Ответы по биотехнологии / вопросы 12 - 18/

12. Значение ферментов, источники их получения.

Ферме́нты, или энзи́мы (от лат. fermentum, греч. ζύμη, ἔνζυμον — закваска) — обычно белковые молекулы или молекулы РНК (рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества — продуктами, при этом ферменты специфичны к субстратам (действуют только на те же вещества, превращение которых они катализируют ). Ферменты не изменяются и не расходуются в процессе реакции, ускоряют только те реакции, которые могут протекать и без них. Скорость протекания реакции при участии ферментов на несколько порядков выше, чем под влиянием химических катализаторов. Для ферментативных реакций характерен почти 100% выход продуктов. В настоящее время в природе обнаружено свыше 3 тысяч ферментов.

Основные функции ферментов - ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме (для обновления клеточных структур, для обеспечения его энергией и др.), а также регулировать биохимические процессы (напр., реализацию генетической информации), в т.ч. в ответ на изменяющиеся условия.

Достоинства ферментов по сравнению с неорганическими катализаторами:

- нетоксичность,

- работают в мягких условиях, не требующих высоких температур и, следовательно, затрат топлива,

- используют доступное сырье (часто отходы), что выгодно с экономической и экологической точек зрения.

Ферменты применяются в текстильной, кожевенной, целлюлозно-бумажной, медицинской, химической промышленности.

Применение ферментов в технологических процессах:

- амилаза – гидролиз крахмала до декстринов, мальтозы и глюкозы в спиртовой и пивоваренной промышленности, хлебопечении, получении патоки, глюкозы,

- липазы – гидролиз жиров и масел в пищевой, медицинской промышленности, сельском, жилищно-коммунальном хозяйстве, бытовой химии,

- пектиназа – гидролиз галактуронана, осветление вина и фруктовых соков,

- глюкоизомераза – изомеризация глюкозы во фруктозу в кондитерской, ликероводочной, безалкогольной промышленности, хлебопечении. Фруктоза является более сладким моносахаридом, чем глюкоза.

- пептидогидролаза – лизиса (гидролиза) белков в получении аминокислот, производство и получение сыра, мягчение мясных и рыбных изделий, выделка кож, активизация пищеварения. В пивоваренной, винодельческой, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, медицине.

- целлюлазы – гидролиз целлюлозы до глюкозы. Производство пищевых и кормовых препаратов, этанола, глюкозо-фруктозных сиропов. Спиртовая, пивоваренная, пищеконцентратнная промышленность. Хлебопечение, коромопроизводство.

- фруктофуранозилаза – инверсия сахарозы. Кондитерская, ликероводочная, безалкогольная промышленность, производство сиропов.

Более широкое технологическое применение ферментов до последнего времени сдерживалось рядом причин, из которых важнейшими являются:

1) трудоемкость отделения ферментов от исходных реагентов и продуктов реакции;

2) неустойчивость ферментов при хранении, различных воздействиях (тепловых);

3) трудоемкость очистки ферментов и получения их в активном виде.

Традиционные источники ферментов – это природные объекты, в которых содержание фермента составляет не менее 1%.

Без применения биотехнологии для получения ферментов в больших количествах пригодны только некоторые растительные организмы на определенной фазе их развития: например, проросшее зерно различных злаков и бобовых, латекс и сок зеленой массы некоторых растений, а также ткани и органы животных: сычуг крупного рогатого скота, семенники половозрелых животных.

Зато практически неограниченный источник ферментов – это микроорганизмы и грибки. За счёт размножения они самостоятельно наращивают объёмы производства ферментов.

В настоящее время наиболее прогрессивным является метод культивирования микроорганизмов при непрерывной подаче в ферментер как питательной среды, так и посевного (микробного) материала. Синтезируемые микроорганизмами ферменты подразделяются на внеклеточные и внутриклеточные. К внеклеточным ферментам относятся амилаза, целлюлаза, лактаза, липаза, пектиназа, протеаза, к внутриклеточным - аспарагиназа. каталаза, инвертаза.

Внеклеточные ферменты получают из культуральной жидкости, предварительно отделанной от микроорганизмов. Для выделения внутриклеточных ферментов разрушают клеточные оболочки с помощью механических, физических, химических (действие кислот, растворителей), ферментативных и биологических методов.