Fermentai yra biokatalizatoriai, kurie atlieka svarbų vaidmenį visuose metabolizmo ir biocheminių reakcijų etapuose. Jie yra ypač svarbūs ir naudojami kaip organiniai katalizatoriai daugelyje pramoninio masto procesų. Šiame straipsnyje pateikiama mikrobų fermentų ir jų klasifikavimo apžvalga.
Įvadas
Įvairioms biopramonėms apdorojant substratus ir žaliavas reikia specifinių savybių turinčių fermentų. Mikrobiniai fermentai veikia kaip biokatalizatoriai, kurie, palyginti su cheminių katalizatorių naudojimu, vykdo reakcijas biologiniuose procesuose ekonomiškai ir aplinkai nekenksmingu būdu. Jų ypatingos charakteristikos naudojamos komerciniais tikslais ir pramoniniais tikslais. Fermentai yra labai specifiniai, jie katalizuoja apie 4000 biocheminių reakcijų. Nobelio premijos laureatas Emilis Fischeris teigė, kad taip yra todėl, kad tiek fermentas, tiek substratas turi specifines viena kitą papildančias geometrijas, kurios yra tiksliaitilptų vienas į kitą.
Apibrėžimas
Fermentai yra didelės biologinės molekulės, atsakingos už visus tuos svarbius cheminius mainus, būtinus gyvybei palaikyti. Tai labai selektyvūs katalizatoriai, galintys labai pagreitinti medžiagų apykaitos reakcijų greitį ir specifiškumą, pradedant maisto virškinimu ir baigiant DNR sinteze. Visi juose vykstantys medžiagų apykaitos procesai priklauso nuo to, kokie fermentai susidaro mikroorganizmų ląstelėse.
Istorija
1877 m. Wilhelmas Friedrichas Kuehne, Heidelbergo universiteto fiziologijos profesorius, pirmą kartą pavartojo terminą „fermentas“, kilusį iš lotyniško žodžio fermentum, reiškiančio „rauguose“. Mikroorganizmų fermentų gavimas prasidėjo senovės Graikijoje. Jie buvo naudojami maistui ir gėrimams konservuoti.
1783 m. garsus italų katalikų kunigas Lazzaro Spallanzani pirmą kartą paminėjo šios biomolekulės svarbą savo darbe apie biogenezę.
1812 m. Gottliebas Sigismundas Kirchhoffas ištyrė krakmolo pavertimo gliukoze procedūrą. Savo eksperimente jis pabrėžia fermentų kaip katalizatoriaus naudojimą.
1833 m. prancūzų chemikas Anselmas Payenas atrado pirmąjį fermentą diastazę.
Po kelių dešimtmečių, 1862 m., tyrinėdamas cukraus fermentaciją iki alkoholio, Louisas Pasteuras padarė išvadą, kad tai katalizuoja gyvybės jėga, esanti mielių ląstelėse.
Gamtoje randamos biomolekulėsbuvo plačiai naudojami nuo seniausių laikų gaminant tokius gaminius kaip linas, oda ir indigo. Visus šiuos procesus sukėlė mikroorganizmai – fermentų gamintojai.
Reikšmė
Fermentai reikalingi cheminėms reakcijoms palengvinti. Jų vaidmuo mikroorganizmų gyvenime yra labai svarbus. Jį sudaro medžiagų apykaitos procesų, kvėpavimo, virškinimo ir kitų rūšių gyvybės užtikrinimas. Kai fermentai veikia tinkamai, palaikoma homeostazė. Kitas fermentų vaidmuo mikroorganizmuose yra pagreitinti medžiagų apykaitą.
Ypatingos funkcijos
Mikroorganizmo fermentų savybės apima:
- atsparumas karščiui;
- termofilinė prigimtis;
- tolerancija besikeičiančiam pH diapazonui;
- veiklos stabilumas kintant temperatūrai ir pH;
- kitos griežtos reakcijos sąlygos.
