Где используются ферменты? — МегаЛекции
Сегодня ферменты нашли широкое применение: пищевая промышленность и перерабатывающая, медицина, текстильная и кожевенная промышленность и др.
Ферментные препараты широко используют в медицине. Ферменты в медицинской практике находят применение в качестве диагностических (энзимодиагностика) и терапевтических (энзимотерапия) средств.
Применение ферментных препаратов является лучшим стимулятором роста продуктивности любого процесса, условием улучшения качества конечного продукта и повышения его выхода из единицы перерабатываемого сырья. В хлебопечении благодаря применению липоксигеназы увеличиваются объем, пористость, сладость, продолжительность свежести, в кондитерской — предотвращается кристаллизация сахарозы
В крахмалопаточной промышленности препарат а-амилазы и глюкоамилазы обеспечивает ускорение процесса ферментативного гидролиза крахмала до глюкозы с получением пищевой патоки высоких кондиций, пищевой и медицинской глюкозы и других продуктов. При этом возрастает выход глюкозы из переработанного крахмала картофеля, зерна кукурузы, пшеницы; снижаются потери крахмала; увеличивается количество белка в кормах из отходов перерабатываемой кукурузы.
В виноделии и производстве плодово-ягодных соков прежде всего значительно увеличиваются объемы получаемого сока и его концентрата, достигается высокая степень очистки соков, что важно при их концентрировании и хранении в производстве безалкогольных напитков. Получаются также соки с осадком пектина, что способствует активной эвакуации вредных веществ из кишечника человека.
В сахарной технологии, применяя препарат β-фрукто-фуранозидазы, достигают высокой степени гидролиза сахарозы без вредного оксиметилфурфурола, который образуется в глюкозо-фруктозном сиропе.
меньших затрат труда и денежных средств.
В США и Японии половину вырабатываемого сахара уже заменили глюкозно-фруктозным сиропом.
Еще хуже обстоит дело с применением ферментных препаратов в масло-жировой промышленности. Известны положительные результаты использования препарата липазы в производстве жиров, причем процесс осуществляется при обычных температуре и давлении. А между тем используется технология, предполагающая высокие температуру (225 °С) и давление (0,3 МПа и более), что связано с потребностью в катализаторах и дорогостоящей аппаратуре, с небезопасными условиями ее обслуживания.
Эти стратегические направления в сахарной и масло-жировой науке в отраслевых исследовательских и учебных институтах не разрабатываются, а пора бы продумать, на каких заводах, в какие сроки испытать определенные ферментные препараты, определить эффектив ность их действия, побудить заинтересо ванных заказчиков провести их про мышленное испытание и внедрение.
Лучшее положение с производствен и применением ферментных препарате в спиртовой промышленности, где вырабатывают и используют их амило- и протеолитический комплексы в 90 % выпускаемой продукции. Большую часть солода заменяют препаратами, экономя зерно посевных кондиций, снижают потери крахмала при солодоращении. Однако в отрасли отсутствуют препараты целлюлолитического действия для гидролиза оболочек злаковых и картофеля. Их применение дало бы возможность заметно увеличить выход этанола и расширить область использования нетрадиционного сырья и вторичных ресурсов. К сожалению, это важное направление в науке не прорабатывается.
В пивобезалкогольном производстве применяются комплексные (амило-, протео- и целлюлолитические) ферментные препараты. Благодаря этому сокращается расход ячменя высоких посевных кондиций (он заменяется рядовым зерном), снижаются потери крахмала при солодоращении. Большие перспективы в применении препаратов в рыбной и мясо-молочной промышленности. Препараты позволяют смягчать рыбную и мясную продукцию, повышая ее сортность, качество и выход.
В настоящее время в текстильном производстве нашли применение следующие ферменты:
— Амилазы служат для удаления крахмалосодержащей шлихты из тканей в рамках предварительной обработки, так как ее остатки мешают последующему крашению. При этом речь идет о количественно значимом процессе, который применяется с начала промышленной отделки текстильных материалов и до настоящего времени конкурирует с химически-окислительным удалением шлихты.
В этом случае используются препараты, оптимум действия которых установлен при разных температурах. Синтетические шлихты (поливиниловый спирт, акрилаты, карбоксиметилцеллюлоза) до сих пор ферментативно не удалялись.
— Целлюлазы применяются для поверхностной предварительной и последующей обработки целлюлозосодержащих текстильных материалов как из нативных, так и восстановленных волокон. Цель процесса — ферментативное разрушение фибрилл целлюлозы непосредственно на поверхности вещества, чтобы добиться оптических эффектов и определенного грифа или улучшить эксплуатационные свойства (уменьшить склонность к разлохмачиванию и пиллингу). Благодаря тенденциям моды применение целлюлозы в последние годы значительно увеличилось. Эта обработка уже относится к стандартным методам отделки.
— Каталазы служат для уничтожения оставшейся после отбеливания перекиси водорода, которая служит помехой для проведения последующих процессов. Благодаря применению ферментов можно отказаться от использования химических восстановителей и, следовательно, связанной с ними промывки, что значительно сокращает продолжительность процесса.
Особое внимание технологов и других специалистов, перерабатывающих биологическое сырьё, привлекают ферменты первого класса – оксидоредуктазы и третьего – гидролазы. При переработке пищевого сырья происходит разрушение клеток биологического материала, повышается доступ кислорода к измельчённым тканям и создаются благоприятные условия для действия оксидоредуктаз, а высвобождающиеся гидролазы расщепляют основные структурные компоненты клетки — белки, липиды, полисахариды и гетерополисахариды.
