Иммобилизованные ферменты применяемые в пищевой промышленности

4. синтез l-яблочяой кислоты из  фумаровой кислоты.

5. получение диетического безлактозного  молока.

6. получение cахаров из молочной  сыворотки.

Получение глюкозо-фруктозных спиртов

Фруктоза, или иначе фруктовый, плодовый или медовый сахар, широко распространена в природе. этот особый сахар содержится во многих фруктах и плодах. Особенно богаты им яблоки и помидоры, а также пчелиный мед, который почти наполовину состоит из фруктозы. По сравнению с обычным сахаром (в состав молекул которого фруктоза также входит, но в виде химического соединения с менее сладкой глюкозой) фруктоза обладает более приятным вкусом, и, согласно профессиональной терминологии, вкус фруктозы «медовый», а обычного сахара—«приторный». Далее, по сладости фруктоза на 60-70% слаще сахара, и соответственно ее меньшее потребление влечет за собой меньшую калорийность продукта. это важно с точки зрения диетологии питания. Наконец, фруктозу в отличие от глюкозы или сахара могут потреблять больные диабетом, и вообще замена сахара фруктозой существенно снижает вероятность этого заболевания. дело в том, что физиологический путь использования человеческим организмом фруктозы совершенно другой, чем сахара или глюкозы, и не связан с превращением инсулина. К этому остается добавить, что фруктоза значительно менее вредна для зубов (из-за кариеса), чем сахар, и в смеси с глюкозой не кристаллизуется (не засахаривается), что важно в производстве мороженого, кондитерских изделий и т. д.

Несмотря на все эти неоспоримые преимущества фруктозы по сравнению с обычным сахаром, ее производство в мире практически отсутствовало вплоть до начала 70-х годов. Однако после того как в 1973 г. американской компанией «клинтон корн» был внедрен в промышленность процесс превращения глюкозы во фруктозу под действием иммобилизованного фермента глюкозоизомеразы, этот процесс стал самым крупным в мире по сравнению с другими, в которых используются иммобилизованные ферменты.

Научные основы процесса довольно просты. Фермент глюкозо-изомераза-катализирует превращение (изомеризацию) глюкозы во фруктозу в одну стадию, и реакция протекает до тех пор, пока в реакционной системе количества глюкозы и фруктозы не станут приблизительно равными. после этого реакция останавливается, и полученную смесь можно либо использовать в виде глкжозо-фруктозного сиропа, либо отделить фруктозу и оставшуюся глюкозу опять подвергнуть изомеризации. этот процесс проводят непрерывно в реакционных колоннах высотой до 5 м, - которые предварительно заполняют иммобилизованным ферментом в виде гранул, полых нитей, кусочков геля (типа желатины) и т. д. В колонну непрерывным потоком подают раствор глюкозы (предварительно полученной при гидролизе кукурузного или картофельного крахмала), из колонны вытекает глюкобзо-фруктозный сироп.

Об эффективности такой технологии свидетельствуют следующие данные: на 1 кг иммобилизованного фермента за 100 дней работы получается 4 т фруктозы (в пересчете на сухой продукт). При этом время, за которое активность фермента уменьшается вдвое (так называемое время полуинактивации фермента) составляет от 20 до 50 дней. Иначе говоря, катализатор (иммобилизованный фермент) в колонне следует заменять только раз в 2 или даже 3 мес и процесс благодаря этому становится экономически выгодным, особенно по сравнению с использованием растворимой глюкозоизомеразы. Расчеты показывают, что в последнем случае затраты на фермент в 10 раз выше, и трудозатраты выше в 3 раза. в целом стоимость процесса с иммобиллизованным ферментом составляет лишь 61% от стоимости процесса с растворимым ферментом.

Современный завод по производству глюкозо-фруктозных сиропов с помощью иммобилизованного фермента, которых в мире имеется уже несколько десятков, производит до 400 т продукта в день в пересчете на сухое вещество: в целом мировое производство глюкозо-фруктозных сиропов в 1980 г. достигло 2,5 млн. т и, по оценкам, составит около 4 млн. т в 1985 г. и свыше 5 млн. т в 1990 г. в сша уже в 1998 г. потребление населением фруктозы составило 12% от потребления сахара и ожидается дальнейший рост вплоть до 30—40% к 2000 г. в японии уже к 1985—1990 г,. около 30% потребляемого в стране сахара будет заменено на глюкозо-фруктозную смесь и чистую фруктозу .

Получение без лактозного молока

Лактоза, или молочный сахар, содержится в достаточно больших количествах в молоке и молочной сыворотке. Этот сахар характеризуется малой сладостью и низкой, растворимостью, и именно из-за его присутствия происходит кристаллизация мороженого и других молочных изделий и продуктов, которая иногда случается и приводит к малоприятным вкусовым ощущениям.

Молекулы лактозы состоят из глюкозы и галактозы и распадаются на них при гидролизе под действием лактазы или b-галактозидазы. Молоко после такой обработки приобретает новые диетические качества, поскольку определенная часть населения не может употреблять молоко именно из-за наличия в нем лактозы. Это качество организма получило название лактазной недостаточности, и в целом по направлению с севера нашей планеты на юг доля людей, испытывающих лактазную недостаточность заметно возрастает. В африке, например, целые племена и этнические группы не могут пить молоко домашних животных из-за сильных аллергических откликов или неприятных физиологических ощущений. В то же время они нормально усваивают молоко, не содержащее лактозы или предварительно обработанное иммобилизованной лактазой.

