Области применения протеаз

Важнейшим свойством белков является их каталитическая активность. Вещества белковой природы, способные каталитически ускорять химические реакции, называют ферментами.

Роль ферментов в жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов колоссальна. Благодаря каталитической функции разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание в организме или вне его огромного числа химических реакций. В настоящее время в биологических объектах обнаружено несколько тысяч индивидуальных ферментов, а несколько сотен из них выделено и изучено. Подсчитано, что одна живая клетка может содержать до тысячи различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию.

Будучи выделены из организма, ферменты не утрачивают способность осуществлять каталитическую функцию. На этом основано их практическое применение в химической, пищевой, легкой и фармацевтической промышленности. Особое значение для химического производства имеет специфичность ферментов: ведь до 80% затрат в производстве многих химических веществ приходится на отделение примесей, возникших в результате побочных реакций. Кроме того, ферменты позволяют осуществлять ряд процессов, выполнение которых обычными методами органического синтеза остается пока нерешенной проблемой.

Протеазы относят к классу пептид-гидролаз – ферментов, ускоряющих реакции гидролиза белков, пептидов и других соединений, содержащих пептидные связи. Далее подробно рассматриваются основные области применения протеаз в различных областях промышленности.

1. Основные области применения протеаз

Пищевая промышленность

В сочетании с амилазой протеиназы, выделяемые из грибов, относящихся к роду Aspergillus, применяют в хлебопекарной промышленности. Будучи добавлены в количестве 20-50 г на 1 т муки, они улучшают качество и аромат хлеба, ускоряют созревание теста на 30%, сокращают расход сахара на производство высших сортов булочных изделий вдвое, увеличивают пористость мякиша и объем хлеба на 20%.

В кулинарии применение пептид-гидролаз (протелин и проназа) для обработки мяса перед его приготовлением резко улучшает качество мясных блюд.

В мясной промышленности протеолитические ферменты применяют для ускорения созревания мяса и повышения выхода мяса 1-го сорта с 15% до 40%.

В молочной промышленности использование протеаз ускоряет созревание сыров вдвое и снижает их себестоимость на 10%.

Легкая промышленность

В кожевенном и меховом производстве для ускорения снятия волоса со шкур и размягчения кожевенного сырья применяют препараты протеиназ (протелин и протофрадин), являющихся внеклеточными протеазами стрептомицетов. При этом время, необходимое на осуществление необходимых процессов сокращается в несколько раз, сортность и качество шерсти и кож повышается, а условия труда в этой отрасли производства резко улучшаются.

В текстильной промышленности процесс расшлихтовки тканей ферментными препаратами класса протеаз грибного происхождения ускоряется в 7-10 раз; эти же препараты служат для удаления серицина при размотке коконов тутового шелкопряда в производстве натурального шелка.

Применение в бытовой химии

Протеазы растительного происхождения, выдерживающие нагревание до 90°С без заметной потери активности, являются компонентами стиральных порошков и моющих средств. Некоторые протеазы вместе с глюкозооксидазой и каталазой добавляют в зубную пасту – они обеспечивают их антимикробное действие и предохранение зубов от кариеса.

2. Применение протеаз в легкой промышленности.

В ферментативных процессах кожевенного и мехового производства чаще всего используются ферменты, относящиеся к классу протеаз. Наиболее широко применяются следующие ферменты.

Трипсин

Выделяется поджелудочной железой в виде трипсиногена, активируется автокаталитически при рН 7-9 или энтерокиназой, вырабатываемой слизистой оболочкой тонких кишок. Трипсин не является ферментом первичного действия, т.е. или совсем не расщепляет нативные белки, или действует на них слабо и медленно. Белки, денатурированные нагреванием, обработанные кислотами, солями, щелочами и пепсином, легко подвергаются действию трепсина.

Трипсин гидролизует связи (пептидные, амидные, сложноэфирные), в которых карбоксильная группа принадлежит основным аминокислотам лизину и аргинину.

Трипсин играет основную роль при мягчении голья панкреатином и его препаратами в кожевенном производстве.

Пепсин

Фермент желудочного сока, выделяемый клетками слизистой оболочки желудка в виде неактивного пепсиногена, активируется автокаталитически в присутствии соляной кислоты, превращаясь в пепсин. Пепсин является ферментом первичного воздействия, т.е. расщепляет почти все нативные белки, гидролизуя при продолжительном действии около 30% пептидных связей, однако, действует медленнее, чем другие протеиназы. Пепсин гидролизует связи аминокислот, содержащих ароматические кольца в боковой цепи и свободные карбоксильные группы.

Пепсин не действует на кератин, протамины и продукты гидролиза белков с низкой молекулярной массой. Растворы пепсина подвергаются медленному автолизу. В процессах кожевенного и мехового производства не используется, однако применяется для обработки коллагенсодержащих отходов с целью их дальнейшего растворения.

Катепсин

Фермент, находящийся в виде катепсиногена во всех животных тканях. В наибольших количествах содержится в печени, селезенке и почках. Вместе с ним присутствует естественный активатор зоокиназа, который можно отделить от катепсина. Катепсин действует на соединения, содержащие ароматическую аминокислоту, и расщепляет пептиды с N-конца пептидной связи. Обычно катепсин катализирует гидролиз белков при автолизе. В нейтральной среде он неактивен, оптимальный рН действия 4-5.