Оксидоредуктазы
1. Полифенолоксидаза. Этот фермент известен под различными тривиальными названиями: о-дифенолоксидаза, тирозиназа, фенолаза, катехолаза и др. Фермент может катализировать окисление моно-, ди-, и полифенолов. Типичная реакция, катализируемая полифенолоксидазой, имеет вид:
В зависимости от того, из какого источника выделен фермент, способность его к окислению различных фенолов различна. С действием этого фермента связано образование темноокрашенных соединений — меланинов при окислении кислородом воздуха аминокислоты тирозина. Потемнение срезов картофеля, яблок, грибов, персиков и других растительных тканей в большей степени или полностью зависит от действия полифенолоксидазы. В пищевой промышленности основной интерес к этому ферменту сосредоточен на предотвращении рассмотренного нами ферментативного потемнения, которое имеет место при сушке плодов и овощей, а также при производстве макаронных изделий из муки с повышенной активностью полифенолоксидазы. Эта цель может быть достигнута путем тепловой инактивации фермента (бланшировка) или добавлением ингибиторов (NaHSO
2. Каталаза. Этот фермент катализирует разложение пероксида водорода по реакции:
2Н2О2 → О2 + 2Н2О
Каталаза относится к группе гемопротеиновых ферментов. Содержит 4 атома железа на одну молекулу фермента. Функцией каталазы в живом организме является защита клетки от губительного действия перекиси водорода. Хорошим источником для получения промышленных препаратов каталазы являются культуры микроорганизмов и печень крупного рогатого скота. Каталаза находит свое применение в пищевой промышленности при удалении избытка Н 2О2 при обработке молока в сыроделии, где пероксид водорода используется в качестве консерванта; а также совместно с глюкозооксидазой применяется для удаления кислорода и следов глюкозы.
3. Глюкозооксидаза. Этот фермент представляет собой флавопротеид, в котором белок соединен с двумя молекулами ФАД (активная форма витамина В2). Он окисляет глюкозу с образованием в конечном счете глюконовой кислоты и обладает практически абсолютной специфичностью по отношению к глюкозе. Суммарное уравнение имеет следующий вид:
Глюкоза + Н2О + О2 = глюконовая кислота + Н2О2
Высокоочищенные препараты глюкозооксидазы получают из плесневых грибов рода Aspergillus и Penicillium. Препараты глюкозооксидазы нашли применение в пищевой промышленности как для удаления следов глюкозы, так и для удаления следов кислорода. Первое необходимо при обработке пищевых продуктов, качество и аромат которых ухудшаются из-за того, что в них содержатся восстанавливающие сахара; например, при получении из яиц сухого яичного порошка. Глюкоза при сушке и хранении яичного порошка, особенно при повышенной температуре, легко вступает в реакцию с аминными группами аминокислот и белков. Порошок темнеет, и образуется ряд веществ с неприятным вкусом и запахом. Второе — необходимо при обработке продуктов, в которых длительное присутствие небольших количеств кислорода приводит к изменению аромата и цвета (пиво, вино, фруктовые соки, майонез). Во всех подобных случаях в ферментную систему включают каталазу, разлагающую Н
3. Липоксигеназа. Этот фермент катализирует окисление полиненасыщенных высокомолекулярных жирных кислот (линолевой и линоленовой) кислородом воздуха с образованием высокотоксичных гидроперекисей. Ниже приведена реакция, катализируемая этим ферментом:
R ……. СН2-СН=СН-СН2-СН=СН-СН2 ……. СООН
↓ + О2
R ……. СН2-СН=СН-СН=СН-С(ООН)Н-СН2 ……. СООН
Возможно образование и циклических гидроперекисей по следующей схеме:
Однако основное количество жирных кислот превращается в гидроперекиси, обладающие сильными окислительными свойствами, и именно на этом основано использование липоксигеназы в пищевой промышленности.
Липоксигеназа широко распространена в сое, пшенице и других злаках, в семенах масличных и бобовых культур, в картофеле, баклажанах и т. д. Липоксигеназе принадлежит важная роль в процессах созревания пшеничной муки, связанных с улучшением ее хлебопекарных достоинств. Образующиеся под действием фермента продукты окисления жирных кислот способны вызывать сопряженное окисление ряда других компонентов муки (пигментов, SH-групп клейковинных белков, ферментов и др.). При этом происходит осветление муки, укрепление клейковины, снижение активности протеолитических ферментов и другие положительные изменения. В разных странах разработаны и запатентованы способы улучшения качества хлеба, основанные на использовании препаратов липоксигеназы (главным образом, липоксигеназы соевой муки). Все они требуют очень точного дозирования фермента, так как даже небольшая передозировка приводит к резко отрицательному эффекту и вместо улучшения качества хлеба происходит его ухудшение. Интенсивное окисление липоксигеназой свободных жирных кислот может сопровождаться вторичными процессами образования веществ различной химической природы с неприятным вкусом и запахом, характерным для прогорклого продукта. Более мягкий способ воздействия на компоненты муки и теста связан с активацией собственной липоксигеназы муки путем некоторого варьирования технологического процесса. При этом исключается эффект передозировки фермента со всем комплексом нежелательных последствий.
Рекомендуемые страницы:
Воспользуйтесь поиском по сайту:
megalektsii.ru
Применение ферментов в промышленности — Студопедия.Нет
Ферменты широко используют в различных отраслях промышленности: пищевой, фармацевтической, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, в медицине, сельском хозяйстве, химическом синтезе.
Одним из самых значительных практических результатов биотехнологии является применение различных ферментов и ферментных препаратов. Ферменты, выделяемые микроорганизмами, использовались человеком достаточно давно, но сущность ферментативных процессов не была известна. С развитием биотехнологии и, в частности, инженерной энзимологии стало возможным выделять ферменты из живых организмов и использовать их непосредственно в различных областях промышленности.
Применение ферментных препаратов в отраслях пищевой промышленности позволяет интенсифицировать технологические процессы, улучшать качество готовой продукции, увеличивать ее выход, а также сэкономить ценное пищевое сырье. Особое внимание технологов и других специалистов, перерабатывающих биологическое сырьё, привлекают ферменты первого класса – оксидоредуктазы и третьего – гидролазы. При переработке пищевого сырья происходит разрушение клеток биологического материала, повышается доступ кислорода к измельчённым тканям и создаются благоприятные условия для действия оксидоредуктаз, а высвобождающиеся гидролазы расщепляют основные структурные компоненты клетки — белки, липиды, полисахариды и гетерополисахариды.
