7. Біотехнологія і харчова промисловість

З багатьох тисяч вивчених і охарактеризованих ферментів на частку 20 припадає понад 90% всіх ферментів, які використовуються в даний час в промисловості. У табл. 5 перераховані найбільш важливі з них і зазначена область їх застосування.

Багато промислово важливих ферментів відносяться до класу деполімераз і є позаклітинними, що діють на полісахариди, білки і нуклеїнові кислоти. Переваги позаклітинних ферментів для їх промислового отримання полягають у наступному:

● доступність виявлення штамів-продуцентів за рахунок дифузії ферментів в агарізоване середовище, що містить субстрат для них, і поява навколо колоній зон, що свідчать про дію ферменту;

● можливість підвищення кількісного виходу ферментів:

а) за рахунок правильного вибору штамів-продуцентів;

б) мутагенезу клітин продуцента;

в) селекції продуцента на надсинтез ферментів;

г) клонування генів, відповідальних за продукцію ферментів;

д) регуляції синтезу продукції ферментів факторами зовнішнього середовища;

● можливість створення умов культивування, що забезпечують максимальну продукцію ферменту;

● відносна простота і легкість очищення ферментних препаратів.

Позаклітинні ферменти, які продукуються фітопатогенними бактеріями роду Erwinia, відносяться в основному до класів протеаз, целюлаз і пектіназ (зокрема, пектатліаз).

Протеолітичні ферменти повсюдно зустрічаються у мікроорганізмів, а позаклітинні протеази, ймовірно, найбільш поширені з усіх мікробних синтезованих ферментів. Ці ферменти легко виявити і вони часто синтезуються з високим виходом. Мікробні протеази можна згрупувати в три класи: серинові, метало-і кислі протеази, які мають оптимуми активності відповідно при лужної, нейтральної або кислої реакції середовища.

Характерна властивість серинових протеаз – наявність залишку серину в активному центрі молекули. Серинові протеази являють собою ендопептідази з високою протеолітичною активністю, що поєднується з низькою специфічністю. Ці протеази використовуються в миючих засобах і мають безперечну цінність для очищення одягу, забрудненого кров'ю, їжею чи якимись іншими речовинами, що містять білок. У шкіряній промисловості протеази використовують у двох процесах: для видалення волосся зі шкір і для пом'якшення, тобто додання шкірі м'якості.

У типовому випадку металопротеаз містять атом необхідного металу, зазвичай цинку, і виявляють оптимальну активність при нейтральній реакції середовища. Вони є ферментами ендо-типу і дії і переважно розщеплюють пептиди з гідрофобними бічними ланцюгами.

Таблиця 5

Найважливіші ферменти та галузі їх використання

№	Фермент	Використання
	α-Амілаза	Виробництво спирту, пива, вин, хліба, кондитерських виробів та продуктів дитячого харчування
	Аміноацилаза	Отримання L-амінокислот
	Бромелаїн	Розм’якшення м’яса, освітлення соків
	Каталаза	Антиоксидант в готових до використання харчових продуктах
	Целлюлаза	Отримання спирту та глюкози. Приготування розчинного кофе, морквяного джему, покращення консистенції грибів та овочів, обробка плодів
	Фіцин	Розм’якшення м’яса, освітлення соків
	Глюкоамілаза	Пивоваріння, виробництво спирту
	Глюкозоізомераза	Виробництво сиропів з високим вмістом фруктози
	Глюкозооксидаза	Антиоксидант в готових до споживання харчових продуктах
	Інвертаза	Інверсія сахарози. Виробництво кондитерських виробів
	Лактаза	Утилізація сироватки, гідроліз лактози, вилучення лактозы з молочної сироватки, приготування морозива та ін.
	Ліпаза	Сироваріння, отримання ароматизаторів, надання специфічного аромату сиру, шоколаду, молочним продуктам, покращення якості збитих яєчних білків
	Папаїн	Розм’якшення м’яса, освітлення соків
	Пектиназа	Освітлення соків, вин, обробка цитрусових плодів, виробництво спирту
	Протеаза	Детергент, виробництво спирту. Сироваріння, прискорення дозрівання тіста, виробництво крекерів, покращення якості м’яса
	Реннін	Сироваріння
	Трипсин	Прискорення процесів маринування риби, відокремлення м’яса від кісток

Металопротеази використовуються для пом'якшення шкір і, крім того, знаходять застосування в пивоварної і спиртової промисловості. Вони можуть бути використані для запобігання утворення каламуті – білкового осаду, що випадає при зберіганні пива на холоді. Для цієї мети використовуються також рослинні ферменти: папаїн і бромелін.

Кислі протеази з низьким оптимумом pH рідко зустрічаються у бактерій, але переважають у грибів. Вони виявляють значну схожість з травними ферментами тварин: пепсином і хімозином. Тому дані ферменти використовують як замінники тваринних протеаз, а головна область їх застосування – виробництво сиру і соєвого соусу. Кислі протеази розглядаються як замінники телячого сичуга. Сичуг (екстракт шлунків телят) містить хімозин, у якого активність до коагуляції переважає над протеолітичної, що використовується для зсідання білків молока у виробництві сиру. Але в міру старіння тварини хімозин замінюється пепсином. Застосування мікробних сичугів більш вигідно у зв'язку з необмеженістю їх джерел, дешевизною виробництва і стабільністю якості. Грибні протеази знайшли також застосування у хлібопекарській промисловості. Вміст клейковини в борошні, що використовується для випічки хліба, може широко варіювати, що призводить до необхідності видозмінювати процес приготування тіста, щоб забезпечити отримання стандартного хліба. Грибні протеази використовують для деградації клейковини до постійного рівня, що дозволяє стандартизувати і скоротити операцію хлібопечення.

