Тема 5. Производство и промышленное использование ферментов

Значение ферментов, источники их получения

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. Продуктивность штам­мов микроорганизмов, производящих ферменты, можно увеличить с помощью му­тагенных факторов в 2-5 раз. Пересадкой плазмид получают количество фермен­тов, достигающее 50% массы продуцируемого белка.

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:

трудоемкость отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;

неустойчивость ферментов при хранении, различных воздействиях (тепловых);

трудоемкость очистки ферментов и получения их в активном виде.

^ 2. Промышленные ферментные препараты

Использование микробных ферментов в некоторых отраслях промышлен­ности началось более 70 лет назад. Большую часть, составляютгидролазы (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.

Целлюлолитическиеферменты 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.

^