Получение ферментных препаратов, Номенклатура ферментов

Получение ферментных препаратов

Ферментная промышленность   выпускает   препараты   различной степени   концентрирования   и  очистки. Многие  виды отечественных ферментных препаратов имеют названия и индексы, несущие информацию о продуценте фермента, основной активности и способе препарата. Название таких препаратов состоит из двух частей: первая соответствует виду основной активности, вторая — видовому названию продуцента.  Например,  Амилосубтилин –   зто  препарат  α-амилазы  из культуры B. subtilis, Глюкаваморин – препарат глюкоамилазы из Asp. Awamori, Целловиридин – препарат целлюлазы из Т. viride.

Препараты, выделенные из глубинной культуры, имеют и индексе букву «Г» (глубинный), из твердофазной – «П» (поверхностный). Далее следует цифровой индекс, который характеризует степень концентрирования фермента в препарате по отношению к культуральной жидкости или твердофазной культуре. Так  препарат с индексом ГЗхдолжны иметь активность в ед/г в 3 раза выше, чем средняя активность культуральной  жидкости в ед/мл.

Наряду с препаратами, имеющими буквенно-цифровую индекса­цию, распространены препараты с тривиальными названиями, в кото­рых отражены основной вид активности, величина активности, название фирмы и т. д.

Индексом Гх обозначается неочищенная культуральная жидкость продуцента фермента. Препараты Гх используются преимущественно на месте выработки. Так, в спиртовом производстве применяют культуральную жидкость продуцентов амнлолитическпх и целлюлолитических ферментов, получаемую в ферментных цехах спиртзаводов.

В пишевых производствах препараты Гх пригодны лишь в технологических процессах, где исключено попадание препарата в готовый продукт, например, при производстве спирта, где ферментные препара­та удаляются из продукта в процессах отгонки и ректификации.

Препараты с индексом ГЗх получают путем распылительной сушки концентрированной культуральной жидкости. Концентрирование прово­дится метолом вакуум-выпаривания при температуре, не вызывающей инактивации ферментов (обычно не выше 30°С)

Препараты с индексом ГЗх являются неочищенными. Они имеют высокую степень микробной обсемененности, порядка 1010 спор или клеток в I г. Это ограничивает сферу применения. В пищевой промыш­ленности препараты ГЗх используются в тех же технологиях, что и Гх. В сельском хозяйстве препараты ГЗх широко применяются для обра­ботки кормов с целью повышения их усвояемости.

Индекс Г10х имеют препараты, полученные путем осаждения органическими растворителями из концентрированных фильтратов культуральной жидкости. Перед фильтрацией культуральную жидкость об­рабатывают минеральными или органическими коагулянтами, что по­зволяет в процессе разделения фаз освободить фильтрат от биомассы микроорганизмов, балластных белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот. Фильтрат концентрируют вакуум-выпариванием, добавляя при необходимости стабилизирующие агенты.

Препараты Г10х имеют значительно более высокую чистоту, чем Гх, Г3х. Это выражается как в активности ферментов на 1 г препарата, так и в удельной активности на 1 мг белка. Микробная обессеменность препаратов Г10х регламентируется на уровне 104 – 105 спор или клеток в 1 г.

Область применения препаратов Г10х охватывает различные пищевые производства, отрасли легкой и химической промышленности.

Препараты с индексом Г20х получают с применением ультрафильтрации – способа концентрирования, основанного на разделении веществ с различной молекулярной массой с помощью полупроницаемых мембран с определенным размером пор. Ультрафильтрации подвергают предварительно очищенные ферментные растворы, свободные от клеток микроорганизмов и взвешенных частиц.

Из ультраконцентратов получают жидкие и сухие формы фермент­ных препаратов. Жидкие формы стабилизируют консервантами, напри­мер, бензойной кислотой. Сухие формы получают путем распылительной сушки. Перед сушкой в концентрат вносят стабилизаторы и наполнители.

Препараты Г20х применяют при производстве пищевых продуктов и напитков, в кормопроизводстве, в составе лекарственных средств для лечения заболеваний, связанных с ферментной недостаточностью.

Препараты с индексом Пх представляют собой высушенные куль­туры грибов – продуцентов ферментов, полученные при твердофазном культивировании. Препараты Пх сохраняют полный ферментативный комплекс продуцентов. Они неочищены и имеют высокую микробную обсемененность. Применяются аналогично препаратами ГЗх.

Препараты с индексами П10х и П25х получают из свежих или вы­сушенных твердофазных культур грибов по следующей схеме: водная экстракция ферментов из культуры гриба, отделение экстракта, осажде­ние ферментов из экстракта этиловым или изопропиловым спиртом, отделение ферментного осадка, суспендирование осадка в воде, добав­ление к суспензии стабилизаторов и наполнителей, сушка суспензии распылением. Препараты П10х применяются аналогично Г10х, П25х – аналогично Г20х.

