Промышленные ферменты
Промышленные ферменты — это ферменты , которые коммерчески используются в различных отраслях промышленности, таких как фармацевтика , химическое производство, биотопливо , продукты питания и напитки, а также потребительские товары. Благодаря достижениям последних лет биокатализ с помощью изолированных ферментов считается более экономичным, чем использование целых клеток. Ферменты могут использоваться как единичная операция в процессе получения желаемого продукта или могут быть интересующим продуктом. Промышленный биологический катализ с помощью ферментов в последние годы быстро развивается благодаря их способности работать в мягких условиях, а также исключительной хиральной и позиционной специфичности, чего не хватает традиционным химическим процессам. [1] Изолированные ферменты обычно используются в реакциях гидролиза и изомеризации . Целые клетки обычно используются, когда для реакции требуется кофактор . Хотя кофакторы могут быть получены in vitro , обычно более рентабельно использовать метаболически активные клетки. [1]
Ферменты как единица действия
[ редактировать ]Иммобилизация
[ редактировать ]Несмотря на их превосходные каталитические возможности, во многих случаях ферменты и их свойства необходимо улучшать до промышленного внедрения. Некоторыми аспектами ферментов, которые необходимо улучшить перед внедрением, являются стабильность, активность, ингибирование продуктами реакции и селективность по отношению к неприродным субстратам. Этого можно достичь путем иммобилизации ферментов на твердом материале, таком как пористая подложка. [2] Иммобилизация ферментов значительно упрощает процесс восстановления, улучшает контроль процесса и снижает эксплуатационные затраты. Существует множество методов иммобилизации, таких как адсорбция, ковалентное связывание, сродство и захват. [3] В идеальных процессах иммобилизации не следует использовать высокотоксичные реагенты, чтобы обеспечить стабильность ферментов. [4] После завершения иммобилизации ферменты вводят в реакционный сосуд для биокатализа.
Адсорбция
[ редактировать ]ферментов Адсорбция на носителях основана на химических и физических явлениях, таких как силы Ван-дер-Ваальса , ионные взаимодействия и водородные связи . Эти силы слабы и поэтому не влияют на структуру фермента. Можно использовать широкий спектр ферментных носителей. Выбор носителя зависит от площади поверхности, размера частиц, структуры пор и типа функциональной группы. [5]
Ковалентное связывание
[ редактировать ]
Для присоединения фермента к поверхности с разной степенью успеха можно использовать множество связывающих химических веществ. Наиболее успешные методы ковалентного связывания включают связывание через глутаральдегид с аминогруппами и N-гидроксисукцинида эфирами . Эти методы иммобилизации применяются при температуре окружающей среды в мягких условиях, которые имеют ограниченный потенциал для изменения структуры и функции фермента. [6]
Близость
[ редактировать ]Иммобилизация с использованием аффинности зависит от специфичности фермента связывать аффинный лиганд с ферментом с образованием ковалентно связанного комплекса фермент-лиганд. Комплекс вводится в матрицу-носитель, к которой лиганд имеет высокую аффинность связывания, и фермент иммобилизуется посредством взаимодействий лиганд-носитель. [3]
Захват
[ редактировать ]Иммобилизация с использованием захвата основана на улавливании ферментов внутри гелей или волокон с использованием нековалентных взаимодействий. Характеристики, определяющие успешный улавливающий материал, включают большую площадь поверхности, равномерное распределение пор, регулируемый размер пор и высокую адсорбционную способность. [3]
Восстановление
[ редактировать ]Ферменты обычно представляют собой значительные эксплуатационные расходы для промышленных процессов, и во многих случаях их необходимо восстанавливать и повторно использовать, чтобы обеспечить экономическую целесообразность процесса. Хотя в некоторых биокаталитических процессах используются органические растворители, большинство процессов происходит в водной среде, что облегчает разделение. [1] Большинство биокаталитических процессов происходят периодически, что отличает их от обычных химических процессов. В результате типичные биопроцессы используют метод разделения после биоконверсии. В этом случае накопление продукта может вызвать угнетение активности фермента. Продолжаются исследования с целью разработки методов разделения на месте , при которых продукт удаляется из партии в процессе переработки. Разделение ферментов может быть осуществлено с помощью методов твердожидкостной экстракции, таких как центрифугирование или фильтрация, а раствор, содержащий продукт, подается вниз по потоку для разделения продукта. [1]
| Ферменты как единичная операция | ||
|---|---|---|
| Фермент | Промышленность | Приложение |
| Уровень блока [7] | Еда | Усилить вкус сыра |
| Липозим TL IM [7] | Еда | Переэтерификация растительного масла |
| Липаза И Амано [7] | Фармацевтический | Синтез хиральных соединений |
| Попан Ф [7] | Еда | Эмульгатор |
| Целлюлаза [8] | Биотопливо | Класс ферментов, расщепляющих целлюлозу до мономеров глюкозы. |
| Амилаза [9] | Еда/биотопливо | Класс ферментов, расщепляющих крахмал до мономеров глюкозы. |
| Ксилозоизомераза [10] | Еда | кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы Производство |
| Резиназа [7] | Бумага | Управление шагом при обработке бумаги |
| Пенициллинамидаза [11] | Фармацевтический | Производство синтетических антибиотиков |
| Амидаза | Химическая | Класс ферментов, используемых для непротеиногенного производства энантиомерно чистых аминокислот. |
Ферменты как желаемый продукт
[ редактировать ]Для индустриализации фермента рассматриваются следующие предшествующие и последующие процессы производства ферментов:
вверх по течению
[ редактировать ]Восходящие процессы – это те, которые способствуют образованию фермента.
