АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Пути использования ферментных препаратов

Ферменты (энзимы) - катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. Ферменты не изменяются и не расходуются в процессе реакции, ускоряют только те реакции, которые могут про­текать и без них. Скорость протекания реакции при участии ферментов на несколько порядков выше, чем под влиянием химических катализаторов. Для фер­ментативных реакций характерен почти 100 % выход продуктов. Ферменты обла­дают узкой специфичностью, действуют только на те же вещества, превращение которых они катализируют. В настоящее время в природе обнаружено свыше 3 тысяч ферментов.

Большинство биотехнологий основано на использовании биокатализаторов, потребность в которых постоянно возрастает. Единственным, неограниченным ис­точником ферментов являются микроорганизмы, из которых можно выделить лю­бые из известных в настоящее время ферментов. Исключение составляет папаин (размягчитель мяса), который получают из плодов папайи.

Синтезируемые микроорганизмами ферменты подразделяются на внеклеточ­ные и внутриклеточные. К внеклеточным ферментам относятся амилаза, целлюлаза, лактаза, липаза, пектиназа, протеаза, к внутриклеточным – аспарагиназа. каталаза, инвертаза.

Внеклеточные ферменты получают из культуральной жидкости, предвари­тельно отделанной от микроорганизмов. Для выделения внутриклеточных фер­ментов разрушают клеточные оболочки с помощью механических, физических, химических (действие кислот, растворителей), ферментативных и биологических методов.

Ферменты применяются в пищевой, фармацевтической, текстильной, коже­венной и других отраслях промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, химиче­ском синтезе.

Более широкое технологическое применение ферментов до последнего вре­мени сдерживалось рядом причин, из которых важнейшими являются:

1) трудоемкость отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;

2) неустойчивость ферментов при хранении, различных воздействиях (тепловых);

3) трудоемкость очистки ферментов и получения их в активном виде.

Факторы, влияющие на призводительность биотехнологических процессов по синтезу ферментов. Производительность технологических процессов по каждому ферменту за­висит и от питательной среды, имея в виду наличие в ней не только источников углерода, азота, фосфора и других элементов, но и веществ, играющих роль ин­дукторов или репрессоров биосинтеза данного конкретного фермента или их групп. Например, фермент липаза почти не синтезируется грибом на среде без индуктора, внесение кашалотового жира усиливает био­синтез фермента в сотни раз. Этот же вид гриба при добавлении в среду крахма­ла и полном исключении минерального фосфора интенсивно синтезирует другой фермент - фосфатазу.

Для интенсификации процесса роста и синтеза ферментов часто добав­ляют всевозможные вытяжки или экстракты, содержащие дополнительные фак­торы роста. К ним относятся, прежде всего, аминокислоты. Они легко проникают внутрь клетки и специфически влияют на образование фермента. Механизм их действия заключается в компенсации недостающих свободных внутриклеточных аминокислот, необходимых для синтеза фермента. Факторами роста являются также пуриновые основания и их производные, РНК и продукты ее гидролиза. Все рассмотренные факторы должны учитываться при составлении питательных сред для культивирования продуцентов ферментов. В промышленных средах в качестве источников органического углерода и азота чаще всего используют раз­личные сорта крахмала (картофельный, кукурузный, рисовый), кукурузный экс­тракт, соевую муку и т. д. Микроорганизмы для своего роста могут утилизировать и минеральные соединения азота, которые превращаются в аммиак, необходимый для синтеза сложных азотсодержащих органических соединений.

Оптимальный состав питательной среды для каждого продуцента может быть определен двумя способами: методом эмпирического подбора и с исполь­зованием математических методов оптимизации (ЭВМ).

Все технологические процессы производства ферментных препаратов делятся на две принципиально отличные группы: в первом случае ферментация ведется глубинным методом в жидкой питательной среде, во втором использу­ется поверхностная культура, растущая на специально подготовленной рыхлой и увлажненной питательной среде.

