Получение ферментов.

Применение ферментов в химической технологии обычно бывает обусловлено их высокой избирательностью и стереоспецифичностью.

Протеиназы давно применяются в пищевой промышленности. Ранее ферменты для этих целей выделяли из животных и растений, сегодня их частично замещают протеазы микробов.

Первым ферментом, нашедшим применение в промышленности, была α-амилаза из Aspergillus oryzae, производство которой началось в 1890 г. Эти препараты содержали значительную примесь протеазы, их рекомендовали использовать как средство, способствующее пищеварению.

Необходимо отметить, что производство и поступление на рынок такого рода продуктов было весьма ограниченным вплоть до начала 60-х годов, когда их стали использовать в составе детергентов. Однако, о такой возможности было известно за пятьдесят лет до этого; средства для замачивания белья, содержащие соду и панкреатические ферменты, продавались еще в 1913 г. В конце 60-х годов приблизительно 50% всех деитергентов, выпускавшихся в Европе и США, уже содержали протеазы. Постоянно ведется работа по увеличению активности ферментов и стабильности их в моющих растворах.

Для выработки протеаз в промышленном масштабе нужны штаммы микроорганизмов, синтезирующие внеклеточные протеазы с высоким выходом. Эти ферменты подразделяют сегодня на три группы: сериновые, кислые и металлопротеазы. Среди сериновых протеаз на первом месте стоит субтилизин Carlsberg. При участии Bacillus licheniformis ежегодно производится около 500 тонн очищенного фермента. Сериновые протеазы гидролизуют белки до аминокислот. В стиральные порошки обычно добавляют 0,5% препарата, содержащего 3% активного фермента. Хотя содержание фермента в них и мало, при стирке он концентрируется на пятнах белковой природы из-за сродства к субстрату.

В состав металлопротеаз входит атом металла, обычно цинка, без которого фермент не активен. В промышленности металлопротеазы получают с помощью Bacillus amyloliguefaciens. Специфичность действия этих ферментов выше, чем у сериновых протеаз. Они применяются в пивоварении, при гидролизе белков ячменя, так как сериновые протеазы ингибируются веществами солода. Удаление с их помощью белков позволяет избежать помутнения пива при охлаждении.

Кислые протеазы синтезируются грибами. По свойствам они похожи на пищеварительные ферменты животных пепсин и ренин. Применяют их для гидролиза соевого белка при производстве соевого соуса, в хлебопекарной промышленности (с их помощью видоизменяют свойства клейковины муки так, чтобы получить мягкое, пластичное тесто, из которого делают бисквиты). Кислые протеазы применяют также как средства, способствующие пищеварению или же предотвращающие помутнение пива при охлаждении. Большинство протеаз вызывает свертывание молока, но творог получается невкусным, из-за глубокого гидролиза казеина.

Протеазы находят применение и в кожевенной промышленности, при удалении шерсти и умягчении кож. Такая обработка делает кожи мягкими и эластичными.

«Королевой» ферментов в промышленности можно считать глюкозоизомеразу, которая катализирует превращение глюкозы во фруктозу. Появление таких препаратов послужило толчком для развития крупного производства фруктового сиропа.

При высокой концентрации субстрата и нейтральной рН несладкая глюкоза с выходом 42-47% изомеризуется ферментом в более сладкую фруктозу. Такие фруктозные сиропы сегодня широко потребляются пищевой промышленностью. Запотентовано множество способов иммобилизации и использования как самой изомеразы, так и содержащих ее клеток. Процесс идет при 60-65 ⁰С при рН 7,0-8,5 в присутствии ионов магния. При производстве насыщенного фруктозного сиропа из кукурузы в качестве субстрата используется либо глюкоза, либо продукт комплексной ферментативной обработки, заключающейся в ожижении и осахаривании крахмала.

Использование ферментов в производстве крахмала позволяет контролировать глубину его гидролиза и получать продукцию с желаемыми свойствами: вязкостью, сладостью, осмотическим давлением и устойчивостью к кристаллизации. Гидролиз катализируется ферментами трех разновидностей: эндоамилазами, экзоамилазами и α-1,6-глюкозидазами.

Эндоамилазы – это α-амилазы, они расщепляют α-1,4-глюкозидные связи в амилазе и амилопектине с образованием олигосахаридов с разной длиной цепи.

При осахаривании используются термостабильные α-амилазы, особенно мальтогенные ферменты из грибов. Лучше всего они работают при 55 ⁰С и концентрации субстрата 30-40%. Процесс обычно продолжается более 48 часов. Получаемые из крахмала сиропы содержат много мальтозы (40-50%); они применяются при производстве карамели и замороженных десертных блюд.

Для получения сиропов с очень высоким содержанием мальтозы (80%) мальтогенные экзоамилазы используются вместе с α-1,6-глюкозидазами. Экзоамилазы расщепляют α-1,4-глюкозидные связи, а глюкогенные экзоамилазы гидролизуют α-1,6-глюкозидные связи в разветвленных молекулах олигосахаридов. Эти ферменты могут также катализировать полимеризацию глюкозы с образованием мальтозы и изомальтозы. Глюкоамилазы применяются в основном в производстве концентрированного сиропа, из которого вырабатывают кристаллическую глюкозу или концентрированные фруктозные сиропы.

В заключение следует отметить, что источником сырья для различных отраслей химической промышленности в обозримом будущем будут нефть и ее производные. Получаемые из них с малыми затратами продукты вряд ли потребуется производить при помощи какой-то другой технологии. Факторами, которые могут оказать сильное влияние на внедрение биотехнологии в эту область, являются истощение источников сырья, повышение стоимости энергии и постоянная необходимость эффективной переработки отходов.

Уменьшение доступных источников горючего приведет к тому,что все более широко будут использоваться ресурсы биомассы. Бродильные производства и технологии на основе ферментов будут и далее дополнять спектр обычных химических технологий.

Что касается применения биотехнологии в крупномасштабных производствах химических веществ или полимеров, то перспективы здесь весьма ограничены. С экономической точки зрения наиболее целесообразным представляется использование специфических преимуществ биотехнологии в малообъемных производствах редких химических веществ с высокой прибавочной стоимостью.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: