Промышленные ферменты

Историческая справка

Большинство реакций в живых организмах катализируются молекулами белка, называемыми ферментами. Ферменты можно по праву назвать механическим механизмом живых систем. Реальный прорыв ферментов произошел с введением микробных протеаз в стиральные порошки. Первая коммерческая бактериальная протеин Bacillus была продана в 1959 году, а основные производители моющих средств начали использовать ее в 1965 году.

Промышленные производители ферментов продают ферменты для широкого спектра применений. Оценочная стоимость мирового рынка в настоящее время составляет около 2 млрд. Долл. США. Моющие средства (37%), текстиль (12%), крахмал (11%), выпечка (8%) и корм для животных (6%) являются основными отраслями промышленности, в которых используется около 75% промышленных ферментов.

Ферментная классификация

В настоящее время выделено и классифицировано более 3000 различных ферментов. Ферменты подразделяются на шесть основных категорий, основанных на природе химической реакции, которую они катализируют:

1. Оксидоредуктазы катализируют окисление или восстановление их субстратов.

2. Транспонирование катализирует групповую передачу.

3. Гидролазы катализируют разрыв связей с добавлением воды.

4. Лязы удаляют группы с их субстратов.

5. Изомеразы катализируют внутримолекулярные перегруппировки.

6. Лигатуры катализируют соединение двух молекул за счет химической энергии.

Доступно только ограниченное количество всех известных ферментов. Более 75% промышленных ферментов являются гидролазами. Ферменты, деградирующие белки, составляют около 40% всех продаж ферментов. Доступно более пятидесяти коммерческих промышленных ферментов, и их число неуклонно растет.

Ферментное производство

Некоторые ферменты, все еще экстрагированные из животных и растительных тканей. Ферменты, такие как папаин, бромелайн и фицин и другие ферменты специфичности, такие как липоксигеназа, получают из растений и ферментов пепсин, а ренин получают из животных. Большинство ферментов продуцируются микроорганизмами в погруженных культурах в крупных реакторах, называемых ферментерами. Процесс производства фермента можно разделить на следующие этапы:

1. Выбор фермента.

2. Выбор производственного напряжения.

3. Строительство перерабатывающего пятна с помощью генной инженерии.

4. Оптимизация культуральной среды и условий производства.

5. Оптимизация процесса восстановления.

6. Препарат стабильного ферментного продукта.

Критерии, используемые при выборе промышленного фермента, включают специфичность, скорость реакции, рН и температуру и стабильность, влияние ингибиторов и аффинность к субстратам. Ферменты, используемые в промышленных применениях, обычно должны быть толерантными к различным тяжелым металлам и не нуждаться в кофакторах.

Микробные штаммы производства

При выборе производственного напряжения необходимо учитывать несколько аспектов. В идеале фермент выделяется из клетки. Во-вторых, хозяин производства должен иметь статус GRAS. В-третьих, организм должен иметь возможность производить большое количество желаемого фермента в разумные сроки жизни. Большая часть промышленно используемого микроорганизма генетически модифицирована, чтобы перепроизводить желаемую активность и не производить нежелательные побочные действия.

Производство ферментов путем микробной ферментации

. Когда организм биологического производства был генетически модифицирован, чтобы перепроизводить желаемые продукты, необходимо разработать производственный процесс. Оптимизация процесса ферментации включает композицию среды, тип культуры и условия процесса. Промышленные ферменты большого объема производятся в ферментерах 50-500 м3. Внеклеточные ферменты часто выделяют после удаления клеток (фильтрованием вакуумным барабаном, сепараторами или микрофильтрацией) ультрафильтрацией.

Протеиновая инженерия

Часто ферменты не имеют желаемых свойств для промышленного применения. Один из вариантов — найти лучший фермент от природы. Другим вариантом является разработка коммерчески доступного фермента для лучшего промышленного катализатора. Другим вариантом является разработка коммерчески доступного фермента для лучшего промышленного катализатора. В настоящее время доступны два разных метода: случайный метод, называемый направленной оценкой, и метод белковой инженерии, называемый рациональным дизайном.

