Биотехнология производства ферментов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Общая биология и биохимия"

Реферат

по дисциплине "Введение в биотехнологию"

на тему: "Биотехнология производства ферментов"

Выполнил студент:

Шишкина Мария Игоревна

Проверил:

Соловьёв Владимир Борисович

Пенза, 2017

Содержание

Введение

1. Основные сведения о ферментах

2. Продуценты и среды

3. Типы ферментационных процессов

3.1 Поверхностная ферментация

3.2 Глубинная ферментация

4. Применение ферментов

Заключение

Список литературы

Введение

В современной биотехнологии одно из видных мест принадлежит ферментам. Ферменты и ферментные системы широко используются в различных отраслях промышленности, медицине, сельском хозяйстве, химическом анализе и т.д.

Ферменты - вещества белковой природы и поэтому неустойчивы при хранении, а также чувствительны к тепловым воздействиям. Кроме того, ферменты не могут быть использованы многократно из-за трудностей в отделении их от реагентов и продуктов реакции.

Производство ферментных препаратов занимает одно из ведущих мест в современной биотехнологии и относится к отраслям, объём продукции которых постоянно растёт, а сфера применения неуклонно расширяется. Такое быстрое развитие связано с тем, что ферменты являются высокоактивными, нетоксичными биокатализаторами белкового происхождения, которые широко распространены в природе.

Познание роли ферментов для всего живого на Земле послужило основой для становления и развития технологии ферментных препаратов как науки и для создания промышленного производства наиболее широко используемых ферментных препаратов. Применение этих препаратов помогло существенно изменить, интенсифицировать и усовершенствовать многие существующие технологии или даже создать принципиально новые высокоэффективные процессы.

Применение ферментных препаратов различной степени очистки позволило не только улучшить показатели и выходы в различных биотехнологических процессах, но позволило усовершенствовать кормопроизводство, повысить усвояемость кормов, сделать более целенаправленным и эффективным действие синтетических моющих средств, улучшить качество косметических препаратов, создать целый арсенал специфических, чувствительных и точных аналитических методов, наладить производство лекарственных и профилактических средств для медицинской промышленности и т. д. Большим и неоспоримым достоинством ферментов перед химическими катализаторами является то, что они действуют при нормальном давлении, при температурах от 20 до 70 °С и рН в диапазоне от 4 до 9 и имеют в большинстве случаев исключительно высокую субстратную специфичность, что позволяет в сложной смеси биополимеров направленно воздействовать только на определенные соединения. Все это свидетельствует о том, что производство ферментных препаратов является одним из перспективных направлений в биотехнологии, которое будет и далее интенсивно развиваться и расширяться. [4]

1. Основные сведения о ферментах

Ферменты (энзимы) (от лат. fermentum - закваска) - это белки, выполняющие роль катализаторов в живых организмах. Основные функции ферментов - ускорять превращение веществ, поступающих в организм и образующихся при метаболизме, а также регулировать биохимические процессы (напр., реализацию генетической информации), в т.ч. в ответ на изменяющиеся условия.

Выделяют 6 основных классов ферментов:

I класс - Оксидоредуктазы

II класс - Трансферазы

III класс - Гидролазы

IV класс - Лиазы

V класс - Изомеразы

VI класс - Лигазы

Достоинства ферментов по сравнению с неорганическими катализаторами: - нетоксичность, - работают в мягких условиях, не требующих высоких температур и, следовательно, затрат топлива, - используют доступное сырье (часто отходы), что выгодно с экономической и экологической точек зрения.

Ферменты по объёму производства занимают 3 место после аминокислот и антибиотиков. Известно и охарактеризовано примерно 2000 ферментов по данным энзимологии. В промышленности используется всего около 30 ферментов.

Из производимых ферментов чаще всего используются (и продаются) гидролазы - щелочные и нейтральные протеазы (60%). Они в основном используются в качестве детергентов при производстве синтетических моющих средств. На втором месте - гликозидазы (30%). Они используются в производстве кондитерских изделий, фруктовых и овощных соков. Основное место среди них занимают глюкоизомераза и глюкозамилаза, применяющиеся при обогащении фруктозой кукурузных сиропов и составляющие около 50% рынка пищевых ферментных препаратов.

