Глава 7. Производство ферментных препаратов

Ферменты как биологические катализаторы нашли широкое применение в практике. Их использование в промышленности выгодно с экономической и экологической точек зрения, поскольку они нетоксичны, работают в мягких условиях, используют доступное сырье (в том числе и отходы).

По объему производства ферменты занимают третье место после аминокислот и антибиотиков. Основная часть ферментов, поступающих на мировой рынок, приходится на долю гидролаз, из которых 60 % составляют пептидогидролазы (в основном щелочные и нейтральные протеазы), использующиеся в качестве детергентов в производстве синтетических моющих средств, а 30 % – гликозидазы, применяющиеся в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков. Ферменты находят применение в текстильной, кожевенной, целлюлозобумажной, медицинской, химической промышленности (табл.7.1). Основным потребителем ферментов является пищевая промышленность. Главное место среди энзимов, применяемых в пищевой промышленности, занимают глюкоизомераза и глюкоамилаза и составляют около 50 % рынка пищевых энзиматических препаратов.

Ферменты широко используют в медицине, например в заместительной терапии в составе лечебных препаратов. Эффективно применение протеиназ в энзимотерапии злокачественных новообразований. Это объясняется большей проницаемостью мембран раковых клеток для гидролитических

Таблица 7.1.

Применение ферментов (по Т.А. Егорова, 2003)

ферментов в сравнении с нормальными клетками, благодаря чему опухолевые клетки быстро лизируются при введении смеси протеиназ (препарат «папайотин»). Протеолитические ферменты – плазмин и активирующие его стрептокиназу и урокиназу используют для растворения тромбов в кровеносных сосудах; коллагеназу – для рассасывания рубцовых образований; эластазу – для задержки развития атеросклероза; лизоцим – для лечения конъюнктивитов; дезоксирибонуклеазу из стрептококка (стрептодорназа) – для лечения заболеваний верхних дыхательных путей и роговицы глаза.

Важнейшую область применения ферментов в медицине составляет энзимодиагностика – тестирование патологии того или иного органа человека по уровню активности фермента или соотношению его множественных форм и изоферментов. Так, аспартатаминотрансфераза, изоцитратдегидрогеназа, лактатдегидрогеназа и альдолаза служат для выявления инфаркта миокарда; аланинаминотрансфераза, аспартатаминотрансфераза и лактатдегидрогеназа – для диагностики заболеваний печени; глутамилтрансфераза – для блокировки отторжения органов при их пересадке и т.д.

Большее развитие получают технологические процессы с участием сложных энзиматических систем, включающих коферменты.

Разработаны системы разделения рацематов посредством стереоспецифического активного транспорта.

Для деградации и модификации антропогенных органических соединений, поступающих в окружающую среду, используют ферменты разных классов и в том числе лигниназу, тирозиназу, монооксигеназу, диоксигеназу и др. Перспективна для очистки сточных вод новая технология, основанная на использовании реакции пластеинообразования. Сущность пластеинообразования заключается в синтезе белковоподобных веществ (пластеинов) под действием ряда протеолитических ферментов. Данная технология нацелена на производство в промышленных масштабах кормовых белков из аминокислот и пептидов сточных вод.

Источники ферментов. В качестве источников ферментов используют природные объекты в которых содержание искомого энзима составляет не менее 1 %:

• растительные организмы только на определенной фазе их развития (проросшее зерно различных злаков и бобовых, латекс и сок зеленой массы ряда растений);

• отдельные ткани и органы животных (поджелудочная железа, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта, сычуг крупного рогатого скота, семенники половозрелых животных);

• микроорганизмы (бактерии, грибы, дрожжи), содержащие набор большинства известных в настоящее время энзимов, количество которых можно повысить в десятки и сотни раз методами мутагенеза, селекции и индукции биосинтеза.

Существует ряд факторов, влияющих на биосинтез ферментов. В первую очередь, к ним относится генетический. Состав и количество синтезируемых ферментов наследственно детерминированы. Несмотря на определяющую роль генетического фактора в биосинтезе ферментов, производительность биотехнологических процессов зависит и от состава питательной среды. При этом важно не только наличие источников основных питательных веществ, но и веществ, играющих роль индукторов или репрессоров биосинтеза данного конкретного фермента или их групп (теория Ф.Жакоб и Ж.Моно). Например, при разработке процесса биосинтеза α-амилазы культурой Asp.oryzae замена сахарозы (как источника углерода) на крахмал увеличила активность фермента в 3 раза, добавление солодового экстракта (из проросших семян злаковых) ещё в 10 раз, а повышение концентрации основных элементов питательной среды на 50 % – ещё в 2 раза.