Первый коммерческий процесс получения безлактозного молока с использованием иммобилизованной лактазы был осуществлен итальянской фирмой «сентрале дель латте» в милане. Получаемое диетическое молоко несколько слаще обычного, поскольку глюкоза более сладкая, чем лактоза, однако это не мешает его употреблению. стабильность иммобилизованного фермента достаточно высока, и после 50 дней работы он сохраняет 80% первоначальной активности. в настоящее, время завод в милане производит 10 т безлактозного молока в день.

Получение сахаров из молочной сыворотки

Молочная сыворотка содержит в своем составе большое количество лактозы—около 5% в жидкой и 75% в высушенной сыворотке. Ферментативный гидролиз лактозы в этом случае открывает новые возможности получения сахаристых веществ из нетрадиционного сырья, вносит определенный вклад в решение кормовой проблемы и в проблему охраны окружающей среды, поскольку сыворотка большей частью не утилизируется.

Первый промышленный процесс гядролиза лактозы в молочной сыворотке с помощью иммобилизованной лактазы был реализован в 1980 г. совместно английской, французской и американской организациями одновременно в англии и франции.

Перед введением в колонный реактор с иммобилизованным ферментом сыворотку пастеризуют, подвергают ультрафильтрации и пропускают через ионообменник, таким образом ее деминерализуя. мощность установки составляет около 1000 л/ч при степени конверсии лактозы 80%. Установка полностью автоматизирована. получаемые при этом сахара (глюкоза и галаястоза) по сладости в полтора раза превышают сладость сахара в расчете на одинаковые экономические затраты.

Для получения иммобилизованных ферментов  используется ограниченное число как  органических, так и неорганических носителей.

Следует отметить, что органические носители (как низко-, так и высокомолекулярные) могут быть природного или синтетического происхождения. Природные полимерные органические носители делят в соответствии с их биохимической классификацией на 3 группы: полисахаридные, белковые и липидные.

Синтетические полимеры также можно разделить на группы в связи с химическим строением основной цепи макромолекул: полиметиленовые, полиамидные, полиэфирные.

Для иммобилизации ферментов наиболее широко используются природные полисахариды и синтетические носители полиметильного типа, остальные применяются значительно реже. Большое значение природных полимеров в качестве носителей для иммобилизации объясняется их доступностью и наличием реакционно-способных функциональных групп, легко вступающих в химические реакции. Характерной особенностью этой группы носителей также является их высокая гидрофильность. Недостаток природных полимеров - неустойчивость к воздействию микроорганизмов и довольно высокая стоимость.

Наиболее часто для иммобилизации  используются такие полисахариды, как целлюлоза, декстран, агароза и их производные. Целлюлоза гидрофильна, имеет много гидроксильных групп, что позволяет модифицировать её, замещая эти группы. Для увеличения механической прочности целлюлозу гранулируют путем частичного гидролиза, в результате которого разрушаются аморфные участки. На их место для сохранения пористости между кристаллическими участками вводят химические сшивки. Гранулированную целлюлозу довольно легко превратить в различные ионообменные производные, такие как ДЭАЭ-целлюлоза, КМЦ и т.д.

Широко распространены носители на основе декстрана, выпускаемые под названием сефадексы . При высушивании они легко сжимаются, в водном растворе сильно набухают. В этих носителях размер пор в геле регулируется степенью сшитости. К группе декстранов относят и крахмал. Химически модифицированный крахмал сшивается агентами, такими как формальдегид. Таким способом был получен губчатый крахмал, обладающий повышенной устойчивостью по отношению к ферментам, гидролизу. Водорастворимые препараты на основе декстрана часто применяются как носители лекарственных средств в медицине.

Хорошим носителем считается агар. Его свойства улучшаются после химической сшивки, например, диэпоксидными соединениями. Такой агар становится устойчивым к нагреванию, прочен, легко модифицируется.

Белки в качестве носителей обладают рядом достоинств: вместительны, способны к биодеградации, могут применяться в качестве тонкой (толщиной 80 мкм) мембраны. Иммобилизацию ферментов на белковых носителях можно проводить как в отсутствие, так и в присутствии сшивающих агентов. Белки используются и в фундаментальных биологических исследованиях, и в медицине. К недостаткам белков в качестве носителей относят их высокую иммуногенность (за исключением коллагена и фибрина). Наиболее для иммобилизации используются структурные (кератин, фибрин, коллаген), двигательные (миозин) и транспортные (альбумин) белки.

Синтетические полимерные носители применяются для ковалентной и сорбционной иммобилизации ферментов, для получения гелей, микрокапсул. Полимеры на основе стирола применяются сорбционной иммобилизации. Они могут иметь макропористую, изопористую структуру, а также гетеропористую структуру. Для получения полимерных гидрофильных носителей широко используется акриламид - производное акриловой кислоты.

Широкое распространение получил метод включения ферментов и клеток в полиакриламидный гель, имеющий жесткую пространственную сетчатую структуру. Полиакриламидный гель устойчив к химическим воздействиям. Очень интересную группу представляют полиамидные носители. Это группы различных гетероцепных полимеров с повторяющейся амидной группой - С(О)-NH-. Например, полимеры на основе N-винилпирролидона используются для получения иммобилизованных ферментов, способных медленно распадаться в организме. Кроме того, они биологически инертны, что особенно важно при использовании в медицинских целях. Существенным недостатком большинства полимерных носителей является их способность накапливаться в организме. В этом отношении предпочтение отдается природным полимерам, которые гидролизуются ферментами. Поэтому в состав лекарственных препаратов часто входит декстран, а из синтетических носителей - полимеры на основе N-винилпирролидона. В настоящее время ведутся эксперименты по созданию синтетических полимеров, расщепляющихся с образованием нетоксичных продуктов обмена.