Лекция. 9. Получение аминокислот и сахаров

Вопросы. 1. Получение L - аминокислот, L - яблочной кислоты. 2. Целлюлолитические микроорганизмы и ферменты. Использование ферментов для получения сахаров из целлюлозы. 3. Значение амилазы, глюкоизомеразы, лактозы, липазы, пектиназы и протеолитических ферментов в практической деятельности людей и в пищевой промышленности.

Разделение смеси L и D–аминокислот, так называемой рацемической смеси, на составляющие их изомеры стало первым процессом в мире, осуществленным с помощью иммобилизованных ферментов на промышленном уровне, в Японии в 1969 г. В течение 15 предшествующих лет – этот процесс проводился с применением растворимого фермента – аминоацилазы, но он был недостаточно экономичен. Переход на иммобилизованную аминоацилазу увеличил экономичность в 1,5 раза. Сейчас на промышленном уровне производят с помощью иммобилизованной аминоациллазы незаменимые аминокислоты: метионин, валин, фениланин, триптофан.

В качестве исходного вещества используют ацилированные D, L–аминокислоты, полученные с помощью обычного химического синтеза. Фермент аминоацилазы гидролизует один ацил–L–изомер, отщепляя от него объемную ацильную группу, и тем самым резко увеличивая растворимость образующейся L–аминокислоты по сравнению с присутствующим в реакционной системе ацил–D–изомером. После этого вещества легко отделяются друг от друга путем физико–химических методов. Так выделяется чистая аминокислота.

Остающаяся ацил–D–аминокислота при нагревании рацемируется, т. е. переходит опять в смесь ацилированных D, L – аминокислот, и процесс повторяют сначала. В итоге единственным продуктом является L–аминокислота. Оказалось, что для аминоацилазы не имеет значения, какую аминокислоту ей гидролизовать. Важно лишь строение ацильной части, к которой фермент имеет строгую специфичность. В результате этого, одна и та же реакционная колонна с иммобилизованной аминоацилазой может быть применена в производстве самых различных L–аминокислот.

Иммобилизованный фермент легко готовить, так как он легко адсорбируется на специальной смоле, которую затем помещают в реакционную колонну. Время полуинактивации иммобилизованного фермента в промышленных условиях составляет 65 суток. Когда активность катализатора падает ниже нормы, в колонну добавляют раствор свежего фермента (один раз в несколько месяцев), который опять адсорбируется на носителе.

Получение L–аспарагиновой кислоты. Аспарагиновая кислота не принадлежит к числу незаменимых, но производится в мире многими тысячами тонн. Она применяется в пищевой промышленности для придания (в сочетании с другой аминокислотой – глицином) кондитерским изделиям и напиткам различных оттенков кислого или сладкого вкуса. Аспарагиновую кислоту можно получать с помощью фермента аспартазы. В качестве исходных веществ для ферментативного синтеза используются фумаровая кислота и аммиак. В присутствии фермента молекула аммиака присоединяется к фумаровой кислоте по месту двойной связи с образованием оптически активной L–аспарагиновой кислоты. В этом процессе впервые в технологической практике были применены иммобилизованные клетки микроорганизма (Bacillus sp.), содержащие фермент в его естественной микробной оболочке.

Плотный гель с иммобилизованной в нем микробными клетками, содержащими аспартазу, формируют в кубики размерами 2-3 мм, набивают ими колонну объемом 1 м ³ и пропускают через нее раствор фумарата аммония. На выходе из колонны L–аспарагиновую кислоту кристаллизуют, центрифугируют и промывают холодной водой. Процесс автоматизирован, осуществляется в непрерывном режиме. Получается 1700 кг чистой L–аспарагиновой кислоты в сутки на реактор 1 м ³.

L-яблочную кислоту получают ферментативным путем, так же как и L – аспарагиновую кислоту, из фумаровой кислоты. В качестве катализатора используют иммобилизованные в гель клетки (Bacillus sp.), содержащие фермент фумаразу. В присутствии этого фермента происходит присоединение воды по двойной связи молекулы фумаровой кислоты. В обычных (интактных) клетках время полуинактивации фумаразы составляет 6 суток, иммобилизованных в полиакриламидный гель - 55 суток, а иммобилизованных в гель на основе полисахарида и морских водорослей – 160 суток.

Ферментное превращение целлюлозы в сахара. Целлюлоза построена из звеньев D – глюкозы, которые соединены 1-4-b – глюкозидными связями (по типу «голова к хвосту») в длинные, вплоть до тысячи глюкозных единиц, цепи, уложенные в плотную упаковку со своеобразной кристаллической структурой. Прочность упаковки обусловлена главным образом тем, что цепи поперечно «прошиты» водородными связями, которые по отдельности слабы, но в совокупности с тысячами других образуют мономерный блок. В результате целлюлоза не только не растворима в воде, но ее кристаллические участки непроницаемы практически для любых химических агентов, в том числе для сильных кислот. Но там, где плотная упаковка глюкозных цепей нарушена (на поверхности целлюлозы, в местах поворота цепей, а также после специальной обработки целлюлозы, например с помощью интенсивного измельчения), образуются «аморфные области», куда могут проникать и растворители, и механические агенты. Это свойство используется при промышленном получении микрокристаллической целлюлозы, которая широко применяется для специальных химических целей. Природную целлюлозу обрабатывают кислотой, аморфные участки легко расщепляются и уходят в раствор, оставляя мелкие микрокристаллиты, чрезвычайно стойкие к химическим реагентам.

Целлюлолитические микроорганизмы и ферменты. В природе имеются целлюлолитические микроорганизмы (грибы Trichoderma vesii), содержащие набор ферментов – целлюлаз, способных к расщеплению не только аморфной, но и кристаллической целлюлозы до глюкозы. Попадая на поверхность целлюлозосодержащего материала, и прикрепляясь к ней, микроорганизм выделяет целлюлазы, под действием которых, субстрат целлюлозы в непосредственной близости от грибка паразита расщепляется до конечного продукта – глюкозы. Микроорганизм поглощает глюкозу, размножается, захватывая все больше участки поверхности, выбрасывает новые порции ферментов, пока не истощается доступная целлюлоза. Эти процессы протекают медленно. Если отделить от микроорганизма ферменты целлюлазы, сконцентрировать их и добавить к целлюлозе, процесс ускорится. Образующаяся глюкоза не потребляется грибками, а накапливается в реакционной смеси.

Если в качестве субстрата использовать целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства, то можно решить проблему утилизации отходов. Глюкозу сбраживают в этанол и затем употребляют как «жидкое топливо» в качестве заменителя части нефтепродуктов.