Пектиностеразы (к.Ф.3.1.1.11)

Пектинметилэстеразы, ПЭ (К.Ф.3.1.11) катализируют отщепление метильных групп от полиметилгалактуроновой кислоты с образованием метанола и частично деметоксилированной полигалактуроновой кислоты.

Процесс протекает согласно следующей схеме (стрелками показано действие фермента):

ПЭ деэтерифицирует пектины на 60-70%. По мере снижения степени этерификации субстратов уменьшается сродство фермента к ним, и процесс гидролиза не проходит до конца. ПЭ предпочтительно действует на крупные молекулы, метоксилированные олигоурониды расщепляются медленнее.

Пектинэстеразы синтезируются высшими растениями, микроскопическими грибами, дрожжами и бактериями.

Пектинэстеразы проявляют максимальную активность в интервале рН 4,4-8,0, у некоторых микроскопических грибов при рН 2,5. Оптимальная температура действия 30-40° С. Пектиностераза входит в комплексы пектолитических ферментных препаратов микробного происхождения.

Желирующая способность пектина зависит от степени метоксилиро-вания или степени этерификации, поэтому действие пектинэстеразы по отщеплению метоксильных групп приводит к снижению желирующей способности и сопровождается падением вязкости. На этом, очевидно, и основывается применение этого фермента для осветления плодовых соков и вина.

Обычно комплексные препараты пектолитических ферментов применяемые для этих целей, получают из различных плесневых грибов, и прежде всего из A. Niger

2.2. Гликозидазы (К.Ф.3.2)

Этот подкласс включает около ста ферментов с разной специфичностью действия, осуществляющих гидролиз олиго- и полисахаридов; некоторые ферменты этого типа способны осуществлять трансферазные реакции – переносит гликозидные остатки на олиго- и полисахариды, наращивать полисахаридные цепочки. Представители гликозидаз были одними из первых ферментов, обратимость действия которых in vitro была экспериментально доказана.

Гликозидазы стереоспецифичны. Они гидролизуют гликозидные связи определенной пространственной конфигурации (α или β), но не обеих одновременно. Примерами могут служить α-амилаза, α-глюкозидаза, глюкоамилаза, гидролизующие исключительно α-гликозидные связи, и β-глюканаза, целлобиза, лизоцим – гидролизующие β-связи.

Менее строгая избирательность проявляется к различным видам α- или β-гликозидных связей. Так, глюкоамилаза расщепляет α-1,4 и α-1,6-связи; глюканаза бацилл — β-1,3 и β-1,4-связи;

Гликозидазы специфичны в отношении длины цепи гидролизуемых полимерных субстратов. Так, глюкоамилаза плесневых грибов предпочтительно гидролизует высокомолекулярные полимеры α-1,4-связанной глюкозы, а аналогичный фермент – α-глюкозидаза дрожжей катализирует гидролиз той же связи в олигосахаридах, но не в крахмале.

Эндополигалактуроназа (К.Ф.3.2.1.15) и Экзополигалактуроназа (К.Ф.3.2.1.67)

Эти ферменты, наряду с пектинэстеразой осуществляют гидролиз пектиновых веществ.

Эндополигалактуроназа, эндо-ПГ (К.Ф.3.2.1.15) катализирует гидролиз α-1,4-гликозидных связей между неэстерифицированными остатками галактуроновой кислоты в различных пектиновых полисахаридах. Гидролиз происходит неупорядоченным способом, предпочтительно расщепляются внутренние связи полимеров. При гидролизе 1-10% связей вязкость растворов галактуронанов снижается не менее чем на 50%

С

Эндо-ПГ

хема гидролиза:

П олигалактуроновая кислота + Н20

Олигогалактуроновые кислоты + моногалактуроновая кислота

Фермент расщепляет в пектинах фрагменты полигалактуроновой кислоты различной молекулярной массы и степени этерификации. С наибольшей скоростью гидролизуются низкоэтерифицированные субстраты, такие как пектовая кислота, полипектат натрия, свекловичный пектин. Более медленно - лимонный и яблочный пектин, а пектин Линка (степень этерификации 99%) совсем не гидролизуется. При действии на олигоурониды предпочтительно расщепляются субстраты большей степени полимеризации. Основным конечным продуктом гидролиза пектинов, в зависимости от источника фермента, может быть моно-, ди-, три- или тетрагалактуроновая кислота.

Действие эндо-ПГ на растительные ткани вызывает их мацерацию в результате расщепления пектиновых веществ срединных пластинок. В комплексе полигалактуроназ гриба Asp. alliaceus только эндо-ПГ практически полностью мацерировала до состояния изолированных клеток ткани картофеля, кабачка, тыквы, яблока, сливы, груши, персика.

Большинство исследованных эндополигалактуроназ – ферменты молекулярной массы 30-80 кДа с оптимумом действия при рН от 3,5 до 6,5 и температуре около 50° С. Эндо-ПГ некоторых микроскопических и высших грибов ингибируют ионы щелочноземельных и тяжелых металлов.

