Иммобилизованные клетки и ферменты - I

Источники ферментов. Преимущества иммобилизованных ферментов

Ферменты и ферментные системы применяются в медицине, сельском хозяйстве, органическом синтезе, химическом анализе, в различных отраслях промышленности (пищевая, фармацевтическая, текстильная, кожевенная и др.). Ферменты получают из растительных и животных тканей или путем микробного синтеза.

Ферменты животного происхождения:

· лактатдегидрогеназа – сердце крупного рогатого скота;

· каталаза – печень КРС, свиньи;

· сычужный фермент – сычуг молочных телят и ягнят;

· щелочная фосфатаза – кишечник КРС;

· гиалуронидаза – семенники КРС;

· фумараза, трансаминаза – сердце свиньи;

· трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, эластаза – поджелудочная железа свиньи;

· пепсин – желудок свиньи;

· люцифераза – мышечная ткань светляков;

· ацетилхолинэстераза – мышечная ткань электрического угря.

Ферменты растительного происхождения:

· амилазы – ячмень;

· протеазы (папаин – дынное дерево; фицин – фиговое дерево; бромелин – ананас);

· кислая фосфатаза – картофель;

· пероксидаза – хрен;

· уреаза – канавалия мечевидная.

Получение ферментов из растительного и животного сырья имеет ряд недостатков. Так, для растений характерна сезонность, а содержание ферментов в них низкое. Выделение ферментов из животного сырья следует извлекать сразу на мясокомбинатах или возникает проблема его консервации и хранения.

Менее проблематично получение ферментов микробным синтезом. Методами генетической инженерии можно не только целенаправленно увеличить выход фермента, но и получить биообъект, который продуцирует ферменты с улучшенными свойствами (термостабильные, осмоустойчивые, кислото- и щелочеустойчивые и др.). Многие микроорганизмы выделяют ферменты в питательную среду, это облегчает их выделение. В настоящее время налажено крупномасштабное микробиологическое производство следующих ферментов путем (протеаза, α-амилаза, глюкоамилаза, глюкоизомераза и пектиназа).

Однако применение нативных ферментов ограничено по следующим причинам: неустойчивость при хранении и различных воздействиях; сложность их отделения от реагентов и продуктов реакции.

Более перспективно использование иммобилизованных ферментов (от лат. immobilis – неподвижный). Это ферменты, адсорбированные различными физико-химическими методами на твердых носителях или связанные с ними химическими связями. Так, в 1916 г. Нельсон и Гриффин показали, что адсорбированная на угле инвертаза сохраняет каталитическую активность. В 1939 г. был получен первый патент на применение абсорбированных на опилках протеолитических ферментов для обработки шкур. Термин «иммобилизованный фермент» узаконен в 1971 г.

Особенности и преимущества иммобилизованных ферментов:

1.Фермент легко отделить от реакционной среды. Это позволяет остановить реакцию в нужный момент; использовать катализатор повторно; получить продукт не загрязненный ферментом;

2.Процесс можно проводить непрерывно. При этом можно регулировать скорость катализируемой реакции и выход целевого продукта;

3.Путем иммобилизации можно направленно изменить свойства катализатора (специфичность, зависимость от рН и ионного состава среды, действия денатурирующих агентов);

4.Путем иммобилизации можно регулировать каталитическую активность ферментов (путем изменения свойств носителя).

Кинетика ферментативных реакций с использованием иммобилизовнных ферментов зависит от: концентрации субстрата; температуры; концентрации иммобилизованного фермента; степени измельчения частиц с иммобилизованным ферментом; скорости перемешивания; ингибирующего или активирующего действия полимерного носителя; рН и т.д.

Иммобилизованные ферменты и клетки применяются для производства глюкозо-фруктозных сиропов, L-аминокислот, L-яблочной кислоты, безлактозного молока, сахаров из молочной сыворотки, 6-аминопенициллановой кислоты и др.

Технология применения иммобилизованных ферментов и биокаталитических систем экономически эффективна. Так, получение фруктозы из глюкозы с применением иммобилизованной глюкоизомеразы стало дешевле почти вдвое.