Амилолитические ферменты

Во вторичной структуре присутствуют, кроме того, неупорядоченные участки в количестве 19 (рис.5). В процентном соотношении данных структур по протяженности, аморфные участки преобладают над остальными, что подтверждено также методом ИК-спектроскопии (таблица).

Рис. 5. Топология неупорядоченных участков в макромолекуле глюкоамилазы

Таким образом, компьютерное моделирование позволяет получать дополнительную информацию о структуре белковых макромолекул и проводить расшифровку механизма ферментативного катализа.

              В настоящее время продолжаются работы по проблемам изучения топологии различных амилолитических ферментов, таких как α-амилаза, β-амилаза, инулаза и др. Обсуждаются вопросы топологической самоорганизации исследуемых белковых макромолекул, определяемой взаимосвязью первичной и вторичной структуры.

4. ПОЛУЧЕНИЕ МИКРОБНЫХ ФЕРМЕНТНЫХ ПРЕПАРАТОВ

4.1. Основные сведения

Микроорганизмы способны синтезировать разнообразные ферменты. В зависимости от состава питательной среды и усло­вий культивирования они легко переключаются с синтеза одного фермента на синтез другого. У микроорганизмов сравнительно короткий цикл развития (10... 100 ч), вследствие чего можно по­лучать сотни «урожаев» в год.

Продуцентами ферментов могут быть бактерии, грибы, дрож­жи и актиномицеты. Для промышленного получения фермент­ных препаратов используют как природные штаммы микроорга­низмов, выделенные из естественных сред, так и мутантные, отселекционированные в результате воздействия на природные штаммы физических и химических мутагенов.

Микроорганизмы синтезируют одновременно комплекс фер­ментов, но некоторые из них, особенно мутантные штаммы, продуцируют один фермент в значительных количествах. Для лучшего использования крахмалсодержащего сырья в спиртовом производстве осахаривающие материалы должны содержать не только амилолитические ферменты, но и ферменты, гидролизую­щие другие углеводы сырья — целлюлозу и гемицеллюлозы. Для обеспечения дрожжей азотистым питанием имеют значение и протеолитические ферменты.

Несмотря на то, что для успешного осахаривания нужен ком­плекс ферментов, отбор микроорганизмов-продуцентов до сих пор проводился главным образом по высокой активности амило­литических ферментов — -амилазы и глюкоамилазы.

4.2. Микроорганизмы – продуценты ферментов             

Наиболее часто в качестве продуцентов амилолитических фер­ментов в спиртовом производстве используют микроскопические грибы, реже — дрожжеподобные организмы и споровые бактерии.

4.2.1. Микроскопические грибы

Для получения амилаз широко применяют микроскопические грибы рода Aspergillus, видов: niger, oryzae, usamii, awamori, bata-tae, рода Rhizopus, видов: delemar, tonkinensis, niveus, japonicum и др., а также отдельные штаммы Neurospora grassa и Mucor.

Микроскопические грибы очень широко распространены в природе; основное место их обитания — почва. Несмотря на на­личие многих родов и видов микроскопических грибов, все они характеризуются нитевидным строением тела и специфическим строением плодоносящих органов. Тело гриба состоит из длин­ных переплетенных нитей сероватого или белого цвета, называе­мых гифами. Они распространяются по поверхности питательно­го субстрата, образуя мицелий, и частично врастают в него. Некоторые гифы, поднимающиеся над поверхностью в виде лег­кого пушка, имеют более сложное строение и представляют собой органы плодоношения, называемые конидие- или спорангиеносцами. У мукоровых грибов на конце спорангиеносца нахо­дится шаровидное вздутие, окруженное оболочкой, внутри кото­рого образуются споры. У аспергиллов конец конидиеносца имеет булавовидное утолщение, от которого отходят удлиненные клетки, называемые стеригмами; от стеригм отшнуровываются более мелкие круглые клетки — конидии.

Отделившиеся конидии или споры, попадая в благоприятные условия, начинают прорастать, затем гифы ветвятся, образуя мицелий; при истощении питательных веществ в среде гриб пере­ходит в стадию споро- или конидиеобразования. Споры и кони­дии микроскопических грибов содержат пигменты, что и придает зрелым культурам характерную окраску.