Понятие о гормонах как гуморальных регуляторах жизнедеятельности живых организмов.
Учение о гормонах выделено в самостоятельную науку – эндокринологию.
Гормоны – биологически активные вещества органической природы, вырабатывающиеся в специализированных клетках желез внутренней секреции, поступающие в кровь и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции.
К настоящему времени открыто более сотни различных веществ, наделенных гормональной активностью, синтезирующихся в железах внутренней секреции и регулирующих процессы обмена веществ.
По химической природе, физико–химическим и биологическим свойствам гормоныделятся на: белковые, пептидные, стероидные (или липидные), производные аминокислот.
Гормоны обладают высокой биологической активностью. Размер молекул гормонов сравнительно небольшой это обеспечивает их проникновение через стенки капилляров из кровяного русла в ткани. Малые размеры молекул облегчают гормонам выход из клеток через клеточные мембраны. Гормоны сравнительно быстро разрушаются тканями, поэтому для обеспечения длительного действия необходимо их постоянное выделение в кровь. Только в этом случае возможно поддержание постоянной концентрации гормонов в крови.
Гормоны действуют на обмен веществ, регулируют клеточную активность, способствуют проникновению продуктов обмена веществ через клеточные мембраны. Гормоны влияют на дыхание, кровообращение, пищеварение, выделение; с гормонами связана функция размножения. Рост и развитие организма, смена различных возрастных периодов связаны с деятельностью желез внутренней секреции.
Понятно, что, выполняя столь многочисленные и разнообразные функции, гормоны обладают и соответствующим набором специфических свойств, среди которых важнейшими являются:
чрезвычайно высокая физиологическая активность — очень малые количества гормонов вызывают весьма значительные изменения в работе органов и тканей;
дистанционное действие — способность регулировать работу органов, удалённых от железы, вырабатывающей гормон, что становится возможным, потому что гормоны доставляются к этим органам с током крови;
быстрое разрушение в тканях, так как, оказывая очень сильное влияние на работу органов и тканей, гормоны не должны накапливаться в них;
непрерывное продуцирование и регулируемая секреция вызваны необходимостью постоянного регулирования работы соответствующего органа в каждый момент времени.
Из анализа характерных свойств гормонов, как мощного средства гуморальной регуляции, ясно, что их образование эндокринными железами (железами внутренней секреции) должно в каждый момент времени точно соответствовать состоянию организма. Обеспечение этого соответствия осуществляется по принципу обратной связи: не только гормон влияет на контролируемую систему органов и процессы в ней, но и состояние самой системы определяет производительность соответствующей железы, скорость образования и количество вырабатываемого гормона. Например, снижение концентрации глюкозы в крови тормозит секрецию инсулина (гормона, вызывающего уменьшение содержания глюкозы) и ускоряет секрецию глюкагона (гормона, стимулирующего рост концентрации глюкозы в крови). Таким образом, благодаря принципу обратной связи именно гормоны обеспечивают гомеостаз — постоянство состава внутренней среды организма, контроль и регулирование содержания воды, углеводов, электролитов в нём.
Гормоны обладают относительной видовой специфичностью, что имеет важно значение, так как позволяет недостаток того или иного гормона в организме человека компенсировать введением гормональных препаратов, получаемых из соответствующих желез животных. В настоящее время удалось не только выделить многие гормоны, но даже получить некоторые из них синтетическим путем. По химическому строению некоторые гормоны относятся к полипептидам (инсулин и большинство гормонов гипофиза).
Для поддержания роста, жизнедеятельности и развития организма требуется определенный уровень гормонов в крови. При недостатке того или иного гормона говорят о гипофункции данной железы. Если гормон вырабатывается в избытке, то это считают гиперфункцией. Нарушение функции одной из желез внутренней секреции вызывает нарушение эндокринного баланса всего организма. При гипо- или гиперфункции желез возникают эндокринные заболевания.
studopedia.net
Применение ферментов в сельском хозяйстве, промышленности, медицине, науке и технике
Области применения растворимых ферментных препаратов
Высокая каталитическая активность, специфичность и разнообразие ферментов, их способность осуществлять биохимические реакции в мягких условиях делают ферменты весьма привлекательными для осуществления различных технологических процессов. Эти же особенности открывает перспективу их использования в качестве медицинских препаратов.
В настоящее время препараты разных ферментов используют более чем в 25-ти отраслях промышленности главным образом в пищевой и легкой промышленности. Широко применяют ферменты в спиртовой промышленности и в пивоварении. Новой, быстро развивающейся и важной областью использования ферментов является их применение для получения высокоэффективных моющих средств. Начинают также применять ферменты при очистке сточных вод (таблица 2)271—272.
В сельском хозяйстве ферменты применяются для приготовления кормов, а также улучшения их усвоения животными261*266. Все шире ферменты используются для приготовления лекарственных средств, а также в медицине при диагностике. Кроме того, ферменты применяют в научных исследованиях, для установления структуры некоторых соединений, в частности белков и НК, их биосинтеза, для изучения организации субклеточных структур, в качестве аналитических реагентов и в других целях259.
Особенно развито производство и применение ферментов в таких странах, как США и Япония271, 272. Так, в США в 1970 г. было выпущено 32 тыс. т. ферментных препаратов более 120 наименований, а в Япония 50 тыс. т. более 80 видов. Из общего объема полученных еще в 1967 году в Японии ферментных препаратов 26 % использовалось в пищевой промышленности 272 , 23 % — в текстильной, 38 % — в производстве кормов и комбикормов, 4 % — в кожевенном производстве, 9 % — в медицине. При этом было выпущено (в тоннах): амилазы — 9850, протеазы — 8906, глюкозооксидазы — 2200, липазы и целлюлазы — по 100, других ферментов — 200.
В США, наряду с пищевой промышленностью, значительная часть ферментов идет на производство моющих средств (в 1971 г. — 34 %).
