Глава 6. Инженерная энзимология

Ферменты и ферментативные системы традиционно применяются в самых различных областях практической деятельности: в пищевой, фармацевтической, текстильной, кожевенной и других отраслях про­мышленности, в медицине, сельском хозяйстве, органическом синтезе, химическом анализе и т. д. Примеры использования ферментов в произ­водственной технологии приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Примеры использования ферментов в промышленности

Ферменты			Области применения
		a-амилаза	Гидролиз крахмала. Обработка текстильных изделий
12 м «		глюкоамилаза	Осахаривание крахмала. Получение глюкозы
м О а 2 П U		инвертаза	Производство кондитерских изделий
		пектиназа	Осветление вин и фруктовых соков
		целлюлаза	Обработка целлюлозсодержащего сырья (со­ломы)
12		микробные протеазы	Добавки к гетергентам; хлебопечение, раз­мягчение мяса, выделка кож
« е н о р		бромелаин	Производство питательных смесей на основе гидролизатов белков
и		реннин	Сыроделие
Липазы			Модификация вкуса молочных продуктов. Добавки к гетергентам
Оксиредуктазы:		глюкооксидаза	Удаление кислорода из пищевых продуктов
		каталаза	Определение глюкозы в биологических жид­костях (аналитический реагент). Удаление перекиси водорода после стерили­зации молочных продуктов
Изомеразы: глюкоизомераза			Получение глюкозо-фруктозных сиропов
Другие ферменты: нитрилгидратаза			Получение акриламида

В связи с расширением сфер использования ферментов накопи­лась определенная сумма знаний и опыт, которые послужили основой для формирования новой отрасли биотехнологии - инженерной энзимо- логии. Основная задача инженерной энзимологии - разработка биотех­нологических процессов, в которых используется каталитическое дей­ствие ферментов, выделенных из биологических систем или находя­щихся в составе клеток, лишенных способности расти. Из этого опреде­ления следует, что инженерная энзимология является прикладной дис­циплиной, которая имеет значительные перспективы в развитии произ­водственных технологий при реализации концепции устойчивого разви­тия общества.

Ферменты в качестве катализаторов химических превращений об­ладают многими преимуществами по сравнению с обычно используе­мыми катализаторами. Эти преимущества заключаются в следующем:

• эффективность ферментов как катализаторов значительно выше используемых в химической промышленности каталитических реаген­тов;

• ферментативные реакции протекают при физиологически при­емлемых температурах, что приводит к резкому снижению энергоемко­сти технологических процессов;

• высокая специфичность ферментов к субстратам и катализируе­мым реакциям значительно снижает расходы сырья и количество отхо­дов производства за счет отсутствия побочных продуктов.

Тем не менее развитие прикладной энзимологии долгое время сдерживалось дороговизной или полным отсутствием на мировом рын­ке нужных ферментов, особенно их чистых препаратов. Возможности применения ферментов осложнены еще по крайней мере двумя причи­нами:

• ферменты неустойчивы при хранении, а также при различных воздействиях, особенно тепловых;

• многократное использование ферментов затруднено из-за слож­ности их отделения от реагентов и продуктов реакции.

По этим причинам практическое использование ферментов могло быть ограничено, но уже на сегодняшний день найдены пути решения и этих проблем.

Принципиально новые перспективы открылись перед промыш­ленной энзимологией в результате создания иммобилизованных фер­ментов. Иммобилизованные ферментные препараты обладают рядом преимуществ при использовании их в прикладных целях, по сравнению с нативными предшественниками.

Во-первых, гетерогенный катализатор легко отделить от реакци­онной среды, что дает возможность: а) остановить в нужный момент ре­акцию; б) использовать катализатор повторно; в) получать продукт, не загрязненный ферментом. Последнее особенно важно в ряде пищевых и фармацевтических производств.

Во-вторых, использование гетерогенных катализаторов позволяет проводить ферментативный процесс непрерывно, например в проточ­ных колоннах, и регулировать скорость катализируемой реакции, а так­же выход продукта путем изменения скорости потока.

В-третьих, иммобилизация или модификация фермента способ­ствует целенаправленному изменению свойств катализатора, в том чис­ле его специфичности, зависимости каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды и, что очень важно, его ста­бильности по отношению к различного рода денатурирующим воздей­ствиям.

В-четвертых, иммобилизация ферментов дает возможность регу­лировать их каталитическую активность путем изменения свойств носи­теля под действием некоторых физических факторов, таких, как свет или звук.

В результате внедрения нового класса биоорганических катализа­торов - иммобилизованных ферментов - перед прикладной энзимологи- ей открылись новые, ранее недоступные пути развития. Следует отме­тить, что успех практического использования препаратов иммобилизо­ванных ферментов в значительной степени определяется подготови­тельным этапом работы - выбором подходящего носителя и метода им­мобилизации, а также знанием кинетико-термодинамических особенно­стей катализа иммобилизованными ферментами.