Экзополигалактуроназа экзо-ПГ (К.Ф.3.2.1.67) катализирует расщепление конечных α-1,4-глюкозидных связей между остатками неэстерифицированной галактуроновой кислоты в различных пектиновых полисахаридах (полигалактуроновой кислоте, пектатах, пектинах) с образованием моногалактуроновой кислоты. Гидролиз сопровождается незначительным снижением вязкости растворов субстратов. Фермент расщепляет пектаты неполностью, примерно на 50%.

Частично деградированные субстраты, как правило, гидролизуются экзо-ПГ быстрее высокополимерных. Предпочтительна низкая степень метоксилирования галактуронанов. Так, относительная скорость гидролиза субстратов разной степени этерификации двумя формами экзо-ПГ Asp. alliaceus составила: пектовой кислоты – 98-100, свекловичного пектина – 92-100, лимонного – 20-24, яблочного 1,3-7,5, сливового - 0,3-2,0.

Экзополигалактуроназы имеют оптимум действия при рН от 3,4 до 6,0 и температуре 30-50°С. Некоторые грибные экзо-ПГ активируются кобальтом, ингибируются щелочноземельными, тяжелыми металлами и ЭДТА.

Экзополигалактуроназы входят в состав пектолитических и цитолитических ферментных препаратов из культур микроорганизмов (Пектаваморина, Пектофоетидина, Целлюлазы-100, Поликанесцина, Ультразима, Винфлоу и др.).

Для промышленного производства ферментных препаратов пектолитических ферментов, которые являются комплексными, в качестве продуцентов используют в основном микроскопические (плесневые) грибы, в частности, грибы рода Aspergillus: A. niger, A. wentii, A. oryzae. Бактериальные ферменты в промышленных масштабах не производятся.

Растительные полигалактуроназы, по-видимому, похожи на грибные полигалактуроназы. Они обнаружены в широком спектре плодов и овощей: помидорах, авокадо, редисе, огурцах, яблоках, грушах, цитрусовых и др. Все они проявляют активность при естественных рН плодов.

Применение препаратов пектолитических ферментов в промышленности достаточно обширно. Они используются при производстве фруктовых соковых концентратов и экстрактов, при осветлении соков и вин, при производстве фруктовых и овощных пюре и нектаров.

Целлюлолитические ферменты

Целлюлоза является одним из наиболее трудно гидролизуемых природных полимеров. В организме высших животных и человека не синтезируются ферменты, гидролизующие целлюлозу. Биодеградацию целлюлозы осуществляют ферменты микроорганизмов. Микрофлора толстого кишечника человека ферментирует целлюлозу овощей и фруктов полностью. Более грубая целлюлоза, например, входящая в препараты пищевых волокон, расщепляется на 0–70%.

В гидролизе целлюлозы участвуют три основных вида ферментов. Эндо-β-1,4-глюканазы (КФ3.2.1.4) катализируют неупорядоченное расщепление целлюлозных молекул на крупные фрагменты. При действии экзо-β-1,4-глюканазы, или целлюлобиогидролазы (К.Ф.3.2.1.91) от нередуцирующего конца целлюлозных молекул или их ферментов отщепляется целлобиоза. Целлобиозы, или β-глюкозидазы (К.Ф.3.2.1.21) катализируют гидролиз целлобиозы и, с меньшей скоростью, небольших целлоолигосахаридов, с образованием глюкозы. Некоторые микроорганизмы синтезирую экзо-β-1,4-глюкозидазу (КФ3.2.1.74), под действием которой от нередуцирующего конца целлюлозных субстратов отщепляется глюкоза.

Индивидуальные эндо- и экзоглюканазы способны расщеплять нативную целлюлозу, однако в природе этот процесс происходит обычно под действием комплекса ферментов.

Целлюлазные комплексы микроорганизмов и высших базидиальных грибов включают до 20 ферментных белков, среди которых, как правило есть и эндо-, и экзо-ферменты.

Гидролиз целлюлозы ассоциированными бактериальными целлюлазами имеет место в рубце жвачных животных. В рубцовой жидкости лишь около 5% целлюлаз находится в свободном состоянии, остальная часть представлена ассоциатами. В гидролизе целлюлозы участвуют различные бактерии, населяющие рубец. За 6-8 ч пребывания в этом отделе желудка целлюлоза расщепляется на 40-50%.

Полнота гидролиза целлюлозы зависит от ряда факторов, в числе которых следующие: степень кристалличности субстрата, величина его удельной поверхности, состав ферментативного комплекса, используе­мого для гидролиза, и свойства его компонентов.

Нативная целлюлоза имеет очень прочную структуру и трудно гидролизуется. При исследовании гидролиза образцов целлюлозы различной степени кристалличности найдена обратная зависимость скорости гидролиза от процента кристалличности. Для увеличения доступности целлюлозы действию ферментов ее подвергают измельчению. При этом снижается размер частиц, увеличивается удельная поверхность субстрата и доля аморфной части. При сильном механическом воздействии может быть даже снижена степень полимеризации целлюлозы. Скорость гидролиза целлюлозы прямо пропорциональна величине удельной поверхности, она увеличивается по мере снижения размера частиц и степени полимеризации целлюлозы.