Jie klasifikuojami kaip termofiliniai, acidofiliniai arba šarminiai. Mikroorganizmai su termostabiliomis fermentų sistemomis sumažina mikrobinio užteršimo galimybę didelės apimties pramoninėse reakcijose, kurios trunka ilgai. Mikrobiniai fermentai padeda padidinti masės perdavimą ir sumažinti substrato klampumą žaliavos hidrolizės proceso metu.
Klasifikacija
Dėl plataus veikimo spektro, pagrįsto jų reakcijos pobūdžiu, fermentai klasifikuojami pagal katalizę:
- Oksidoreduktazės. Oksidacijos reakcijos apima elektronų perkėlimą iš vienos molekulėskitam. Biologinėse sistemose tai yra vandenilio pašalinimas iš substrato.
- Pervedimai. Ši fermentų klasė katalizuoja atomų grupių perkėlimą iš vienos molekulės į kitą. Aminotransferazės arba transaminazės palengvina amino grupės perkėlimą iš aminorūgšties į alfa okso rūgštį.
- Hidrolazės. Katalizuoja hidrolizę, substratų suskaidymą vandeniu. Reakcijos apima peptidinių jungčių skilimą b altymuose, glikozidinių jungčių skilimą angliavandeniuose ir esterinius ryšius lipiduose. Paprastai didesnės molekulės skyla į mažesnius fragmentus.
- Liase. Katalizuokite grupių pridėjimą prie dvigubų ryšių arba pastarųjų susidarymą, pašalindami pirmuosius. Pavyzdžiui, pektatinės liazės skaido glikozidines jungtis, pašalindamos beta.
- Izomerazės. Jie katalizuoja grupių perkėlimą iš vienos padėties į kitą toje pačioje molekulėje. Pakeiskite substrato struktūrą, pertvarkydami jo atomus.
- Ligases. Sujunkite molekules kovalentiniais ryšiais. Jie dalyvauja biosintetinėse reakcijose, kuriose susidaro naujos ryšių grupės. Tokioms reakcijoms reikalinga energija kofaktorių pavidalu.
Programa
Rauginimas naudojamas daugelio maisto produktų gamybai. Mikrobų fermentų naudojimas maisto pramonėje yra ilgas procesas. Plačiai naudojami šie tipai:
- Amilazė. Krakmolo skystinimas, duonos kokybės gerinimas, vaisių sulčių skaidymas.
- Gliukoamilazės. Alaus ir sirupų su dideliu gliukozės ir fruktozės kiekiu gamyba.
- Proteazė. Konkursasmėsos, pieno krešėjimas.
- Laktazė. Žmonių laktozės netoleravimo mažinimas, prebiotiniai maisto papildai.
- Lipazė. Čederio sūrio gamyba.
- Fosfolipazės. Lipolizuotų pieno riebalų gamyba.
- Esterazė. Vaisių sulčių skonio ir aromato gerinimas. Maistinių skaidulų deesterifikacija. Trumpų grandinių esterių gamyba.
- Celiulazės. Gyvūnų pašaras.
- Gliukozės oksidazė. Maisto galiojimo laikas ilgesnis.
- Laccases. Polifenolių pašalinimas iš vyno.
- Katalazės. Maisto konservavimas. Vandenilio peroksido pašalinimas iš pieno prieš gaminant sūrį.
- Peroksidazė. Maisto skonio, spalvos ir kokybės raida.
Proteazė
Iš mikrobinių sistemų gaunamos proteazės yra trijų tipų: rūgštinės, neutralios ir šarminės. Šarminės serino proteazės yra labiausiai pritaikytos biopramonėje. Jie pasižymi dideliu aktyvumu ir stabilumu nenormaliomis ekstremalių fiziologinių parametrų sąlygomis. Šarminės proteazės pasižymi dideliu fermentinio aktyvumo stabilumu, kai naudojamos plovikliuose. Jie rado platų pritaikymą biopramonėje:
- skalbimo miltelių gamyba;
- maisto pramonė;
- odos apdirbimas;
- farmacija;
- molekulinės biologijos ir peptidų sintezės tyrimai.
