Применение ферментов

С давних пор в таких процессах, как пивоварение, изготовление хлеба

и производство сыра, использовалась (хотя и не понимаемая)

деятельность ферментов. В результате эмпирических совершенствований

эти традиционные технологии получили широкое распространение

задолго до того момента, когда сформировались научные знания о

механизмах этих процессов.

На Западе понимание промышленного значения ферментов

складывалось в процессе использования дрожжей и солода с тех времен,

когда традиционное пивоварение и выпечка хлеба занимало

существенную долю производства. На Востоке аналогичными процессами

были производство саке и разнообразные пищевые ферментации,

использующие нитевидные грибы в качестве источника ферментативной

активности.

1896 г. считается достоверным началом современной микробной

ферментной технологии с получением первого коммерческого продукта

новой отрасли – такадиастазы, представляющей собой грубую

(неочищенную) смесь гидролитического фермента, приготавливаемую

путем выращивания гриба Aspergillus oryzae на отрубях ячменя.

Быстрое развитие ферментной технологии началось с середины 50-х

годов на основе использования грибных (микробных) ферментов.

Причиной этого главным образом явилось следующее:

1) Интенсивное развитие практики глубинного культивирования

микроорганизмов, связанных с производством антибиотиков, что, в свою

очередь, потребовало новых знаний и привело к быстрому внедрению

появляющихся разработок в производство.

2) Быстрое развитие основных знаний о свойствах ферментов,

обусловливающее реализацию их потенциала для целей промышленного

катализа.

Свободные от клеток ферменты имеют в настоящее время широкое

применение во многих химических процессах, в которых участвует

большое количество последовательных реакций. Однако ферментные

процессы, в которых используются в качестве катализаторов микробные

клетки, характеризуются довольно большим числом ограничений:

1. Большая часть субстрата в обычных условиях превращается в

микробную биомассу.

2. Наличие (или возможное появление) побочных реакций,

приводящих к накоплению значительных количеств отходов.

3. Условия для роста микроорганизма могут быть иными, нежели для

образования и накопления необходимого продукта.

4. Выделение и очистка необходимого продукта из культуральной

жидкости могут быть сопряжены со значительными трудностями. Многие

(если не все) из этих перечисленных недостатков могут быть существенно

уменьшены путем использования чистых ферментов и, по-видимому, при

дальнейших совершенствованиях методов применения ферментов они

будут практически решены. В будущем многие традиционные

ферментные процессы могут быть заменены использованием

многоферментных

реакторов,

которые

способны

обеспечить

высокоэффективную утилизацию субстратов, обусловить более высокий

выход и намного лучшую однородность получаемых продуктов.

Большинство ферментов, используемых в промышленности, являются

внеклеточными ферментами, т. е. ферментами, секретируемыми

микроорганизмами во внешнюю среду. Таким образом, если

микроорганизм продуцирует ферменты для расщепления больших

молекул до ассимилируемых (низкомолекулярных) форм, то ферменты

обычно экскретируются в окружающую (культуральную) среду. В таких

случаях культуральная (ферментационная) жидкость, получаемая при

выращивании микроорганизмов (например, дрожжей или мицелиальных

грибов, бактерий), является основным источником протеаз, амилаз и в

несколько меньшей степени целлюлаз, липаз и других гидролитических

ферментов. Многие промышленные ферменты, являясь гидролазами,

могут функционировать без дополнительных сложных кофакторов; они

легко выделяются (сепарируются от биомассы) без разрушения клеточных

стенок продуцентов и хорошо растворимы в воде. Но поскольку

большинство ферментов микроорганизмов по своей природе являются

внутриклеточными, то наибольший прогресс в биотехнологии может

ожидаться именно при их использовании для промышленных целей.

Однако в этом случае возникает необходимость разработки эффективных

способов их выделения и очистки.