- •Оглавление
- •Введение
- •1. Активность ферментов в клетках и общие представления о процессе их биосинтеза
- •1.1. Активность ферментов в клетках тканей млекопитающих
- •Регуляция биосинтеза ферментов
- •2. Воздействие на стадии биосинтеза белков и ферментов
- •2.1. Принципы воздействия на биосинтез ферментов
- •2.2. Основные классы и подклассы ферментов
- •3. Катализ процессов гидролитического расщепления органических соединений
- •4. Биосинтез первичных метаболитов и особенности регуляции по принципу обратной связи
- •4.1. Биосинтез первичных метаболитов
- •4.2. Регуляция по принципу обратной связи
- •4.3. Накопление конечных продуктов метаболизма
- •4.4. Мутанты, резистентные к воздействию
- •4.5. Изменение проницаемости мембраны
- •5. Биосинтез вторичных метаболитов, специфика регуляции по принципу обратной связи и контроль вторичного метаболизма
- •5.1. Биосинтез вторичных метаболитов
- •5.2. Влияние предшественников
- •5.3. Зависимость трофофаза – идиофаза
- •5.4. Индукция ферментов при продуцировании вторичных метаболитов
- •5.5. Регуляция по принципу обратной связи
- •5.6. Контроль вторичного метаболизма
- •6. Обеспечение оптимального роста и продуцирование ферментов
- •6.1. Первичные факторы, которые необходимо учитывать
- •6.2. Выбор индуктора
- •7. Факторы, влияющие на биосинтез ферментов в процессе культивирования
- •8. Организация поверхностного способа культивирования микроорганизмов
- •8.1. Кюветный способ
- •8.2. Выращивание в механизированных установках
- •9. Глубинное культивирование микроорганизмов
- •10. Технологические схемы получения культур микроорганизмов
- •10.1. Схема культивирования поверхностным способом
- •10.2. Схема глубинного культивирования
- •11. Осаждение ферментов
- •11.1. Факторы, влияющие на осаждение ферментов
- •11.2. Установка для осаждения ферментов
- •11.3. Перспективы высаливания ферментов
- •12. Сушка ферментных препаратов
- •13. Микрокапсулирование и гранулирование ферментных препаратов
- •14. Получение амилолитических препаратов
- •15. Получение протеолитических препаратов
- •16. Получение липолитических препаратов
- •Заключение
- •Список литературы
- •1 53000, Г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7
16. Получение липолитических препаратов
По Номенклатуре ферментов, липаза имеет название «триацилглицерoл-ацилгидролаза» (КФ 3.1.1.3), рекомендуемое рабочее название – «триацил-глицероллипаза». Этот фермент имеет еще названия трибутираза, липаза триглицеридов, липаза [12].
Липазы представляют большой интерес для многих отраслей народного хозяйства, где необходим частичный или полный гидролиз жиров и масел. Они обладают способностью перераспределять жирные кислоты, находящиеся в реакционной смеси и замещать ими другие, входящие в состав глицеридов, осуществляя модификацию последних.
Применяются в пищевой и легкой промышленности, сельском хозяйстве, медицине, бытовой химии, коммунальном хозяйстве, в аналитической практике. Довольно высоки перспективы использования липаз для очистки сточных вод от жиров, при переработке бытовых отходов, для очистки канализационных коммуникаций.
Липазы можно успешно использовать также в процессе приготовления легкоусвояемых кормов, для улучшения обмена веществ у животных. Области использования липаз в промышленности указаны в табл. 16.1.
Однако широкого применения в нашей стране микробиальные липазы пока не имеют. Это связано с отсутствием стабильных и высокопродуктивных микроорганизмов – продуцентов липаз, которые могли бы эффективно работать в условиях производства.
Главными субстратами для липаз являются липиды
Наиболее перспективным источником липаз являются микроорганизмы, так как животное и растительное сырье не может удовлетворить растущую потребность в этих препаратах. Липазы образуют очень многие микроорганизмы. Бактерии, как правило, накапливают внутриклеточную липазу, а актиномицеты, грибы и дрожжи – в основном, внеклеточную липазу.
