Ферменты в промышленности

Как получают ферменты в промышленности?

В течение тысячелетий человек неосознанно пользовался ферментами живых микроорганизмов при изготовлении пива, вина, сыра, уксуса, квашеной капусты и хлеба. В XIX в. с открытием пищеварительных ферментов были разработаны методы их получения из убойного скота. До сих пор еще неочищенные препараты получают из определенных органов забитого скота, например пепсин из слизистой желудка свиней и крупного рогатого скота, сычужный фермент из желудков телят, ферментативные смеси трипсина, химотрипсина, липаз и амилаз из поджелудочной железы свиней. Для аналитических и медицинских целей высокоочищенные ферменты можно получить из тех или иных органов с высокой интенсивностью обмена веществ (таких, как мышцы, печень, селезенка, почки, сердце, тонкий кишечник).

Наряду с ферментами животного происхождения были изучены также возможности использования в промышленности растительных ферментов. При набухании и прорастании злаков образуется солод, содержащий наряду с солодовым сахаром (мальтозой) ферменты, расщепляющие крахмал (амилазы), а также протеазы, которые с давних времен используются в пивоварении и винокурении. Можно считать, что ячменный солод с содержанием амилаз 0,5-1% является главным промышленным ферментным препаратом, его мировое производство составляет около 10 млн. тонн в год. Уже в прошлом веке из сока тропических растений простым способом получали большие количества прогеаз: папаин и химопапаин из дынного дерева, фицин из млечного сока фигового дерева, бромелин из стеблей ананаса. Однако в Европе производство ферментов растительного происхождения связано с трудностями. Получение и содержание ферментов в растительном сырье сильно зависят от времени года. Кроме того, массовая переработка растений сопряжена с большими расходами, ферменты животного происхождения получают в основном из отходов при производстве мяса. Для получения же ферментов растительного происхождения требуются большие количества сырья. Оба этих источника не могут удовлетворить постоянно растущую потребность в ферментах.

Поэтому легко культивируемые микроорганизмы в прямом смысле "напрашиваются" на роль нового источника ферментов. Преимущества использования микроорганизмов в этих целях совершенно очевидны: их - можно наращивать быстро, в больших количествах, относительно дешево и независимо от места расположения производства и времени года. Если, например, масса быка (в среднем 0,5 тонны) увеличивается в сутки примерно на 0,5 кг белка, то те же 0,5 т микробной биомассы за сутки могут нарасти в 100 раз, т.е. до 50 т - а это 10 слонов! Кроме того, млекопитающие потребляют высокоценные корма, в то время как микроорганизмы растут в дешевых питательных растворах (например, меласса или растворы крахмала). В специальных установках, ферментерах, для микроорганизмов в питательном растворе создаются оптимальные для роста и размножения условия. Ферментеры - это, как правило, цилиндрические, закрепленные на штативе сосуды из специальной стали с большой арматурой для аэрации, подачи и отвода газовых смесей, с мешалками, вентилями для подачи определенных веществ и для взятия проб, для сбора "урожая" готовых культур, с нагревательными и охлаждающими устройствами. Ферментеры, работающие в лабораторных условиях, рассчитаны на несколько литров питательного раствора. Однако работают уже целые промышленные установки для получения ферментов, емкость которых достигает 1000 м³. Благодаря использованию соответствующих мутантов, индукции ферментов и селекции штаммов можно получить исключительно высокий выход ферментов. В будущем с помощью методов генной инженерии можно будет, по-видимому, получать ферменты "по заказу".

Для промышленного получения ферментов необходимы не только высокий выход, но стабильность препаратов. В природе существует много микроорганизмов, живущих в экстремальных условиях. Термофильные (теплолюбивые) микроорганизмы, обитающие в горячих источниках Йеллоустонского национального парка (США) или Камчатки, должны иметь термостабильные ферменты, иначе они не могли бы существовать. Но термостабильные ферменты можно обнаружить и у микроорганизмов в самых обычных кучах компоста, внутри которых возникают высокие температуры. В соленых озерах находят галофильные (любящие соль) бактерии. Протеазы "любящих щелочь" видов Bacillus можно с успехом использовать для удаления белковых загрязнений при стирке. На рис. 28 представлены важнейшие продуценты ферментов.

Основное место в производстве ферментов из микроорганизмов занимают простые гидролитические ферменты (протеазы, амилазы, пектиназы), расщепляющие природные полимеры, такие, как белки, крахмал и пектиновые вещества. При этом микроорганизмы выделяют ферменты в среду, чтобы расширить круг источников питания. Эти внеклеточные ферменты расщепляют огромные молекулу, субстрата вне клетки на маленькие части, благодаря чему они становятся доступными для микроорганизмов.

Неудивительно, что до сих пор промышленными методами получали в основном внеклеточные ферменты. Их можно просто и дешево выделить из среды, избегая сложных и дорогостоящих процессов разрушения клеток и очистки фермента. Поскольку одна бактериальная клетка содержит от 1000 до 2000 различных ферментов, нужный внеклеточный фермент должен быть отделен от всех других ферментов и клеточных структур. В основу такого разделения можно положить два свойства, по которым все белки резко отличаются друг от друга: молекулярную массу и электрический заряд. Во всех известных методах разделения, например при осаждении солями (высаливании), движении в электрическом поле (электрофорезе), связывании с заряженным или незаряженным носителем (хроматографии), фильтрации и др., используются именно эти различия белков.

В настоящее время в действительно крупных, промышленных масштабах с помощью микроорганизмов получают только протеазы, глюкоамилазу, α-амилазу и глюкозоизомеразу.

Рис. 28. Микроорганизмы как источники ферментов

По оценкам, промышленное производство ферментов в 1981 г. составило 65 000 тонн общей стоимостью 400 млн, долларов, в 1985 Г.- 75000 тонн стоимостью до 600 млн. долларов. Быстрое развитие биотехнологии приведет к годовому приросту производства ферментов на 15%. Предполагается, что в 1990 г. стоимость производимых в промышленных масштабах ферментных препаратов составит 1510 млн. долларов.

В настоящее время ферменты применяются главным образом в пищевой промышленности, в производстве напитков и моющих средств, а также в кожевенной и текстильной отраслях.