Материал: Основы биотехнологии

процессе продуцент образует какую-то определенную структуру, к которой уже химическим путем добавляется необходимый компонент. Иногда биологический объект участвует на каком-либо одном этапе химических процессов, обеспечивающих синтез целевого продукта.

Модификация является необходимым этапом при получении многих ферментов, гормонов и препаратов медицинского назначения. Соединения животного или растительного, а также микробного происхождения зачастую необходимо изменять таким образом, чтобы придать им требуемые для тех или иных целей качества. Например, у бычьего инсулина удаляются аминокислотные остатки, после чего он становится идентичным человеческому гормону.

Стабилизация продукта

Для сохранения требуемых свойств получаемых продуктов в процессе их хранения, реализации и использования потребителями применяют различного рода физико-химические воздействия с целью повышения его стабильности. Показано, что определенная степень обезвоживания существенно повышает стабильность активностей ферментов, включая и устойчивость к нагреваниям. Стабилизация ферментов также достигается добавлением к препаратам глицерина или углеводов, которые формируют многочисленные водородные связи с аминокислотными остатками, препятствуя тем самым их денатурированию при нагревании или спонтанной инактивации.

В некоторых случаях стабилизация продукта представляет собой задачу особого биотехнологического процесса, а не только простой физико-химической модификации. В качестве примера можно привести стабилизацию пищевого продукта, получаемого из яичных желтков – меланжа, свойства которого при хранении существенно изменяются, что делает его непригодным к использованию. Однако порчу меланжа можно предотвратить, если удалить из него углеводы посредством выращивания на меланже пропионовокислых бактерий. Бактерии "выедают" углеводы, повышают питательную ценность продукта за счет обогащения органическими кислотами и витаминами В, а также значительно удлиняют сроки хранения меланжа.

76

7

Ферментативная технология

Ферменты являются сложными органическими соединениями, присутствующими в живых клетках, где они функционируют как катализаторы различных биохимических реакций превращений разных химических соединений. Хотя ферменты образуются только в живых клетках, многие из них могут быть выделены из клеток без потери активности и способны работать в условиях in vitro.

Ферментная технология включает продукцию, выделение, очистку, использование в растворенной форме и, наконец, применение в иммобилизованном виде ферментов в широком круге реакторных систем. Ферментная технология, вне всякого сомнения, обеспечит в будущем разрешение наиболее насущных проблем, стоящих перед обществом; например, обеспечением пищей, источниками энергии (ее сохранением и использованием с максимальной эффективностью), а также улучшением окружающей среды.

Эта новая технология происходит из биохимии, но в значительной степени из микробиологии, химии и инженерных отраслей. В будущем, надо полагать, ферментная технология в сочетании с генетической инженерией обеспечит существенный прогресс во многих областях биотехнологии.

Применение ферментов

Сдавних пор в таких процессах, как пивоварение, изготовление хлеба

ипроизводство 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

77

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

78

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.

Индустриальный рынок ферментов до 1965 г. был сравнительно небольшим, когда ферменты начали широко использоваться для изготовления различного рода детергентов. В последующие несколько лет промышленное производство ферментов резко возросло. Естественно, увеличивается и мощность производств, выпускающих ферменты и для других целей, например гидролиза крахмала, изомеризации глюкозы во фруктозу, изготовления молочных продуктов (в том числе сыров) (табл. 2, рис. 5). Многие ферменты, такие, как протеазы, амилазы, глюкозоизомеразы, производятся десятками тонн, на сумму около 1 млрд. долларов.

Новые технологии, такие, как технология рекомбинантных ДНК, а также улучшение методов ферментации и последующей обработки целевых продуктов ("процессинга"), несомненно значительно снизят затраты производства (и в первую очередь стоимость ферментных препаратов), сделав их более конкурентоспособными в сравнении с

химическими препаратами.

Среди многих новых областей и возможностей ферментной технологии существенное место отводится утилизации лигноцеллюлозы (или просто древесных материалов). Это "обильное" (с избытком имеющееся в природе) сырье должно использоваться человеком, и многие исследовательские разработки направлены на создание эффективных способов деструкции данного сложного органического соединения. Если это удастся осуществить, то биотехнологию ожидает блестящее будущее.

79

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.

80