Ферментные препараты, особенности получения, применения

Все биохимические реакции, протекающие в живых организмах, катализируются ферментами, являющимися по своему строению белками. Их второе равнозначное название – энзимы, а отрасль науки, изучающая ферменты, называется энзимология. Следовательно, ферменты или энзимы – это специализированные белки, содержащиеся в клетках и внеклеточных жидкостях микроорганизмов, растений и животных. Они участвуют в расщеплении белков, липидов и полисахаридов в желудочно-кишечном тракте, в реакциях внутриклеточного обмена веществ, в образовании и выведении из организма конечных продуктов обмена, в энергетических процессах, в обезвреживании токсических веществ, в синтезе клеточных белков и других биогенных соединений, необходимых для жизнедеятельности.

Согласно современной классификации, все ферменты подразделяются

на 6 классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и линазы (синтетазы).

Негидролитические ферменты – оксидоредуктазы, лиазы, изомеразы и лигазы – применяются сравнительно редко. Наиболее широкое применение получили микробные гидролазы, взаимодействующие с пептидами, гликозидами и другими соединениями с участием воды. Среди гидролаз – гликозидазы, протеиназы, липазы.

Гликозидазы катализируют гидролиз гликозидных соединений. Так, крахмал гидролизуют амилазы, продуцентами которых служат различные микроорганизмы; целлюлолитические ферменты, являющиеся сложным комплексом активных белков, воздействуют на различные участки молекулы целлюлозы.

Очень разнообразны протеиназы, катализирующие разрыв пептидных связей белков с образованием пептидов и свободных аминокислот. Протеиназы различных микроорганизмов существенно различаются своими свойствами. Липазы, осуществляют гидролиз триацилглицеролов с образованием жирных кислот и глицерина; их продуцентами также являются различные микроорганизмы. Фосфокиназы, синтезируемые бактериями, расщепляют сложные связи между жирными кислотами, глицерином и фосфатидной кислотой.

Источниками ферментов могут служить и ткани растений и животных. Так, трипсин, вырабатывающийся в поджелудочной железе (pancreas) человека и животных, а также комплекс протеолитических ферментов поджелудочной железы (панкреатин) применяются при болезнях органов пищеварения и в переработке мясных продуктов. Сычужный фермент (реннин), содержащийся в слизистой оболочке желудка теленка, необходим для выработки сыра. Из растений получают ферменты, расщепляющие белки (протеазы), которые используются в мясоперерабатывающей промышленности.

Применение ферментов в химических и пищевых технологиях обусловлено их специфичностью, а также высокой активностью при проведении реакций в мягких условиях и отсутствием побочных продуктов реакций.

Началом промышленной энзимологии считается 1890 г., когда было освоено производство амилазы из гриба Aspergillus oryzae, расщепляющей α-1,4-гликозидные связи в крахмале. Препарат под названием такадиастаза, содержащий, наряду с амилазой примесь протеазы, применялся в качестве средства, улучшающего пищеварение. Производство и использование ферментов в промышленных целях началось в ХХ в. В 1913 г. в странах Западной Европы получило применение средство для замачивания белья, содержащее соду и протеолитические ферменты поджелудочной железы: трипсин и химотрипсин. Подлинным переворотом в прачечной технологии, в середине ХХ века, явилось использование протеазы, получаемой из Bacillus subtilis, для замачивания и стирки белья. Добавление к стиральному порошку 0,5 % ферментного препарата, содержащего всего 3 % активного фермента, позволяет решить проблему отстирывания белковых пятен, благодаря тому, что протеаза с высоким сродством концентрируется именно на белковых пятнах. Со второй половины ХХ в. производятся сотни тонн очищенных ферментов различного назначения. Около половины получаемых ферментных препаратов приходится на протеазы. Протеазы используются для мягчения мяса и увеличения выхода качественных мясных продуктов, створаживания молока и производства новых молочных продуктов, для предотвращения холодового помутнения пива и расщепления клейковины муки, а также для получения белковых гидролизатов и смесей аминокислот пищевого и медицинского назначения.

По строению активного центра протеазы делят на тиоловые, сериновые, кислые и металлоферменты.

Более 25 % производимых ферментов являются гликозидазами, катализирующими расщепление различных поли- и олигосахаридов. Они применяются для гидролиза (осахаривания) крахмала, расщепления сахарозы и лактозы с целью получения моносахаридов и безлактозных продуктов, а также на разных стадиях производства пива. Для полного расщепления крахмала применяется пуллуланаза, катализирующая разрыв α-1,6-гликозидных связей амилопектина в точках ветвления. Ферменты бактерий, способные катализировать гидролиз β-гликозидных связей в клетчатке, применяются в переработке сельскохозяйственной продукции, что увеличивает выход пищевых углеводов.

Около четверти от общего количества вырабатываемых промышленностью ферментов, представлены энзимами разных классов, которые применяются в разных отраслях промышленности, в лечении и диагностике заболеваний, а также в генноинженерных исследованиях. Производство глюкозооксидазы позволило создать простые автоматические анализаторы для определения глюкозы в крови, что имеет жизненно важное значение для больных сахарным диабетом. Другие окислительно-восстановительные ферменты (дегидрогеназы) также используются для аналитического определения различных веществ в биологических жидкостях и тканях. В химическом синтезе используется свойственная энзимам стереохимическая специфичность, то есть способность «узнавать» и катализировать превращение только одного (L или D) оптического изомера из рацемической смеси веществ. С помощью рацемаз разделяют оптические изомеры углеводов, аминокислот и других органических веществ, что чрезвычайно трудно осуществить физико-химическими методами.

Объем продаж ферментов на мировом рынке составляет сотни миллионов долларов в год, при этом их производство ежегодно возрастает на 10–15 %. Ферменты получают из сырья растительного и животного происхождения, однако наиболее дешевым и технологичным источником ферментов являются микроорганизмы. В них найдено около половины из более 3000 открытых к настоящему времени ферментов, при этом на долю ферментных белков приходится до 5 % от общего количества содержащихся в микроорганизмах белковых веществ.