В СССР ферментная промышленность начала создаваться в 30-х годах. Особенно быстро её развитие в странах СНГ идет в последнее время.259, 263, 273
В качестве сырья для получения ферментов все больше используют микроорганизмы. Так, в Японии, по данным за 1967 год, из общего объема выпущенных ферментов на препараты из бактерий приходилось 80 %, из плесневых грибов — 10 %, из дрожжей — 3 %, из животного сырья — 0,2 %.
Ферменты выпускают в виде препаратов, содержащих один или преимущественно один фермент, а также комплексных, в которые входит ряд ферментов, причем препараты одних и тех же ферментов могут иметь разные фирменные названия.
Наиболее широкое применение имеют препараты ферментов гидролитического действия, из которых важнейшими являются амилазы, осуществляющие разжижение и осахаривание крахмала в разных субстратах. Наряду с солодовыми амилазами в разных отраслях пищевой промышленности при производстве спирта и в пивоварении все шире применяют препараты ферментов из грибов и бактерий263, 266, 274. Весьма удачным оказалось, например, применение грибной амилазы в хлебопечении и в спиртовой промышленности. В текстильной промышленности для расшлихтовки тканей давно используют бактериальные амилазы263, 266.
Комплексные препараты ферментов микроорганизмов, в состав которых входят амилазы, применяют в животноводстве, а также при очистке стоков и водопроводных труб261,263,271, 272.
Препараты поджелудочной железы, содержащие - и -амилазы (диастаза), используют в медицине. Получают также лечебные препараты, содержащие амилазы микроорганизмов, которые применяют для улучшения пищеварения при некоторых заболеваниях*. В медицине и в парфюмерной промышленности нашел применение специальный препарат грибной диастазы272.
Выпускают препараты глюкоамилазы, которые используют для получения из крахмала глюкозы в крахмало-паточной промышленности, в хлебопечении и других производствах.
Из карбогидраз наиболее часто используют инвертазу, превращающую сахарозу в глюкозу и фруктозу. Её применяют в кондитерской промышленности и при производстве ликеров, для предупреждения кристаллизации продуктов из-за высокой концентрации сахарозы. В этих же целях используют лактозу (расщепляет молочный сахар) при получении мороженого, кремов и концентратов молока266.272, 275
Таблица 2
Источники и области применения основных выпускаемых ферментных препаратов
Ферменты | Источники | Использование |
Амилолитические (амилазы, глюкоамилаза) | Животные, растения, микроорганизмы | Хлебопечение, кондитерская, крахмалопаточная, спиртовая промышленности, пивоварение, производство крупяных изделий, овощепродуктов, детской пищи, фруктовых соков, текстильная, бумажная, парфюмерная, промышленности, производство моющих средств, очистка стоков, сельское хозяйство медицина. |
Целлюлозелитические (целлюлазы, гемицеллюлазы) | Микроорганизмы | Пивоварение, производство растительных масел, кофе, чая, овощепродуктов, табака, переработка цитрусовых, очистка стоков, сельское хозяйство, медицина |
Пектолитические | микроорганизмы | Виноделие, производство плодово-ягодных соков, фруктовых и овощных консервов, кофе, сельское хозяйство |
Протеолитические (протеиназы, пептидазы) | Животные, растения, микроорганизмы | Мясная, рыбная, молочная промышленность, хлебопечение, кондитерская промышленность, производство крупяных изделий, яичного порошка, соусов, пивоварение, текстильная, парфюмерная, кожевенная промышленность, обработка мехов, шелка, получение клеев, желатина, фотокинопромышленность, получение аминокислот, моющих средств, очистка стоков, сельское хозяйство, медицина, научные исследования |
Липолитические | Животные, микроорганизмы | Молочная и кондитерская промышленности, производство яичного порошка, кожевенная промышленность, производство шелка, парфюмерная промышленность, производство моющих средств, органический синтез, очистка стоков, сельское хозяйство, медицина |
Инвертаза | Микроорганизмы | Кондитерская промышленность, производство ликеров |
Лактаза | Микроорганизмы | Молочная промышленность, производство мороженного, кремов, хлебопечение |
Глюкозооксидаза | Микроорганизмы | Виноделие, пивоварение, производство безалкогольных напитков, фруктово-ягодных соков, консервирование и хранение продуктов, получение яичного порошка, аналитическая химия, медицина |
Каталаза | Животные, микроорганизмы | Молочная промышленность, производство яичного порошка, пивоварение, текстильная промышленность, обработка мехов, кожевенное производство, органический синтез, производство пористых материалов, аминокислот |
Гиалуронидаза | Животные, микроорганизмы | Медицина |
Уреаза | Растения, микроорганизмы | Медицина |
Деацетилаза | Микроорганизмы | Производство аминокислот |
studfiles.net
Применение ферментов.
Ферменты получили широкое применение в животноводстве и ветеринарии или в виде свободных ферментных препаратов или же в виде иммобилизованных ферментов. Иммобилизацию ферментов производят путем прикрепления к структурам, не растворимым в воде. Иммобилизованные ферменты легко отделяются от реакционной среды, что позволяет вести процесс непрерывно. Носителем фермента могут быть селикагель, окись алюминия, активированный уголь, полисахариды, иониты, органические полимеры. Связывание фермента может осуществляться методом ковалентного связывания, электростатического связывания, сополимеризации или же фермент может быть включен в полимер, инкапсулирован, включен в липосомы. Для связывания фермента важно при этом сохранение активного центра фермента. В качестве мостика часто используют глутаровый альдегид, бромистый циан (CNBr). Молекулу фермента можно заключить в капсулы, ограниченные мембраной, фиксировать в полимерах, при этом наиболее удобным является полимеризация в полиэтиленгликоле (ПЭГ), в полиакриламиде (ПААГ). Сейчас добились функционирования фермента в течение одного месяца при 60-700C. Использоваться иммобилизованные ферменты могут для аналитических целей, для получения биологических продуктов или же для лечения (в медицине, ветеринарии).
1. Применение в аналитических целях. Существует два типа устройств с иммобилизованными ферментами, применяемые в аналитических целях – ферментные электроды и автоматические
анализаторы.
