министерство  сельского хозяйства  российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

высшего профессионального  образования

«ИЖЕВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ» 

Зооинженерный факультет 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 

На тему: Ферменты микроорганизмов 
 
 
 
 

Выполнил:

Студент 243 группы

Ушков В.В.

Проверил: преподаватель

Шахова  Е.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ижевск, 2010 г.

 

Содержание

 

Введение

      Истоки  современной биотехнологии уходят глубоко в прошлое. С незапамятных времен получали пищевые продукты и улучшали   их   качество   с   использованием   биологических   процессов и агентов. В качестве биологических агентов применялись различные   организмы    (от   животных   до   микроорганизмов) На этом принципе основаны общеизвестные древнейшие способы получения молока, изготовления вин, уксуса, пивоварения, сыроделия, хлебопечения и т. д.

      Хотя  история пищевых технологий насчитывает  тысячелетия, тем  не  менее  совершенствование  их  постоянно продолжается. В последнее время наметились  перспективы принципиального сдвига в технологии получения и улучшения качества пищевых продуктов. Это связано с переходом от  использования  целых биологических организмов на клеточный и молекулярный уровни. Появилась возможность конструировать биологические агенты,  изменять структуру молекул, «резать» их на части и соединять по усмотрению исследователя-биотехнолога, извлекать биокатализаторы из естественного клеточного окружения и присоединять с помощью ковалентных или других связей к специальным носителям (тем самым опять-таки изменять структуру молекул) и т.д. В этом и заключается главное и принципиальное отличие традиционных  пищевых технологий и их традиционного научного фундамента  от  современной  биотехнологии.  Следует,  впрочем,  иметь в виду, что четкую грань между технической биохимией и биотехнологией провести достаточно трудно.

      Может возникнуть вопрос, почему в разделе,  посвященном промышленным процессам инженерной энзимологии, речь идет в основном  о  получении  пищевых  продуктов.  Дело  в  том, что иммобилизованные ферменты и клетки в основном используют в получении пищевых продуктов и в меньшей степени фармацевтических препаратов. Такое ограничение вызвано весьма малой доступностью  (в широких масштабах)  ферментов, способных катализировать реакции технологической значимости, например, в органической или неорганической химии, нефтехимии, полимерной химии, фармацевтической промышленности и т. д. Напротив, традиционное использование растворимых ферментов в пищевой промышленности создало определенный фундамент для дальнейшего совершенствования методов в этой области.

 

Биотехнологические  производства с использованием ферментов микроорганизмов

      К настоящему времени семь процессов  с использованием иммобилизованных ферментов или клеток нашли крупномасштабное промышленное применение в ряде развитых стран мира:

      1. Производство глюкозо-фруктозных  сиропов и фруктозы из глюкозы. 

      2. Получение оптически активных L-аминокислот  из их рацемических смесей.

      3. Синтез L-аспарагиновой кислоты из  фумаровой кислоты. 

      4. Синтез L-яблочной кислоты из фумаровой кислоты.

      5. Производство диетического безлактозного  молока.

      6. Получение Сахаров из молочной  сыворотки. 

      7. Получение 6-аминопенициллановой кислоты (пенициллинового ядра) из обычного пенициллина (пенициллина G) для последующего производства полусинтетических антибиотиков пенициллинового яда.

1. Получение глюкозо-фруктозных сиропов

      Фруктоза, или иначе фруктовый, плодовый или  медовый сахар,  широко  распространена   в   природе.   Особенно  богаты  ей 
яблоки и помидоры, а также пчелиный мед, который почти наполовину состоит из фруктозы. По сравнению с обычным пищевым сахаром  (в состав которого фруктоза также входит, но в виде химического соединения с менее сладкой глюкозой)  фруктоза обладает более приятным  вкусом, и согласно профессиональной терминологии  вкус  фруктозы  «медовый»,   а  обычного 
сахара — «приторный». Она на 60—70% слаще сахара и потреблять ее можно меньше, а значит, меньше будет и калорийность продукта. Это важно с точки зрения диетологии питания. Фруктозу в отличие от глюкозы и пищевого сахара могут потреблять больные диабетом, так как замена сахара фруктозой существенно снижает вероятность возникновения диабета.  Это объясняется тем,  что усвоение фруктозы  не  связано  с  превращением 
инсулина. Кроме того, она в меньшей степени вызывает заболевание зубов , чем сахар.В смеси с глюкозой фруктоза не кристаллизуется (не засахаривается), поэтому нашла широкое применение в производстве мороженого, кондитерских изделий и т. д. Несмотря на неоспоримые преимущества фруктозы по сравнению с обычным сахаром, вплоть до начала 70-х годов она не производилась промышленным путем. В 1973 г. американской компанией «Клинтон Корн» был внедрен в промышленность процесс превращения глюкозы во фруктозу под действием иммобилизованного фермента глюкозоизомеразы, этот процесс стал самым крупным в мире по сравнению с другими, в которых используются иммобилизованные ферменты.

