ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОБИАЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ В ОТРАСЛЯХ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СФЕРЫ

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОБИАЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ В ОТРАСЛЯХ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СФЕРЫ

Обзорная статья

Лукин А.А.^1, *, Данилов М.Б ², Пирожинский С.Г. ³

¹ ORCID: 0000-0003-4753-3210;

^{1, 3} Южно-Уральский государственный университет, Челябинск, Россия;

² Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, Улан-Удэ, Россия

* Корреспондирующий автор (lukin3415[at]gmail.com)

Аннотация

Ферменты сегодня нашли широкое применение во многих отраслях промышленности. Рассвет биотехнологии сыграл решающую роль в этом процессе. Микроорганизмы являются основными источниками получения ферментов для биотехнологической промышленности. Микробиологические ферментные препараты все чаще заменяют обычные химические катализаторы в ряде промышленных процессов. В данной статье рассмотрены отрасли производственной сферы, где активно используются ферментные препараты, в том числе в инновационных сферах производства – биосинтез и получение биотоплива. Даны характеристики некоторых микробных ферментов и рассмотрены взаимодействия ферментов с обрабатываемым сырьем.

Ключевые слова: ферменты, микробиальные ферменты, промышленность, биотопливо, биосинтез, производственная отрасль.

APPLICATION FEATURES OF MICROBIAL ENZYMES IN INDUSTRIAL SECTORS

Review article

Lukin A. A.^1, *, Danilov M. B², Pirozhinskiy S. G.³

¹ ORCID: 0000-0003-4753-3210;

^{1, 3} South Ural State University, Chelyabinsk , Russia;

² East Siberian State University of Technology and Management Ulan-Ude, Russia

* Corresponding author (lukin3415[at]gmail.com)

Abstract

Enzymes are now put to good use in many industrial sectors. Flourishing biotechnologies played the crucial part in that process. Microorganisms are the primary source of enzymes for the biotechnological industry. Microbiologic enzyme products increasingly take the place of the traditional chemical catalysts in a number of industrial processes. This article looks into the industrial sectors using enzyme products, including innovation sectors: biosynthesis and biofuel generation. It describes some microbal enzymes and considers the cooperation of the enzymes and the feedstock used.

Keywords: enzymes, microbial enzymes, industry, biofuel, biosynthesis, industrial sector.

Введение

Классифицирует 3 вида ферментов для промышленных целей: технические ферменты, пищевые ферменты и кормовые ферменты. Технические ферменты, включая протеазу, амилазу и целлюлазу, составляют самую высокою долю этого рынка. Эти ферменты широко используются в производстве моющих средств, крахмала, текстиля, кожи, бумаги, целлюлозы. Второй по величине сегмент на рынке – это пищевые ферменты. В эту группу входят ферменты, используемые в молочной, пивоваренной, винодельческой и соковой промышленности [1], [2], [3]. Последняя область — это область кормовых ферментов, включающая такие ферменты, как фитазу, ксиланазу и β-глюканазу.

Основная часть

Ферменты микробиального происхождения доминируют в классе трансфераз, в то время как изомеразы имеют исключительно грибковое происхождение. Большинство протеолитических ферментов широко используются в легкой и пищевой промышленности (рис. 1).

 

Рис. 1 – Распределение ферментов в промышленных масштабах в зависимости от цели применения

 

Следует отметить, что многие ферменты предназначены для различных промышленных применений. С точки зрения продаж, ферменты для технических отраслей (моющие средства, текстильное производство, производство этанола, кожевенная промышленность, целлюлозно-бумажная промышленность) составляют основную часть продаж (рис. 2).

 

Рис. 2 – Распределение продаж ферментных препаратов в зависимости от отрасли

 

На сегодняшний день на рынке реализуется свыше 260 ферментных препаратов для различных целей применения.