Химический синтез ферментов в промышленных масштабах очень сложен, дорог и экономически не целесообразен. Микробиологический метод получения ферментов наиболее перспективен. Его преимущества заключаются в следующем:

1) богатство ассортимента ферментов, синтезируемых микроорганизмами,

2) возможность управления ферментативными системами и составом производимых препаратов,

3) высокие скорости размножения микроорганизмов и возможность использования различных, в том числе доступных и недорогих, субстратов.

Ферменты в микробных клетках могут локализоваться внутриклеточно, а также выделяться в окружающую среду. Последние более доступны для препаративного получения, поэтому в промышленных масштабах получают главным образом внеклеточные ферменты. Из описанных к настоящему времени более 2000 ферментов практическое значение имеют около 50. [1]

Негидролитические ферменты - оксидоредуктазы, лиазы, изомеразы и лигазы - применяются сравнительно редко. Наиболее широкое применение получили микробные гидролазы, взаимодействующие с пептидами, гликозидами и другими соединениями с участием воды. Среди гидролаз - гликозидазы, протеиназы, липазы.

Гликозидазы катализируют гидролиз гликозидных соединений. Так, крахмал гидролизуют амилазы, продуцентами которых служат различные микроорганизмы (Bacillus, Aspergillus); декстраназа, взаимодействующая с гликозидными связями декстрана, синтезируется Penicillium purpurogenium; гликоген, декстрины, продуцируется бактериями Klebsiella; инвертаза синтезируется многими представителями рода Aspergillus; целлюлолитические ферменты, являющиеся сложным комплексом активных белков, воздействуют на различные участки молекулы целлюлозы. Очень разнообразны протеиназы, катализирующие разрыв пептидных связей белков с образованием пептидов и свободных аминокислот. Протеиназы различных микроорганизмов существенно различаются своими свойствами; среди продуцентов протеиназ - Aspergillus, Actinomyces, Clostridium, E.coli. Фосфокиназы, синтезируемые бактериями Clostridium, Bacillus, расщепляют слож-ные связи между жирными кислотами, глицерином и фосфатидной кислотой.

История применения ферментов уходит корнями в далекое прошлое. Некоторые ферменты, содержащиеся в природных растительных материалах, издавна использовались человеком для получения пива, спиртных напитков, производства хлеба и кисломолочных продуктов. Практика, основанная на коллективном опыте людей, намного опередила получение знаний и разработку научных основ для создания данных технологических процессов.

Промышленная отрасль получения ферментных препаратов из природного растительного сырья стала зарождаться только в конце XIX столетия, а эра современной инженерной энзимологии насчитывает около 30 лет. Тем не менее, ферменты настолько широко вошли в нашу жизнь и настолько широко применяются в различных промышленных отраслях, что представить без них наше существование трудно представить.

Промышленное получение и применение ферментов в различных технологических процессах составляет в настоящее время один из важнейших разделов новейшей биотехнологии.[2]

2. Продуценты и среды

Микроорганизмы, служащие источником для получения разнообразных ферментов, существенно различаются между собой по способности синтезировать данные биологически активные соединения. Эти различия проявляются как в ассортименте синтезируемых ферментов тем или иным микробным видом, так и в их активности и исходных свойствах. Ферменты - вещества белковой природы, поэтому в смеси с другими белками определить их не представляется возможным. Наличие фермента устанавливают по протеканию той реакции, которую катализирует фермент; количественное определение фермента проводят по величине образовавшегося продукта реакции либо по расходу исходного субстрата. Принята так называемая стандартная единица активности (E или U) - это количество фермента, которое катализирует превращение 1 микромоля субстрата в минуту при заданных стандартных условиях.

