées de microfibrilles de cellulose englobées dans une matrice composée de différents polysaccharides (arabinoxylane et pectine), protéines, et de lignine. Ces différents polymères s’associent entre eux par différents types de liaisons pour former un réseau compact qui limite l’accès aux hydrolases. En particulier, les acides féruliques peuvent former des liaisons covalentes entre les polysaccharides, ou entre les lignines et les polysaccharides, pouvant empêcher l’action enzymatique. Dans l’optique de mieux identifier les limitations structurales (structure des arabinoxylanes) et histologiques impliquées lors de l’hydrolyse enzymatique du son de blé, une partie de notre étude a été menée sur des fractions de son de blé obtenues par microdissection. L’hydrolyse de trois sous-enveloppes, la couche de cellules aleurones (AL), la couche moyenne (CM, composée du nucelle, la testa, les cellules tubullaires et croisées) et la couche externe (CE, composée de l’épiderme et de l’hypoderme) a été étudiée. La xylanase dégrade 80 % des arabinoxylanes constitutifs de la couche aleurone ; ainsi que 50 % des arabinoxylanes de la couche moyenne. En revanche, la couche externe est insensible à l’hydrolyse enzymatique.