Микроорганизмы синтезируют целлюлазные комплексы, различающиеся по способности гидролизовать целлюлозу с высокой степенью кристалличности. Так называемые «неполноценные» комплексы хорошо гидролизуют аморфную целлюлозу, а в кристаллической целлюлозе расщепляют лишь ее аморфную фракцию (2-5%). Резкое снижение активности «неполноценных» комплексов по отношению к «полноценным» наблюдается при возрастании степени кристалличности субстрата до 60-70%.

Полноценные целлюлазные комплексы обязательно содержат эндоглюканазы, способные прочно сорбироваться на субстрате.

Чем выше коэффициент распределения, тем выше реальная концентрация фермента на поверхности субстрата и скорость гидролиза. Наблюдается прямая пропорциональная зависимость скорости гидролиза кристаллического субстрата от количества эндоглюканазы, сорбированной на его поверхности

В полноценном целлюлазном комплексе, где, как правило, присутствует эндо-фермент с высокой сорбционной способностью, целлобиогидролаза может и не обладать этим свойством. При этом наблюдается синергизм действия целлобиогидролазы и эндоглюканазы: активность комплекса ферментов выше суммы активностей его составляющих. Синергизм объясняется тем, что эндо фермент путем механохимического воздействия подготавливает субстрат для экзо-фермента, а также последовательностью реакций расщепления целлюлозы, катализируемых эндо- и экзоглюканазами, по схеме:

Эндоглюканаза

Целлобиогидролаза

Ц еллюлоза Целлодекстрины

Целлобиаза

Целлобиоза Глюкоза

Синергизм действия может наблюдаться в различных комбинациях эндо- и экзо-ферментов (эндо-эндо, эндо-экзо, экзо-экзо), но в любом случае одна из целлюлаз значительно отличается от другой по способности адсорбироваться на субстрате. Ферменты, близкие по сорбционной способности, при соединении не проявляют синергизма. Синергический эффект целлюлаз значителен: степень расщепления субстрата увеличивается в 2,5-2,8 раза.

Для гидролиза целлюлозы используются комплексные ферментные препараты, выделяемые из культур микроскопических грибов и актиномицетов и обладающие эндоглюканазной, целлобиогидролазной и целлобиазной активностью. Отдельные компоненты целлюлазных комплексов грибов и актиномицетов проявляют наибольшую активность при рН от 3,7 до 5,5, а комплексы в целом – при рН 4,5-5,5. Оптимальная температура действия отдельных компонентов – от 45 до 80°С, комплексов – 50-60° С. Некоторые высшие базидиомицеты синтезируют целлюлазы с оптимумом при рН З.

Многие целлюлазы являются углеводсодержащими белками, углеводная часть может составлять до 90% молекулярной массы. Углеводная часть выполняет якорную функцию, способствуя сорбции фермента на субстрате. Сорбция по сродству необходима, поскольку в рН-зоне активности целлюлазы имеет незначительный заряд (рН-оптимумы близки к ИЭТ). Возможно, углеводная часть обеспечивает скольжение фермента в фибриллярных структурах целлюлозы. Это существенно, поскольку целлюлазы осуществляют сотни и тысячи каталитических актов, не покидая поверхности одной целлюлозной молекулы.

Углеводная часть целлюлаз защищает белок от действия денатурирующих агентов и от протеолиза.

Конверсия целлюлозы в природных биоценозах сопряжена с деструкцией гемицеллюлозы и лигнина. При культивировании грибов на древесных субстратах в первую очередь разлагается гемицеллюлоза, после удаления ксилана увеличивается скорость гидролиза целлюлозы. Ксилазы и целлюлазы проявляют синергизм, что объясняется последовательностью их действия при гидролизе смешанного субстрата, где целлюлоза экранирована гемицеллюлозой.

Применение целлюлолитических ферментов представляет большой интерес, т.к. ферментативный гидролиз целлюлозосодержащих материалов (древесина, торф, сельскохозяйственные и городские отходы) может обеспечить получение различных биотехнологических продуктов (глюкозы, этанола, ацетона, микробной биомассы).

Амилазы

Основной формой запасных углеводов в семенах и клубнях растений является крахмал. Ферментативные превращения крахмала лежат в основе многих пищевых технологий. Поэтому ферменты амилолитического комплекса растительного, животного и микробного происхождения интенсивно изучаются со времени их открытия Кирхгофом в 1814 г. и до настоящего времени.

Группа ферментов, гидролизующих крахмал (амилолитических), включает: α-амилазу, β-амилазу, глюкоамилазу, α-глюкозидазу, изоамилазу, пуллуланазу. α-Амилаза (α-1,4-глюкан-4-глюканогидролаза, К.Ф.3.2.1.1) является ферментом эндо-типа, гидролизующим α-1,4-гликозидные связи в крахмальных полисахаридах и гликогене.

α-Амилазы обнаружены у животных (в слюне и поджелудочной железе), в растениях (проросшее зерно пшеницы, ржи, ячменя), они вырабатываются плесневыми грибами и бактериями.