Получение ферментных препаратов экономически сопоставимы с получением химических реагентов для всех сфер человеческой детальности. Следовательно, снижение стоимости производства ферментов является положительным стимулом для коммерциализации процессов, основанных на производстве данных препаратов [4]. Протеолитические ферменты являются одной из наиболее важных групп промышленных ферментов и составляют почти 60 % от общего объема продаж ферментов. Согласно отчету о мировом рынке пищевых ферментов, ожидается, что к 2020 году мировой рынок пищевых ферментов достигнет 2,3 млрд. долл., и ожидается, что лидером на этом рынке будет Северная Америка, за которой последуют Европа и Азиатские страны.

В таблице 1 представлен список микробиальных ферментных препаратов и сферы их применения [5].  

Таблица 1 – Микробиальные препараты и сферы их применения

Фермент, класс (ЕС)	Источник получения	Сфера применения
Глюкозооксидаза (EC 1.1.3.4)	Aspergillus spp.	Моющие средства, хлебопекарное производство
Лакказа (EC 1.10.3.2)	Myceliophthora spp., Trametes spp., Thielavia spp.	Моющие средства, текстильная промышленность
Каталаза (EC 1.11.1.6)	Aspergillus spp., Scytalidium spp., Thermoascus spp.	Текстильная промышленность
Липаза (EC 3.1.1.3)	Aspergillus spp., Candida spp., Fusarium spp., Humicola spp., Rhizomucor spp., Thermomyces spp.	Моющие средства, кожевенная промышленность, целлюлозно-бумажная промышленность, биокатализ, хлебопекарная промышленность, молочная и масложировая промышленности
Пектиназа (EC 3.1.1.11; EC 3.2.1.15; ЕС 4.2.2.10)	Aspergillus spp.	Производство соков и вин
Фосфолипаза (EC 3.1.1.32; EC 3.1.4.1)	Aspergillus spp., Fusarium spp., Thermomyces spp.	Модификация жиров
Гемицеллюлаза (EC 3.1.1.73)	Aspergillus spp.	Производство соков и вин
Фитаза (ЕС 3.1.3.8; ЕС 3.1.3.26)	Aspergillus spp., Peniophora spp.	Производство кормов
α-амилаза (ЕС 3.2.1.1)	Aspergillus spp., Thermoactinomyces spp.	Целлюлозно-бумажная промышленность, хлебопекарная промышленность, пивоваренная промышленность, производство соков и вин
Амилоглюкозидаза, глюкоамилаза (EC 3.2.1.3)	Aspergillus spp., Talaromyces spp., Trichoderma spp.	Моющие средства, производство биотоплива, производство подсластителей, производство соков и вин
Целлюлаза (EC 3.2.1.4; EC 3.2.1.91)	Humicola spp., Myceliopthora spp., Thielavia spp.	Моющие средства, текстильная промышленность, производство биотоплива, целлюлозно-бумажная промышленность
β-глюканаза (EC 3.2.1.6)	Thermoascus spp., Trichoderma spp.	Производство кормов, производство биотоплива, пивоваренная промышленность
Ксиланаза (EC 3.2.1.8)	Actinomadura spp., Aspergillus spp., Thermomyces spp., Trichoderma spp.	Целлюлозно-бумажная промышленность, хлебопекарная промышленность, пивоваренная промышленность, производство кормов
Лактаза (EC 3.2.1.23)	Aspergillus spp., Kluyveromyces spp.	Молочная промышленность
Пуллуланаза (EC 3.2.1.41)	Hormoconis spp.	Производство биотоплива, производство спирта
Протеаза (EC 3.4.2x.xx)	Aspergillus spp., Cryphonectria spp., Fusarium spp., Rhizomucor spp., Trichoderma spp.	Мясная и молочная промышленность, кожевенная промышленность

  Текстильная промышленность

Ферменты нашли широкое применение в текстильной промышленности. Хлопок является доминирующим текстильным волокном, и его волокна представляют собой отдельные клетки. Внутренняя часть волокна представляет собой почти чистую целлюлозу, тогда как наружная первичная клеточная стенка содержит воски и гемицеллюлозы. Собранные волокна механически очищают от растительных остатков, затем изготавливают пряжу и делают ткани. Нити тканей часто покрывают крахмалом, чтобы предотвратить его разрыв во время плетения [5]. Использование α-амилаз (ЕС 3.2.1.1) для удаления крахмала, является первым и одним из старейших применений ферментов в текстильной обработке. Используемые ферменты в основном имеют бактериальное происхождение, чаще всего в текстильной промышленности для этих целей применяют Bacillus spp.