Основы  процесса.  

Фермент  глюкозоизомераза   катализирует превращение   глюкозы,   получаемой   при   гидролизе   крахмала (кукурузного   или   реже   картофельного),   в   смесь   глюкозы   и фруктозы.  Образующийся глюкозо-фруктозный сироп содержит 42—43% фруктозы, около 51% глюкозы и не более 6% ди- или олигосахаридов, по сладости соответствует обычному сахару или инвертному сахару, получаемому кислотным  (или ферментативным) гидролизом сахарозы.

Для некоторых  пищевых производств (например, безалкогольных напитков типа кока-колы) употребляют глюкозо-фруктозные сиропы с содержанием фруктозы 55 и 90%. Их в свою очередь изготавливают из обычных (42%-ных по фруктозе) сиропов с использованием разделительных процессов типа жидкостной хроматографии.

Глюкозо-фруктозная смесь поступает на рынок в виде сиропов. Применяется при производстве тонизирующих и ацидофильных напитков, мороженого, кондитерских изделий, хлеба, консервированных фруктов и т. д.

Технологические варианты процессов.

В литературе содержится немного данных о технологических деталях процессов. Несмотря на то, что почти в каждом процессе применяются ферменты или клетки различного происхождения, имеющие неодинаковую каталитическую активность и полученные различными методами иммобилизации, все процессы имеют общие черты.

2. Получение L-аминокислот

Аминокислоты  — главный строительный материал организма, из которого формируются  пептиды и белки. Растения и микроорганизмы способны сами синтезировать все нужные им аминокислоты из более простых химических соединений. Однако человеческий организм способен синтезировать лишь 12 из 20 аминокислот,   необходимых   ему  для   жизнедеятельности.   Остальные 8 аминокислот получили название незаменимых и должны поступать в организм извне — с пищей. При нехватке хотя бы одной из незаменимых аминокислот замедляется рост организма, проявляется патология. Поэтому важно синтезировать эти аминокислоты    в   промышленных    масштабах   для    корректировки рационов питания, в лечебных и профилактических целях и т. д. Кроме того, аминокислоты (как заменимые, так и незаменимые) являются важнейшим сырьем для обеспечения многих биотехнологических процессов.

Производство  многих аминокислот, в том числе  и незаменимых, —крупнотоннажная отрасль химической промышленности. Однако с помощью химических методов получается смесь оптических изомеров аминокислот, иначе говоря, смесь L- и D- аминокислот, молекулы которых в L- и D-форме представляют собой зеркальные изомеры. В химических реакциях эти изомеры практически неразличимы, однако человеческий организм усваивает лишь L-аминокислоты (за исключением метионина). Для большинства биотехнологических процессов D- аминокислоты также не представляют ценности.

Разделение  смеси L- и D- аминокислот, так называемой рацемической смеси, на составляющие их изомеры стало первым процессом в мире, осуществленным с помощью иммобилизованных ферментов на промышленном уровне. Этот процесс был реализован в Японии на предприятии, принадлежащем компании «Танабе Сейяку» в 1969 г. В течение 15 предшествующих лет данный процесс проводился с применением  растворимого  фермента аминоацилазы,   но   он   был   недостаточно   экономичен. После перехода на иммобилизованную аминоацилазу экономическая эффективность процесса возросла в полтора раза, и в настоящее время компания осуществляет на промышленном уровне производство пяти L-аминокислот, из них четыре незаменимые (метионин, валин, фенилаланин, триптофан).

В качестве исходного вещества используются ацилированные D, L-аминокислоты, полученные с помощью  обычного химического синтеза. Фермент аминоацилаза гидролизует один ацил-L-изомер, отщепляя от него объемную ацильную группу, и тем самым резко увеличивая растворимость образующейся L-аминокислоты по сравнению с присутствующим в реакционной системе ацил-Д-изомером. После этого вещества легко отделяются друг от друга путем известных физико-химических методов. Так выделяется чистая L-аминокислота.