Хотя промышленные ферменты иногда реализуются в виде технических препаратов, определенная их часть подвергается экстракции и очистке. При этом решается несколько задач: удаляют токсичные и нежелательные метаболиты и микроорганизмы, стандартизуют активность. Таким образом, обеспечивается более высокое качество препарата и его стабильность, также можно придать препарату желаемые аромат и цвет. Главная трудность возникает из-за неоднородного состава культуральных жидкостей, которые часто содержат большие количества коллоидов и имеют высокую вязкость.

По данным 1990 г., на мировом рынке коммерческий оборот от реализации технических ферментных препаратов составил 800 млн. долларов. 80 % всех производимых технических ферментов используется в следующих трех отраслях промышленности: гидролиз крахмала – 40 %, производство детергентов – 30 %, производство сыра-10 %.

Использование микробных ферментов в некоторых отраслях промышлен­ности началось более 70 лет назад. Большую часть, составляют гидролазы (реак­ции гидролиза), так как именно они являются основными в промышленной био­технологии. От общего количества потребляемых ферментов 99% выпуска приходится на 16 препаратов.

Рассмотрим подробнее некоторые группы ферментов.

К амилолитическим ферментам относятся L-амилаза, ß-амилаза, глюкоамилаза. Их действие проявляется при гидролизе крахмала и гликогена. Крах­мал при гидролизе сначала расщепляется на более простые полисахариды – дек­стрины, а затем – до глюкозы.

Эти ферменты применяются в спиртовой промышленности, хлебопечении.

Протеолитические ферменты относятся к гидролазам, образуя группу пептидгидролаз. Их действие заключается в ускорении гидролиза пептидных связей в белках и пептидах. Важная их особенность – выборочный, селективный характер действия на пептидные связи в белковой молекуле. Например, пепсин действует только на связь с ароматическими аминокислотами, трипсин – только на связь между аргинином и лизином. Из них рН 1,5-3,7 имеют кислые протеазы; рН 6,5-7,5 – протеазы; рН> 8,0 - щелочные протеазы.

Применение протеаз широкое: мясная промышленность для умягчения мя­са, кожевенная промышленность – при обезволошивании (удаление волосяного покрова) и размягчении шкур; кинопроизводство – для растворения желатинового слоя на пленках при их регенерации; парфюмерия - при создании добавок в зуб­ную пасту, кремы, лосьоны, промышленность синтетических моющих средств – при применении моющих добавок для удаления загрязнений белковой природы; медицина – при лечении воспалительных процессов, ожогов, тромбозов.

Пектолитические ферменты объединены в одну группу по внешнему проявлению своего действия – уменьшению молекулярной массы и снижению вязкости пектиновых веществ (пектин – пектиновые кислоты и протопектин) представителей полисахаридов. Они содержатся во фруктах, корнеплодах, стеб­лях (лен). Пектиновые вещества имеют молекулярную массу от 20000 до 200000. Все пектиназы делятся на два вида – гидролазы и трансэлиминазы. Применение в текстильной промышленности – вымачивание льна перед его переработкой, в виноделии – осветление вин, уничтожение мутности, в консервировании – при приготовлении фруктовых соков.

Целлюлолитические ферменты очень специфичны, их действие прояв­ляется лишь в деполимеризации молекул целлюлозы, обычно они действуют в виде комплекса, который в целом доводит гидролиз целлюлозы до глюкозы. Ис­пользование их очень перспективно в гидролизной промышленности – это полу­чение глюкозы из целлюлозы; в медицинской – выделение лекарственных ве­ществ (стероидов) из растений; в пищевой – улучшение качества растительных масел; в сельском хозяйстве – как добавки в комбикорма для жвачных животных. В мире производится около 530 т протеаз, 350 т глюкоамилазы, 350 т L-амилазы, 70 т глюкозоизомеразы.

Использование ферментов с детерагентами. Все микробные протеазы можно разделить на три класса: сериновые протеазы, металлопротеазы и кислые протеазы. Сериновые и металлопротеазы об­разуются бактериальными культурами, кислые протеазы образуют микроскопические грибы.