Чистка – это процесс удаления нецеллюлозных соединений из волокна, чтобы сделать его более гидрофильным перед окрашиванием. Пектатлиаза (ЕС 4.2.2.2) из Bacillus оказалась наиболее эффективной для разложения пектина в хлопке и, таким образом, наиболее эффективна для удаления восков, масел и других примесей. Вычищенную хлопчатобумажную ткань нужно отбелить перед окрашиванием. Отбеливание можно проводить с использованием перекиси водорода, но данный метод требует дополнительных технологических операции. Наиболее перспективным методом отбеливание тканей является использование грибных каталаз (EC 1.11.1.6), полученных из Aspergillus, Scytalidium и Thermoascus spp [6].

Целлюлазы (ЕС 3.2.1.4) также часто используются в текстильной промышленности. Они предотвращают истирание тканей и сохраняют яркость цвета. Грибная целлюлаза из Trichoderma reesei оказалась очень эффективной для этих целей.

Целлюлозно-бумажная промышленность

Бумагу производят из древесины. Три полимера составляют основу компонентов древесины: целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Первым шагом производства бумаги является формирование целлюлозы, содержащей свободные волокна. Целлюлозу необходимо подвергнуть процессу отбеливания, прежде чем ее можно будет использовать для производства бумаги. Само отбеливание обычно основано на использовании химических отбеливающих агентов, но предварительная обработка целлюлозы ксиланазами оказывает усиленное отбеливающее действие. Ксиланазы открывают структуру гемицеллюлозы и, таким образом, высвобождают связанные лигнин и лигнин-углеводные комплексы. Таким образом, становится возможным удалять больше лигнина, и древесина становится более восприимчивой к отбеливающим компонентам. В промышленном масштабе используется несколько ксиланаз (ЕС 3.2.1.8) грибкового происхождения, например Trichoderma spp., Aspergillus spp. и Thermomyces spp.

Бумага также может быть покрыта крахмалом для улучшения глянца, гладкости и печатных свойств. В этом процессе используется модифицированный раствор крахмала низкой вязкости. Пониженная вязкость может быть получена с использованием α-амилаз (ЕС 3.2.1.1). Амилазы могут также применяться в процессе переработки бумаги [7]. Они эффективно разлагают крахмальное покрытие и тем самым высвобождают частицы краски с поверхности волокна. Целлюлазы (ЕС 3.2.1.4) также повышают эффективность удаления краски путем дефибрилляции микрофибрилл, прикрепленных к чернилам.

Кожевенная промышленность

Ферменты всегда были неотъемлемой частью при изготовлении кожи и изделий из кожи.

Сырая шкура подготавливается к дублению с помощью ряда подготовительных этапов. Ферменты играют важную роль в некоторых из этих процессов.

Грибные протеазы используется на стадии мягчения в кожевенном производстве для повышения поглощение воды кожевенным материалом. Липаза используется для диспергирования жира, обеспечивая тем самым синергетический эффект, их вводят на стадии обезжиривания [8], [9].

Производство кормов

Добавление в корм ферментов повышает их усвояемость скотом. Зерновые культуры составляют основной компонент в корме для животных, но кишечная флора нежвачных животных, например свиней и птицы не производят эндогенных ферментов, необходимых для разложения содержащихся в них волокон. Кроме того, присутствие некрахмальных полисахаридов препятствует пищеварению, и их удаление, таким образом, повышает усвояемость корма. Ксиланазы (ЕС 3.2.1.8; рис. 3) являются широко используемыми кормовыми ферментами и разлагают ксилановую структуру клеточных стенок растений до короткоцепочечных сахаров [10].

