Применение ферментативных препаратов

Ферменты немикробного происхождения находят применение сравнительно реже в силу различных причин, в частности: низкой Лабильности, дороговизны, сезонности получения и других факторов. Но в ряде случаев, в отсутствие микробного аналога, для коммерческих целей выделяют ферменты растительного и животного происхождения. Примерами таких ферментов могут служить ренин животного происхождения, фицин выделенный из инжира, папаин и др. Для получения в производственном масштабе ферментов растительного и животного происхождения в последнее время с успехом используют культивирование тканей и отдельных органов. Предположительно этот метод должен значительно удешевить и соответственно увеличить удельную долю коммерческих ферментов растительного происхождения.

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%.

Основу промышленной переработки крахмала составляет возможность его превращения в сбраживаемые сахара (глюкоза, мальтоза, изомальтоза), концентрированные сахара-сиропы (глюкоза, фруктоза) и низкомолекулярные олигосахариды-декстрины. Эти соединения используются при производстве ряда пищевых продуктов и напитков. Из существующих методов гидролиза крахмала (кислотный, ферментативный) ферментативный обладает рядом несомненных преимуществ.

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.

Иммобилизованные ферменты.Лет 20-25 тому назад считалось, что использование иммобилизованных ферментов может коренным образом изменить ферментную индустрию, в особенности пробле­мы, связанные с дороговизной и сложностью выделения ферментов. Иммобилизованные ферменты нашли самое разнообразное исполь­зование в медицине, фармацевтической, химической и пищевой про­мышленности, в аналитических целях, в качестве ферментных элек­тродов для определения концентрации Сахаров, аминокислот и дру­гих соединений. Кроме того, возможность использования иммоби­лизованных ферментов привела к созданию таких новых направле­ний, как радиоиммунный и ферментативный иммуносорбентный анализ. Однако, несмотря на это, иммобилизованные ферменты не применяются в практических целях в таких масштабах, которые предполагались.

Методы получения и типы иммобилизованных ферментов мно­гократно описаны; кроме того, им посвящен ряд обзоров и много­численные оригинальные публикации как на русском, так и на английском языках, поэтому, по мнению авторов, нецелесообразно в рамках этой книги детально рассматривать эти вопросы. Ограни­чимся тем, что лишь отметим те преимущества, которыми обладают иммобилизованные ферменты по сравнению со своими растворимы­ми аналогами:

1. иммобилизованные ферменты легко отделяются от реакционной среды и могут быть использованы повторно;

2. ферменты в иммобилизованном состоянии проявляют повы­шенную стабильность к экстремальным условиям и сохраняют ак­тивность в течение более длительного времени;

1. использование иммобилизованных ферментов позволяет раз­рабатывать непрерывные технологии;

2. методами иммобилизации возможно создание мультиферментныхиммобилизованных композиций, это, в свою очередь, позволя­ет осуществлять последовательные ферментные реакции разных процессов.

Иммобилизованные ферменты характеризуются и некоторы­ми недостатками. В результате иммобилизации в ряде случаев на­блюдается уменьшение удельной активности системы. Происхо­дит это в силу разных причин. Например, ковалентное связыва­ние фермента с носителем может вовлекать во взаимодействие какой-нибудь из аминокислотных остатков, находящийся в непо­средственной близости от активного центра. Иммобилизованные ферменты, ввиду фиксации ферментов на носителе, не действуют на неподвижные или нерастворимые субстраты (целлюлоза, ксилан, лигнин и др.).

Еще одним недостатком иммобилизованных ферментов явля­ется стоимость иммобилизации, которая может оказаться непри­емлемо высокой. Таким образом, при использовании иммобили­зованных ферментов приходится решать комплекс вопросов, связанных с экономической обоснованностью их практической реа­лизации.

Вопросы для самопроверки

Какие существуют источники получения ферментов?

В каких отраслях промышленности применяются ферментативные препараты?

Что значит иммобилизованные ферменты, как их получают?

При производстве каких продуктов используются ферменты?