Биотехнологические основы переработки растительного сырья

Биоконверсия (от лат. conversio - превращение) означает преобразование, трансформацию одних органических соединений в другие при помощи культур микроорганизмов, а также выделенных ферментов; один из важнейших биотехнологических процессов переработки растительного сырья в корма и пищевые продукты.

Технологическое преимущество биоконверсии по сравнению с процессами химических превращений веществ состоит в том, что необходимые катализаторы синтезируются культурой микроорганизма либо используются выделенные ферменты и конверсия может быть осуществлена в одну стадию. Кроме того, ферментативные процессы в живых системах энергетически более выгодны, чем химические превращения веществ.

Существует множество процессов биопревращений растительного сырья: гидролиз высокомолекулярных веществ и биополимеров, трансформация микроорганизмами органических субстратов в белковые продукты, детоксикация сырья и кормов, биологическая очистка сточных вод и др.

Ферментные препараты, как правило, используют в основном для биоконверсии растительного сырья, на начальной, наиболее трудоемкой стадии его переработки, когда необходимо расщепить структурные или запасные компоненты, а также на заключительных стадиях переработки растительных субстратов - с целью сохранения качества пищевых продуктов или улучшения органолептических свойств.

Биоконверсия с использованием микроорганизмов применяется в основном для переработки растительного сырья в белковые продукты, корма повышенной усвояемости, для получения растительных белковых гидролизатов и пр. В основе микробной биоконверсии - процесс культивирования микроор­ганизмов.

1. Биоконверсия с использованием ферментов

Ферменты (энзимы) - высокоспециализированный класс белковых веществ, способных катализировать химические реакции в живых организмах.

Классификация ферментов:

- простые или однокомпонентные (большинство гидролитических ферментов);

- сложные или двухкомпонентные (ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы (оксидоредуктазы), синтез веществ (лигазы), а также реакции переноса групп (трансферазы).

Холофермент - двухкомпонентный фермент, состоящий из простого белка (неактивный апофермент) и активной небелковой группы (кофактор: ионы металлов или различные, сложные органические соединения).

В зависимости от прочности связи кофактора с апоферментом кофакторы бывают двух видов: простетическая группа - добавочная группа, прочно связанная апоферментом и не отделяемая от него и кофермент - легко отделяемый от апофермента, обслуживающий два или несколько ферментов и способный к самостоятельному существованию. (гемогруппа цитохрома ковалентно связанная с его полипептидной частью). Коферменты: большинство витаминов (B₁, B₂, В₃, B₅, B₁₂, H и др.) или соединения, построенные с участием витаминов (КоА, А, НАД, НАДФ, ФМН, ФАД).

Основные свойства ферментов заключаются в их:

- высокой каталитической активности (катализируют превращения субстратов при очень малых концентрациях);

- специфичности: каждый фермент может катализировать одну или несколько близких по природе химических реакций;

- лабильности способность менять свою активность в зависимости от внешних факторов (температуры, рН среды, присутствия в среде ряда химических соединений и др.). Легко инактивируются (теряют ферментативную активность) при нагревании в связи с начинающейся денатурацией белка. Температурный оптимум для большинства ферментов - 37-40 °С. Снижение температуры от оптимума ведет к обратимому снижению активности ферментов вследствие замедления движения, а, следовательно, снижения возможности столкновения молекул фермента и субстрата. Большинство ферментов имеет максимальную активность в зоне рН вблизи нейтральной точки, соответствующей изоэлектрической точке фермента. К числу активаторов ферментов относятся ионы Ме, хлора, водорода, желчные кислоты, аминокислоты. Ферменты легко ингибируются различными ферментными ядами. Ингибирование ферментов может быть обратимым и необратимым.

- обратимости действия, то есть один и тот же фермент в одних условиях способен ускорять реакцию синтеза, в других — распада (липаза в присутствии воды осуществляет гидролиз жиров, а в отсутствии воды — их синтез).

Международная классификация и номенклатура ферментов.

Тип катализируемой химической реакции в сочетании с названием субстрата (субстратов) служит основой для систематизации ферментов по шести главным классам, в каждом из которых выделяют несколько подклассов.

1. Класс оксидоредуктаз включает ферменты, катализирующие с участием двух субстратов окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления:

- аэробные дегидрогеназы или оксидазы, катализирующие перенос протонов (электронов) непосредственно на кислород;

- анаэробные дегидрогеназы, ускоряющие перенос протонов (электронов) на промежуточный субстрат, но не на кислород;

- цитохромы, катализирующие перенос только электронов;

- гемсодержащие ферменты каталазу и пероксидазу, катализирующие реакции с участием перекиси водорода.

2. Класс трансфераз охватывает ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса различных атомов, групп атомов и радикалов. Наименование их составляется по форме «донор: транспортируемая группа-трансфераза».

Катализируют перенос одноуглеродных остатков, ацильных, гликозильных, альдегидных или кетонных, нуклеотидных остатков, азотистых групп, остатков фосфорной и серной кислот и др.

3. Класс гидролаз объединяет большую группу ферментов, катализирующих расщепление внутримолекулярных связей органических веществ при участии молекулы воды:

- эстеразы - ферменты, катализирующие реакции гидролиза и синтеза сложных эфиров;

- гликозидазы, ускоряющие разрыв гликозидных связей;

- фосфатазы и пептидгидролазы, катализирующие гидролиз фосфоангидридных и пептидных связей;

- амидазы, ускоряющие разрыв амидных связей, отличных от пептидных, и др.

4. Класс лиаз ферменты, катализирующие разрыв связей С-О, С-С, C-N и др., а также обратимые реакции отщепления различных групп от субстратов негидролитическим путем. Эти реакции сопровождаются образованием двойной связи или присоединением групп к месту разрыва двойной связи. В эту же группу входят декарбоксилазы (карбоксилиазы), амидинлиазы и др.

5. Класс изомераз - ферменты, катализирующие взаимопревращения оптических и геометрических изомеров. Если изомеризация включает внутримолекулярный перенос группы, фермент получает название «мутаза». К этому же классу относят рацемазы и эпимеразы, действующие на амино- и оксикислоты, углеводы и их производные; внутримолекулярные оксидоредуктазы, катализирующие взаимопревращения альдоз и кетоз; внутримолекулярные трансферазы, переносящие ацильные, фосфорильные и другие группы, и т. д.

6. Класс лигазы (синтетазы) охватывает ферменты, катализирующие синтез органических веществ из двух исходных молекул с использованием энергии распада АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата). Для стандартизации исследований особое значение имеет то, что согласно принятой международной системе всем ферментам присвоен индивидуальный классификационный номер (шифр).