 

Рис. 3 – Эндогидролиз ксиланов под действием ксилазы [11]

 

 Ксиланазы вырабатывают из Trichoderma spp. и Aspergillus spp. β-глюканазы (EC 3.2.1.6, рис. 4) разрушают структуру β-глюкана, содержащегося в некоторых зерновых культурах, с образованием свободной глюкозы и олигосахаридов. β-глюканазы грибкового происхождения (Trichoderma spp. и Aspergillus spp.) также часто используются в технологии производства кормов [11], [12].

 

Рис. 4 – Эндогидролиз 1,3-β-D-глюканах под действием β-глюканазы [11]

 

Для повышения усвояемости фосфора в кормах используют фитазы. Фосфор используется для формирования и поддержания скелета и участвует во многих обменных процессах. Два типа фитаз (рис. 5), 3-фитаза (ЕС 3.1.3.8) и 6-фитаза (ЕС 3.1.3.26), получают из мицеальных грибов - Aspergillus spp., Peniophora spp.

Рис. 5 – 3-фитаза и 6-фитаза [11]

 

Производство биотоплива

На сегодняшний день разрабатываются многочисленные технологии, которые позволят получать энергию из возобновляемых источников. Примером является получение этанола из биомасс. Процесс преобразования биомассы в биотопливо включает в себя применение различных бактериальных и грибных ферментов [13].

Сырьем для производства биотоплива может являться крахмал, получаемый из зерновых культур.

Крахмал традиционно подвергается «горячей обработке», которая позволяет обычным ферментам расщеплять крахмал на декстрины. Недавно был разработан альтернативный процесс «холодной варки» или процесс гидролиза сырого крахмала, названный Broin Project X (BPX), который исключает энергозатратный процесс высокотемпературной варки крахмала. В этом процессе гидролиза используется синергетический эффект между глюкоамилазами (ЕС 3.2.1.3) и α-амилазами.

Обработанный крахмал затем подвергают осахариванию, в результате чего декстрины разлагаются до сбраживаемых сахаров, таких как глюкоза и мальтоза. Реакция катализируется глюкоамилазой и пуллуланазой (ЕС 3.2.1.41) бактериального или грибного происхождения с выходом продукта – 95–97 %. Во время ферментации сахара превращаются в спирт дрожжами [14].

Одной из серьезных задач на сегодняшний день является разработка биотоплива второго поколения, получаемого из целлюлозной биомассы. Существует большой потенциал в использовании этой растительной биомассы для производства жидкого биотоплива. Растительная биомасса состоит в основном из клеточных стенок растений, как правило, 75 % из них представлены полисахаридами. Эти полимерные углеводы содержатся в сложной матрице, включающей не только кристаллическую целлюлозу, но также гемицеллюлозу и лигнин. Гемицеллюлозы и лигнин (вместе лигноцеллюлозы) препятствуют доступу целлюлолитических ферментов, что снижает эффективность производства этанола. Поэтому для производства биотоплива второго поколения потребуется большой спектр новых ферментов, включая целлюлазу и гемицеллюлазу. Значительная часть исследований направлена на разработку ферментативных и микробных препаратов для разложения лигноцеллюлозы, для повышения уровня сбраживаемых сахаров и увеличения конечного выхода этанола. Таким образом, этанол может быть получен из непищевой части биовозобновляемых источников, и он послужит альтернативой современным источника топлива [15], [16]. 

Биокатализ и органический синтез

Применение ферментов в органическом синтезе привело к созданию новых технологии в химической промышленности.

Наиболее распространенными ферментами для органического синтеза являются различные гидролазы, особенно липазы. Также используют и другие гидролазы в органическом синтезе – нитрилазы, эстеразы, амидазы и протеазы [17], [18].

Заключение

Для получения ферментов часто используют различные микроорганизмы и мицеальные грибы, среди которых можно выделить грамположительные бактерии рода Bacillus, нитчатые грибы рода Aspergillus, и другие виды микрорганизмов, такие как Streptomyces, Trichoderma и Penicillium. Микробиальные ферменты имеют ряд преимуществ, по сравнению с ферментами, полученными из растений или животных, например, широкий спектр каталитических активностей, недорогое производство, биоразлагаемость и высокая воспроизводимость. Нет сомнений в том, что в ближайшем будущем использование ферментов значительно расширится в таких областях, как биотехнология, переработка сельскохозяйственной продукции, производство биотоплива, производство кормовых добавок для животных. 