Выбор продуцента необходимого фермента сопряжен с проверкой активности огромного количества культур, приводящей к отбору наиболее активного продуцента. Природные штаммы обычно не синтезируют ферменты избыточных количествах, так как процесс их синтеза находится под строгим генетическим контролем. Исключение составляют конститутивные ферменты, например ферменты гексозомонофосфатного пути, которые синтезируются в больших количествах в любых условиях роста. Наряду с отбором наиболее активных штаммов-продуцентов ферментов из микробных коллекций или выделенных из природных источников, продуцирующих конститутивные ферменты, широко используют индуцибельные и репрессибельные ферменты, которые синтезируются клетками в результате изменения условий ферментации или генетического аппарата клетки. К индуцибельным относятся многие ферменты, имеющие коммерческую ценность.[5]

Индукция - это универсальный контроль для катаболических путей. Процесс ферментации с целью получения индуцибельных ферментов ведут в присутствии субстрата-индуктора. Так, для получения амилаз в среду вносят крахмал, рибонуклеазы - РНК, липаз - жиры, инвертазы - сахарозу и т.д. В результате способности синтезироваться индуцированно в ответ на заданный субстрат возможно использование одной культуры для получения различных ферментов. Это свойство широко применяют в промышленности для получения различных ферментов.

Многие ферменты, в основном катаболического индуцибельного типа, репрессируются при быстром росте клеток на легко утилизируемом субстрате.

Выход ферментов можно увеличить также с помощью новейших методов биотехнологии. С помощью плазмид или трансдуцирующих фагов можно увеличить копийность генов, кодирующих синтез целевых ферментов. Усиление экспрессии генов возможно также в результате включения сильных промоторов в ДНК.

Помимо генетического фактора, огромное влияние на продукцию ферментов оказывают состав среды и условия культивирования микроорганизмов. При этом не только наличие индуктора в среде способно увеличить выход фермента. Чрезвычайно важным является качественный и количественный состав питательных сред.

При подборе состава среды учитывают все факторы: вид и концентрацию источника углерода, и энергии, факторы роста, минеральные элементы, индуцирующие субстраты. В качестве источников углерода и азота чаще всего применяют различное природное органическое сырье: крахмал, кукурузный экстракт, соевую муку, гидролизаты дрожжевых биомасс. Помимо источника углерода, азота и факторов роста, большое влияние на синтез ферментов оказывают минеральные соли магния, марганца, кальция, железа, цинка, меди и др., многие из которых входят в состав ферментов.[3]

3. Типы ферментационных процессов

Биотехнологическое производство ферментов реализуется двумя способами - поверхностным и глубинным. Твердофазная поверхностная ферментация заключается в выращивании продуцента на поверхности тонкого слоя твердой сыпучей среды. Глубинная ферментация в жидкой среде может быть реализована как в условиях периодического процесса, так и с применением проточных систем.

3.1 Поверхностная ферментация

При поверхностной ферментации для получения инокулята споровый материал размножают поверхностным способом или выращивают музейную культуру в условиях глубинной жидкой культуры. Далее посевной материал направляют на стадию ферментации, которая осуществляется на поверхности сыпучей среды в металлических лотках или вертикальных перфорированных с обеих сторон кюветах.

Культура развивается на поверхности твердой рыхлой среды, основу которой составляют пшеничные отруби, зерновая шелуха, яв-ляющиеся источником ростовых веществ. Для разрыхления среды в отруби добавляют древесные опилки (5-10 %), овсяную шелуху.

Смесь перед автоклавированием увлажняют до 20-40 % влажности и подкисляют для улучшения условий стерилизации. Прогрев сыпучей среды осуществляют острым паром в специальных стерилизаторах при непрерывном перемешивании среды; длительность процесса - 60-90 минут при 105-140 °С. В охлажденную до 30 °С среду вносят стерильные термолабильные компоненты, инокулят (0.02-0.1 % от массы среды), быстро перемешивают ручным способом и раскладывают слоем 2-3 см в лотки, которые устанавливают в герметичные аэрируемые камеры, предварительно простерилизованные. Исходная влажность среды - 58-60 %, температура культивирования 28-32 °С, длительность ферментации около 36ч.

В течение первых 10-12 ч происходит прорастание конидий при 28 °С. последующие 14-18 ч реализуется быстрый рост мицелия, в этот период потребляется основное количество питательных веществ из среды при максимальном термогенезе. Аэрация становится максимальной (до 60 объемов стерильного воздуха на объем камеры/ч)

Для предотвращения высыхания конидий в результате повышения температуры влажность воздуха повышают практически до 100 %. Вследствие больших расходов воздуха принята его рециркуляция.