После смерти животного в тканях, в том числе в кожевенном и меховом сырье, накапливаются молочная и другие кислоты, т.е. образуется кислая среда. В результате этого катепсин приобретает способность каталитического действия на гидролиз тканевых белков. Это нужно учитывать при первичной обработке сырья, в частности нужно своевременно его консервировать.

Коллагеназа

Это специфический фермент, расщепляющий нативный коллаген на пептиды без образования аминокислот. Другие белки не расщепляет.

Коллагеназа действует на коллаген сильнее, чем на синтетические пептиды, построенные по типу коллагена. Выделяется из культур различных бактерий.

2.1 Применение протеиназ в кожевенном производстве

Отмотка кожевенного сырья

Для ускорения отмотки в производстве часто используют обострители – химические вещества, способствующие обводнению. Ускорить обводнение могут гидролитические ферменты6 протеазы,гликозидазы, липазы. Особенно эффективно действие ферментных препаратов при отмотке сырья, консервированного с применением сушки и содержащего большое количество жира.

Широкое применение в кожевенном производстве находят протеолитические ферменты: кислые, нейтральные и щелочные протеазы. В результате действия протеаз происходит частичное разделение структурных элементов дермы, что способствует улучшению обводнения и облегчает последующее обезволашивание шкур.

Обезволашивание

Обезволашивание является наиболее трудоемким подготовительным процессом кожевенного производства. Существующие неферментные методики обезволашивания не полностью удовлетворяют промышленность. Поэтому наиболее перспективно обезволашивание с помощью ферментов, поскольку при этом удается сохранить снимаемый волос, ускорить в 2-3 раза процесс и упростить очистку сточных вод, благодаря отсутствию в них серосодержащих веществ.

Обезволашивающего эффекта можно достигнуть, разрушая корень волоса путем разрыва дисульфидных связей, а также рахрушением веществ, выстилающих волосяную сумку, что способствует свободному выходу из нее волоса. Длительность процесса определяется скоростью проникания фермента к компонентам волосяной сумки – сложным белкам и белково-углеводистым комплексам. Поэтому ферментативному обезволашиванию, как правило, предшествует щелочная или ферментативная отмотка, способствующая повышению проницаемости дермы для больших молекул ферментов. Различные виды субстратов (белки, углеводы, жиры) вызывают необходимость использования композиций ферментных препаратов. Композиции могут содержать смеси ферментных препаратов, обладающих протеолитической, липолитической и гликозидазной активностью, а также различные специальные компоненты (ПАВ, антисептики, активаторы, регуляторы рН и т.д.).

Мягчение голья

Мягчение заключается в непродолжительной обработке голья ферментным препаратом в водной среде при 37-38°С. в результате чего, голье приобретает мягкость пластичность, воздухопроницаемость; лицевой слой становится гладким и шелковистым.

В качестве мячителя на кожевенных заводах широко используется ферментативный препарат животного происхождения – технический панкреатин в виде порошка, получаемый из поджелудочной железы.

Панкреатин содержит ряд протеолитических ферментов – протеиназ и пептидаз, основным из которых является протеиназа – трипсин. Благодаря действию протеолитических ферментов при мягчении происходит удаление путем гидролитического расщепления продуктов частичного распада коллагена, кератина и межволоконных белков, оставшихся в голье после золения и обеззоливания.

Обработка дубленого кожевенного полуфабриката

Часто дубленый полуфабрикат требует переработки из-за различия в структуре топографических участков, физико-механических свойствах и окраске, а также из-за складок и заломов, образовавшихся при транспортировке и хранении. Для этого проводят ферментативную обработку дубленого полуфабриката с использованием кислых протеаз с оптимумом активности при рН 4,5-5. Перед ферментативной обработкой полуфабрикат промывают для удаления несвязанных соединений хрома, которые инактивируют применяемые ферменты. Кожи, подвергшиеся ферментативной обработке в кислой среде, имеют более мягкий гриф, нежную лицевую поверхность и интенсивную окраску.

2.2 Ферментативные процессы мехового производства

Отмотка мехового сырья

В последние годы предложено много методик отмотки меховых шкурок с помощью ферментных препаратов. Для более эффективного воздействия на межволоконные вещества кожевенной ткани меховых шкур целесообразно использовать ферментные препараты, имеющие несколько различных активностей. Требуемым комплексом ферментных свойств обладают препараты мальтавоморин П2х, Пп10х, Г10х. Так обработка шкурок кролика указанными препаратами позволяет не только сократить продолжительность цикла отмоточных процессов за счет более быстрого обводнения, но и значительно уменьшить количество порванных шкурок при последующем мездрении.

Обезжиривание мехового сырья

После отмотки на волосяном покрове меховых шкурок содержится значительное количество липидов, загрязнений белковой и углеводной природы. Ферментативный метод обезжиривания основан на гидролитическом расщеплении жира под действием липолитических ферментов. Ферментные препараты на их основе, как правило, содержат наряду с липазами ферменты другой активности, например протеазу и гликозидазу.

Разработаны методики обезжиривания с применением протеаз и ПАВ. Эффект обезжиривания в данном случае обусловлен тем, что протеазы способствуют расщеплению мембран жировых клеток, в результате чего натуральный жир под действием ПАВ эмульгирует. Так, в процессах мойки и обезжиривания овчин используются Ферментные препараты протеолитического действия – протосубтилин Г3х (щелочная протеаза)