Ферментная технология

В этом разделе рассматриваются способы использования и применения ферментов в практических процессах. Самый простой способ — использовать ферменты, чтобы добавить их в технологический поток, где они катализируют желаемую реакцию и, как правило, инактивируются во время процесса. Это происходит во многих приложениях с объемными ферментами, и цена на ферменты должна быть низкой, чтобы экономить их использование.

Альтернативный способ использования ферментов состоит в том, чтобы обездвижить их, чтобы их можно было повторно использовать. Фермент может быть иммобилизован с использованием ультрафильтрационных мембран в реакторной системе. Большая молекула фермента не может проходить через мембрану, но небольшие продукты молекулярной реакции могут. Разработаны многие различные лабораторные методы иммобилизации ферментов на основе химической реакции, захвата, специфического связывания или абсорбции.

Крупномасштабные ферментные применения

1] Моющие средства

Бактериальные протеиназы по-прежнему являются наиболее важными моющими ферментами. Липазы разлагают жиры на более водорастворимые соединения. Амилазы используются в детергентах для удаления крахмальных пятен.

2] Производство гидролиза крахмала и фруктозы

Использование ферментов деградации крахмала было первым крупномасштабным применением микробных ферментов в пищевой промышленности. В основном два фермента осуществляют превращение крахмала в глюкозу: альфа-амилазу и грибковые ферменты. Фруктоза, полученная из сахарозы в качестве исходного материала. Сахароза разделяется инвертазой на глюкозу и фруктозу, фруктозу разделяют и кристаллизуют.

3] Напитки

Ферменты имеют много применений в индустрии напитков. Лактаза разделяет молочно-сахарную лактозу на глюкозу и галактозу. Этот процесс используется для молочных продуктов, потребляемых потребителями, непереносимыми лактозой. Добавление пектиназы, ксиланазы и целлюлазы улучшает выделение сока из целлюлозы. Подобные ферменты широко используются в производстве вина.

4] Текстиль

Использование ферментов в текстильной промышленности является одним из наиболее быстрорастущих областей промышленной энзимологии. Ферментами, используемыми в текстильном поле, являются амилазы, каталаза и лактазы, которые используются для удаления крахмала, деградации избытка перекиси водорода, отбеливающего текстиля и деградации лигнина.

5] Корм ​​для животных

Добавление ксиланазы к корму для бройлеров на основе пшеницы увеличило доступную метаболизируемую энергию на 7-10% в различных исследованиях. Добавление фермента снижает вязкость, что увеличивает поглощение питательных веществ, высвобождает питательные вещества либо путем гидролиза нерастворимых волокон, либо путем выделения питательных веществ, ограниченных этими волокнами, и уменьшает количество фекалий.

6] Выпечка

Альфа-амилазы были наиболее широко изучены в связи с улучшением качества хлеба и увеличенным сроком годности. Использование ксиланаз уменьшает поглощение воды и, таким образом, уменьшает количество добавленной воды, необходимой для выпечки. Это приводит к более стабильному тесту. Протеиназы могут быть добавлены для улучшения свойств обработки сухим способом; глюкозооксидаза была использована для замены химических окислителей и липаз для укрепления клейковины, что приводит к более стабильному тесту и лучшему качеству хлеба.

7] Целлюлозно-бумажная промышленность

Основное применение — использование ксиланаз в отбелке целлюлозы. Это уменьшает необходимость использования хлористых отбеливающих химикатов. В производстве бумаги амилазные ферменты используются, в частности, в модификации крахмала. Шаг — это липкое вещество, присутствующее преимущественно в хвойных лесах. Pitch вызывает проблемы в бумагоделательных машинах и может быть удален липазами.

8] Кожа

Кожевенная промышленность использует протеолитические и липолитические ферменты в обработке кожи. Ферменты используются для удаления нежелательных деталей. На стадиях дегазации и переохлаждения ферменты бактериальной протеазы используются для содействия щелочному химическому процессу. Это приводит к более экологичному процессу и улучшает качество кожи. Бактериальные и грибковые ферменты используются, чтобы сделать кожу мягкой и легче краситься.

9] Специальные ферменты

Существует большое количество специальных приложений для ферментов. К ним относятся использование ферментов в аналитических приложениях, производство ароматизаторов, модификация белка и продукты личной гигиены, ДНК-технология и тонкое химическое производство.