Таблица 16.1
Промышленное использование микробиальных липаз
Область использования |
Действие |
Продукт |
Продукты на основе молока
|
Гидролиз молочных жиров, модификация сливочного масла |
Ароматизирующие агенты сыра и масла
|
Хлебопекарные производства |
Улучшение аромата и продление срока хранения |
Хлебобулочные изделия |
Напитки |
Улучшение аромата |
Напитки |
Пищевые приправы |
Улучшение качества |
Майонез, другие приправы |
Переработка мяса и рыбы |
Улучшение аромата и удаление жира |
Мясные и рыбные продукты |
Лечебное питание |
Транс-этерификация |
Диетическая пища |
Жиры и масла |
Разложение с получением ценных жирных кислот |
Масло какао, маргарин, жирные кислоты, глицерин, ацилглицеролы |
Химикаты |
Синтез |
Хиральные соединения и реагенты |
Фармацевтические производства |
Транс-этерификация, гидролиз |
Препараты для нормализации пищеварения |
Косметика |
Синтез |
Эмульгаторы, увлажняющие агенты |
Производство кожи |
Гидролиз |
Кожаные изделия |
Производство бумаги |
Гидролиз |
Бумажные изделия |
Химчистка |
Гидролиз |
Удаление загрязнений |
Среди бактерий найдены активные продуценты липаз, относящиеся к родам Pseudomonas, Bacillus, Acinetobacter, Propionibacterium, Chromobacterium, Alcaligenes. Среди дрожжей лучшими продуцентами являются представители рода Candida (С. lipolytica, С. paralipolytica, С. cylindraceae). Для промышленного использования чаще всего рекомендуется использовать микроскопические грибы. Высокая липазная активность отмечается у грибов Geotrichum, Aspergillus, Mucor, Rhizopus, Penicillium, Humicola. Продуценты липаз найдены и среди актиномицетов, например, у видов Streptomyces flavogriseus, Thermoactinomyces vulgaris и ряда других.
Механизм действия липазы
Фермент производит гидролитическое расщепление триацилглицерола из диацилглицерола и остатка отщепляемой жирной кислоты. Затем идет отщепление следующих остатков жирных кислот до образования глицерина. При этом скорость отщепления кислотного остатка от триацилглицерола в несколько раз больше, чем от диацилглицерола и тем более от моноацилглицерола. Фермент проявляет наибольшее сродство к эфирной связи, расположенной на внешней части молекулы триацилглицерола. Выявлено, что липазы различного происхождения способны контактировать с определенными кислотными остатками.
Многие липазы чувствительны даже к небольшим количествам антибиотиков, которые ведут себя как конкурентные ингибиторы фермента; степень ингибирования зависит от происхождения липазы. Липолитические ферменты, выделенные из различных источников, различаются по термостабильности. Известны липазы, стабильные при температурах 20 и 65 °С, но большинство из них стабильны в диапазоне 30–40 °С. Ряд липаз достаточно активен и при относительно низких температурах.
Стабильность фермента во многом зависит от степени его очистки. Для большинства липаз справедливо положение: чем они чище, тем ниже их стабильность. Поэтому для каждого ферментного препарата определяют оптимальную температуру и рН среды, при которых она наиболее активна (рис. 16.1). В зависимости от этого фактора липазы подразделяют:
– кислые (рН 4,0–6,0);
– нейтральные (рН 6,5–7,2),
– щелочные (рН 7,5–9,0).
Рис. 16.1. Зависимость активности липазы R. oryzae от степени очистки, pH среды (а)
и температуры (б): 1 – препарат, осажденный этанолом; 2 – высокоочищенная липаза
Значительный промышленный интерес вызывают микроорганизмы, продуцирующие щелочные, термостабильные липазы, особенно представители родов Geotrichum, Aspergillus, Mucor и Bacillus.
Для осуществления интенсивного биосинтеза большое значение имеет не только отбор высокопродуктивного микроорганизма, но и состав среды и условия его культивирования [12].
Источники азота
Одним из основных компонентов среды является источник азота. Используют минеральные, органические и смешанные источники азота. Присутствие витаминов, нуклеиновых кислот и других соединений способствует биосинтетической деятельности многих микроорганизмов. Важным компонентом является соевая мука, липидный комплекс которой оказывает стимулирующее действие на биосинтез липаз многими микроорганизмами. Отмечается, что усиление стимулирующего эффекта при применении сои и соевого лецитина происходит при совместном их использовании с кукурузным экстрактом. В качестве источника азота в составе среды используют молочную сыворотку, экстракты хлопкового и подсолнечного шротов, кормовые дрожжи, осадочные пивные дрожжи.