Остающаяся  ацил-О-аминокислота при нагревании рацеми-зуется, т. е. переходит опять в смесь ацилированных D, L-аминокислот, и процесс повторяют сначала. Таким образом, в итоге единственным продуктом является L-аминокислота. Оказалось, что для аминоацилазы не имеет значения, какую аминокислоту ей гидролизовать, важно лишь строение ацильной части, к которой фермент имеет строгую специфичность. В результате этого одна и та же реакционная колонна с иммобилизованной амино-ацилазой может быть применена в производстве самых различных L-аминокислот.

Иммобилизованный  фермент легко готовить, так как  он легко адсорбируется на специальной  смоле, которую затем помещают в реакционную колонну. Время полуинактивации иммобилизованного фермента в промышленных условиях составляет 65 сут. Когда активность катализатора падает ниже нормы, в колонну добавляют раствор свежего фермента (раз в несколько месяцев), который опять адсорбируется на носителе. Устойчивость полимерного носителя высокая; так, на предприятии японской компании «Танабе Сейяку» он используется более 8 лет в одной и той же колонне без замены (I. Chibata, 1978). 

3. Получение L-аспарагиновой кислоты

Аспарагиновая кислота не принадлежит к числу  незаменимых, но производится в мире многими тысячами тонн. Она находит широкое применение в пищевой промышленности для придания (в сочетании с другой аминокислотой — глицином) кондитерским изделиям и напиткам различных оттенков кислого или сладкого вкуса. Аспарагиновую кислоту можно получать с помощью фермента аспартазы. В качестве исходных веществ для ферментативного синтеза используются фумаровая кислота и аммиак — крупнотоннажные продукты органического и неорганического синтеза.   Протекающая   реакция  одностадийна — в   присутствии фермента молекула аммиака присоединяется к фумаровой кислоте по месту двойной связи с образованием оптически активной L-аспарагиновой кислоты. В этом процессе впервые в технологической практике были применены иммобилизованные клетки микроорганизма, содержащие фермент в его естественной микробной оболочке. Этот процесс был разработан японской фирмой «Танабе Сейяку» в 1973 г. 

Плотный гель с иммобилизованными в нем микробными клетками, содержащими аспартазу, формуют в кубики размерами 2—3 мм, набивают ими колонну объемом 1 м³ и пропускают через нее раствор фумарата аммония. На выходе из колонны L-аспарагиновую кислоту кристаллизуют, центрифугируют и промывают холодной водой. Процесс практически полностью автоматизирован и осуществляется в непрерывном режиме. Масштабы производства на фирме «Танабе Сейяку»—1700 кг чистой L-аспарагиновой кислоты в сутки на реактор объемом 1 м³ .

4. Получение L-яблочной кислоты

Яблочная  кислота находит спрос в качестве заменителя лимонной кислоты в продуктах  питания и фармацевтических препаратах. Химическим путем (гидролизом ангидрида  яблочной кислоты) производят только рацемическую смесь оптических изомеров яблочной кислоты, в то время как оптически активный L-изомер, получаемый микробиологическим способом, пока слишком дорог для промышленного производства.

L-яблочную кислоту получают ферментативным путем, так же как и L-аспарагиновую кислоту, из фумаровой кислоты. Здесь в качестве катализатора используют иммобилизованные в гель клетки, содержащие фермент фумаразу. В присутствии этого фермента происходит присоединение воды по двойной связи молекулы фумаровой кислоты. В остальном реакция протекает так, как и в случае L-аспарагиновой кислоты. В обычных (интактных) клетках время полуинактивации фумаразы составляет 6 сут, в иммобилизованных в полиакриламидный гель — 55 сут, а в иммобилизованных в гель на основе каррагинана — полисахарида  из морских водорослей—160 сут  

5. Получение безлактозного  молока

Лактоза, или молочный сахар, содержится в  достаточно больших количествах в молоке и молочной сыворотке. Этот сахар характеризуется малой сладостью и низкой растворимостью, в его присутствии происходит кристаллизация мороженого и других молочных изделий и продуктов, что является причиной неприятных вкусовых ощущений.

Молекулы  лактозы распадаются на глюкозу  и галактозу при гидролизе  под действием лактазы, или β-галактозидазы. Молоко после такой обработки приобретает новые диетические качества, поскольку определенная часть населения не может употреблять молоко из-за наличия в нем лактозы. Это свойство организма получило название лактазной недостаточности.

Первый  промышленный процесс получения  безлактозного молока с использованием иммобилизованной лактазы был осуществлен итальянской фирмой «Сентрале дель Латте» в Милане. Получаемое диетическое молоко несколько слаще по сравнению с обычным, поскольку глюкоза более сладкая, чем лактоза, однако это не мешает его употреблению. Стабильность иммобилизованного фермента достаточно высока, и после 50 сут работы он сохраняет 80% первоначальной активности.