Выбор подходящего фермента
[ редактировать ]Фермент необходимо выбирать в зависимости от желаемой реакции. Выбранный фермент определяет необходимые рабочие свойства, такие как pH, температура, активность и сродство к субстрату. [12]
Идентификация и выбор подходящего источника выбранного фермента.
[ редактировать ]Выбор источника ферментов является важным этапом производства ферментов. Обычно изучают роль ферментов в природе и то, как они связаны с желаемым промышленным процессом. Ферменты чаще всего получают из бактерий, грибов и дрожжей. После выбора источника фермента можно провести генетические модификации для увеличения экспрессии гена, ответственного за выработку фермента. [12]
Разработка процесса
[ редактировать ]Разработка процесса обычно осуществляется после генетической модификации исходного организма и включает модификацию культуральной среды и условий роста. Во многих случаях разработка процесса направлена на уменьшение гидролиза и протеолиза мРНК . [12]
Крупномасштабное производство
[ редактировать ]Увеличение производства ферментов требует оптимизации процесса ферментации. Большинство ферментов производятся в аэробных условиях и, как следствие, требуют постоянного поступления кислорода, что влияет на конструкцию ферментера. Из-за изменений в распределении растворенного кислорода, а также температуры, pH и питательных веществ необходимо учитывать явления переноса, связанные с этими параметрами. Максимально возможная производительность ферментера достигается при максимальной транспортной мощности ферментера. [12] [13]
Ниже по течению
[ редактировать ]Последующие процессы – это процессы, которые способствуют разделению или очистке ферментов.
Удаление нерастворимых материалов и восстановление ферментов из источника
[ редактировать ]Процедуры восстановления ферментов зависят от организма-источника и от того, являются ли ферменты внутриклеточными или внеклеточными. Обычно внутриклеточные ферменты требуют лизиса клеток и разделения сложных биохимических смесей. Внеклеточные ферменты высвобождаются в культуральную среду, и их гораздо проще отделить. Ферменты должны сохранять свою нативную конформацию, чтобы обеспечить свою каталитическую способность. Поскольку ферменты очень чувствительны к pH, температуре и ионной силе среды, необходимо использовать мягкие условия изоляции. [12]
Концентрирование и первичная очистка ферментов
[ редактировать ]В зависимости от предполагаемого использования фермента требуются разные уровни чистоты. Например, ферменты, используемые в диагностических целях, должны быть отделены до более высокой чистоты, чем промышленные ферменты, чтобы предотвратить каталитическую активность, приводящую к ошибочным результатам. Ферменты, используемые в терапевтических целях, обычно требуют самого строгого разделения. комбинация стадий хроматографии . Чаще всего для разделения используется [12]
Очищенные ферменты либо продаются в чистом виде и продаются другим отраслям промышленности, либо добавляются в потребительские товары.
| Ферменты как желаемый продукт | ||
|---|---|---|
| Фермент | Промышленность | Приложение |
| Новозым-435 [7] | Потребительские товары | Производство изопропилмиристата (косметическая продукция) |
| Бромелайн [14] | Еда | Тендерайзер для мяса |
| Ноопазим [7] | Еда | Улучшить качество лапши |
| Аспарагиназа [15] | Фармацевтический | Терапия лимфатического рака |
| Прогулка [16] | Фармацевтический | Помощь пищеварению |
| урокиназа [17] | Фармацевтический | Антикоагулянт |
| β-лактамаза | Фармацевтический | Лечение аллергии на пенициллин |
| Самый тонкий [18] | Потребительские товары | Стиральный порошок |
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Шмид, А.; Дордик, Дж. С.; Хауэр, Б.; Кинер, А.; Вубболтс, М.; Витолт, Б. (2001). «Промышленный биокатализ сегодня и завтра». Природа . 409 (6817): 258–268. дои : 10.1038/35051736 . ПМИД 11196655 . S2CID 4340563 .
- ^ Матео, Автомобиль; Фернандес-Лоренте, Глория; Гизан, Хосе; Фернандес-Лафуэнте, Роберто (2007). «Улучшение активности, стабильности и селективности ферментов с помощью методов иммобилизации». Ферментные и микробные технологии . 40 (6): 1451–1463. doi : 10.1016/j.enzmictec.2007.01.018 .