Ферментный электрод – это датчик, способный генерировать электрический потенциал в результате реакции, катализируемый иммобилизованным ферментом. Разработаны ферментные электроды для определения глюкозы, мочевины, аминокислот, спирта, пенициллина и ряда других веществ.
Например, глюкозочувствительный ферментный электрод содержит иммобилизованную глюкозооксидазу, которая катализирует удаление протонов водорода из раствора со скоростью, зависящей от концентрации в среде глюкозы:
то есть, окисление альдегидов происходит путем дегидрирования. Альдегиды существуют в водных растворах в форме гидратов:
атом водорода затем переходит через пленку к платиновому электроду, меняет потенциал (рН), что и регистрируется прибором. По этому принципу разработан прибор для определения сахара в крови. Прибор напоминает авторучку, где имеется пластинка для нанесения пробы крови (каплю) и экран, указывающий содержание глюкозы в процентах в пробе. Результат получается через 30 секунд после нанесения пробы. В приборе иммобилизованный фермент реагирует с глюкозой, электрический ток (потенциал) показывает на экране процент глюкозы.
По этому же принципу сейчас пользуются индикаторной бумагой, например, для определения глюкозы в моче больных сахарным диабетом: на индикаторную бумагу наносится капля мочи, и, если в ней содержится глюкоза, то под действием иммобилизованного фермента глюкоза окисляется в глюконовую кислоту, что в свою очередь изменяет рН. Показатель очень удобен для контроля состояния больных и назначения лечения.
Разрабатываются подобные приборы для определения холестерина в крови (показатель атеросклероза) и других соединений.
2. Применение ферментов с лечебной целью. Для этого выпускаются ферментные препараты или свободные, или же иммобилизованные. Ферментные препараты, применяемые преимущественно при гнойно-некротических процессах: трипсин, химотрипсин, химопсин, террилитин (Asp.terricola), РНК-аза, ДНК-аза, коллагеназа, аспераза, лизоамидаза (бактериальный фермент), профезим, карипазин (из папайи), лекозим. Ферментные препараты, улучшающие процессы пищеварения: пепсин, сок желудочный, пепсидал, аболин, панкреатин, ораза, сализим, нигедаза (липолитический фермент).
Для применения в ветеринарии выпускаются иммобилизованные ферменты: фермсорб – сополимер метакриловой кислоты и триэтиленгликоль – диметакрилата с сорбированными на нем литическими ферментами. Происходит лизис клеточной оболочки и сорбции полимерной матрицей патогенных микроорганизмов. При диарее телят различной этиологии препарат дают внутрь с кипяченой водой 3 раза в день. Полиферм – сополимер метакриловой кислоты и триэтиленгликоль диметакриловой кислоты с сорбированными в нем протеолитическими ферментами.
При лечении желудочно-кишечных болезней молодняка успешно применяют протеолитические ферменты – пепсин, амилосубтилин, протосубтилин, иммобилизованные ферменты профезим, иммозим. Лизосубтилин – универсальный протеолитический фермент производится у нас в стране в больших объемах.
Лизоцим, гликозидаза, коллитин – бактериолитические ферменты, применяют при желудочно-кишечных заболеваниях молодняка сельскохозяйственных животных.
Фермент гиалуронидаза (лидаза) разрушает гиалуроновую кислоту, тем самым улучшает проницаемость тканей.
Гиалуроновая кислота
Полимер из глюкуроновой кислоты + ацетилгюкозамина является межклеточным веществом, содержится в структуре кожи, связок, регулирует поступление различных соединений, питательных веществ.
Ферменты – ДНК-аза, РНК-аза применяются для разложения слизистой массы дыхательных путей – для ингаляции, виде салфетки, пропитанной ферментами гиалуронидазой, ДНК-азой, РНК-азой.
3. Применение ферментных препаратов в кормлении животных. В настоящее время в кормлении животных и кормопроизводстве широкое распространение находят ферментные препараты, с помощью которых можно существенно улучшить переваримость и усвоение организмом питательных веществ корма, а также ускорить процессы пищеварения. Для этой цели промышленность выпускает различные ферментные препараты бактерий и грибков. Их получают путем глубинного (Г) или поверхностного (II) культивирования, затем высушивают путём распылительной сушки. Благодаря этому активность фермента повышается по сравнению с исходной в 3, 10, 15 раз, что обозначается как 3х, 10x, 15х.
Широкое применение получили ферментные препараты амилосубтилин и протосубтилин, полученные выращиванием специальных штаммов Bacillus subtilis.
Амилосубтилин ГЗх содержит альфа-амилазу, протеазы, бета-глюказу. Стандартизируется по альфа-амилазной активности.
Протосубтилин ГЗх, содержит те же ферменты, но стандартизируется по нейтральной протеазе.
Различные штаммы Aspergillus awamori служат продуцентами для глюкаваморина, пектаварина, ксилаваморина.
Глюкаваморин П10х содержит альфа-амилазу декстриназу, мальтазу, глюкоамилазу, кислую протеазу, гемицеллюлазу, стандартизируется по декстриназе.
Пектаваморин ГЗх содержит полигалактуроназу, полиметилгалактуроназу, пектинэстеразу, кислую протеазу, стандартизируется по общей пектолитической активности.
Ксилаваморин ГЗх содержит гемицеллюлазу и пектиназу, стандартизируется по гемицеллюлазной активности.
Из культуры Aspergillus oryzae получают препарат амилоризин П10х, который содержит альфа-амилазу, декстриназу, мальтазу, протеазу, стандартизируется по альфа-амилазе.
Кроме того, производят ферментные препараты пектофоетидин ГЗх, пектоклостридин, пектонигрин и т.д.
Добавление указанных ферментных препаратов в корм животных значительно улучшает переваримость грубых кормов, усвоение питательных веществ и увеличение продуктивности.
studfiles.net
— ферменты в медицине — Биохимия
Использование ферментов в медицине происходит по четырем направлениям:
- энзимодиагностика,
- энзимотерапия,
- использование ферментов в медицинских технологиях и промышленности.
