Классификация, номенклатура и источники получения ферментных препаратов.
Классификация, номенклатура и источники получения ферментных препаратов.
Технология выделения ферментных препаратов из сырья растительного и животного происхождения.
Технология получения ферментных препаратов из культур микроорганизмов.
Применение ферментных препаратов в пищевой промышленности.
Классификация, номенклатура и источники получения ферментных препаратов.
Производство ферментных препаратов является одной из наиболее масштабных и динамически развивающихся отраслей биотехнологии. Большие объемы производства и широкий ассортимент ферментных препаратов обусловлены их востребованностью в различных отраслях промышленности, медицине, научных исследованиях.
В соответствии с современной классификацией идентифицировано около 2000 ферментов. Промышленностью выпускается около 250 наименований ферментных препаратов. При этом порядка 99% приходится на препараты 18 ферментов. Основными из них являются:
- бактериальные и грибные протеитназы;
- бактериальные и грибные a-амилазы, глюкоамилазы, декстраназы;
- глюкозоизомеразы;
- молокосвертывающие ферментные препараты;
- пектолитические, целлюлолитические и гемицеллюлолитические препараты;
- дрожжевые, бактериальные и грибные b-галактозидазы;
- препараты b-фруктофуранозидазы;
- липазы и липоксигеназы.
Наибольший удельный вес в общем объеме производства (до 60 %) занимают a-амилазы для переработки крахмала и протеиназы, выпускаемые для синтетических моющих средств. Другими потребителями ферментных препаратов являются (в %): производство соков и вин – 10; спиртовая промышленность – 8; пивоварение – 6; сыроделие – 5; хлебопечение – 5; прочие отрасли -6. В ближайшие 10-15 лет наиболее востребованными для промышленного производства будут ферментные препараты, содержащие амилазы, протеиназы, глюкозоизомеразу, целлюлазы, мацеразы, молокосвертывающие ферменты. Перспективным является получение комплексных ферментных препаратов и мультиэнзимных комплексов для использования в определенных биотехнологических производствах, в т.ч. в пищевой биотехнологии.
Классификация и номенклатура ферментных препаратов.
По современной классификации ферменты подразделяют на шесть классов: 1) оксидоредуктазы; 2) трансферазы; 3) гидролазы; 4) лиазы; 5) изомеразы; 6) лигазы (синтетазы). Большинство производимых промышленностью ферментных препаратов являются препаратами гидролитических ферментов. В состав ферментных препаратов помимо основного фермента входят, как правило, ряд сопутствующих ферментов и других веществ белковой природы. В связи с этим, товарные ферментные препараты классифицируют по основному веществу.
В России используется система названий ферментных препаратов, в которой учитывается природа основного фермента, источник получения и степень очистки. Наименование препаратов включает сокращенное название основного фермента и видовое название продуцента. После названия препарата указывается способ культивирования продуцента (Г- глубинное, П – поверхностное), далее следует буква х. Для очищенных препаратов также указывается степень очистки:
2 – жидкий неочищенный концентрат исходной культуры;
3 - сухой препарат, полученный путем распылительной сушки неочищенного раствора фермента (экстракта из поверхностной культуры или культуральной жидкости);
10 – сухие препараты, полученные осаждением ферментов органическими растворителями или методом высаливания;
15, 18, 20 – препараты очищенные от балластных веществ и частично от сопутствующих ферментов.
Для препаратов с индексом очистки выше 20 указанная номенклатура не применяется, т.к. речь идет о высокоочищенных или гомогенных ферментах. Для такие препаратов используют наименования в соответствии с существующей номенклатурой и классификацией ферментов. Тривиальные названия также используются для препаратов ферментов, выделенных из растительных или животных источников.
Источники получения ферментных препаратов.
Из всех существующих природных источников ферментов практический интерес для крупнотоннажного производства ферментных препаратов представляют микроорганизмы, некоторые растения или отельные органы растений и животных, способные накапливать значительные количества ферментов.
