Протеазы в быту: от моющих средств до стойкого пива

Грязь на белье состоит из пыли, копоти и органических веществ, таких, как жиры, белки, углеводы и красители (или просто окрашенные вещества). Особенно сильно пачкается постельное и нательное белье за счет жиров и белков, выделяемых кожей и действующих, подобно клею, на грязь. В процессе стирки жировые загрязнения удаляются из волокон ткани поверхностно-активными соединениями (детергентами), образуя в растворе детергента тонкую суспензию. Удаление же белковых пятен всегда вызывало значительные затруднения. Белковые загрязнения плохо растворимы в воде, при высоких температурах белок свертывается на волокнах ткани и таким образом еще прочнее связывается с ними. Уже в начале нашего века было предложено с этой целью при стирке белья использовать разбавленные экстракты ферментов поджелудочной железы и налажено (в Германии) производство первого "биологического" стирального средства "Бурнус" (средства для замачивания белья), которое содержало протеазы поджелудочной железы.

В настоящее время биологические стиральные средства получили широкое распространение.

Идеальными свойствами в составе моющих средств обладают протеазы из микроорганизмов рода Bacillus: они поразительно стабильны и активны в щелочных условиях, в которых и происходит стирка, при температуре ниже 60°С в присутствии таких пассиваторов, как трехзамещенный полифосфат натрия и поверхностно-активные вещества. И что особенно важно, их можно включать в состав наиболее распространенных моющих средств, содержащих пербораты. Эти протеазы обладают очень низкой субстратной специфичностью и поэтому "всеядны". Они расщепляют почти все белки до аминокислот и коротких пептидов, и таким образом из ткани удаляются белковые загрязнения.

С середины 60-х годов биологические стиральные средства получили широкое распространение в США и Западной Европе. Однако после первоначальной эйфории уже в 1970 г. они попали под огонь критики. Дело в том, что у рабочих на заводах по производству этих стиральных средств и у потребителей содержащая ферменты пыль вызывала тяжелые формы аллергии. Проблему пылеобразования удалось быстро решить с помощью гранулирования: стиральные средства стали поступать в продажу в виде сыпучего, но не дающего пыли гранулята. Наряду с этим все шире разрабатывались жидкие моющие средства. В этой связи Министерство здравоохранения США официально заявило, что при правильном обращении с ферментативными моющими средствами они не представляют собой большей опасности для здоровья, чем неферментативные средства. В последние годы в связи с энергетическим кризисом значение биологических моющих средств сильно возросло. Это связано с одним их свойством: оптимальной температурой действия ферментов являются 50-60°С, т.е. наилучший результат очистки достигается при этих температурах. Отпадает необходимость в кипячении белья, а следовательно, экономится ценная энергия!

Рис. 29. Принцип действия биологических моющих средств

Ферментативные способы можно использовать и для очистки канализационных труб в квартирах и жилых домах. Ведь так часто происходит засорение канализации, особенно из-за попадания волос. На волосяной "пробке" оседают другие частицы, закупоривая водосток. Протеазы, которые содержатся в очистителе, специфически расщепляют кератин волос, переводя его в раствор и не вызывая при этом коррозии материала труб.

Протеазы могут "работать", быть полезными и во многих других случаях. Еще во времена завоевания Мексики испанцы отмечали, что аборигены, перед тем как варить или жарить мясо, заворачивают его в листья дынного дерева или натирают кусочками плодов этого дерева. В основе этих манипуляций лежит ферментативное воздействие: протеазы папаин и химопапаин, содержащиеся в большой концентрации в дынном дереве и его плодах, расщепляют белки соединительной ткани мяса и тем самым размягчают его. О действии сока дынного дерева не одно столетие было известно и коренным жителям Гавайских островов.

Известна даже настоящая "сказка о ферменте". В ней говорится о том, как один, очевидно глуповатый, герой решил использовать "магическую силу" дынного дерева, чтобы быстро вырасти и стать сильным. Приготовив смесь риса с большим количеством листьев этого чудодейственного дерева, под сенью дынных деревьев он ел эту смесь до поздней ночи. Когда же на следующее утро на место трапезы пришли его друзья, то, к своему ужасу, они не увидели ничего, кроме маленькой кучки костей. Это были останки героя, которого за одну ночь "переварила" "магическая сила" дынного дерева!