Действие α-амилазы на крахмал характеризуется быстрым снижением вязкости раствора и молекулярной массы олигосахаридов. Фермент имеет выраженное сродство к гликозидным связям, удаленным от конца молекулы. Расщепление гликозидной связи происходит между атомом кислорода и С1-атомом глюкозного остатка. Атака субстрата носит случайный характер и может быть как единичной, так и множественной, когда от субстрата последовательно отщепляется нескольку фрагментов. Гидролизу подвергаются олигосахариды, содержащие менее 3 глюкозных единиц. При гидролизе амилопектина в продуктах гидролиза, наряду с олигосахаридами линейного строения, присутствуют α-декстрины, представляющие собой не затронутые реакцией разветвленные участки амилопектиновых молекул.

Процесс расщепления крахмала хорошо прослеживается по реакции продуктов с йодом. Синяя окраска характерна для амилодекстринов, содержащих не менее 45 глюкозных единиц (Г45), пурпурная – для декстринов Г35-Г40, красная – для эритродекстринов Г20-Г30, коричневая – для декстринов Г12-Г15. Ахроодекстрины, не окрашивающиеся йодом, имеют величину не более 12 глюкозных единиц. Образование ахроодекстринов завершает первую стадию гидролиза крахмала. Накопление низкомолекулярных сахаров происходит во второй, стационарной, медленнотекущей стадии.

Различные α-амилазы при длительном воздействии на крахмал расщепляют его на смесь олигосахаридов с преобладанием характерных сахаров. Конечный продукт расщепления крахмала – глюкоза образуется в незначительном количестве.

α-Амилазы условно делят на две группы: разжижающие и осаха-ривающие. К первым относят ферменты, расщепляющие в растворимом крахмале или амилозе не более 40% гликозидных связей, ко вторым – расщепляющие до 60%. Так, осахаривающая амилаза термофильного актиномицета гидролизует амилозу с образованием 77% мальтозы, 17% мальтотриозы, 3,5% мальтопентаозы и 2,5% глюкозы, что соответствует степени расщепления около 47% гликозидных связей. При действии бактериальных амилаз разжижающего типа на растворимый крахмал предельная степень расщепления гликозидных связей составляет от 16 до 30%, при этом в качестве основного продукта гидролиза может обнаруживаться мальтогексаоза, мальтопентаоза или мальтоза. Бактериальные амилазы осахаривающего типа гидролизуют крахмал с образованием до 70% мальтозы и глюкозы. Амилаза микроскопических грибов относится к осахаривающему типу, при гидролизе крахмала образуется до 87% мальтозы и глюкозы.

Образование продуктов расщепления крахмала под действием α-амилазы идет как по механизму гидролитической реакции, так и по механизму трансгликозилирования. Способность к трансгликозилированию более выражена у амилаз осахаривающего типа. В процессе трансгликозилирования образуются олигосахариды, являющиеся хорошим субстратом для реакции гидролиза, что способствует более глубокому расщеплению крахмала, повышению концентрации глюкозы и мальтозы в продуктах реакции.

α-Амилазы очень широко распространены в органическом мире. Их находят у низших и высших животных, растений, микроорганизмов. Наибольшее практическое применение имеют α-амилазы бактерий и микромицетов.

Микроорганизмы продуцируют α-амилазы с различными физико-химическими свойствами. Молекулярная масса фермента из различных источников составляет 16-76 кДа. Многие амилазы содержат кальций, в количестве от 1 до 30 грамм-атомов на моль белка. Кальций существен для проявления активности и стабильности амилаз. Наличие кальция более характерно для амилаз разжижающего типа.

Некоторые грибные амилазы включают углеводный компонент. Большинство исследованных амилаз проявляет активность в слабокислой и нейтральной среде, в частности, производимая в крупном масштабе бактериальная α-амилаза из культуры В. subtilis имеет оптимум при рН около 6 (небольшие вариации в зависимости от штамма продуцента). Известны продуценты кислой α-амилазы, относящиеся к p.p. Bacillus, Clostridium. Кислые амилазы имеют оптимум при рН 2-4. Некоторые штаммы В. licheniformis синтезируют фермент, активный в щелочной зоне, при рН 9,5. Амилазы микроскопических грибов имеют оптимум при рН 4-5.

Оптимальная температура для действия α-амилазы мезофильных штаммов микроорганизмов обычно не превышает 70° С. Амилазы грибов имеют оптимум при 45-60° С. Термофильные бактерии могут синтезировать фермент с оптимумом 85-91° С. Такие ферменты особенно ценятся в промышленном биокатализе.

Большое практическое значение имеет влияние температуры и рН на стабильность амилаз. Быстрое разрушение зерновой α-амилазы при рН 3,3—4,0, например, дает возможность выпекать ржаной хлеб из муки, которая содержит избыток α-амилазы, при низких значениях рН, чтобы предотвратить излишнее декстринирование крахмала и образование клейких веществ в мякише хлеба.

Говоря о термостабильности α-амилаз различного происхождения, можно расположить их в следующем ряду по мере снижения устойчивости к нагреванию: бактериальные амилазы — зерновые амилазы — грибные амилазы.