Растительное сырье. Источником ферментов может служить проращенное зерно злаков, которое может использоваться непосредственно как технический ферментный препарат или исходное сырье для получения очищенных препаратов. В качестве сырья для получения протеиназ используют латекс дынного дерева и фикусовых, сок зеленой массы ананаса.
Органы и ткани животных. Ферменты животного происхождения выделяют из органов, в которых протекают интенсивные биохимические процессы. В качестве сырья для получения ферментных препаратов широко используют поджелудочную железу, слизистые оболочки желудков и тонких кишок свиней, сычуги КРС, сычужки молочных телят и ягнят, семенники половозрелых животных. В таблице 1 представлены основные наименования ферментных препаратов, выделяемых из животного и растительного сырья.
Микроорганизмы. Преимуществами микроорганизмов как продуцентов ферментов по сравнению с растительными и животными объектами являются:
- высокая продуктивность;
- возможность использования дешевых и доступных субстратов;
- способность микроорганизмов переключаться с синтеза одного фермента на другой;
- относительно короткий (16-100 часов) технологический цикл производства товарных форм препаратов;
- перспектива совершенствования используемых продуцентов с использованием методов генетической инженерии.
Продуцентами тех или иных ферментов как целевых продуктов биосинтеза могут быть микроорганизмы различных таксономических групп: бактерии, дрожжи, грибы, актиномицеты.
Таблица 1 – Растительные и животные источники ферментных препаратов
| Наименование фермента | Источник получения |
| Лактатдегидрогеназа | Сердце КРС |
| Каталаза | Печень свиней и КРС |
| Сычужный фермент | Сычуги КРС |
| Щелочная фосфатаза | Кишечник КРС |
| Гиалуронидаза | Семенники КРС |
| Фумараза и трансаминаза | Сердце свиней |
| Панкреатин (трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, эластаза) | Поджелудочная железа свиней |
| Пепсин | Желудок свиней, кур |
| Аминоацилаза | Почки свиней |
| Амилазы | Ячмень, солод |
| Протеазы папаин фицин бромелин | Дынное дерево Фиговое дерево Ананас |
| Кислая фосфатаза | Картофель |
| Пероксидаза | Хрен |
В качестве промышленных продуцентов ферментов используются как природные штаммы микроорганизмов, так и мутанты со свойствами сверхпродуцентов. Продуценты, выделенные из естественных источников и адаптированные к условиям биореактора как правило продуцируют комплекс близких по строению и специфичности действия ферментов, в этом плане преимуществом мутантных штаммов является свойство моноферментности, т.е. способность направленно синтезировать один целевой продукт.
Способы выражения активности ферментных препаратов.
Комиссия по ферментам Международного биохимического союза рекомендовала использовать следующие единицы активности ферментных препаратов.
Стандартная единица активности – количество фермента, которое катализирует превращение 1 микромоля данного субстрата за одну минуту при заданных условиях (при температуре 30оС, оптимальных значениях концентраций субстрата и фермента, рН среды). Обозначается буквами Е или U.
Удельная активность – это число единиц Е, отнесенное к одному миллиграмму белка в ферментном препарате.
Молекулярная активность – число молекул данного субстрата или эквивалентов прореагировавших групп, превращаемых за 1 минуту одной молекулой фермента при оптимальной концентрации субстрата.
Катал – каталитическая активность, способная осуществлять реакцию со скоростью равной 1 моль/с в заданной системе измерения активности.
Активность условного препарата. В технологии ферментных препаратов принято использовать понятие активности условного ферментного препарата, характеризуемое как активность, измеренная по основному ферменту в стандартных единицах в препарате на единицу массы препарата. Активность основного фермента в стандартном условном препарате устанавливается нормативной документацией на данный препарат. Для пересчета фактически выработанной продукции в условные тонны используют формулу:
Qусл. = Qтов * Аф / Аусл.