С давних пор в таких процессах, как пивоварение, изготовление хлеба
и производство сыра, использовалась (хотя и не понимаемая)
деятельность ферментов. В результате эмпирических совершенствований
эти традиционные технологии получили широкое распространение
задолго до того момента, когда сформировались научные знания о
механизмах этих процессов.
На Западе понимание промышленного значения ферментов
складывалось в процессе использования дрожжей и солода с тех времен,
когда традиционное пивоварение и выпечка хлеба занимало
существенную долю производства. На Востоке аналогичными процессами
были производство саке и разнообразные пищевые ферментации,
использующие нитевидные грибы в качестве источника ферментативной
активности.
1896 г. считается достоверным началом современной микробной
ферментной технологии с получением первого коммерческого продукта
новой отрасли – такадиастазы, представляющей собой грубую
(неочищенную) смесь гидролитического фермента, приготавливаемую
|
|
путем выращивания гриба Aspergillus oryzae на отрубях ячменя.
Быстрое развитие ферментной технологии началось с середины 50-х
годов на основе использования грибных (микробных) ферментов.
Причиной этого главным образом явилось следующее:
1) Интенсивное развитие практики глубинного культивирования
микроорганизмов, связанных с производством антибиотиков, что, в свою
очередь, потребовало новых знаний и привело к быстрому внедрению
появляющихся разработок в производство.
2) Быстрое развитие основных знаний о свойствах ферментов,
обусловливающее реализацию их потенциала для целей промышленного
катализа.
Свободные от клеток ферменты имеют в настоящее время широкое
применение во многих химических процессах, в которых участвует
большое количество последовательных реакций. Однако ферментные
процессы, в которых используются в качестве катализаторов микробные
клетки, характеризуются довольно большим числом ограничений:
1. Большая часть субстрата в обычных условиях превращается в
микробную биомассу.
2. Наличие (или возможное появление) побочных реакций,
приводящих к накоплению значительных количеств отходов.
3. Условия для роста микроорганизма могут быть иными, нежели для
образования и накопления необходимого продукта.
4. Выделение и очистка необходимого продукта из культуральной
жидкости могут быть сопряжены со значительными трудностями. Многие
(если не все) из этих перечисленных недостатков могут быть существенно
уменьшены путем использования чистых ферментов и, по-видимому, при
дальнейших совершенствованиях методов применения ферментов они
|
|
будут практически решены. В будущем многие традиционные
ферментные процессы могут быть заменены использованием
многоферментных
реакторов,
которые
способны
обеспечить
высокоэффективную утилизацию субстратов, обусловить более высокий
выход и намного лучшую однородность получаемых продуктов.
Большинство ферментов, используемых в промышленности, являются
внеклеточными ферментами, т. е. ферментами, секретируемыми
микроорганизмами во внешнюю среду. Таким образом, если
микроорганизм продуцирует ферменты для расщепления больших
молекул до ассимилируемых (низкомолекулярных) форм, то ферменты
обычно экскретируются в окружающую (культуральную) среду. В таких
случаях культуральная (ферментационная) жидкость, получаемая при
выращивании микроорганизмов (например, дрожжей или мицелиальных
грибов, бактерий), является основным источником протеаз, амилаз и в
несколько меньшей степени целлюлаз, липаз и других гидролитических
ферментов. Многие промышленные ферменты, являясь гидролазами,
могут функционировать без дополнительных сложных кофакторов; они
легко выделяются (сепарируются от биомассы) без разрушения клеточных
стенок продуцентов и хорошо растворимы в воде. Но поскольку
большинство ферментов микроорганизмов по своей природе являются
внутриклеточными, то наибольший прогресс в биотехнологии может
ожидаться именно при их использовании для промышленных целей.
Однако в этом случае возникает необходимость разработки эффективных
способов их выделения и очистки.