Основы биохимической инженерии Часть 1 - Бейли Дж., Оллис Д. 1989

Применение реакций, катализируемых ферментами

В этой главе мы рассмотрим некоторые примеры практического применения ферментов и изучим различные типы и методы получения иммобилизованных ферментных катализаторов, позволяющих использовать ферментативные реакции в непрерывных процессах. Поскольку кинетические параметры таких биокатализаторов зависят как от массопередачи, так и от природы химических реакций, важно знать совместное влияние этих двух факторов на свойства катализаторов.

Все применяющиеся в практической работе ферменты получают из природных источников (табл. 4.1). Хотя ферменты синтезируются в любой живой клетке, тот или иной определенный фермент обычно целесообразно выделять только из одного источника — какого-либо растения, животного или микроорганизма. Некоторые ферменты, например, продуцируются только в организмах животных. Выделенные из животных ферменты, однако, могут иметь сравнительно высокую стоимость, как, например, реннин из желудка теленка, а их доступность может определяться, например, спросом на говядину или баранину. Выделение растительных ферментов (например, папаина из папайи) обычно проще, но доступность соответствующего сырья также зависит от потребности в данных пищевых продуктах. Методы получения микробных ферментов позволяют легко расширить масштабы производства. Как будет показано далее в гл. 6, технология рекомбинантных ДНК представляет собой новый метод получения самых разнообразных ферментов (в том числе и таких, которые в нормальных условиях не синтезируются микроорганизмами или перманентными линиями клеток) с помощью бактерий, дрожжей и культур клеток. Более того, благодаря быстрому по сравнению с растениями и животными самовоспроизведению микроорганизмов микробиологические процессы значительно проще приспособить к колебаниям в спросе на ферменты. С другой стороны, ферменты, применяющиеся в производстве пищевых продуктов или лекарственных препаратов, могут производиться только с помощью заведомо безопасных микроорганизмов.

Таблица 4.1. Примеры ферментов, применяемых в промышленности^а

^а Из работы: Arima К., Microbial Enzyme Production, in Global Impacts of Applied Microbiology, Starr M. P. (cd.), pp. 278—279, Jolm Wiley and Sons, Inc., New York, 1964.

Хотя все применяющиеся в настоящее время ферменты получают из природных источников, в настоящей главе мы рассмотрим использование ферментов только вне живого организма. Все биологические катализаторы подразделяют на две категории — внеклеточные и внутриклеточные ферменты. К первой категории относятся ферменты, выделяемые клеткой в среду, где они расщепляют питательные полимерные вещества до низкомолекулярных соединений, которые могут проникать в клетку через клеточную стенку. Внутриклеточные ферменты в нормальных условиях сконцентрированы в объеме клетки и в среду не транспортируются; для их выделения необходимо дезинтегрировать клетки путем размола, растирания, лизиса или каким-либо другим способом.

Для некоторых областей применения ферментов необходимы относительно чистые препараты. Например, глюкозооксидаза, применяющаяся для обессахаривания яиц (в производстве яичного порошка) не должна содержать протеолитических ферментов, а протеазы, вводимые внутримышечно домашнему скоту перед забоем для мягчения мяса не должны содержать никаких соединений, которые могли бы вызвать какую-либо сильную физиологическую реакцию. Относительно чистые ферменты применяются в клинической диагностике и в процессах, связанных с производством и обработкой пищевых продуктов.

Кинетика ферментативных реакций, как правило, изучалась на наиболее чистых препаратах ферментов. Как мы уже указывали в гл. 3, в ходе таких исследований, кроме того, применялось минимальное число субстратов (лучше всего один, если только это возможно), а также строго контролировались параметры среды в отношении содержания активаторов (Са²⁺, Mg²⁺ и т. п.), кофакторов и ингибиторов. Результаты таких исследований наиболее достоверно отражают кинетику ферментативных реакций.

В то же время многие из применяемых в промышленности препаратов ферментов очищены в гораздо меньшей степени. Как правило, они содержат ряд ферментов с различными каталитическими свойствами. Кроме того, в большинстве случаев эти препараты используются для обработки таких материалов, которые даже отдаленно не напоминают чистый субстрат или синтетическую среду строго определенного состава типа рассмотренных в гл. 3. Следует отметить, что одновременное действие нескольких ферментов может быть более эффективным, чем последовательная обработка рядом индивидуальных ферментов. Несмотря на все эти сложности, такие препараты ферментов с кинетической точки зрения все же намного проще интактного живого организма, из которого они были выделены. В этой связи представляется целесообразным сначала рассмотреть применяемые в промышленности ферментные препараты, а затем перейти к анализу путей клеточного метаболизма и к изучению промышленного применения биохимической технологии.