Финансирование Статья выполнена при поддержке Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011	Funding The work was supported by Act 211 of the Government of the Russian Federation, contract № 02.A03.21.0011.
Конфликт интересов «Не указан»	Conflict of Interest «None declared»

Список литературы / References

1. Martınez-Anaya M.A. Enzymes and bread flavor / Martınez-Anaya M.A. // Journal of Agricultural and Food Chemistry. – 1996. – v. 44. – P. 2469-2480.
2. Bamforth C.W. Current perspectives on the role of enzymes in brewing / Bamforth C.W. // Journal of Cereal Science. – 2009. – v. 50. – P. 353–357.
3. Mamo J. The role of microbial aspartic protease enzyme in food and beverage industries / Mamo J., Assefa F. // Journal of Food Quality. – 2018. – v. 2018. – 15 p.
4. Souza P.M. A biotechnology perspective of fungal proteases / Souza P.M., Bittencourt M.L., Caprara C.C., Freitas M., et al. // Brazilian Journal of Microbiology. – 2015. – v. 46(2). – P. 337–346.
5. Bhat M.K. Cellulose degrading enzymes and their potential industrial applications / Bhat M.K., Bhat S. // Biotechnology Advances. – 1997. – v.15. – P. 583–620.
6. Mienda B.S. An overview of microbial proteases for industrial applications / Mienda B.S., Yahya A., Galadima I.A., Shamsir M.S. // Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. – 2014. – v. 5(1). – P. 388–396.
7. Adrio J.l. Microbial enzymes: tools for biotechnological processes / Adrio J.l., Demain A.l. // Biomolecules. – 2014. – v. 4. – P. 117–139.
8. Mikhailova R.V. Proteolytic enzymes of mycelial fungi / Mikhailova R.V. // Microbiology and Biotechnology. – 2011. – v. 3. – P. 47–62.
9. Gupta R. Molecular and functional diversity of yeast and fungal lipases: their role in biotechnology and cellular physiology / Gupta R., Kumari A., Syal P., Singh Y. // Progress in Lipid Research. – 2015. – v. 57. – P. 40–54.
10. Van den Brink J. Fungal enzyme sets for plant polysaccharide degradation / Van den Brink J., De Vries R.P. // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2011. – v. 91. – P. 1477–1492.
11. Lei X.G. Phytase, a new life for an «old» enzyme / Lei X.G., Weaver J.D., Mullaney E., Ullah A.H., Azain M.J. // Annual Review of Animal Biosciences. – 2013. – v. 1. – P. 283–309.
12. Costa F.G.P. Economic and environmental impact of using exogenous enzymes on poultry feeding / Costa F.G.P., Goulart C.C., Figueiredo D.F., Oliveira C.F.S., Silva J.H.V. // International Journal of Poultry Science. – 2008. – V. 7(4). – P. 311–314.
13. Xu X. Modification of oils and fats by lipase-catalyzed interesterification: aspects of process engineering / Xu X. // In: Bornscheuer UT (ed) Enzymes in lipid modification. – Wiley-VCH. – 2005. – pp. 190–215.
14. Ellaiah P. A review on microbial alkaline proteases / Ellaiah P. // Journal of Scientific and Industrial Research. – 2002. – v.61. – P. 690–704.
15. Sharma K.K. Fungal genome sequencing: basic biology to biotechnology / Sharma K.K. // Critical Reviews in Biotechnology. – 2016. – v. 36(4). – P. 743–759.
16. Meyer V. Genetic engineering of filamentous fungi – progress, obstacles and future trends / Meyer V. // Biotechnology Advances. – 2008. – v. 26. – P. 177–185.
17. Bothast R.J. Biotechnological processes for conversion of corn into ethanol / Bothast R.J., Schlicher M.A. // Applied Microbiology and Biotechnology. – 2005. – v. 67. – P. 19–25.
18. Demain A.L. Biosolutions to the energy problem / Demain A.L. // Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. – 2009. – v.36. – P. 319–332.