Аспергиллы — типичные аэрофилы, поэтому они могут раз­виваться только на поверхности твердой или жидкой среды или в жидкой, достаточно аэрируемой среде. Оптимальная температура для большинства аспергиллов 25...30 "С, для неко­торых — до 35 °С. Большинство грибов при поверхностном культивировании могут переносить кратковременное повыше­ние температуры до 40 °С и даже 45 °С без заметной потери активности ферментов. Оптимальная влажность среды для них около 65 %.

Для питания аспергиллов необходимы углеводы, азотистые и минеральные вещества. В качестве источника углевода, кроме моносахаридов, многих олиго- и полисахаридов, могут служить спирты и органические кислоты, однако для накопления ами­лазы в среде обязательно должны присутствовать крахмал, дек­стрины или мальтоза. В средах, содержащих другие сахара, в том числе глюкозу, грибы не образуют амилазы. Источником азота могут быть белки и их гидролизаты, аммонийные соли и нитраты.

Среда должна содержать соединения, в состав которых входят сера, фосфор, калий, магний и микроэлементы. Большинство микроскопических грибов усваивают серу из сульфатов, а фос­фор — из фосфатов. Аспергиллы не нуждаются в готовых витаминах и факторах роста, так как способны сами синтезировать их из более простых соединений, имеющихся в среде. Препараты ферментов из микроскопических грибов включают, как правило, широкий набор ферментов, поэтому могут полностью заменять зерновой солод.

На спиртовых заводах стали широко применять высокоактив­ный по глюкоамилазе штамм Asp. awamori 466 и ВУД-Т2, выра­щиваемые на концентрированном кукурузном сусле (18 % сухих веществ). Готовая культура имеет активность до 250 ед. ГлА на 1 мл, других ферментов образует мало.

4.2.2. Дрожжеподобные организмы

Амилолитические ферменты синтезируют также некоторые дрожжи и дрожжеподобные грибы родов Saccharomyces, Candida, Endomycopsis и Endomyces.

В спиртовом производстве нашли применение End. bispora и End. species 20-9, выращиваемые глубинным способом и проду­цирующие главным образом активную глюкоамилазу; ос-амилаз-ная активность проявляется слабо. Высокоактивный End. bispora имеет разветвленный мицелий, образует бластоспоры; гифы — септированные, зернистые; на твердых агаризованных средах об­разуют колонии с воздушным серовато-белым мицелием, на жидких питательных средах — гифы и некоторое количество бластоспор.

Дрожжеподобные грибы в спиртовом производстве самостоя­тельно не применяют, так как они не содержат других фермен­тов, необходимых для нормального осахаривания сусла из крах-малсодержащего сырья. Обычно их используют в смеси с фер­ментными препаратами из микроскопических грибов или бактерий.

4.2.3. Бактерии

Активные амилазы способны синтезировать многие бактерии: Вас. subtilis, Вас. diastaticus, Вас. mesentericus, Вас. macerans и Вас. polymycus и др.

Бактерии — продуценты амилолитических ферментов пред­ставляют собой палочки длиной 1,2...1,3 мкм и диаметром 0,6...0,8 мкм. Палочки соединяются по две, три, иногда образуют цепочки. Цикл развития бактерий короче, чем микроскопичес­ких и дрожжеподобных грибов. Например, культуру Вас. dias­taticus выращивают в глубинных условиях при температуре 60 °С в течение 10... 12 ч. Бактерию Вас. subtilis-82, применяемую в настоящее время на спиртовых заводах как продуцент -амилазы в смеси с препаратами глюкоамилазы, выращивают в течение 48...60 ч при темпе­ратуре 30...35 'С.

Особенность бактерий — их способность образовывать высо­коактивную термостойкую -амилазу, необходимую для разжи­жения и декстринизации крахмального клейстера на стадии под-варивания замесов и осахаривания сусла.

4.3. Производственные способы культивирования                                                 микроорганизмов – продуцентов ферментов

Существует два способа культивирования микроорганизмов — продуцентов ферментов: поверхностный и глубинный.

Первый способ, применяемый для культивирования микро­скопических грибов, характеризуется развитием мицелия на по­верхности твердого или жидкого субстрата. На жидком субстрате образуется пленка мицелия, продуцирующего не только амило­литические ферменты, но и органические кислоты, инактиви-рующие их, поэтому используют твердые субстраты с развитой поверхностью — пшеничные отруби, дробину барды, картофель­ную мезгу и др.