Японскими учеными выдвинуто предположение о том, что для биосинтеза липаз грибными культурами необходимым условием является повышенное содержание азота в питательных средах.
Источники углерода
Источниками углерода в средах могут быть сложные органические соединения – крахмал, декстрины, олиго-, ди- и моносахариды.
В состав среды часто вводят компоненты липидной природы, так как, по мнению многих исследователей, липазы являются индуцибельными ферментами; при этом положительный эффект связан с природой липида и особенностями его продуцента. Чаще в составе питательных сред используют оливковое и хлопковое масла, реже – подсолнечное, рапсовое, кукурузное, касторовое, соевое или льняное масло и кашалотовый жир. Ряд продуцентов увеличивает биосинтез липаз в присутствии не только масел, но и жирных кислот.
Условия культивирования
Биосинтез ферментов определяется не только составом среды, но и условиями культивирования продуцента (температура, длительность культивирования, рН среды, посевной материал, аэрация). На примере R. oryzae можно видеть, насколько велика роль этих факторов при накоплении липаз в КЖ (рис. 16.2).
Рис. 16.2. Влияние температуры (1) и рН среды (2) на биосинтез липазы (а)
и продожительности культивирования (б) на изменение рН (1), накопление биомассы (2) и образование липазы (3). Культуральная жидкость – микроорганизм R. oryzae
Наибольшей биосинтетической способностью культура обладала при засеве среды 20-часовым материалом в количестве 2 % (по объему среды). При использовании других продуцентов условия выращивания всякий раз устанавливаются экспериментально
Выделение ферментов
Получение препаратов липаз и их очистку проводят из фильтратов КЖ. Биомассу продуцента и твердую взвесь среды отделяют центрифугированием или фильтрованием. Жидкая фаза культуры стабилизируется солями и концентрируется путем ультрафильтрации или вакуум-выпаривания. Полученный концентрат может высушиваться для получения технических препаратов с индексом ГЗх. Однако чаще проводят выделение фермента методом осаждения органическими растворителями или сульфатом аммония. Липазы весьма чувствительны к воздействию растворителей, так как при этом довольно часто наблюдается частичная денатурация белка, что может в ряде случаев привести к нарушению организации активного центра и потере
и потере активности фермента. Поэтому для выделения липаз высаливанием чаще применяют сульфат аммония.
Для получения высокоочищенных препаратов липаз широко используют методы хроматографии, электрофорез, гель-фильтрации и изофокусирования.
Принципиальная схема получения ферментных препаратов показана на рис. 16.3.
Из фильтрата культуральной жидкости R. oryzae был выделен препарат высокоочищенной липазы с активностью липазы 13,3 % от исходной (289–500 ед./мг белка). Липаза R. oryzae довольно активно расщепляет оливковое масло (принято за 100 %), практически так же – хлопковое масло и животный жир, несколько лучше – маргарин (118 %) и особенно интенсивно – микробный жир дрожжей С. guilliermondii (196,2 %). Молекулярная масса фермента 108000, оптимальная температура получения 35 °С; оптимальное значение рН среды – 6,0 (фермент стабилен в диапазоне рН от 4 до 8).
Для промышленного использования разработан способ выделения гомогенной липазы из препарата «Липоризин Г10х», полученного из фильтрата культуральной жидкости R. oryzae.
Схема очистки препарата «Липоризин Г10х» представлена на рис. 16.4.
Степень очистки при получении гомогенного препарата достигла 44 (по сравнению с исходным препаратом « Липоризин Г10х»), удельная активность – 142·105 ед./г белка. Однородность фермента подтверждена методами электрофореза, гель-фильтрации, изоэлектрофокусирования и значением опытного коэффициента скорости седиментации.
120
Рис. 16.4. Схема очистки препарата «Липоризин Г10х»
Так, японская фирма «Тойокодьо» запатентовала способ очистки липаз с использованием сорбентов в виде солей высших жирных кислот, которые формируют в виде гранул или микрокапсул. Фермент сорбируется в них, а затем элюируется с помощью ПАВ. Такой способ позволяет получать высокоочищенные препараты с активностью 90–95 % от исходной.
Биоспецифическая хроматография является самым перспективным методом выделения липаз. Однако широкое внедрение указанного метода в производство ферментов сопряжено с определенными трудностями, главными из которых является малая доступность веществ, используемых в качестве лигандов, небольшая емкость сорбентов и высокая стоимость последних.
121
115