α-Амилаза принадлежит к числу ферментов с достаточно высокой термостабильностью. Мезофильные бактерии продуцируют фермент, стабильный при температуре до 80°С, чаще не выше 70°С. Амилаза термофилов может обладать поразительной стабильностью. Так α-амилаза В. licteniformis, выпускаемая в виде коммерческого препарата Термамил, в присутствии 1 мМ СаС12 и 31,5% крахмала не теряет активности при 90° С, а при 100°С время полуинактавации составляет более 3 ч.

Амилазы кальций-независимые (так называемые «истинные»), как правило, менее термостабильны, чем кальций-зависимые.

Последними работами в области изучения амилаз показано, что в семенах растений присутствуют два типа α-амилазы: α-амилаза созревания и α-амилаза прорастания.

В созревающем зерне синтезируется α-амилаза созревания, которая затем переходит в латентную форму, локализуясь на мембранах алейронового слоя. Первый этап гидролиза крахмала при прорастании осуществляется этой α-амилазой. И только на следующем этапе в работу включается вновь синтезируемый фермент — α-амилаза прорастания. Ее синтез в клетках зародыша и алейронового слоя начинается при влажности зерна выше 28%. Две формы α-амилазы семян злаков различаются по термостабильности: α-амилаза созревания при 70°С теряет 50% своей активности, тогда как α-амилаза прорастания при этой температуре только незначительно снижает свою активность.

Мощным механизмом регуляции скорости расщепления крахмальных гранул является система белковых ингибиторов амилаз, широко представленных в растениях. Ингибиторы белковой природы избирательно взаимодействуют с амилазами и образуют неактивные комплексы «амилаза—ингибитор». Высокой активностью обладают ингибиторы амилаз картофельного сока. Из зерна пшеницы выделен ингибитор с двумя активными центрами (двухцентровой). Один активный центр имеет сродство к протеазам и способен блокировать их действие. Другой активный центр имеет сродство к амилазам. Таким образом, один ингибитор белковой природы способен блокировать работу как протеаз, так и амилаз. В образующемся надмолекулярном комплексе ингибитор выполняет своеобразную роль связывающего звена, подавляя активность ферментов разного механизма действия.

Совершенствование технологии микробных α-амилаз идет по двум основным направлениям: создания препаратов высокой термостабильности для гидролиза клейстеризованного крахмала и препаратов, пригодных для гидролиза сырого, неклейстеризованного крахмала. Второй путь обещает в будущем Переход к низкотемпературному расщеплению крахмала, что существенно сократит энергозатраты и упростит аппаратурное оформление процесса гидролиза.

β-Амилаза (α-1,4-глюкан-мальтогидролаза, К.Ф.3.2.1.2) - фермент экзо-типа, катализирующий последовательное отщепление мальтозы нередуцирующего конца молекул амилозы, амилопектина, амилодекстринов. Фермент расщепляет в крахмале только α-1,4-гликозидные связи. Сырой крахмал не гидролизует.

Амилоза гидролизуется полностью. Минимальный расщепляемый фрагмент – Г4. От ветвей амилопектина отщепляется по 10-12 мальтозных остатков. Гидролиз амилопектина может идти до предпоследней связи, граничащей с точкой ветвления. Нерасщепленные фрагменты амилопектина носят название β-предельных декстринов. В результате гидролиза крахмала β-амилазой образуется 54-58% мальтозы и 42-46% предельных декстринов. Мальтоза при отщеплении переходит в β-форму, что объясняет название фермента.

На представленной ниже схеме действие β-амилазы на амилозу и амилопектин показано стрелками.

β-Амилазу продуцируют высшие растения, микроорганизмы. Фермент содержится в непроросшем зерне и солоде злаковых культур. Солод злаков долгое время был единственным источником β-амилазы, используемым в практике. Зерновые β-амилазы наиболее активны при рН 4-6, |стабильны при рН 4-8. Оптимальная температура действия 40-50°С, температура стабильности – не выше 60°С. Зерновые β-амилазы – сульфгидрильные ферменты, их активность подавляют тяжелые металлы и окислительные агенты.

В зерне β-амилаза присутствует в активной и латентной форме. При прорастании латентная форма активируется под действием протеаз, осуществляющих процессинг фермента.

Многие бактерии, в частности, бациллы синтезируют β-амилазу в значительных количествах. Фермент бацилл активен при рН 6-7,5, оптимальная температура действия фермента из разных культур колеблется в пределах 30-60°С. Бактериальная β-амилаза стабильна при рН 5-9 и температуре не выше 55° С.

β-Амилаза редко используется как индивидуальный фермент. Ее осахаривающая способность существенно увеличивается при сочетании с α-амилазой. Комплекс этих ферментов позволяет расщеплять крахмал на 94-96% до мальтозы, помимо которой в гидролизате присутствует небольшое количество глюкозы и низкомолекулярные а-1,6-декстрины.

Глюкоамилаза (α-1,4-глюкан-глюкогидролаза, К.Ф.3.2.1.3) – экзо-фермент, катализирующий отщепление β-глюкозы от нередуцирующего конца амилозы и амилопектина. Глюкоамилаза расщепляет α-1,4, α-1,6 и α-1,3-гликозидные связи, с наибольшей скоростью – α-1,4. Механизм гидролиза - множественная атака, то есть последовательный гидролиз нескольких гликозидных связей в одной молекуле субстрата. Возможен и одноцепочечный механизм, когда фермент расщепляет все связи в одной молекуле.