Циркулирующий воздух проходит через систему охлаждения и используется повторно; отработанная часть после очистки на волокнистых фильтрах выбрасывается в атмосферу. В этот период скорость образования фермента достигает максимальных значений. В последующие 12-18 ч процессы метаболизма ослабевают, но синтез ферментов еще продолжается. Мицелий обволакивает и прочно скрепляет твердые частицы среды, поэтому для нормального транспорта и окисления веществ среда должна быть достаточно рыхлой и влажной. Эффективный транспорт кислорода из газовой фазы и растворение в среде происходит при условии хорошей аэрируемости довольно тонкого слоя твердой сыпучей среды. Это приводит к необходимости использования больших объемов производственных площадей. Поверхностный метод ферментации является экстенсивным методом с большой долей ручного труда. При этом, однако, он не энергоемок и обеспечивает более высокий выход продукта на единицу массы среды по сравнению с глубинной ферментацией.

Поверхностная ферментация с использованием вместо лотков кювет более совершенна. Конструкция обеспечивает более эффективную аэрацию и позволяет частично механизировать процесс. Применяемые в промышленности колонные аппараты объемной аэрации еще более улучшают процесс твердофазной ферментации. Такой аппарат разделен на секции перфорированными пластинами, закрепленными на поворотных осях. Среда в ходе ферментации разрыхляется с помощью вращающихся перемешиваюших устройств. Это позволяет увеличить высоту слоя до 30 см.

Режим перегрузки среды на тарелках задается автоматически. Производительность аппарата достигает 1 т культуры в сутки.

После завершения стадии ферментации выросшая культура представляет собой корж (пек) из набухших частиц среды, плотно связанных разросшимся мицелием. Данную массу измельчают с помощью дробилок различного типа (барабанно-зубчатых, шнековых, молотковых) до частиц размером 5-6 мм. Для предотвращения инактивации ферментов массу подсушивают до остаточной влажности около 10-12 %.

Важнейшим нормируемым показателем выпускаемых ферментных препаратов является активность, которая выражается в микромолях субстрата, прореагировавшего под действием 1 мл ферментного раствора или 1 г препарата в оптимальных для протекания ферментативной реакции условиях за 1 минуту. культивирование микроорганизм фермент продуцент

Существует также понятие активности условного ферментного препарата. Данная единица рассчитывается по активности основного фермента в стандартном условном препарате. За активность условного стандартного препарата принимают его среднюю устойчивую активность, достигаемую в производственных условиях.[2]

3.2 Глубинная ферментация

Глубинный способ микробиологического получения ферментов имеет преимущества по сравнению с поверхностным, так как проходит в контролируемых условиях ферментации, исключает ручной труд, позволяет автоматизировать процесс. Питательная среда для ферментации готовится, исходя из физиологических потребностей используемой микробной культуры, а также из типа целевого фермента.

Основным углеродным сырьем служат различные сорта крахмала (кукурузный, пшеничный, картофельный), кукурузный экстракт, свекловичный жом, а также глюкоза, мальтоза, декстрины.

В качестве источника азота применяют органические соединения (гидролизаты казеина или микробных биомасс), а также минеральные соли (NaNO3, NH4NO3, NH4HPO4, (NH4)2SO4). Для биосинтеза целлюлолитических ферментов источником углерода служит хлопок, солома, целлюлоза; липолитических - липиды.

На предферментационной стадии технологическое оборудование и питательная среда подвергаются стерилизации. После охлаждения среды до 30 °С в нее вносят выращенный инокулят (2-5 % от объема производственной культуры). Процесс проводят в цилиндрических аппаратах объемом до 100 м3. Синтез фермента в глубинной культуре протекает в течение 3-4 суток при непрерывной подаче стерильного воздуха, стабилизации рН и температуры среды на строго определенных уровнях. Небольшие изменения данных параметров могут вызвать многократное снижение ферментативной активности.