Amilazė
Tai mikroorganizmų fermentas, katalizuojantis krakmolo skaidymą į cukrų. Jis buvoatrado ir išskyrė Anselmas Peyenas 1833 m. Visos amilazės yra glikozidų hidrolazės. Jie plačiai naudojami pramonėje ir sudaro beveik 25 % fermentų rinkos. Naudojamas tokiose pramonės šakose kaip:
- maistas;
- kepykla;
- popierius ir tekstilė;
- saldikliai ir vaisių sultys;
- gliukozės ir fruktozės sirupai;
- plovikliai;
- kurą etanolį iš krakmolo;
- alkoholiniai gėrimai;
- virškinimą skatinanti priemonė;
- dėmių valiklis sausam valymui.
Taip pat naudojamas klinikinėje, medicininėje ir analitinėje chemijoje.
Ksilanazė
Hemiceliuliozė kartu su celiulioze, ligninu ir pektinu yra viena iš pagrindinių žemės ūkio liekanų sudedamųjų dalių. Ksilanas yra jo pagrindinis komponentas. Ksilanazės svarba labai išaugo dėl jos biotechnologinių pritaikymų pentozės gamybai, vaisių sulčių valymui, virškinimo gerinimui ir lignoceliuliozės žemės ūkio atliekų biokonversijai į kurą ir chemines medžiagas. Jis buvo pritaikytas maisto, tekstilės ir celiuliozės bei popieriaus pramonėje, žemės ūkio atliekų šalinimo, etanolio gamybos ir gyvūnų pašarų srityse.
Laccase
Liginolitiniai fermentai yra naudingi lignoceliuliozės žemės ūkio likučių hidrolizei, ypač skaidant sudėtingą ir nepumpuojančią lignino sudedamąją dalį. Jie yra labai universalūs ir gali būti naudojami daugelyje pramonės procesų. Lignolizinė fermentų sistema naudojama celiuliozės biologiniam dažymui ir kitose pramonės šakose, tokiose kaip vyno ir vaisių sulčių stabilizavimas, džinsinio audinio plovimas, kosmetika ir biojutikliai.
Lipazė
Tai mikroorganizmų fermentas, katalizuojantis riebalų skaidymą ir hidrolizę. Lipazės yra esterazių poklasis. Jie atlieka svarbų vaidmenį virškinant, transportuojant ir perdirbant riebalus. Dauguma lipazių dalyvauja tam tikroje riebalinio substrato glicerolio stuburo vietoje, ypač plonojoje žarnoje. Kai kuriuos iš jų išskiria išskiriami patogeniniai organizmai infekcinės ligos metu. Lipazės laikomos pagrindine biotechnologiškai vertingų fermentų grupe, daugiausia dėl jų taikomų savybių universalumo ir masinės gamybos paprastumo.
Lipazės aplikacija
Šie fermentai dalyvauja įvairiuose biologiniuose procesuose – nuo įprastinio trigliceridų metabolizmo dietoje iki signalizacijos ir ląstelių uždegimo. Kai kurie lipazės aktyvumai apsiriboja tam tikrais ląstelių skyriais, o kiti veikia tarpląstelinėse erdvėse:
- Kasos lipazės išskiriamos į tarpląstelines erdves, kur su maistu gaunamus lipidus paverčia paprastesnėmis formomis, kurios pernešamos po visą kūną.
- Palengvinkite maistinių medžiagų pasisavinimą iš aplinkos.
- Padidėjęs lipazės aktyvumas pakeičiaįprasti biodyzelino perdirbimo katalizatoriai.
- Naudojamas tokiose srityse kaip kepimas, skalbinių plovikliai, kaip biokatalizatoriai.
- Tekstilės pramonėje jis naudojamas audinio sugeriamumui ir tolygumui dažymo metu padidinti.
- Pakeisti maisto skonį sintetinant trumpos grandinės riebalų rūgščių ir alkoholių esterius.
- Lipazių buvimas arba didelis jų kiekis gali rodyti konkrečią infekciją ar ligą ir gali būti naudojamas kaip diagnostikos priemonė.
- Turi baktericidinį poveikį. Gali būti naudojamas piktybiniams navikams gydyti.
- Turi didelę komercinę vertę kosmetikos ir vaistų (odos priežiūros produktų, plaukų suktukų) srityje.