Сериновые и металлопротеазы. Эта группа ферментов довольно широко распространена среди бактерий.

Металлопротеазы используются в пивоваренной и спиртовой промышленности. При производстве пива использование протеаз связано с предотвращением образования мути, являющейся резуль­татом выпадения в осадок белковых компонентов пива. Кроме металлопротеаз для этой цели используются растительные ферменты: бромелин и папаин.

При производстве пищевого спирта ячменный солод заменяют несолодовыми зерновыми. С целью получения сбраживаемых саха­ров в среду, предназначенную для сбраживания, добавляют L-амилазу и протеазу.

Кислые протеазы. Ферменты этого типа встречаются у бактерий, но преобладают у высших грибов. Чаще всего эти ферменты, ввиду их спо­собности коагулировать молоко, используются как заменители реннина (фермент получаемый из сычуга молодняка жвачных).

Из культуры Аspergillus oryzae, осаждением органическими рас­творителями получают такадиастазу, ферментный препарат, содер­жащий кислую и нейтральную протеазы, L -амилазу, а также целлюлазы и пектиназы. Препарат используется для гидролиза соевого белка, при изготовлении очень популярного в восточных странах со­евого соуса.

У свертывающих молоко ферментов коагулирующая актив­ность должна преобладать над протеолитической активностью. Сущность процесса коагуляции заключается в образовании комп­лекса казеина с ионами Са²⁺. Сычуг — экстракт желудков телят содержит фермент ренин, который считается наиболее подходя­щим для этой цели протеолитическим ферментом. Замена доро­гостоящего и дефицитного сычужного фермента на дешевый и доступный фермент микробного происхождения является факто­ром, определяющим дальнейшее развитие сыродельной промыш­ленности.

Грибные протеазы широко используются для деградации клей­ковины до постоянного уровня. Это позволяет стандартизовать опе­рацию процесса хлебопечения и сократить периоды замешивания и выдержки.

Использование других ферментов (глюкозооксидаза, фруктофуранозидаза, галактозидаза, пектиназы, папаин, трипсин, химотрипсин, а также некоторые протеазы грибного и бактериального пронахождения) значительно увеличилось и практически удваивается каждые 10 лет.

В ближайшем будущем значительный рост использования фер­ментных препаратов связан с возможностью ферментативного гидро­лиза лигноцеллюлозных субстратов с целью получения сахара для пи­щевых целей. В этом направлении ведется большая работа: селектив­но отобрано свыше 200 культур микроскопических грибов, характе­ризующихся суперсинтезом внеклеточных целлюлаз; получено более 20 бактериальных культур-трансформантов, осуществляющих синтез отдельных компонентов целлюлаз (в основном эндоглюканазы); на­лажены технологии, позволяющие производить около 50 разных ком­мерческих препаратов целлюлаз, отличающихся составными целлюлазными активностями, разработаны различные технологии предоб­работки лигноцеллюлозных материалов, увеличивающие выход глю­козы в результате ферментативного гидролиза и др. Существующее положение вселяет надежду на то, что в ближайшем будущем эта важнейшая проблема будет все-таки решена. В таком случае ожида­ется массовый выпуск разных типов целлюлаз (термостабильных, действующих в щелочной среде; целлюлаз, обогащенных отдельны­ми компонентами, и др.) в количестве, превосходящем все существу­ющие масштабы современной ферментной индустрии.

Что касается производства ферментных препаратов высокой чистоты, то это магистральное направление всей отрасли, тем более что за последнее десятилетие значительно усовершенствованы ме­тоды очистки ферментов в промышленном масштабе. Это способст­вовало более широкому использованию ферментов в медицине, хотя надо отметить, что число используемых в медицинской практи­ке ферментов высокой степени чистоты не превышает нескольких десятков.

Дата добавления: 2015-12-15 | Просмотры: 931 | Нарушение авторских прав