10] Ферменты в аналитике

Ферменты широко используются в клинической аналитической методологии. В отличие от объемных промышленных ферментов Эти ферменты должны быть свободны от побочных действий. Это означает, что необходимы сложные процессы очистки.

Важным развитием аналитической химии являются биосенсоры. Наиболее широко используемым применением является биосенсор глюкозы, включающий реакцию катализируемой глюкозооксидазой.

Имеется несколько коммерческих инструментов, которые применяют этот принцип для измерения таких молекул, как глюкоза, лактат, лактоза, сахароза, этанол, метанол, холестерин и некоторые аминокислоты.

11] Ферменты в продуктах личной гигиены

Средства личной гигиены являются относительно новой областью для ферментов. Протеиназа и липаза, содержащие ферментные растворы, используются для очистки контактных линз. Перекись водорода используется при дезинфекции контактных линз. Остаточная перекись водорода после дезинфекции может быть удалена ферментом каталазы. Некоторые зубные пасты содержат глюкоамилазу и глюкозооксидазу. Ферменты также изучаются для применения в средствах для ухода за кожей и волосами.

12] Ферменты в ДНК-технологии

ДНК-технология является важным инструментом в ферментативной промышленности. Большинство традиционных ферментов производятся организациями, которые были генетически модифицированы, чтобы перепроизводить желаемый фермент. Конкретный порядок органических оснований в цепи ДНК составлял генетический язык. Генетическая инженерия означает чтение и изменение этого языка. Ферменты являются важным инструментом в этом процессе.

13] Ферменты в тонкой химической продукции

Несмотря на некоторые успехи, коммерческое производство химических веществ живыми клетками, использующими инженерную инженерию, по-прежнему во многих случаях является лучшей альтернативой применению биокатализа. Однако изолированные ферменты были успешно использованы в тонком химическом синтезе. Здесь представлены некоторые из наиболее важных примеров.

13 A] Чирально чистые аминокислоты и аспартам

Натуральные аминокислоты обычно получают путем микробной ферментации. Разработаны новые методы ферментативного разрешения для производства L-, а также для D-аминокислот. Аспартам, интенсивный некалорийный подсластитель, синтезируется в неводных условиях термолизином, протеолитическим ферментом.

13 B] Редкие сахара

Были разработаны новейшие ферментативные методы для производства практически всех D- и L-форм простых сахаров. Глюкозоизомераза является одним из важных промышленных ферментов, используемых при производстве фруктозы.

13 C] Полусинтетические пенициллины

Пенициллин получают генетически модифицированными штаммами штаммов Penicillium. Большая часть пенициллина превращается иммобилизованным ацилазным ферментом в 6-аминопенициллановую кислоту, которая служит основой для многих полусинтетических пенициллинов.

13 D] Реакции на основе липазы

В дополнение к применению моющих средств липазы могут использоваться в летучих химических реакциях, так как они активны в органических растворителях. Липазы, используемые при переэтерификации, а также используются для энантиомерного разделения спиртов и отдельных смесей рацеминовых аминов. Липазы также использовались для образования ароматических и алифатических полимеров.

13 E] Синтез ферментативного олигосахарида

Химический синтез олигосахаридов представляет собой сложное многоступенчатое усилие. Биокаталитические синтезы с выделенными ферментами, такими как гликозилтрансферазы и гликозидазы, или цельноцепочечные клетки, являются мощными альтернативами химическим методам. Олигосахариды нашли применение в косметике, лекарствах и в качестве функциональных продуктов.

Будущие тенденции в промышленной энзимологии

Рынок промышленных ферментов неуклонно растет. Причина этого заключается в повышении эффективности производства, что приводит к более дешевым ферментам в новых областях применения. Индивидуальные ферменты для конкретных применений станут будущей тенденцией с постоянно совершенствующимися инструментами и пониманием структурно-функциональных связей и расширенным поиском ферментов из экзотических сред.

Новые технические инструменты для использования ферментов в качестве кристаллических катализаторов, способность рециркулировать кофакторы и инженерные ферменты для работы в различных растворителях с несколькими видами деятельности — важные технологические разработки, которые будут постоянно создавать новые приложения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *