Ферментативное превращение целлюлозы в сахара

Целлюлоза построена из звеньев D-глюкозы, которые соеди­нены 1-4-β-глюкозидными связями (по типу «голова к хвосту») в длинные, вплоть до тысяч 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 относительно слабы, но в совокупности с тыся­чами других образуют, можно сказать, монолитный блок. В ре­зультате целлюлоза не только нерастворима в воде, но ее кри­сталлические участки непроницаемы практически для любых химических агентов, в том числе и 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 так называемой 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 так называемые целлюлолитические микро­организмы, 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 целлюлаза в непосредственной близости от грибка-паразита расщепляется до конечного продукта — глюкозы. Микроорганизм поглощает глюкозу в качестве основного продукта питания, размножается, рас­тет, захватывая все большие участки поверхности, выбрасывает все новые и новые порции ферментов, пока не истощится доступ­ная целлюлоза.

Однако эти процессы протекают весьма медленно. Для того чтобы пень в лесу полностью сгнил, нужны годы. Если же от­делить от микроорганизма ферменты целлюлазы, сконцентриро­вать их и добавить к целлюлозе, процесс значительно ускорится. При этом образующаяся глюкоза не потребляется грибками, а накапливается в реакционной смеси. Кроме того, если в качестве субстрата использовать не чистую целлюлозу, а целлюлозосодержащие отходы промышленности или сельского хозяйства, то можно решить и еще одну важную проблему — утилизацию отходов. Полученная глюкоза в зависимости от ее чистоты и экономической эффективности процесса может найти применение в медицине, пищевой промышленности, тонкой химической тех­нологии или технической микробиологии. Глюкозу, как известно, можно сбраживать в этанол и затем употреблять как «жидкое топливо» в качестве заменителя части нефтепродуктов. Наконец, дегидратация энатола дает этилен — основу современной «боль­шой химии».

Целлюлоза на нашей планете — самое «крупнотоннажное» из всех возобновляемых видов сырья. Ежегодный естественный прирост целлюлозы составляет около 100 млрд. т. Использование человеком части этого сырья приводит к накоплению значительного количества целлюлозосодержащих отходов. Если даже малую долю этих отходов превращать фер­ментативным путем в полезные продукты, это даст ощутимый (и возобновляемый!) источник пищевых углеводов и заменителей нефти. Поэтому данной проблемой в последние годы столь упор­но занимаются и исследователи, и технологи всего мира.

Выводы

Благодаря высокой скорости роста, сравнительно простому строению клеток и несложной структуре генетического аппарата бактерии стали од­ним из наиболее удобных объектов в биохимических исследованиях низ­ших организмов. Многие бактериальные культуры хорошо известны как активные продуценты внеклеточных гидролаз и применяются при про­мышленном получении ферментов. Практическое использование бактери­альных ферментов в значительной степени способствовало интенсификации исследований по изучению условий их продуцирования, а также локализа­ции.

Список литературы

1. Безбородов А.М., Астапович Н.И. Секреция ферментов у микроорганизмов. – М.: 1984 г.

2. Биотехнология: Учебное пособие для ВУЗов в 8 кн./ под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 7: Иммобилизованные ферменты. – М.: 1987 г.

3. Биотехнология: Учебное пособие для ВУЗов в 8 кн./ под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуилова. Кн. 8: Инженерная энзимология. – М.: 1987 г.

4. В.М. Богданов, Р.С. Баширова и др. Техническая микробиология пищевых продуктов. – М.: 1968 г.

5. С. Прескотт, С. Дэнс Техническая микробиология. – М.: 1952 г.