Динамика образования биомассы и выхода фермента б-амилазы на основе культуры Aspergillus показаны на слайде. В течение первого периода (24-30 ч) мицелий бурно развивается и идет быстрое потребление легкоусвояемого субстрата. Далее в среду вносят индуктор. После этого начинается интенсивный синтез целевого фермента. Периодически в среду вносят стерильный пеногаситель, добавку углеродного субстрата, раствор для коррекции и стабилизации рН.

Процесс образования биомассы продуцента не совпадает во времени с максимумом продукции фермента, при этом условия для образования фермента могут существенно отличаться от условий для оптимального режима синтеза биомассы. Поэтому условия среды в ходе протекания процесса ферментации контролируются и изменяются.

В первом создают условия для развития мицелия; во втором- для синтеза и накопления фермента.

На промышленном уровне реализованы также проточные режимы, например, для получения глюкозоизомеразы с использованием бактериальной культуры Bacillus coagulans. Ферментацию проводят при дефиците глюкозы и кислорода в среде (глюкозоизомераза ингибируется кислородом); максимальная продуктивность сохраняется длительное время, до 200 ч.

После завершения ферментации для предотвращения инактивации ферментов культуральную жидкость охлаждают до 3-5 °С и направляют на обработку. После отделения мицелия культуральную среду освобождают от грубых взвешенных частиц и концентрируют под вакуумом или подвергают ультрафильтрации. В связи с термолабильностью многих ферментов процессы обработки ведут при контролируемых, часто пониженных температурах.

Глубокая очистка ферментов приводит к существенной потере активности препаратов и также очень дорогостояща. Более того, высокоочищенные белки менее стабильны по сравнению с неочищенными. Поэтому при использовании растворимых ферментов редко применяют полную очистку. Тем более что в зависимости от сферы применения требования к чистоте ферментных препаратов различны.

Так, ряд ферментных препаратов, получаемых при поверхностной ферментации, выпускают в виде высушенных отрубей с остатками мицелия, а также высушенных осадков белков или высушенных растворов. Товарные формы таких препаратов известны в виде сухих препаратов или растворов ферментов. Последние хранят при отрицательных температурах, с применением стабилизаторов (соли кальция или магния, а также хлорид натрия, сорбит, бензоат и др.).

Для получения очищенных препаратов ферментов применяют различные методы (осаждение солями или органическими растворителями, высаливание, сорбционную и хроматографическую очистку с использованием высокоселективных ионитов). Процесс завершается стадией высушивания на распылительных или вакуумных аппаратах в щадящем температурном режиме, не допускающем больших потерь активности ферментов. После стандартизации продукт направляется потребителю.[6]

4. Применение ферментов

Огромное значение ферменты имеют в различных отраслях пищевой промышленности. В хлебопечении амилазы ускоряют процесс созревания и улучшают качество теста; их используют также для получения растворимого крахмала, патоки, декстрина. Грибные амилазы заменяют солод, лактазу используют для удаления молочного сахара из молока; инвертазы сахаров, предупреждающие кристаллизацию сахарозы, применяют в кондитерской промышленности.

Комплекс ферментов - цитаз, используют для более полной экстракции соков из плодов и овощей, а также получения эфирных масел. Грибные глюкозидазы, освобождая продукты от остаточных сахаров, удлиняют сроки их хранения.

С помощью каталазы из продуктов удаляют перекиси водорода, целлюлазы применяют для осахаривания крахмала из картофеля и зерна, а также увеличения выхода агар-агара из водорослей. Протеолитические ферменты микробного происхождения заменяют реннин в сыроделии. Липазы находят применение в производстве сухого молока и для ускорения созревания сыров.

Пектинолитические ферменты издавна применяются для обработки льно-соломы и получения из нее волокна. Амилолитические ферменты используют для удаления клея из тканей (расшлифовка); некоторые протеиназы применяют для удаления серицина и высвобождения шелковых волокон из шелка-сырца; для обезжиривания волокон используют липазы. Ферментные препараты применяют в сельском хозяйстве при производстве кормов.

Пектиназы и гемицеллюлазы повышают доступность и усвояемость кормов, ускоряют процессы силосования трудно- и несилосующихся зеленых кормов.

