Охрана окружающей среды на предприятиях микробиологической промышленности

 

 Оптимальный состав  питательной среды для каждого  продуцента может быть определен  двумя способами: методом эмпирического  подбора и с использованием  математических методов оптимизации  (ЭВМ).

 

 Все технологические  процессы производства ферментных  препаратов делятся на две  принципиально отличные группы: в первом случае ферментация  ведется глубинным методом в  жидкой питательной среде, во  втором используется поверхностная  культура, растущая на специально  подготовленной рыхлой и увлажненной  питательной среде.

 

^ 4. Применение ферментативных  препаратов

 

 Ферменты немикробного  происхождения находят применение  сравнительно реже в силу различных  причин, в частности: низкой Лабильности,  дороговизны, сезонности получения  и других факторов. Но в ряде  случаев, в отсутствие микробного  аналога, для коммерческих целей  выделяют ферменты растительного  и животного происхождения. Примерами  таких ферментов могут служить  ренин животного происхождения,  фицин выделенный из инжира, папаин  и др. Для получения в производственном  масштабе ферментов растительного  и животного происхождения в  последнее время с успехом  используют культивирование тканей  и отдельных органов. Предположительно  этот метод должен значительно  удешевить и соответственно увеличить  удельную долю коммерческих ферментов  растительного происхождения.

 

 Хотя промышленные  ферменты иногда реализуются  в виде технических препаратов, определенная их часть подвергается  экстракции и очистке. При этом  решается несколько задач: удаляют  токсичные и нежелательные метаболиты  и микроорганизмы, стандартизуют  активность. Таким образом обеспечивается  более высокое качество препарата  и его стабильность, также можно  придать препарату желаемые аромат  и цвет. Главная трудность возникает  из-за неоднородного состава культуральных  жидкостей, которые часто содержат  большие количества коллоидов  и имеют высокую вязкость.

 

 По данным 1990 г., на мировом  рынке коммерческий оборот от  реализации технических ферментных  препаратов составил 800 млн. долларов. 80% всех производимых технических  ферментов используется в следующих  трех отраслях промышленности: гидролиз  крахмала - 40%, производство детергентов  - 30%, производство сыра-10%.

 

 Основу промышленной  переработки крахмала составляет  возможность его превращения  в сбраживаемые сахара (глюкоза,  мальтоза, изомальтоза), концентрированные  сахара-сиропы (глюкоза, фруктоза) и  низкомолекулярные олигосахариды-декстрины.  Эти соединения используются  при производстве ряда пищевых  продуктов и напитков. Из существующих  методов гидролиза крахмала (кислотный,  ферментативный) ферментативный обладает  рядом несомненных преимуществ. 

 

^ Использование ферментов  с детерагентами. Все микробные  протеазы можно разделить на  три класса: сериновые протеазы, металлопротеазы и кислые протеазы. Сериновые и металлопротеазы  образуются бактериальными культурами, кислые протеазы образуют микроскопические  грибы.

 

^ Сериновые и металлопротеазы.  Эта группа ферментов довольно  широко распространена среди  бактерий.

 

 Металлопротеазы используются  в пивоваренной и спиртовой  промышленности. При производстве  пива использование протеаз связано  с предотвращением образования  мути, являющейся результатом выпадения  в осадок белковых компонентов  пива. Кроме металлопротеаз для  этой цели используются растительные  ферменты: бромелин и папаин.

 

 При производстве пищевого  спирта ячменный солод заменяют  несолодовыми зерновыми. С целью  получения сбраживаемых сахаров  в среду, предназначенную для  сбраживания, добавляют L-амилазу  и протеазу.

 

 Кислые протеазы. Ферменты  этого типа встречаются у бактерий, но преобладают у высших грибов. Чаще всего эти ферменты, ввиду  их способности коагулировать  молоко, используются как заменители  реннина (фермент получаемый из  сычуга молодняка жвачных).

 

 Из культуры Аspergillus oryzae, осаждением органическими растворителями  получают такадиастазу, ферментный  препарат, содержащий кислую и  нейтральную протеазы, L -амилазу,  а также целлюлазы и пектиназы.  Препарат используется для гидролиза  соевого белка, при изготовлении  очень популярного в восточных  странах соевого соуса.

 

 У свертывающих молоко  ферментов коагулирующая активность  должна преобладать над протеолитической  активностью. Сущность процесса  коагуляции заключается в образовании  комплекса казеина с ионами  Са2+. Сычуг — экстракт желудков  телят содержит фермент ренин,  который считается наиболее подходящим  для этой цели протеолитическим  ферментом. Замена дорогостоящего  и дефицитного сычужного фермента  на дешевый и доступный фермент  микробного происхождения является  фактором, определяющим дальнейшее  развитие сыродельной промышленности.

