Иммобилизованные ферменты и их применение в пищевых технологиях

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования «Казанская государственная академия ветеринарной Медицины имени Н.Э.Баумана»

 

Кафедра биологической и неорганической химии.

 

 

 

 

 

Реферат на тему

«Иммобилизованные ферменты и их применение в пищевых технологиях.»

 

 

 

 

Реферат выполнил:

Студентка 251 группы ФВМ

Миргазизова И.С.

Научный руководитель:

Алимов А.М.

 

Казань 2017

Содержание.

 

1.  Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации............................3

2.  Применение иммобилизованных ферментов в пищевой       промышленности....................................................................................................6

3.  Литература..........................................................................................................8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иммобилизованные ферменты. Методы иммобилизации. 

 

ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ ФЕРМЕНТЫ(от лат. immobiiis — неподвижный), препараты ферментов, молекулы которых связаны матрицей, или носителем (как правило, полимером), сохраняя при этом полностью или частично свои каталитические свойства. Иммобилизованные ферменты обычно не растворимы в воде; между двумя фазами возможен обмен молекулами субстрата, продуктов каталитической  реакции, ингибиторов и активаторов.

Коммерческое использование ферментов ограничено рядом факторов. Важнейшие из них — нестабильность ферментов и их высокая стоимость. Стоимость можно существенно снизить за счет иммобилизации фермента. Это означает, что фермент закрепляют на поверхности или внутри твердой подложки, которую легко удаляют из реакционной смеси после завершения ферментации. Фермент может быть использован повторно, что существенно снижает стоимость процесса.

Другое преимущество иммобилизации заключается в том, что фермент становится более стабильным, вероятно, за счет ограничения его способности денатурировать при изменениях рН, температуры и растворителей. К примеру, иммобилизованная глюкозоизомераза стабильна при 65°С в течение года, тогда как в растворе она денатурирует при 45°С за несколько часов.

Иммобилизованный фермент можно использовать для непрерывного (открытого) производства, пропуская реагенты через фермент и собирая продукт на конечном этапе.

Методы иммобилизации ферментов

Существуют различные способы иммобилизации ферментов. Они включают либо механическое включение(захват) фермента, либо его присоединение к определенной структуре, или матрице. Преимуществом метода захвата является то, что фермент сохраняется в естественном состоянии. Однако крупным молекулам трудно добраться до фермента.

Физическая иммобилизация ферментов представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной является лишь ограниченная часть общего объема. При физической иммобилизации фермент не связан с носителем ковалентными связями. Существует четыре типа связывания ферментов:

— адсорбция на нерастворимых носителях;

— включение в поры геля;

— пространственное отделение фермента от остального объема реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны);

— включение в двухфазную среду, где фермент растворим и может находиться только в одной из фаз.

Для иммобилизации ферментов в геле существует два основных способа. При одном из них фермент помещают в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию, в результате чего образуется полимерный гель с включенными в него молекулами фермента. В реакционную смесь часто добавляют также бифункциональные (содержащие в молекуле две двойные связи) сшивающие агенты, которые придают образующемуся полимеру структуру трехмерной сетки. В другом случае фермент вносят в раствор готового полимера, который затем каким-либо образом переводят в гелеобразное состояние. Способ иммобилизации ферментов путем включения в полимерный гель позволяет создавать препараты любой геометрической конфигурации, обеспечивая при этом равномерное распределение биокатализатора в объеме носителя. Метод универсален, применим для иммобилизации практически любых ферментов, полиферментных систем, клеточных фрагментов и клеток. Фермент, включенный в гель, стабилен, надежно защищен от инактивации вследствие бактериального заражения, так как крупные клетки бактерий не могут проникнуть в мелкопористую полимерную матрицу. В то же время, эта матрица может создавать значительные препятствия для диффузии субстрата к ферменту, снижая каталитическую эффективность иммобилизованного препарата, поэтому для высокомолекулярных субстратов данный метод иммобилизации не применим вообще.

Захват шариками альгината легко продемонстрировать на лабораторных занятиях; он является наиболее распространенным промышленным методом. Раствор, содержащий фермент и альгинат натрия, по каплям вносят в раствор хлористого кальция. Как только капельки вступают в контакт с хлористым натрием, они немедленно начинают превращаться в гель; при этом образуются идеальные по форме шарики геля, содержащие внутри захваченный фермент. Для длительного использования гель можно стабилизировать полиакриламидом или приготовить его в виде пластин, если поместить его на тканевую основу.