- применение ингибиторов ферментов
Энзимодиагностика
Энзимодиагностика – это исследование активности ферментов плазмы крови, мочи, слюны с целью диагностики тех или иных заболеваний (подробнее). Примером может служить фермент лактатдегидрогеназа, определение его активности в плазме крови необходимо при заболеваниях сердца, печени, скелетной мускулатуры. Увеличение активности α-амилазы в плазме крови и моче наблюдается при воспалительных процессах в поджелудочной и слюнных железах.
С другой стороны, заболевания тех или иных органов всегда сопровождаются специфичным «ферментативным профилем». Например, инфаркт миокарда сопровождается увеличением активности лактатдегидрогеназы, креатинкиназы, аспартатаминотрансферазы .
Энзимотерапия
Энзимотерапия – это использование ферментов в качестве лекарственных средств.
Самыми распространенными ферментативными препаратами являются многочисленные комплексы ферментов (Ацидин-пепсин, Фестал, Энзистал, Панкреатин, Мезим форте, Воб-энзим, Креон и т.п.), отличающиеся по источнику ферментов (животная или растительная основа) и содержащие пепсин, трипсин, амилазу, лактазу и т.п., и используемые для заместительной терапии при нарушениях переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте.
Тканевой фермент гиалуронидаза нужна организму для обратимого изменения проницаемости межклеточного вещества, в основе которого находится гиалуроновая кислота. Лекарственную форму гиалуронидазы – лидазу – вводят для размягчения рубцов, появления подвижности в суставах, рассасывания гематом. Коллагеназу применяют для ускорения отторжения некротизированных тканей, для очистки трофических язв.
Цитохром с – белок, участвующий в процессах тканевого дыхания. Его применяют при асфиксии новорожденных, при гипоксии тканей — астматические состояния, сердечная недостаточность, нарушения мозгового и периферического кровообращения и т.п.
Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза входят в состав глазных капель для лечения вирусных конъюнктивитов, также при нанесении на рану они разжижают гной, при ингаляциях уменьшают вязкость слизи, деполимеризуя нуклеиновые кислоты в мокроте.
Стрептокиназа и урокиназа используются как активаторы фибринолиза при тромбозах. Трипсин ингалируют при бронхолегочных заболеваниях для разжижения густой и вязкой мокроты. Фицин используется в фармацевтической промышленности в качестве добавки к зубным пастам для удаления зубного налета.
Использование ферментов в медицинских технологиях
Специфичность ферментов к определенным субстратам широко нашла применение в настоящее время в лабораторной диагностике.
- многие лабораторные методы основаны на взаимодействии добавляемого извне фермента с определяемым соединением. В результате возникает специфичный продукт реакции, после определения содержания последнего судят о концентрации искомого вещества (глюкозооксидазный, холестеролоксидазный методы),
- иммуноферментные методы, основанные на образовании тройного комплекса фермент-антиген-антитело. Определяемое вещество не является субстратом фермента, но является антигеном. Фермент может присоединять этот антиген вблизи от активного центра. Если в среде есть антиген, то при добавлении антител и формировании тройного комплекса активность фермента изменяется. Активность фермента измеряют любым способом.
Использование ингибиторов ферментов
Весьма широко применяются в настоящее время ингибиторы протеаз (контрикал, гордокс) при панкреатитах – состояниях, когда происходит активирование пищеварительных ферментов в протоках и клетках поджелудочной железы.
Ингибиторы холинэстеразы (физостигмин, прозерин) приводят к накоплению нейромедиатора ацетилхолина в синапсах и показаны при миастении, двигательных и чувствительных нарушениях при невритах, радикулитах, психогенной импотенции.
Препараты, содержащие ингибиторы моноаминоксидазы (наком, мадопар), повышают выработку нейромедиаторов катехоламинов в ЦНС при лечении паркинсонизма. Подавление активности моноаминооксидазы (разрушающей катехоламины) сохраняет нормальную передачу сигналов в нервной системе.
Ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента (каптоприл, эналаприл и т.п.) используются как антигипертензивное средство и вызывают расширение периферических сосудов, уменьшение нагрузки на миокард, снижение артериального давления.
Аллопуринол – ингибитор ксантиноксидазы, фермента катаболизма пуринов, требуется для снижения образования мочевой кислоты и подавления развития гиперурикемии и подагры.
Ингибиторы гидроксиметилглутарил-SКоА-редуктазы (ловастатин, флувастатин, аторвастатин) применяются для снижения синтеза холестерола при атеросклерозе, заболеваниях сердечно-сосудистой системы, дислипопротеинемиях.
Ингибитор карбоангидразы (ацетазоламид) используется как мочегонное средство при лечении глаукомы, отеков, эпилепсии, алкалозах и горной болезни.
biokhimija.ru
Получение и использование ферментных препаратов
Ферменты способны осуществлять каталитические функции вне клетки и вне организма, поэтому для практических целей представляет большой интерес выделение ферментов и их использование в пищевой, легкой, медицинской и некоторых других отраслях промышленности, сельском хозяйстве, на предприятиях общественного питания и т. д.
Применение ферментов позволяет в большинстве случаев интенсифицировать технологические процессы, повышать качество готового продукта, улучшать его товарный вид, снижать себестоимость производства (уменьшит расход сырья), расширять сырьевые ресурсы.
В настоящее время создается мощная отрасль биотехнология, основанная на использовании ферментов.
Ферментные препараты применяют в хлебопечении, виноделии, спиртовом, пивоваренном и соко-экстрактном производствах, в кондитерской, крахмалопаточной, мясоперерабатывающей и рыбной промышленности, в сыроделии и других отраслях пищевой промышленности, в сельском хозяйстве – при приготовлении кормов, в легкой промышленности – при обработке кож, льна, мехов, в медицинской промышленности – для получения лекарств и т. д.