 

 Грибные протеазы широко  используются для деградации  клейковины до постоянного уровня. Это позволяет стандартизовать  операцию процесса хлебопечения  и сократить периоды замешивания  и выдержки.

 

 Использование других  ферментов (глюкозооксидаза, фруктофуранозидаза, галактозидаза, пектиназы, папаин, трипсин, химотрипсин, а также  некоторые протеазы грибного  и бактериального пронахождения)  значительно увеличилось и практически  удваивается каждые 10 лет.

 

 В ближайшем будущем  значительный рост использования  ферментных препаратов связан  с возможностью ферментативного  гидролиза лигноцеллюлозных субстратов  с целью получения сахара для  пищевых целей. В этом направлении  ведется большая работа: селективно  отобрано свыше 200 культур микроскопических  грибов, характеризующихся суперсинтезом  внеклеточных целлюлаз; получено  более 20 бактериальных культур-трансформантов, осуществляющих синтез отдельных  компонентов целлюлаз (в основном  эндоглюканазы); налажены технологии, позволяющие производить около  50 разных ком­мерческих препаратов  целлюлаз, отличающихся составными  целлюлазными активностями, разработаны  различные технологии предобработки  лигноцеллюлозных материалов, увеличивающие  выход глюкозы в результате  ферментативного гидролиза и  др. Существующее положение вселяет  надежду на то, что в ближайшем  будущем эта важнейшая проблема  будет все-таки решена. В таком  случае ожидается массовый выпуск  разных типов целлюлаз (термостабильных,  действующих в щелочной среде;  целлюлаз, обогащенных отдельными  компонентами, и др.) в количестве, превосходящем все существующие  масштабы современной ферментной  индустрии.

 

 Что касается производства  ферментных препаратов высокой  чистоты, то это магистральное  направление всей отрасли, тем  более что за последнее десятилетие  значительно усовершенствованы  методы очистки ферментов в  промышленном масштабе. Это способствовало  более широкому использованию  ферментов в медицине, хотя надо  отметить, что число используемых  в медицинской практике ферментов  высокой степени чистоты не  превышает нескольких десятков.

 

^ Иммобилизованные ферменты. Лет 20-25 тому назад считалось,  что использование иммобилизованных  ферментов может коренным образом  изменить ферментную индустрию,  в особенности проблемы, связанные  с дороговизной и сложностью  выделения ферментов. Иммобилизованные  ферменты нашли самое разнообразное  использование в медицине, фармацевтической, химической и пищевой промышленности, в аналитических целях, в качестве  ферментных электродов для определения  концентрации Сахаров, аминокислот  и других соединений. Кроме того, возможность использования иммоби­лизованных  ферментов привела к созданию  таких новых направлений, как  радиоиммунный и ферментативный  иммуносорбентный анализ. Однако, несмотря  на это, иммобилизованные ферменты  не применяются в практических  целях в таких масштабах, которые  предполагались.

 

 Методы получения и  типы иммобилизованных ферментов  многократно описаны; кроме того, им посвящен ряд обзоров и  многочисленные оригинальные публикации  как на русском, так и на  английском языках, поэтому, по  мнению авторов, нецелесообразно  в рамках этой книги детально  рассматривать эти вопросы. Ограничимся  тем, что лишь отметим те  преимущества, которыми обладают  иммобилизованные ферменты по  сравнению со своими растворимыми  аналогами:

 

 иммобилизованные ферменты  легко отделяются от реакционной  среды и могут быть использованы  повторно;

 

 ферменты в иммобилизованном  состоянии проявляют повышенную  стабильность к экстремальным  условиям и сохраняют активность  в течение более длительного  времени;

 

 использование иммобилизованных  ферментов позволяет разрабатывать  непрерывные технологии;

 

 методами иммобилизации  возможно создание мультиферментных  иммобилизованных композиций, это,  в свою очередь, позволяет осуществлять  последовательные ферментные реакции  разных процессов.

 

 Иммобилизованные ферменты  характеризуются и некоторыми  недостатками. В результате иммобилизации  в ряде случаев на­блюдается  уменьшение удельной активности  системы. Происходит это в силу  разных причин. Например, ковалентное  связывание фермента с носителем  может вовлекать во взаимодействие  какой-нибудь из аминокислотных  остатков, находящийся в непосредственной  близости от активного центра. Иммобилизованные ферменты, ввиду  фиксации ферментов на носителе, не действуют на неподвижные  или нерастворимые субстраты  (целлюлоза, ксилан, лигнин и др.).

 

 Еще одним недостатком  иммобилизованных ферментов является  стоимость иммобилизации, которая  может оказаться непри­емлемо  высокой. Таким образом, при  использовании иммобилизованных  ферментов приходится решать  комплекс вопросов, связанных с  экономической обоснованностью  их практической реализации.