Технология производства ферментов

Несмотря на то что многие весьма полезные и ценные ферменты

продуцируются клетками животных и растений, все же предполагается,

что большая часть промышленных разработок в области ферментной

технологии будет основываться на ферментах, получаемых из

микроорганизмов. Даже в солодовом процессе при пивоварении, где

используется амилаза, получаемая из проростков ячменя, относительно

недорогая, и на основании которой строится повсеместное приготовление

пива, по-видимому, не выдержит конкуренции с все увеличивающимся

внедрением в эти процессы бактериальных ферментов аналогичного

действия.

Рис.5. Крупномаштабный процесс производства фруктозных сиропов из

кукурузного крахмала. Типичное предприятие в день перерабатывает около 500 т

зерна.Отделенные из зерен гранулы крахмала рессуспендируются в воде до

концентрации 40% при рН 3, 5–4, 2. На стадии разжижения добавляется альфаамилаза

и крахмал желируется при рН 6, 2–6, 5 при прямом нагревании раствора паром.

Начальная температура 105–107⁰С поддерживается 5–8 минут, затем резко

охлаждается до 95⁰С и выдерживается 1–2 часа для дальнейшего гидролиза крахмала

до размера олигосахаридов в 10–13 глюкозных остатков. Для осахаривания раствор

разбавляют до концентрации 32–34% сухого вещества, рН доводят до значения 4, 2–

4, 5, и глюкоза образуется при добавлении глюкоамилазы и пуллаланазы. Реакция

проходит в реакторах при температуре 60 ⁰С. Для изомеризации 95, 5% раствор

глюкозы доводят до рН 7–8 и пропускают через колону с иммобилизованной

глюкоизомеразой. Температура и скорость протока контролируются так, чтобы

обеспечить на выходе примерно 42% фруктозный сироп. Высокоочищенная (90%)

фруктоза получается путем хроматографического разделения моносахаров.

Использование микроорганизмов в качестве источников производства

ферментов стимулируется следующими основными факторами:

• высокой степенью специфической активности в пересчете на

единицу сухого веса продукта;

• сезонными колебаниями количества и качества сырьевых

материалов и возможностью их длительного сохранения в

зависимости от климатических изменений;

• возможностью выбора нужного фермента из широкого спектра

микробных катализаторов, характеризующихся различной

степенью устойчивости к повышенным температурам рН

среды;

• возможностями промышленной генетики оптимизировать

количества выхода ферментов и способов селекции штаммов-

продуцентов

путем

мутагенеза,

изменения

условий

культивирования, а также (в последнее время) применения

практически

неограниченных

возможностей

методов

генетической инженерии.

Приемы селекции различных микроорганизмов довольно сложны и

включают многие факторы, такие, как стоимость культивирования,

способность секретировать фермент во внешнюю среду или накапливать

его внутри клетки, а также способность противостоять неблагоприятным

воздействиям внешней среды, повреждающим ферменты, и т. п. В

зависимости от происхождения ферменты существенно различаются

между собой по термостабильности и по отношению к экстремальным

значениям рН. Так, например, протеазы Bac. subtilis относительно

стабильны при нагреваниях и активны в щелочной среде, в силу чего

считаются более подходящими для использования в качестве добавок в

стиральные порошки и моющие средства. В противоположность этому,

грибные амилазы, вследствие их высокой чувствительности к нагреванию,

пригодны в хлебопечении и т. д.

При селекции продуцентов ферментов генетики промышленных

микроорганизмов стремятся улучшить желаемые их свойства: высокий

выход фермента, стабильность фермента, независимость синтеза

фермента от индуктора, легкое его извлечение из среды и т. п., тогда как

нежелательные качества стараются устранить или ингибировать. К числу

последних относятся наличие вредных побочных метаболитов,

неприятный запах, нежелательный цвет препарата и т. п. Сложная

генетическая техника, однако, еще не нашла широкого применения и

большинство производств использует главным образом приемы

мутагенеза в сочетании с хорошо отработанными селекционными

методами.

Общим

недостатком

большинства

промышленных

микроорганизмов является их малая генетическая изученность, что,

естественно, снижает возможности улучшения полезных свойств

продуцентов ферментов за относительно короткий период времени.

Однако технология переноса генов вместе с белковой инженерией

способны изменить эту ситуацию и обусловить развитие новых

направлений в области ферментной технологии.

Поскольку микробные ферменты являются малообъемными

препаратами относительно невысокой стоимости, методы, применяемые

для их производства, обычно осуществляются с использованием

биореакторов (ферментеров), аналогичных по конструкции и функциях

таковым, которые применяются при производстве антибиотиков. Выбор

культуральной среды является весьма важным моментом в процессе

производства, так как она обеспечивает растущий микроорганизм

энергией, а также является источником необходимых элементов

(углерода, азота и т. д.). Стоимость сырьевого материала непосредственно

связана с ценой конечного продукта.

В большинстве случаев ферменты получаются при ферментации с

одноразовой загрузкой, длящейся от 30 до 150 часов; процессы,

основанные на непрерывном (проточном) культивировании, нашли пока

еще малое применение в промышленном производстве ферментов.

В процессе выращивания продуцентов ферментов, последние могут

накапливаться внутри клеток или же секретироваться во внешнюю среду.

Коммерческие препараты ферментов могут выпускаться в продажу либо в

жидкой, либо в кристаллической форме; очищенными или же в виде

" грубых" препаратов. Например, в препаратах, используемых для

гидролиза крахмала, целлюлозы, основным критерием является высокая

активность основного фермента в препарате, а наличие других

активностей зачастую не принимают во внимание. В то же время в

препаратах ферментов, используемых в молекулярной биологии,

медицине, основным критерием качества является отсутствие

дополнительных ферментативных активностей и просто белковых

загрязнений.

Концентрирование и очистка ферментов зачастую представляет собой

весьма сложные процессы. И естественно, что стоимость препаратов

ферментов зависит от всех перечисленных выше моментов.

Ферментные препараты, предназначенные для использования в

пищевой промышленности или в медицинской практике, подлежат

строгому контролю на токсичность для животных, мутагенную

активность, тератогенность и канцерогенность, а также проверяются в

различных фармакологических тестах.

Ответственность за безопасность выпускаемых ферментных

препаратов ложится на фирму, их производящую. Практически,

безопасный ферментный препарат должен обладать низкими

аллергическими свойствами и быть свободным от токсических веществ, а

также вредоносных микроорганизмов.