Препараты с индексом П20х получают по схеме: экстракция фер­ментов из твердофазной культуры, стерилизующая фильтрация экстракта, ультрафильтрация, стандартизация и стабилизация ультраконцентра­та сушка его распылением. Препараты применяют аналогично Г20х.

Перечисленные виды ферментных препаратов относятся к так называемым растворимым, то есть к препаратам, активная часть которых растворяется в водной среде. По окончании ферментативной обработки субстрата растворимый препарат остается в реакционной среде и вторично не используется.

Наряду с растворимыми выпускают также им­мобилизованные ферменты. Иммобилизация – это включение объекта в изолированную фазу, которая отделена от фазы свободного раствора, но способна с ней обмениваться молекулами (субстратов, эффекторов).

Иммобилизованные ферменты получают путем связывания с носи­телями растворимых ферментов или клеток микроорганизмов, обла­дающих ферментативной активностью. Наиболее распространенные способы связывания – это сорбция на носителе, ковалентное связывание и включение в структуру гелей-носителей.

Иммобилизация приближает условия функционирования фермен­тов к природным. В природе большая часть ферментов ассоциирована со структурами живых организмов или элементами окружающей среды, что важно для проявления активности ферментов и их стабильности.

Иммобилизованные ферменты имеют ряд преимуществ перед рас­творимыми при проведении процессов промышленного биокатализа. Им­мобилизованные ферменты можно изъять из реакционной среды, что по­зволяет контролировать ход ферментативной реакции и многократно ис­пользовать ферментные препараты. Каталитический процесс можно про­водить непрерывно, пропуская растворы субстратов через реакторы с им­мобилизованными ферментами. Продукты реакции не загрязняются при­месями ферментных препаратов. Иммобилизованные ферменты имеют высокую операционную стабильность, а их каталитические свойства можно модифицировать, изменяя способ связывания и вид носителя.

Применение иммобилизованных ферментов позволило решить за­дачу создания крупных промышленных биокаталитических процессов, с помощью которых производят аминокислоты, органические кислоты сахара, органические растворители, метан, антибиотики, гормональные препараты, производят очистку сточных вод и водоемов, биоконверсию органических отходов.

Номенклатура ферментов, имеющих значение в пищевой промышленности

ШифрСистематическое названиеТривиальное название
1.1.3.4β-D-глюкоза: О2-оксидоредуктазаГлюкозооксидаза
1.11.1.6Н2О2: Н2О2-оксидоредуктазаКаталаза
1.14.18.1Монофенол, дигидрооксифенилаланин: О2-оксидоредуктазаМонофенолоксидаза, полифенолоксидаза, тирозиназа, фенолаза
ШифрСистематическое названиеТривиальное название
3.1.1.3.Триацилглицерол – ацилгидролазаЛипаза, триацилглицероллипаза
3.1.1.11Пектин – пектилгидролазаПектинэстераза
3.2.1.11,4-α-D-глюкан глюканогидролазаα-амилаза
3.2.1.21,4-α-D-глюкан мальтогидролазаβ-амилаза
3.2.1.31,4-α-D-глюкан глюкогидролазаγ-амилаза, глюкоамилаза
3.2.1.41,4-β-D-глюкан-4-глюкангидролазаЦеллюлаза
3.2.1.15Поли-α-1,4-галактуронид-гликаногидролаза
α-D-глюкозид глюкогидролаза
Полигалактуроназа
3.2.1.20D-глюкозид глюкогидролазаα-гликозидаза
3.2.1.21β-D-глюкозид галактогидролазаβ-гликозидаза
3.2.1.23Лактаза, β-галактозидаза
3.4.23.1Пепсин
3.4.23.4Химозин (реннин)
3.4.21.4Трипсин
3.4.21.1Химотрипсин
3.4.22.5Эластаза
3.4.21.1Папаин
3.4.21.6Химопапаин
3.4.22.6Фицин
3.4.22.3Бромелаин
3.4.22.14Субтилизин
3.4.23.6Кислая протеиназа
3.4.24.3Коллагеназа
ШифрСистематическое названиеТривиальное название
5.3.1.9D-глюкозо-6-фосфат-кетоизомеразаГлюкозоизомераза, глюкозофосфат-изомераза

Спиртные напитки

Спиртные напитки и пивоварение. Производство спиртных напитков из крахмалсодержащего сырья практикуется почти во всех странах мира. Основными видами сырья являются картофель и рожь в Европе, картофель и пшеница в России, кукуруза и рожь в США, рис и бататы на Востоке, тапиока в тропических странах.

Крахмал, как основной компонент сухих веществ сырья, из которого и образуется спирт, непосредственно дрожжами не сбраживается. Поэтому его необходимо гидролизовать до сбраживаемых сахаров, для требуется применение ферментов.