Главным отличительным признаком химических методов иммобилизации является то, что путем химического взаимодействия на структуру фермента в его молекуле создаются новые ковалентные связи, в частности между белком и носителем. Препараты иммобилизованных ферментов, полученные с применением химических методов, обладают по крайней мере двумя важными достоинствами. Во-первых, ковалентная связь фермента с носителем обеспечивает высокую прочность образующегося конъюгата. При широком варьировании таких условий, как рН и температура, фермент не десорбируется с носителя и не загрязняет целевых продуктов катализируемой им реакции. Это особенно важно при реализации процессов медицинского и пищевого назначения, а также для обеспечения устойчивых, воспроизводимых результатов в аналитических системах. Во-вторых, химическая модификация ферментов способна приводить к существенным изменениям их свойств, таких как субстратная специфичность, каталитическая активность и стабильность.

Применение иммобилизованных ферментов в пищевой промышленности.

 
В молочной промышленности широко используют ферменты в целях повышения качества продукции и расширения ассортимента. Для коагуляции белков при изготовлении сыра применяют сычужный фермент реннин (гемозин), получаемый из желудка (сычуга) молодых телят. В настоящее время более 500 сортов сыра изготовляют с применением реннина (гемозиновые сорта). Он является эффективным сгустителем казеина и расщепляет минимальное количество молочных белков до водорастворимых компонентов. 
Чтобы удовлетворить спрос на реннин, разработано несколько способов получения аналогичного фермента микробного происхождения. Ещё в 20-е годы было предложено использовать в сыроварении протеазы плесневого гриба рода Mucor, однако предложенные грибы оказались непригодными, главным образом из-за синтеза неприемлемых побочных продуктов. В 80-е годы было выделено два термофильных штамма мукоральных грибов Mucor pusilus и Mucor miehei, синтезирующих подходящие ферменты, хотя оказалось, что микробный ренин имеет более высокую по сравнению с животным протеолитическую активность. Хорошими сгустителями являются также протеазы других микроорганизмов (Pseudomonas mixoides, Bacillus licheniformis). В настоящее время в сыроварении используют около 10% реннина микробного происхождения. Получены результаты по успешной трансплантации в клетки бактерий гена, отвечающего за синтез ренина в организме животных, что существенно увеличивает возможности использования микробного реннина. 
В молочной промышленности применяют каталазу, использование которой совместно с пероксидом водорода позволяет исключить процесс пастеризации, проводимой с целью инактивации патогенной и посторонней микрофлоры. В результате пастеризации теряются естественные ферменты молока. Пероксид водорода в концентрации 0,2-0,3% от объёма молока выполняет функции дезинфектора, существенно не влияя на ферменты молока (липазу, протеазу, фосфатазу). Добавки каталазы инактивируют остатки пероксида водорода в молоке. 
При производстве 1 тонны сыра образуется 9 тонн сыворотки и пахты. В каждой тонне сыворотки содержится около 5 кг высококачественного белка, витамины группы В, комплекс свободных аминокислот, все важнейшие минеральные элементы, в том числе фосфор и кальций. Но главной ценностью сыворотки является лактоза (молочный сахар). В 1 тонне сыворотки содержится около 50 кг молочного сахара – ценнейшего сырья для пищевой и микробиологической промышленности. Лактоза имеет низкую сладость, но при действии на неё лактазы расщепляется на два моносахарида – глюкозу и галактозу. 
Разработано несколько биотехнологических приёмов для рационального использования сыворотки и пахты: На вторичном молочном сырье можно выращивать культуры кормовых дрожжей, обладающих лактозной активностью (Saccharomyces fragilis, Zygosaccharomyces lactis). Из этих дрожжей можно выделить лактозу. 
Весьма эффективным является выделение из депротеинизированной сыворотки сахаров путём биогидролиза молочного сахара с помощью иммобилизованной лактазы. Степень конверсии молочного сахара составляет 80%. Продукты гидролиза (глюкоза и гагактоза) успешно применяют в разных отраслях пищевой промышленности, например для приготовления мороженного. Добавление этих сахаров в мороженное препятствует кристаллизации сахаров, и его можно сохранять длительное время (до 4 мес.).

 

 

 

Литература. 

 

1. Иммобилизованные ферменты. Современное состояние и перспективы, под ред. И.О. Березина, т. 1-2, М., 1976.

2. Козлов Л.В. «Биоорганическая химия», 1980, т. 6, № 8, с. 1243-54.

3. Введение в прикладную этимологию. Иммобилизованные ферменты, под ред. И.В. Березина, К. Мартинека, М., 1982.

4. Тривен М. Иммобилизованные ферменты. Вводный курс и применение в биотехнологии. — М., 1983.

5. https://moodle.ggau.by/mod/resource/view.php?id=6083