Ферменты – это специфические белки, выполняющие роль биологических катализаторов. Мельчайшая клетка, н-р, Ø 0,1 мкм (Mollicutes), для самостоятельного функционирования должна иметь в своем арсенале более 100 ферментов. С технологической точки зрения применение ферментов является перспективным в связи с тем, что они имеют ряд преимуществ перед химическими катализаторами: избирательность, стереоспецифичность, действие в «мягких условиях» (t=20-70оС; рН=4-9, нормальное давление), эффективность (высокая скорость протекания реакций при незначительных количествах катализатора), нетоксичность, отсутствие побочных реакций.
Биотехнологический процесс культивирования микроорганизмов – продуцентов ферментов и выделение ферментов делится на три стадии: получение посевного материала; получение производственной культуры методами поверхностного или глубинного культивирования; выделение из готовой производственной культуры ферментных препаратов. Инкубацию ведут в специальном термостатируемом цехе при постоянном контроле в нем температуры, влажности и подачи воздуха. Для реализации применяются ферментеры из нержавеющей стали, снабженные устройствами для перемешивания и подачи в жидкую питательную среду стерильного воздуха. Выделение и очистка фермента из культуры микроорганизмов – достаточно трудоемкая и дорогостоящая процедура, поэтому, если фермент можно использовать в виде неочищенного препарата, его не очищают. Выделение и очистку продуктов биотехнологии в своём Методическом пособии подробно описал Д.А. Новиков (2014). Неочищенные препараты получают в мягком режиме высушивания культуры микроорганизмов вместе с остатками питательной среды. Такие препараты получают или из экстракта культуры продуцента, выращенного поверхностным способом, или из фильтрата культурной жидкости продуцента, выращенного глубинным способом. Для большинства отраслей пищевой промышленности, научных исследований и медицины требуются очищенные ферментные препараты. Источником выделения фермента может быть биомасса микроорганизмов, экстракт или фильтрат культуральной жидкости. Ферменты широко используются в различных областях практической деятельности человека как биологические катализаторы. Источниками ферментов могут быть животные, растения и микроорганизмы. К настоящему времени установлено наличие более двух тысяч ферментов, а несколько сотен из них получены как индивидуальные вещества. Микроорганизмы в качестве продуцентов ферментов представляют особый интерес, поскольку их метаболизм, а, следовательно, и работа ферментных систем осуществляются с очень большой интенсивностью.
Важное свойство многих микроорганизмов — способность расти, используя различные дешевые субстраты, в том числе не имеющие пищевого значения (целлюлоза, углеводороды нефти, метан, метанол и др.). Некоторые субстраты, используемые микроорганизмами, токсичны для человека и животных. Содержание отдельных ферментов в клетках микроорганизмов может быть весьма высоким. Так, количество рибулезобисфосфаткарбоксилазы у фототрофных бактерий иногда достигает 40-60% от всех растворимых белков.
Выделение ферментных препаратов из клеток микроорганизмов и особенно из культуральной среды после их выращивания проще и экономичнее, чем из растительных и животных тканей. Ряд ферментов обнаружены только у микроорганизмов. К таким ферментам относятся: танназа, расщепляющая дигаллат до галловой кислоты, рацемазы многих аминокислот, кератиназы, гидролизующие серусодержащие белки — кератины, входящие в состав волоса, перьев, рогов и копыт. Некоторые микроорганизмы обладают специфическими декарбоксилазами аминокислот, образуют пенициллиназу, расщепляющую пенициллин до пенициллиновой кислоты и воды. Такой фермент, как нитрогеназа, участвующая в образовании аммиака из молекулярного азота, обнаружена лишь у бактерий, способных к фиксации N2. Характерной особенностью некоторых бактерий является их способность окислять неорганические субстраты: аммиак, нитриты, сульфид и другие соединения серы, а также двухвалентное железо, что связано с наличием у них особых ферментов. Ряд бактерий и водорослей синтезируют гидрогеназы, катализирующие окисление и образование молекулярного водорода. Значительное число бактерий способны синтезировать ферменты, позволяющие им использовать метан, метанол, метилированные амины, окись углерода и другие одноуглеродные соединения в качестве субстратов для роста. Большой интерес как продуценты ферментов представляют анаэробные микроорганизмы. Многие анаэробные бактерии превращают аминокислоты, пурины, пиримидины и другие субстраты путями, отличными от тех, которые известны для аэробных микроорганизмов, животных и растений.
Получение активных продуцентов происходит в результате получения высокопродуктивных штаммов. Мутанты в большинстве случаев ауксотрофны по ряду соединений, так как в них произошли определенные нарушения обмена веществ, вызвавшие гипертрофию некоторых функций клетки. Обычно активные штаммы, выявленные из естественных источников, подвергают действию мутагенов несколько раз, т. е. осуществляют ступенчатую селекцию.
Часто эффективно комбинированное воздействие мутагенов химической и физической природы. Так, применение этиленимина и ультрафиолетового излучения в сочетании со ступенчатым отборов, позволило получить очень активные штаммы Asp. awamori, используемые как продуценты амилолитического, протеолитического и других ферментных комплексов. Селекция производственно ценных штаммов ведется и в условиях производства. Непременным условием правильно поставленного промышленного процесса являются такие мероприятия по сохранению микроорганизмов продуцентов. Существует ряд методов хранения производственно ценных штаммов, обеспечивающих их высокую биохимическую активность (Д.А. Новиков, 2014). В депозитарии живых культур при лабораториях культуры периодически пересеваются. Однако пересевы через короткие промежутки времени могут снизить акт
ивность микроорганизмов, поэтому после развития культуры на плотной среде ее заливают стерильным вазелиновым маслом. Во многих случаях лучшим способом хранения является лиофилизация культур.
В лаборатории «Микробиология и биотехнология» Астанинского филиала КазНИИППП на основе продуцентов в научных разработках в проектах «Биологическое обеззараживание сахарной свеклы при хранении» и «Технология производства безлактозных кисломолочных продуктов» получены биопрепарат «Изаркаим» для биологического обеззараживания сахарной свеклы при хранении в кагатах и закваска «Ламибио» для производства безлактозных кисломолочных продуктов.
Материал подготовлен сотрудниками лаборатории «Микробиология и биотехнология» АФ ТОО «КазНИИППП» заведующей лаборатории, доктором биол. наук Арыновой Р.А., научными сотрудниками Иманбаевой М.К. Атабаевой Б.С. и Кадырбековой Л.К.