Глюкоамилаза гидролизует предпочтительно высокомолекулярный субстрат. Низкомолекулярные олигосахариды расщепляются медленно.

Фермент имеет выраженную трансфертную способность, которая проявляется тем более, чем выше степень гидролиза субстрата и концентрация глюкозы в реакционной среде. В результате трансферазных реакций накапливаются такие сахара, как изомальтоза, паноза, нигероза, измальтотриоза и другие. Появление этих продуктов снижает выход глюкозы. Поэтому в закрытой гидролитической системе, где глюкоза не удаляется из сферы реакции, теоретически невозможно достичь полного превращения крахмала в глюкозу под действием глюкоамилазы. В открытой системе, при удалении глюкозы, снижается интенсивность трансферазных реакций, повышается скорость гидролиза за счет снятия ингибирования продуктом реакции. В таких условиях можно достичь практически полного гидролиза крахмала до глюкозы с помощью одного фермента. На практике предпочитают использовать глюкоамилазу для осахаривания частично декстринизированного крахмала.

Глюкоамилазы широко распространены у животных и микроорганизмов. Большинство глюкоамилаз – гликопротеины, содержание углеводов – до 35%.

В промышленном биокатализе используют глюкоамилазы, продуцируемые микроскопическими грибами. рода Aspergillus: A. oryzae, A. niger, A. awamory и некоторыми другими, например, Rhizopus delamarn и Rhizopus niveus.

Грибные глюкоамилазы – белки молекулярной массы от 48 до 112 кДа. Максимальная активность проявляется при рН 4,3-5,9 и температуре 40-70° С. Фермент из Asp. terreus активен в зоне рН 2-8. Глюкоамилазы имеют низкую термостабильность, что не препятствует их применению для осахаривания декстринизированного крахмала. Глюкоамилазы мукоровых грибов способны гидролизовать крахмал на 95-100%, фермент из пенициллов и аспергиллов – на 88-95%.

α-Глюкозидаза (α-D-глюкозид-глюкогидролаза, К.Ф.3.2.1.20), часто называемая мальтазой, является экзо-ферментом. Глюкозидаза гидролизует α-1,4-связи на нередуцирующем конце α-1,4-глюканов, отщепляя глюкозу в α-форме. Субстратами α-глюкозидазы могут служить мальтоза, мальтоолигосахариды, сахароза, амилодекстрины, амилоза, амилопектин, гликоген. В отличие от глюкоамилазы, мальтаза предпочтительно гидролизует низкомолекулярные субстраты. Крахмал и гликоген расщепляют не все α-глюкозидазы.

α-Глюкозидаза имеет высокую глюкозилтрансферазную способность. В процессе трансгликозилирования происходит разрыв и замыкание α-1,3; 1,4; 1,6; 2,1 и 2,6-гликозидных связей, так что наряду с линейными образуются разветвленные сахара. α-Глюкозидаза из различных источников имеет разное соотношение гидролитической и трансферазной способности. Ферменты животного происхождения, а также выделенные из некоторых штаммов пекарских дрожжей, имеют очень низкую трансферазную способность. Глюкозидаза большинства аспергиллов, дрожжеподобных грибов p.p. Candida и Endomycopsis характеризуется высокой глюкозилтрансферазной способностью. Реакции переноса проходят с разной интенсивностью в зависимости от концентрации субстрата. Так, мальтаза штамма Endomycopsis sp. 20-9 проявляет гидролитическое действие при концентрации мальтозы от 1 до 10%, а в 20-30% растворах наряду с гидролизом мальтозы осуществляется синтез продуктов с α-1,4 и а-1,6-гликозидными связями, в результате чего образуются изомальтоза и изомальториоза. При концентрации мальтозы 40 50% отмечается высокая скорость трансферазных реакций. Аналогичная закономерность имеет место при действии мальтазы на крахмал.

α-Глюкозидазу активно синтезируют многие микроорганизмы, в том числе различные виды бацилл, дрожжи сахаромицеты, микроскопические грибы – аспергиллы, пенициллы, мукоры. Фермент имеет молекулярную массу 35-85 кДа, максимальная активность проявляется у бактериальных глюкозидаз при рН 6-7, у большинства грибных – при рН 3-6. Оптимальная температура для действия фермента 35-55° С.

Пуллуланаза (пуллулан-6-глюканогидролаза, К.Ф.3.2.1.41) гидролизует α-1,6-гликозидные связи в пуллулане, гликогене, амилопектине и предельных декстринах, образующихся при действии на амилопектин α- и β-амилаз. Гидролиз происходит по эндо-типу, основной продукт расщепления пуллулана – мальтотриоза.

На представленной ниже схеме действие пуллуланазы на пуллулан показано стрелками.

α-1,6-гликозидная связь

редуцирующий конец

Действие пуллуланазы на пулуллан

Пуллуланаза выделена из различных видов бактерий, преимущественно из бацилл, и из актиномицетов. Фермент проявляет максимальную активность при рН 5-7, некоторые штаммы бацилл продуцируют щелочную пуллуланазу с оптимумом действия при рН 8,5-9. Оптимальная температура – 45-60° С. Стабильность пуллуланаз повышается в присутствии ионов кальция.