Максимальная активность ферментов достигается при культи­вировании грибов на пшеничных отрубях. Дробина барды бедна питательными веществами, и активность ферментов в культурах грибов, выращенных на ней, в 4...5 раз ниже, чем на отрубях. Зрелая культура грибов вследствие обволакивания частиц отру­бей мицелием имеет вид плотной войлокообразной массы.

При поверхностном культивировании пшеничные отруби должны быть увлажнены и простерилизованы. В стерильных ус­ловиях готовят посевную культуру, но выращивают грибы в не­стерильных условиях в кюветах, устанавливаемых в негерметич­ных растильных камерах. Теплоту, выделяющуюся в процессе роста грибов, удаляют продуванием через растильную камеру стерильного кондиционированного воздуха.

Поверхностный способ выращивания микроскопических гри­бов имеет ряд преимуществ. Так как во время роста гриба отруби не перемешиваются, посторонние микроорганизмы не распро­страняются по всей их массе и вызывают лишь незначительное местное инфицирование, которое, как правило, не влияет на активность ферментов. Это, однако, не исключает необходимос­ти тщательной стерилизации воздуха, среды и оборудования. Культуру на отрубях высушивают до содержания влаги 10... 11 %. В таком виде она может храниться продолжительное время без значительной потери активности. Это позволяет организовать централизованное снабжение спиртовых заводов сухой культурой микроскопических грибов, что является одним из преимуществ поверхностного способа выращивания.

Недостаток поверхностного способа — необходимость уста­навливать множество кювет, работу с которыми трудно механи­зировать.   Себестоимость   культуры   гриба-продуцента   высока,

причем в основном из-за затраты большого количества ручного труда. Механизация процесса выращивания возможна путем со­здания непрерывнодействующих установок или бескюветных ап­паратов с вертикальным толстым слоем питательной среды и интенсивным продуванием воздуха через этот слой.

Глубинную культуру микроорганизмов выращивают на жид­кой питательной среде при энергичной аэрации в герметически закрытых аппаратах и в стерильных условиях. Процесс полнос­тью механизирован. Стерильность глубинной культуры микроор­ганизма — продуцента ферментов положительно отражается на результатах сбраживания сусла дрожжами.

4.3.1. Поверхностное культивирование микроскопических грибов

Питательные среды. При поверхностном культивировании твердой средой обычно служат пшеничные отруби, содержащие в достаточных количествах все вещества, необходимые для пита­ния грибов. Лучшие результаты достигаются при содержании не менее 16 % крахмала в отрубях или в другой питательной среде.

Получение посевного материала. Для засева производственной питательной среды может быть использован посевной материал трех видов: споры, мицелий и спороносящая культура, выращен­ная на твердой питательной среде.

Споровый материал готовят поверхностным культивировани­ем гриба на твердой или жидкой питательной среде в специаль­ных аппаратах с кюветами. В первом случае гриб выращивают в пробирке на косом агаре до обильного образования спор, затем спорами засевают колбы со стерильными пшеничными отрубя­ми, наконец, спороносящую культуру передают в специальный аппарат. По окончании спорообразования в этом аппарате отби­рают споры посредством специального вибросепаратора при тщательной аспирации. Споры фасуют в полиэтиленовые ме­шочки, стеклянные или дюралюминиевые банки, в которых они могут сохраняться при температуре от 8 до 24 °С около 1,5 лет.

Во втором случае из спор, собранных в пробирке с косым агаром, готовят водную суспензию и ею засевают жидкую пита­тельную среду, которую направляют в растильный аппарат. Из-под выросшей спороносящей пленки удаляют жидкую среду, пленку подсушивают, снимают с кювет, измельчают и упаковы­вают. Готовый споровый материал не содержит примеси среды и обладает высокой всхожестью (90...95 %), которая сохраняется свыше 3 лет.

Споры (конидии), полученные любым методом, обладают во­доотталкивающей способностью и почти не смачиваются водой. Это свойство приводит к неравномерности засева среды и, сле­довательно, к неодинаковой скорости роста культуры. Смачиваемость спор можно улучшить, если добавить в их водную суспен­зию 25...50 мг поверхностно-активного вещества, например ал-килбензолсульфата на 1 г спорового материала. При этом всхо­жесть спор остается без изменения.

Для сокращения длительности культивирования микроскопи­ческих грибов в производственных условиях можно применять предварительное проращивание спор в течение 7 ч в жидкой питательной среде до появления ростовых трубочек. При этом продолжительность лаг-фазы сокращается на 8...9 ч и увеличива­ется оборачиваемость растильных камер.