Целюлази - комплекс ферментів, які виділяють багато грибів і бактерій. Їх спільна дія призводить до розщеплення целюлози. Целюлоза є найпоширенішим природним полімером. Його довгі ланцюги складаються з залишків D-глюкози, з'єднаних β-1,4-зв'язками. Целюлоза спільно з лігніном і геміцелюлозами утворює лігноцелюлозний матеріал, на частку якого припадає основна частина біомаси, що залишається у величезній кількості у вигляді відходів сільського господарства, деревообробної промисловості та інших галузей господарської діяльності людини. Ці відходи можна переробляти і використовувати в якості промислової сировини. У деяких мікроорганізмів целюлази входять до складу целюлосоми – білкового комплексу, що знаходиться на клітинній поверхні. У целюлосому входять наступні ферменти:

● ендоглюконаза, яка гідролізує β-1,4-зв'язки між сусідніми залишками глюкози в нещільно упакованих областях целюлози, утворюючи розриви в середині ланцюга;

● екзоглюконаза, яка розщеплює целюлозні ланцюги, що розірвані, з нередукуючого кінця з утворенням глюкози, целобіози (два залишку глюкози) і целотриози (три залишку глюкози);

● целобіогідролаза, яка часто присутня в целюлолітичних грибах і є різновидом екзоглюконази, що відщеплює фрагменти з 10 і більшого числа залишків глюкози з нередукуючого кінця молекул целюлози.

● β-глюкозидаза, або целобіаза, яка каталізує перетворення целобіози и целотриози в глюкозу.

Целюлоза – дуже цінний матеріал, з якого можна отримувати безліч продуктів (наприклад, глюкозу і етанол). Але спочатку необхідно вивільнити її з комплексу з лігніном і геміцелюлозами. Однак необхідні для цього енергетичні витрати суттєво підвищують вартість кінцевого продукту. Тим не менше створені штами S. cerevisiae і Z. mobilis, які ефективно перетворюють целюлозу на етанол після введення їм целюлазних генів. В даний час досліджується можливість використання целюлаз при промисловій біопереробці паперових відходів в етанол. Останнім часом інтерес до целюлозовмісних відходів сільського господарства з'явився у зв'язку з можливістю їх використання в якості субстратів для отримання білка одноклітинних мікроорганізмів (БОО), який застосовується в якості харчових добавок або корму для худоби. Особливо актуально це тому, що раніше для таких цілей перспективними вважалися нафту і нафтопродукти, але у зв'язку зі збільшенням цін на нафту інтерес до подібних проектів пропав.

Пектинази використовуються майже виключно в промисловості по переробці овочів та фруктів. Пектини – це структурні полісахариди, що знаходяться усередині клітинних стінок і в міжклітинному просторі вищих рослин. Завдяки такій локалізації вони зв’язують волокна целюлози один з одним, утворюючи ригідний матрикс, а також з'єднують клітини. Пектини складаються з ланцюгів неповного метилового ефіру 1,4-α-галактуроната. У деметильованому вигляді цю молекулу називають пектинової кислотою або полігалактуронової кислотою.

Пектиназа включає кілька різних ферментів, що поділяються на дві головні групи: 1) пектинестерази, які руйнують ефірні зв'язки з утворенням метанолу та полігалактуронових кислот; 2) деполімерази, які розривають глікозидні зв'язки в пектині.

Промислові препарати пектинази виробляють переважно з грибів. Традиційне і саме широке їх застосування полягає в освітленні яблучного, грушевого і виноградного соків, яким пектин часто додає каламутність і в'язкість. Така депектинація необхідна для соків, що піддаються концентруванню. Обробка пектиназою вихідної пульпи дозволяє збільшити вихід і якість соку. Пектиназу використовуються також для освітлення вина і соку цитрусових. Поряд з целюлазою пектиназу можуть застосовувати у виробництві спирту з відходів сільськогосподарської продукції та деревообробної промисловості.

Існує ряд якісних і кількісних реакцій, що дозволяють відносно просто визначити наявність позаклітинних деполімераз.

Протеази можуть бути виявлені при включенні до складу середовища в якості додаткового джерела вуглецю і енергії білків молока, желатини і т. п. На агарізованому середовищі в разі продукції ферменту утворюються зони просвітління навколо колоній штамів, що продукують ферменти.

Виявлення целюлаз при вирощуванні продуцентів на щільних середовищах засноване на розщепленні субстратів, що містять целюлозу, з їх подальшим фарбуванням і визначенням розмірів зон розкладання субстратів.

Пектатліази можуть бути детектировани спектрофотометричним методом, заснованим на утворенні продуктів руйнування молекул пектинів, які мають пік поглинання в ультрафіолетовій області спектра, або чашковим методом при використанні в якості субстрату поліпектата натрію.

Біосинтез позаклітинних ферментів бактеріями роду Erwinia підлягає регуляції за рахунок механізму катаболічної репресії (КР) глюкозою. Суть цього явища полягає в тому, що продукція ферментів, що беруть участь в катаболізмі багатьох джерел вуглецю, різко знижується при додаванні в середовище глюкози – найкращого джерела вуглецю і енергії.