Велика роль ферментов в процессах переработки пищевого сырья и при хранении товаров. Под действием ферментов происходит созревание сыров, мяса, рыбы при посоле, чая, вина, в результате которого продукты приобретают определенный вкус и аромат. Такие отрасли пищевой промышленности, как сыроварение, вяление рыбы, бродильная промышленность, производство кисломолочных продуктов, квашение овощей, хлебопечение и другие, основаны на ферментативных процессах. Правильный подбор микрофлоры при производстве товаров существенно влияет на качество продукции. Процессы в органах пищеварения, обмен веществ в организме происходят под катализирующим действием ферментов.
Благодаря особенностям ферментативных реакций, которые протекают при невысокой температуре очень быстро, без нежелательных изменений продукта, так как вносимые в небольших количествах ферменты воздействуют только на определенную составную часть сырья, не вызывая изменений остальных веществ, обработка ферментами растительного и животного сырья очень удобна.
Добавление ферментов к пшеничной муке сокращает процесс хлебопечения и улучшает вкус и аромат хлеба. Процесс осветления фруктовых соков можно ускорить с помощью ферментов. Применение пектолитических ферментов, глюкооксидазы и каталазы, вызывающих гидролиз пектиновых веществ, позволяет повысить выход сока из слив, абрикосов, персиков и черной смородины на 25 – 30 %.
Обработка мяса ферментными препаратами папаина, фицина, бромелина, панкреатина и другими ускоряет процесс созревания мяса, улучшает вкус, способствует размягчению жестких частей мясной туши.
Для предохранения мяса, рыбы, жиров, майонеза, сыра, сухого молока, пива, соков и других пищевых продуктов от порчи во время хранения используют фермент глюкозооксидазу, выделяемый из некоторых видов плесеней. В присутствии кислорода глюкозооксидаза окисляет глюкозу, превращая ее в глюконовую кислоту и перекись водорода, удаляя кислород.
В некоторых случаях ферменты вызывают ухудшение качества или порчу пищевых продуктов: почернение очищенного картофеля, потемнение грибов, яблок, разрушение витамина С, прогоркание и осаливание жиров, прокисание, брожение, гниение продуктов. Интенсивность дыхания зерна, картофеля, овощей и фруктов при хранении, ростовые процессы, иммунитет к болезням зависит от активности ферментов.
Для снижения активности ферментов при хранении скоропортящиеся продукты помещают в камеры с низкой температурой (в охлажденном или замороженном состоянии) в регулируемой газовой среде, с применением каких-либо консервантов или принимают меры к инактивации ферментов. Управление активностью ферментов лежит в основе мероприятий по хранению и переработке продуктов.
Промышленное получение ферментных препаратов из растительного и животного сырья лимитируется ограниченностью сырьевых ресурсов и относительно небольшим ассортиментом ферментов, которые могут быть из него получены. Поэтому наиболее перспективно производство ферментов микробного происхождения, так как источник микробиологического сырья огромен и набор ферментов в этом сырье очень широк.
Продуцентами ферментов могут быть бактерии, грибы, дрожжи, актиномицеты. Многие микроорганизмы могут синтезировать одновременно комплекс ферментов, но имеются и такие, которые накапливают в наибольших количествах только один фермент.
Ферментный препарат отличается от чистого фермента тем, что в нем содержатся балластные вещества и несколько других ферментов.
Для производственных целей ферментные препараты могут не подвергаться тщательной очистке, тогда как для научно-исследовательских работ и лекарственных целей нередко требуется выделять ферменты в чистом виде.
Источником получения ферментных препаратов служат также органы и ткани животных, богатые ферментами. Так, поджелудочная железа богата химотрипсином, трипсином, коллогеназой и др.; слизистая оболочка свиных желудков и сычугов крупного рогатого скота содержит ферменты пепсин и липазу; в сычужках молочных телят и ягнят находится сычужный фермент реннин, используемый для свертывания молока при производстве сыров.
Из растительного сырья для промышленных целей чаще всего выделяют протеолитические ферменты – папаин из дынного дерева (папайи), фицин – из растения инжира, бромелаин – из ананаса. Все эти препараты существенно улучшают качество мяса, способствуя размягчению жестких частей. Из проросшего зерна получают ферментные препараты для гидролиза крахмала.
Широко известны препараты амилолитических, пектолитических и протеолитических ферментов, глюкооксидазы, каталазы и другие, получаемые с помощью микроорганизмов.
Плесневые грибы, дрожжеподобные микроорганизмы и спороносные бактерии синтезируют амилолитические ферменты. Для получения амилолитических ферментных препаратов чаще всего используют грибы рода Aspergillus видов oryzae, awamori и др.
Пектолитические ферменты получают с помощью Penicillum glaucum, Penicillum expansum, Aspergillus и некоторых других.
Протеолитические ферменты способны вырабатываться многими плесневыми грибами, актиномицетами и бактериями. Но наиболее часто используются в качестве продуцентов Bac. subtilus и грибы различных видов рода Aspergillus.
Продуцентами глюкооксидазы и каталазы являются некоторые виды грибов рода Aspergillus и Penicillum.
Амилолитические ферментные препараты применяют в хлебопекарной промышленности для улучшения качества и аромата хлеба. При этом время созревания теста снижается на 30 %, а расход сахара на производство булочных изделий высших сортов уменьшается вдвое. В пивоваренной, спиртовой и крахмалопаточной промышленности амилолитические ферменты применяют для осахаривания крахмала. В пивоваренной промышленности применение ферментных препаратов позволяет сэкономить около 165 килограммов ячменя при производстве каждого декалитра пива.
Применение пектолитических ферментов, глюкооксидазы и каталазы, вызывающих мацерацию клеточных стенок и гидролиз пектиновых веществ, позволяет повысить выход сока из слив, абрикосов, персиков и черной смородины на 25 – 30 %.
Фермент глюкозофосфатизомераза способен превращать глюкозу во фруктозу, и наоборот. На этом основано получение фруктозы из глюкозы в условиях промышленного производства. Фруктоза в отличие от глюкозы и сахарозы на превращения в организме не требует инсулина, что очень важно для человека, болеющего диабетом.