Все большее применение ферменты находят в тонком органическом синтезе в процессах получения различных сложных соединений (аминокислот, пептидов, нуклеотидов, полусинтетических антибиотиков), а также в медицине. Ряд ферментов применяют в так называемой заместительной терапии для восполнения имеющегося ферментативного дефицита. Так, препараты протеиназ используют для удаления некротических тканей в ходе лечения гнойных ран и ожогов. Бактериальную аспарагиназу, расщепляющую аспарагин, необходимый лейкозным клеткам, применяют при ряде злокачественных заболеваний.

Ферменты также используются в диагностике. Определение активности ферментов в биологических жидкостях и тканях стало неотъемлемым средством лабораторной диагностики различных заболеваний.

Для диагностических целей ферментативную активность определяют почти исключительно в крови, значительно реже в моче и лишь в отдельных случаях в тканях. Не все ткани в одинаковой мере синтезируют разные ферменты. Для печени, например, типична высокая активность одних ферментов, для почек или скелетных мышц - других. Это явление называют органоспецифичностью ферментов. Иногда органоспецифичность выражена очень чётко: фермент содержится только в каком - нибудь одном органе и отсутствует, а других.[4]

Таким образом, врач получает возможность по повышению активности некоторых ферментов в плазме выявить заболевание, связанные с нарушением функций совершенно определенных органов.

Сыроварение, виноделие, производство кисломолочных продуктов, пивоварение, производство колбасных продуктов, хлебопечение, производство животных жиров, чая, уксуса, лимонной кислоты - всё это и многое другое , здесь не перечисленное - технологические процессы пищевой промышленности, в которых главным действующим лицом являются ферменты. Одна из важнейших проблем пищевой промышленности - это развитие комплексной переработки сырья и отходов пищевой промышленности и повышение эффективности этой переработки. Ферментные препараты могут сказать здесь решающее слово.

Серьёзной проблемой в консервной промышленности, переработки плодов и овощей является использование семян и косточек, главная трудность которого состоит в необходимости разрушать прочную оболочку косточек. И здесь реальную пользу могут принести препараты ферментов. С помощью ферментных препаратов удаётся уменьшить расход сырья растительного и животного происхождения, идущего на приготовления пищевых продуктов.

Специальный интерес представляет использования ферментов в кормопроизводстве. Агрономы заботятся о том, чтобы получить полноценный растительный корм, содержащий все существенные составные части, необходимые для обеспеченья потребностей животного организма. Вот здесь роль ферментов оказалась особенно значительной, как в пищевой промышленности. Ферментативные препараты для производства кормов получают из плесневых грибов и бактерий, но задачи здесь ставят иные. Для повышения усвояемости грубых кормов необходим фермент целлюлоза, гидролизирующий клетчатку и повышающий возможность её переваривания и усвоения, особенно у таких животных, как свиньи, которые переваривают клетчатку хуже, чем крупный рогатый скот.

Специальный интерес представляет использования ферментов в кормопроизводстве. Агрономы заботятся о том, чтобы получить полноценный растительный корм, содержащий все существенные составные части, необходимые для обеспеченья потребностей животного организма. Вот здесь роль ферментов оказалась особенно значительной, как в пищевой промышленности. Таким образом, объемы и спектр выпускаемых ферментов, а также области их применения расширяются с каждым годом.[4]

Заключение

Ферменты - это белки, катализирующие определённые химические реакции, входящие в процессы обмена веществ, отличаются чрезвычайно высокой эффективностью и специфичностью своего действия. По своему составу ферменты разделяют на простые ферменты, состоящие только из молекул белка, и сложные ферменты, состоящие из белка и небелкового компонента (простетические группы, коферменты). Каталитическое действие ферментов определяется главным образом, частью молекулы - активным центром. Ферменты играют важную роль в организме, в науке, в хозяйственной деятельности человека. Открытие разнообразных наук позволяет шире использовать ферменты.

Список литературы

1. Введение в биотехнологию / Т. Г. Волова. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008. - 183 с.

2. Основы биотехнологии / Е.А. Фауст. - Саратов, 2015. - 52 с.

3. Биотехнология : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Ю. О. Сазыкин, С. Н. Орехов, И.И.Чакалева.-- М .: Издательский центр «Академия», 2008. -- 256 с.

Размещено на Allbest.ru