Пуллуланаза наряду с другими амилолитическими ферментами применяется в технологии сахаристых продуктов, получаемых из крахмала.

Изоамилаза (гликоген-6-глюканогидролаза, К.Ф.3.2.1.68) гидролизует α-1,6-гликозидные связи в ветвящихся субстратах, за исключением пуллулана. Слабо гидролизует α-предельные декстрины. Полностью расщепляет гликозиные связи в точках ветвления гликогена.

Изоамилаза выделена из дрожжей, грибов, бактерий. Фермент наиболее активен при рН 3-6 и температуре 25-50° С. Используется в сочетании с другими амилазами при получении сахаристых продуктов из крахмала.

Инулин накапливается как запасной полисахарид в клубнях и корнях растений, в том числе у многих сложноцветных. Содержание инулина в % к сухой массе составляет: в клубнях топинамбура – 80, корнях цикория – 75, георгина – 72, колокольчика – 45, одуванчика и вьюнка – 40. Промышленное значение имеет топинамбур, который дает урожай 200-300 ц/га. Сырое вещество клубней топинамбура содержит около 18% инулина, что превышает содержание сахарозы в сахарной свекле (11%). Клубни топинамбура содержат фруктозаны различной молекулярной массы, от сахарозы до инулина со степенью полимеризации 40.

Инулин представляет собой полимер β-1,2-связанной фруктозы, у которого на нередуцирующем конце имеется один остаток глюкопиранозы, присоединенный 1,1-гликозидной связью. Среднее число фруктозных остатков 30-40, молекулярная масса 5-6,5 кДа.

Ферментативный гидролиз инулина катализируют инулиназы (К.Ф.3.2.1.7). Деградация происходит путем последовательного отщепления фруктозных остатков со стороны фруктозного конца полимера, глюкоза появляется в продуктах реакции только при степени гидролиза около 90%. Механизм реакции – многоцепочечная или множественная атака. Помимо инулина, инулиназы гидролизуют сахарозу, инуло- и фруктоолигосахариды. Сродство к инулоолигосахаридам возрастает с увеличением степени полимеризации. В растворах с высокой концентрацией сахарозы и фруктоолигосахаридов инулиназы проявляют фруктозилтрансферазную способность, катализируя образование новых фруктозанов. Поэтому в концентрированных растворах субстратов гидролиз не достигает полноты.

Биосинтез инулиназ широко распространен у микроорганизмов различных таксономических групп. Исследованы инулиназы бактерий микроскопических грибов (аспергиллов, пенициллов), различных видов дрожжей. Пенициллы и аспергиллы синтезируют инулиназу как внеклеточный фермент, бактерии В. licheniformis и дрожжи p. Kluyveromyces как внутриклеточный.

Большинство инулиназ проявляет максимальную активность и стабильность в слабокислой и нейтральной среде (рН 4-7), фермент из Агthrobacter ureafaciens стабилен в интервале рН 4-11. Оптимальная температура действия инулиназ 45-60°С. Инулиназы – ферменты относительно невысокой термостабильности, лишь немногие выдерживают 1 ч при 50-60°С без потери активности (это ферменты из культур Pen. cyclopium. Pen. petitions, дрожжей p. Kluyveromyces). Стабилизаторы инулиназ – ионы калия, натрия, кальция, магния, марганца, кобальта. Ингибиторы – ионы свинца, серебра, ртути.

Инулиназы внутриклеточной локализации, продуцируемые дрожжами Kluyveromyces marxianus, используются для получения фруктозоглюкозного сиропа. Клетки дрожжей иммобилизуют путем химической сшивки. Фермент иммобилизованных клеток имеет более высокий температурный оптимум и стабильность, чем его растворимая форма, извлеченная из автолизированных клеток.

β-Фруктофуранозидаза (Н.Ф.3.2.1.26). Другие названия этого фермента — инвертаза или сахараза.

Для промышленного производства имеют значения ферменты из S. cerevisiae и S. carlsbergensis. β-Фруктофуранозидазу выделяют из дрожжей путем автолиза. Этот фермент гидролизует сахарозу по β-фруктозидной связи согласно уравнению:

В результате действия фермента на сахарозу получается смесь эквимолярных количеств α-глюкозы и β-фруктозы, получившая название «инвертного сахара». Термин «инверсия» обозначает изменения, происходящие в способности сахара вращать плоскость поляризованного света. Это можно выразить следующей схемой:

С ахароза + Н20 D (+)-глюкоза + D (—)-фруктоза

[a]D=+66,50 [а]D=+52,50 [a]D=–92,4o

Инвертаза отщепляет концевой невосстанавливающий β-1,2-связанный остаток фруктозы не только от сахарозы, но и от других олигосахаридов, частично гидролизует инулин. При гидролизе рафинозы из одной ее молекулы образуется по одной молекуле лактозы и фруктозы.