Особое значение имеют ферментные препараты в медицине для лечения многих заболеваний. Так, при лечении желудочных заболеваний используют ферментные препараты пепсина, трипсина и другие, получаемые из тканей животных. Широко используют ферментные препараты в кожевенном и меховом производстве для снятия волос со шкур и размягчения кожевенного сырья. В текстильной промышленности с помощью ферментов производят расшлихтовку тканей, в результате чего значительно повышается производительность труда.
С помощью ферментов в больших количествах ведется промышленная выработка аминокислот и белковых препаратов, в первую очередь для животноводства.
Для получения микробиологических ферментных препаратов производят посевы чистых культур микроорганизмов на стерильные среды определенного состава с определенными рН и температурой. После выращивания микроорганизмов культуральную жидкость, содержащую растворимые вещества, отделяют от клеточного материала и нерастворимых составных частей среды. Для этого применяют центрифугирование или фильтрование. Концентрирование неочищенных ферментных растворов производится выпариванием под вакуумом при низких температурах.
В лабораторной и промышленной практике широко используют жидкие ферментные препараты. Для выделения ферментов из культуральной жидкости применяют два способа – осаждение и адсорбцию. Осаждение ведется при низкой температуре во избежание денатурации и инактивирования ферментов. Осаждение чаще всего осуществляется органическими растворителями и неорганическими солями. Для высокой очистки осадки растворяются и обрабатываются методами хроматографии, электрофореза, диализа, кристаллизации и др.
Похожие статьи:
poznayka.org
Использование иммобилизованных ферментов для производства биологических соединений
Иммобилизованные ферменты широко применяются для производства различных продуктов и лекарственных препаратов. Иммобилизованный фермент впервые в промышленном масштабе был использован для разделения рацемических смесей D- и L-аминокислот (Япония, 1969 г.). Сейчас реализовано получение L-аспарагиновой кислоты, L-тирозина, L-триптофана и других аминокислот путем присоединения к аминокислотам остатка уксусной кислоты (ацил) и воздействия аминоацилазой, которая гидролизует только ацил L-аминокислот.
В промышленном масштабе получают инвертный сахар (смесь глюкозы и фруктозы, возникающая в результате гидролиза сахарозы) с помощью иммобилизованной β-фруктофуранозидазы (сахаразы). Этот фермент очень устойчив и за десять лет непрерывной работы одного из реакторов его активность снизилась всего на 10%.
С помощью иммобилизованного фермента глюкозоизомеразы в больших объемах получают из кукурузного крахмала смесь глюкозы и фруктозы. Этот фермент глюкозу превращает во фруктозу. Такие установки функционируют в США (с 1972 г.), ФРГ, Дании, Голландии. В нашей стране изомеризацию глюкозы в фруктозу ведут в реакторе с помощью глюкозоизомеразы из Actinomyces olivocinereus, иммобилизованной на силохроме. Глюкозо-фруктозная смесь является очень важным продуктом для больных сахарным диабетом.
Иммобилизованные ферменты широко применяются для синтеза аминокислот. Так, в 1974 г. в Японии начат промышленный синтез L-аспарагиновой кислоты с участием фермента аспартат-аммиаклиазы, иммобилизованный на фенол-формальдегидной смоле. Фермент осуществляет образование L-аспарагиновой кислоты из аммония и фумаровой кислоты. L-триптофан синтезируют из индола и серина при помощи фермента триптофан-синтетазы, L-тирозина с участием иммобилизованной тирозин-фенол-лиазы.
Иммобилизованные ферменты применяются для производства антибиотиков и гормональных препаратов.
Для производства некоторых продуктов удобнее пользоваться не иммобилизованными ферментами, а иммобилизованными микробными клетками – продуцентами ферментов. Так, этанол получают из глюкозы с помощью иммобилизованных в полиакриламидном геле клеток Saccharomyces cerevisiae. Первый в мире промышленный реактор проточного типа объемом в одну тонну по синтезу L-аспарагиновой кислоты из фумарата аммония был запущен в Японии (1973 г.). В нем использованы иммобилизованные в полиакриламидном геле клетки кишечной палочки (Esherichia coli), содержащие аспартат-аммиак-лиазу:
фумарат аспарагиновая
аммония кислота
Реактор давал около 2000 кг L-аспарагиновой кислоты в сутки при 95%-ном уровне превращения в нее введенного фумарата аммония. При подкислении элюата до рН 2,8 и охлаждении до 15оC аспарагиновая кислота выделялась в виде кристаллов. Иммобилизованные клетки E.coli сохраняли активность фермента в течение четырех месяцев, в то время как интактные клетки только в течение 10 дней.
L-изолейцин синтезируют из треонина и глюкозы при посредстве иммобилизованных клеток Serratia marcescens с выходом до 4 г/л элюата с колонки реактора. Таким же образом получают незаменимую аминокислоту L- лизин:
При помощи иммобилизованных клеток Corynobacterium glutamicum производят L-глутаминовую кислоту из глюкозы; E coli – L-триптофан из индола, Streptococus faecalis – L-орнитин из L-аргинина. С помощью иммобилизованных микроорганизмов синтезируют L-формы аминокислот – аланина, фенилаланина, метионина, треонина. Таким образом, производство L-аминокислот для питания человека и выращивания сельскохозяйственных животных и птиц осуществляется в основном в реакторах с иммобилизованными клетками.
Отработаны способы получения яблочной кислоты из фумаровой, пропионовой, уксусной и пировиноградной кислот из глюкозы, лактозы или лактата натрия в проточной системе с клетками пропионовокислых бактерий, иммобилизованными в полиакриламидный гель.
Иммобилизованные ферменты широко применяют для производства различных гормональных препаратов.
Производится в больших масштабах аспартам – метиловый эфир аспартил-фенилаланина:
Аспартам
Аспартам в 300 раз слаще сахара, безвреден, в организме расщепляется на аспарагиновую кислоту и фенилаланин, используется для детского питания, добавляется в диетическую кока-колу. Ферменты, синтезирующие аспарагиновую кислоту и фенилаланин, получены генно-инженерным методом.
studfiles.net