- ^ Jump up to: а б с Датта, Сумитра; Кристена, Л. Рене; Раджарам, Ямуна Рани Шрирамулу (17 апреля 2017 г.). «Иммобилизация ферментов: обзор методов и вспомогательных материалов» . 3 Биотехнологии . 3 (1): 1–9. дои : 10.1007/s13205-012-0071-7 . ISSN 2190-5738 . ПМЦ 3563746 . ПМИД 28324347 .
- ^ Гизан, Хосе (2006). Иммобилизация ферментов и клеток . Springer Science & Business Media.
- ^ Есионовский, Теофил; Зарда, Джейкоб; Краевская, Барбара (01 августа 2014 г.). «Иммобилизация ферментов адсорбцией: обзор» . Адсорбция . 20 (5–6): 801–821. дои : 10.1007/s10450-014-9623-y . ISSN 0929-5607 .
- ^ Уокер, Джон (1988). Методы молекулярной биологии - Новые белковые методы . Хумана Пресс. стр. 495–499.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Уд, Ален; Кадеми, Али; Леблан, Даниэль (1 июля 2004 г.). «Липазы и их промышленное применение: обзор». Прикладная биохимия и биотехнология . 118 (1–3): 155–170. дои : 10.1385/ABAB:118:1-3:155 . ISSN 0273-2289 . ПМИД 15304746 . S2CID 10528621 .
- ^ Солнце, Йе; Ченг, Цзяян (1 мая 2002 г.). «Гидролиз лигноцеллюлозных материалов для производства этанола: обзор». Биоресурсные технологии . Проблема с отзывами. 83 (1): 1–11. дои : 10.1016/S0960-8524(01)00212-7 . ПМИД 12058826 .
- ^ ван дер Маарель, Марк Дж. Э. Си; ван дер Вин, Барт; Уитдехааг, Йост CM; Лемхейс, Ганс; Дейхуизен, Л. (28 марта 2002 г.). «Свойства и применение крахмалпревращающих ферментов семейства α-амилаз» . Журнал биотехнологии . 94 (2): 137–155. дои : 10.1016/S0168-1656(01)00407-2 . ПМИД 11796168 .
- ^ Бхосале, Ш.; Рао, МБ; Дешпанде, В.В. (1 июня 1996 г.). «Молекулярные и промышленные аспекты глюкозо-изомеразы» . Микробиологические обзоры . 60 (2): 280–300. дои : 10.1128/мр.60.2.280-300.1996 . ISSN 0146-0749 . ПМК 239444 . ПМИД 8801434 .
- ^ Бухгольц, Клаус (01 мая 2016 г.). «Прорыв в технологии ферментов для борьбы с устойчивостью к пенициллину - промышленное применение пенициллинамидазы». Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (9): 3825–3839. дои : 10.1007/s00253-016-7399-6 . ISSN 0175-7598 . ПМИД 26960323 . S2CID 253769410 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Шарма, Кумар; Бенивал, Викас (2014). Промышленные ферменты: тенденции, сфера применения и актуальность . Издательство Nova Science, Inc.
- ^ Тахерзаде, Мадхаван; Нампутири, Кристиан (2015). Промышленные биоперерабатывающие заводы и белая биотехнология . Эльзевир Б.В. ISBN 978-0-444-63453-5 .
- ^ Бехит, Алаа А.; Хопкинс, Дэвид Л.; Гисинк, Герт; Бехит, Аднан А.; Фрэнкс, Филип (1 января 2014 г.). «Экзогенные протеазы для тендеризации мяса». Критические обзоры в области пищевой науки и питания . 54 (8): 1012–1031. дои : 10.1080/10408398.2011.623247 . ISSN 1040-8398 . ПМИД 24499119 . S2CID 57554 .
- ^ Ланверс-Камински, Клаудия (01 марта 2017 г.). «Фармакология аспарагиназы: проблемы, с которыми еще предстоит столкнуться». Химиотерапия и фармакология рака . 79 (3): 439–450. дои : 10.1007/s00280-016-3236-y . ISSN 0344-5704 . ПМИД 28197753 . S2CID 36895708 .
- ^ Гонсалес-Рабаде, Нурия; Бадилло-Корона, Хесус Агустин; Аранда-Баррадас, Хуан Сильвестр; Оливер-Сальвадор, Мария дель Кармен (1 ноября 2011 г.). «Производство растительных протеаз in vivo и in vitro — обзор». Достижения биотехнологии . 29 (6): 983–996. doi : 10.1016/j.biotechadv.2011.08.017 . ПМИД 21889977 .
- ^ Котб, Эссам (01 мая 2014 г.). «Биотехнологический потенциал фибринолитических ферментов в растворении эндогенных тромбов крови». Биотехнологический прогресс . 30 (3): 656–672. дои : 10.1002/btpr.1918 . ISSN 1520-6033 . ПМИД 24799449 . S2CID 9268319 .
- ^ Таблетки для стирки Spar Bio . Проверено 18 апреля 2017 г.