Инвертаза имеет трансгликозилазную способность и может переносить фруктозил с сахарозы на другие олигосахариды. Единичная реакция переноса приводит к образованию нового сахарида с фруктозильным остатком на конце и одной молекулы глюкозы, освобождающейся из сахарозы при отделении фруктозила. Из сахарозы по механизму трансгликозилирования могут синтезироваться полифруктозиды, например, леван.

Инвертазу выделяют из культур дрожжей и микроскопических грибов. У дрожжей инвертаза локализована в клеточной стенке, где связана с маннаном. Фермент освобождается из клетки в процессе автолиза. Грибы продуцируют внеклеточную инвертазу. Активными продуцентами инвертазы являются грибы p. p. Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Humicola, Malbranchea, Thermomyces. Некоторые штаммы этих грибов осмофильны и сахарозотолерантны, они способны расти и развиваться на средах с концентрацией сахарозы 20-40%.

Инвертаза – гликопротеин, молекулярная масса 47-270 кДа. Углеводная часть молекулы составляет у инвертазы дрожжей 30-80%, мицелиальных грибов – 10-12%. Некоторые инвертазы имеют четвертичную структуру и состоят из двух или четырех субъединиц молекулярной массы около 50 кДа.

Инвертаза дрожжей сахаромицетов, грибов аспергиллов и пенициллов проявляет максимальную активность при рН 4,0-4,5 и температуре 45-55°С, стабильна при температуре до 60° С. Дрожжевая инвертаза требует для стабилизации присутствия сахарозы или глицерина. Необходимость в стабилизаторах объясняется тем, что внутриклеточные ферменты при переходе в свободное состояние утрачивают стабильность, которая внутри клетки обеспечивалась естественной иммобилизацией на соответствующих структурах.

Инвертаза находит широкое применение в пищевой промышленности. Гидролиз концентрированных растворов сахарозы приводит к образованию более сладких сиропов. Точка кипения инвертированных сиропов выше, а точка замерзания ниже, т. к. при инверсии повышается осмотическое давление. Образовавшиеся при действии инвертазы моносахариды более растворимы, не так легко выкристаллизовываются из высококонцентрированных сиропов.

Необходимость гидролиза (инверсии) сахарозы возникает при приготовлении концентрированных сахарных сиропов, мороженого, начинок для конфет.

β-Галактозидаза (Н.Ф.3.2.1.23). Фермент, который часто называют лактазой, катализирует реакцию гидролитического отщепления нередуцирующих остатков β-D-галактозы в β-галактозидах, в частности, в молочном сахаре — дисахариде лактозы:

β-Галактозидаза, отщепляет остаток галактозы от нередуцирующего конца галактозидов: олигосахаридов, полисахаридов, гликолипидов, гликопептидов, мукополисахаридов. Расщепляется связь между С1-атомом остатка галактозы и гликозидным атомом кислорода:

R — О –— Галактозил + Н₂0 R — ОН + Галактоза.

Гидролиз протекает с сохранением конфигурации субстрата.

β-Галактозидаза относится к числу ферментов с выраженной трансгликозилазной способностью. Фермент катализирует перенос остатка галактозы с сохранением конфигурации на различные сахара и спирты.

β-Галактозидазу продуцируют растения, животные, микроорганизмы разных таксономических групп. Способность синтезировать фермент присуща многим, но не всем молочнокислым бактериям. Микроорганизмы, лишенные этой способности, не сбраживают лактозу.

Многие люди страдают лактазной недостаточностью, в том числе негроиды и монголоиды на 75-100%.

Препараты β-галактозидазы выделяют из культур микроорганизмов. Дрожжи и бактерии синтезируют внутриклеточный фермент высокой молекулярной массы (200-600 кДа), имеющий субъединичную структуру. Оптимальный рН 6,9-7,2. Фермент теряет активность при температуре 40° С. Активаторы фермента – ионы магния и марганца.

Грибы синтезируют как внутриклеточную, так и внеклеточную форму β-галактозидазы, Вторая преобладает, что облегчает выделение ферментных препаратов. Внеклеточная β-галактозидаза грибов – гликопротеин молекулярной массы 115-176 кДа, субъединичной структуры не имеет. Не активируется металлами. Оптимальный рН действия 3,6-5,3. Грибная β-галактозидаза более стабильна, чем внутриклеточный фермент дрожжей и бактерий.

В качестве промышленных продуцентов β-галактозидазы используют дрожжи, микроскопические грибы и бактерии. Фермент дрожже и бактерий в свободном состоянии недостаточно стабилен, в качестве препаратов целесообразно использовать высушенные или иммобилизованные клетки продуцентов. За рубежом выделяют препараты β-галактозидазы из культуры дрожжей Kluyveromyces fragilis.

Грибная β-галактозидаза не только более стабильна, чем дрожжевая и бактериальная, но имеет также более широкую субстратную специфичность, что объясняется значительной долей фракции внеклеточного фермента у грибов. Отечественные препараты растворимой и иммобилизованной β-галактозидазы получают из культуры Penicillium canescens.

Гидролиз лактозы проводят или переработке продуктов растительного происхождения совместно с молочным сырьем, как это имеет место в хлебопечении, кондитерской и безалкогольной промышленности.