Применяемый издавна зерновой солод, как источник амилолитических ферментов, обеспечивает достаточно глубокое осахаривание и выбраживаиис только за трое суток. Необходимо отметить, что зерновой солод не только выполняет задачу гидролиза крахмала до сбраживаемых сахаров, но и является источником легкоусвояемого азотистого питания для дрожжей, т. к. в процессе солодоращения, под действием протеиназ, к нем накапливается значительное количество аминокислот (до 32% от общего азота). Активность протеиназ в процессе солодоращения возрастает примерно в 40 раз. Зерновой солод обладает и цитолитической активностью, обеспечивая определенную степень гидролиза клеточных стенок растительного сырья и тем самым улучшая контакт крахмала с аминолитическими ферментами.

Таким образом, применяемый в спиртовом производстве зерновой со­лод выполняет три основные функции: осуществляет гидролиз крахмала до сбраживаемых сахаров; является источником азотистого питания для дрожжей и при осахаривании крахмалистого сырья производит частич­ное разрушение клеточных стенок сырья.

Однако скорость осахаривания крахмала при использовании солода остается достаточно низкой, что затрудняет интенсификацию процесса брожения. Применение ферментных препаратов микробного происхож­дения дает возможность значительно повысить концентрацию необхо­димых ферментов в среде и обеспечить глубокий гидролиз крахмала за сравнительно короткий период.

Кроме стадии осахаривания ферментные препараты, обладающие силь­ной разжижающей активностью (α-амилаза), применяются на стадии водно-тепловой обработки сырья с целью смягчить режим разваривания, сни­зить вязкость замесов и облегчить их дальнейшую транспортировку.

Применяя ферментные препараты на стадии приготовления сусла для дрожжегенерации необходимо обеспечить интенсивный гидролиз белков с целью обогащения ценным азотистым питанием дрожжевого сусла.

Таким образом, для спиртового производства, перерабатывающего крахмалсодержащее сырье, необходимо применение ферментных препаратов с амилолитическим, протеолитическим и цитологическим действием.

Ферментные препараты с относительно низкой оптимальной температурой действия целесообразно использовать на стадии осахаривания. Это относится к препаратам с основной активностью α-амилазы (Амилосубтилину, Амилоризину, солоду) и препаратам глюкоамилазы. Амилолитический комплекс солода и грибная α-амилаза более глубоко расщепляют крахмал, чем бактериальная α-амилаза, но полное осахаривание достигается только с помощью глюкоамилазы. Применение микробной глюкоамилазы позволяет увеличить степень сбраживания на 1,3 – 1,5% по сравнению с вариантом осахаривания солодом.

В качестве препаратов глюкоамилазы обычно применяют Глюкаваморин Гх или амилоглюкаваморин Гх (культуральную жидкость гриба Asp. аwamori, получаемую в ферментных цехах спиртзаводов). Оптимум действия Глюкаваморина (рН 4 – 5,5) соответствует активной кислотности бражки (рН 4,2 – 5,2).

Пивоварение

При производстве пива по обычной технологической схеме необходимые ферментные системы для подготовки зернового сырья и перевода экстрактивных веществ в растворимое состояние на стадии затирания образуются в процессе солодороащения.

Основными ферментами, образующимися в процессе солодоращения и имеющими наиболее существенное значение в технологии пивоварения, являются: амилолитические ферменты, разжижающие и осахаривающие крахмал; протеолитические ферменты, расщепляющие белок ячменя до пептидов различной молекулярной массы с свободных аминокислот; цитолитические ферменты, гидролизующие некрахмальные полисахариды, растворяющие клеточные стенки эндосперма зерна, благодаря чему облегчается доступ амилаз и протеаз к соответствующим субстратам.

Каждый из перечисленных процессов должен пройти с определенной глубиной, чтобы обеспечить нормальное протекание фильтрации затора, брожение сусла, осветление и фильтрацию пива, а также создание определенных физико-химических свойств (пенообразование, прозрачность, стойкость при хранении) и вкусовых качеств готового продукта.

Применение ферментативных препаратов микробного происхождения (амилоризин ПХ, П10Х, амилосубтилин Г10Х, Г20Х, протосубтилин Г10Х, цитороземин ПХ) с целью замены солода несоложенным ячменем позволяет интенсифицировать процесс, избежать потерь ценных компонентов сырья на дыхание и образование проростка, в целом повысить рентабельность пивоваренного производства. Кроме отечественных препаратов, в настоящее время широко используются ферментные препараты различных зарубежных фирм. Предназначенные для замены ферментов солодаферментные препараты микробного происхождения должны по характеру соего действия соответствовать ферментам солода и значительно превосходить их по активности.

Ссылка на основную публикацию