Мясо становится более нежным, если после убоя скота его оставить при температуре от 0 до 6°С в течение 8-10 суток. Происходит это под действием протеаз мяса-катепсинов, которые в течение первых двух дней после убоя освобождаются из лизосом клеток.

В США ежегодно расходуется более 100 тонн папаина для "тендеризации" (от англ. нежный, мягкий) мяса. В этих же целях используют и другие растительные протеазы-фицин и бромелин. Самое раннее описание этого процесса принадлежит перу Плиния (23-79 гг. до н. э.). В труде "Естественная история" он писал, что мясо можно довести до мягкого состояния и при этом сэкономить много топлива, если в воду для варки опустить незрелый инжир или ветки фигового дерева. В настоящее время тендеризаторы мяса в некоторых странах можно приобрести даже в магазинах. Перед кулинарной обработкой мясо надо натереть или посыпать этим порошком и оставить на несколько часов при комнатной температуре. За это время растительные протеазы расщепляют белки соединительной ткани коллаген и эластин. Однако не следует принимать за чистую монету утверждение крикливой рекламы о том, что "размягчители" мяса за минуту могут превратить жесткое мясо старого быка в нежную телятину.

Протеолитические ферменты эффективно используются также для дубления кож. С помощью папаина, протеаз поджелудочной железы и протеаз микроорганизмов с кож легко удаляется волосяной покров; при этом не страдает качество кож.

В основе сыроварения лежит свертывание (створаживание) молока. При этом белок молока казеин расщепляется под действием фермента, вырабатываемого в сычуге (отделе желудка) молодых жвачных животных (телят, а также ягнят, козлят), - сычужного фермента (или реннина, химозина), в результате белок становится нерастворимым и свертывается. В связи с увеличением мирового производства сыра ощущается нехватка желудков молочных телят; сычужный фермент становится все более дефицитным и дорогим. В связи с этим его пытаются все в более широком масштабе заменять микробным сычужным ферментом из штаммов Mucor и Bacillus. Именно так производится уже основная масса сыра в США. В настоящее время химозин телят также собираются получать с помощью бактерий и дрожжей методами генной инженерии.

Все шире применяются протеолитические ферменты при производстве напитков. Использование удобрений способствует повышению содержания белка в зернах ржи, вследствие этого пиво обогащается белком. Это, однако, резко сокращает сроки его хранения. Добавки к пиву пепсина, фицина или папаина, расщепляющих белок, позволяют продлить сохранность пива в 2 раза.

Ежегодное мировое производство овощных и фруктовых соков оценивается более чем в 20 млн. гектолитров. Однако при отжиме овощей и фруктов выход сока затрудняется из-за присутствия высокомолекулярных пектинов^*, делающих отжимаемую массу вязкой. При добавлении пектиназ, расщепляющих пектин, вязкость отжимаемой массы существенно понижается, и выход сока повышается.

^* (Пектины - обычно сопутствующие целлюлозе склеивающие вещества, обладающие высокой способностью связывать воду. Поэтому их часто используют, как желирующее средство (например, при производстве мармелада).)

Для успешного применения описанных ферментативных методов в промышленности необходимо, чтобы сами ферменты были настолько дешевы, чтобы их можно было оставить в получаемых продуктах в активной или неактивированной форме. Для таких процессов прежде всего подходят внеклеточные гидролазы. Они стабильны и функционируют без добавок коферментов. Использование внутриклеточных ферментов, получение которых сопряжено с большими затратами и поэтому дорого, было бы экономически невыгодным. Необходимо разработать методы, повышающие стабильность ферментов и позволяющие использовать их многократно. Кроме того, в ряде производств, например в фармацевтической промышленности, в конечном продукте вообще не допускается наличие примесей ферментов во избежание иммунных реакций организма. Поэтому нужны методы регенерации ферментов (повторного выделения их из раствора). Надежды на решение всех этих проблем связывают с применением иммобилизованных ферментов.