Источник ферментов в биотехнологии. Почему нужно выделять ферменты? Изготовление фруктовых соков.
Микроорганизмы более предпочтительны в качестве источника ферментов по сравнению с растениями или животными по следующим причинам:
1) они имеют более высокие скорости роста;
2) их можно получить в больших количествах в ферментерах в контролируемых условиях, что экономически выгодно;
3) они осуществляют широкий спектр химических реакций;
4) их свойства можно легко улучшить с помощью методов генной инженерии или путем получения разнообразных мутантов;
5) у них очень простые потребности в питательных веществах;
6) они способны расти на очень дешевых субстратах, часто на отходах;
7) скорость продукции можно изменять в зависимости от потребностей;
8) они продуцируют множество внеклеточных ферментов, которые легко собирать и очищать.
Почему нужно выделять ферменты?
Поскольку ферменты обычно получают из микроорганизмов, может возникнуть вопрос, не проще ли использовать в ферментерах целые клетки, а не выделять предварительно ферменты. Если для получения продукта требуется более чем одна химическая реакция, и следовательно, более чем один фермент, то этот процесс аналогичен тому, что происходит в клетке. Тем не менее использование очищенных ферментов, а не целых микроорганизмов предпочтительнее по следующим причинам:
1) строительство и эксплуатация ферментеров для выращивания микроорганизмов — дорогостоящие процедуры;
2) ферментацию нужно проводить в стерильных условиях;
3) при аэрации и перемешивании целых клеток в ферментере потребляется много энергии;
4) в ферментерах продукты находятся в неочищенном виде;
5) отходы из ферментеров нужно выбрасывать, что может привести к загрязнению окружающей среды.
В производственных процессах, осуществляемых с помощью очищенных ферментов, используются особые конструкции «реакторов». Их описание не входит в задачи данной книги, однако они более просты, чем ферментеры.
Получение очищенных ферментов
Если фермент выделяют из микроорганизма, то этот микроорганизм сначала наращивают в большом количестве в ферментере, как это было описано выше в данной главе. Глюкозу стараются не использовать в качестве источника питания, потому что она подавляет синтез многих полезных ферментов. Обычно используют периодическую ферментацию, за исключением производства глюкозоизомеразы из Bacillus coagulans, которое представляет собой непрерывный процесс. Многие ферменты сами выделяются из клеток, являясь, таким образом, внеклеточными ферментами. Их гораздо легче очищать, чем те ферменты, которые остаются внутри клеток. В последнем случае клетки отделяют от жидкой среды и затем разрушают различными способами, высвобождая их содержимое. Затем продукт очищают, насколько это требуется. Для некоторых ферментов полная очистка необязательна.
Ферменты можно использовать либо в том виде, в котором они получены, например при изготовлении соков, размягчении мяса или в стиральных порошках, либо их можно иммобилизовать перед использованием.
Изготовление фруктовых соков
При приготовлении соков плоды сначала измельчают. Как и другие части растения, плоды состоят из клеток, окруженных клеточными стенками. В этих стенках содержится целлюлоза и другие сложные полисахариды, которые называются гемицеллюлозами. Клеточные стенки очень прочные, и их трудно разрушить. Для того чтобы повысить выход и качество продукта, на стадии разрушения добавляют целлюлазы и ге-мицеллюлазы, которые расщепляют целлюлозу и гемицеллюлозу стенок, делая их более «растворимыми» и обеспечивая более полное разрушение тканей. Ферменты подбирают таким образом, чтобы они работали при низких рН, поскольку фруктовый сок является кислым. Оптимум рН составляет 4—5.
Растительные клетки удерживаются вместе за счет других сложных полисахаридов, которые называются пектинами. Они представляют собой клейкие вещества, способствующие застыванию джема. При хранении или переработке фруктов они могут превращаться в водорастворимые пектины, поэтому они присутствуют во фруктовых соках (в растворе) даже в том случае, если удалены «кусочки», т. е. неразрушенные клетки и остатки клеточных стенок. При низких температурах пектины начинают выделяться из раствора и образуют коллоидную суспензию (суспензию крошечных частиц, которые не оседают). Это придает напитку мутноватый вид. Для некоторых потребителей, особенно в США и Англии, это непривлекательный признак, хотя его следует рассматривать скорее как показатель высокого содержания фруктов. Если к соку добавить ферменты, которые называются пектиназами, то они частично расщепляют пектины до полисахаридов и Сахаров, которые имеют небольшие размеры и остаются в растворе даже при низких температурах. Таким образом, пектиназы делают напиток более прозрачным, и его характеризуют как «холодоустойчивый». Источником пектиназ являются бактерии.
Те же принципы приложимы к изготовлению пива и вина, хотя мутность пива связана скорее с присутствием белка и таннинов, а не полисахаридов. Для разрушения белков и снижения мутности пива при охлаждении к нему добавляют протеиназы, такие как пепсин и папаин.
