آنزیم ها بیوکاتالیست هایی هستند که نقش مهمی در تمام مراحل متابولیسم و واکنش های بیوشیمیایی دارند. آنها از علاقه خاصی برخوردار هستند و به عنوان کاتالیزورهای آلی در فرآیندهای صنعتی متعددی استفاده می شوند. این مقاله مروری بر آنزیم های میکروبی و طبقه بندی آنها ارائه می دهد.
مقدمه
صنایع زیستی مختلف به آنزیم هایی با ویژگی های خاص برای استفاده در فرآوری بسترها و مواد خام نیاز دارند. آنزیم‌های میکروبی در مقایسه با استفاده از کاتالیزورهای شیمیایی، به‌عنوان کاتالیزورهای زیستی عمل می‌کنند تا واکنش‌ها را در فرآیندهای بیولوژیکی به شیوه‌ای اقتصادی و سازگار با محیط زیست انجام دهند. ویژگی های خاص آنها برای منافع تجاری و کاربردهای صنعتی استفاده می شود. آنزیم ها بسیار خاص هستند، آنها حدود 4000 واکنش بیوشیمیایی را کاتالیز می کنند. برنده جایزه نوبل، امیل فیشر پیشنهاد کرد که این به این دلیل است که هم آنزیم و هم زیرلایه دارای هندسه های مکمل خاص هستند که دقیقاًبه هم تناسب دارند.
تعریف
آنزیم ها مولکول های بیولوژیکی بزرگی هستند که مسئول تمام آن تبادلات شیمیایی مهمی هستند که برای حفظ حیات ضروری هستند. آنها کاتالیزورهای بسیار گزینشی هستند که می توانند سرعت و ویژگی واکنش های متابولیکی را که از هضم غذا تا سنتز DNA را شامل می شود، تسریع بخشند. تمام فرآیندهای متابولیکی که در آنها اتفاق می‌افتد به آنزیم‌هایی بستگی دارد که در سلولهای میکروارگانیسم‌ها تشکیل می‌شوند.
تاریخ
در سال 1877، ویلهلم فردریش کوئنه، استاد فیزیولوژی در دانشگاه هایدلبرگ، برای اولین بار از اصطلاح "آنزیم" استفاده کرد که از کلمه لاتین fermentum به معنای "در مخمر" می آید. به دست آوردن آنزیم های میکروارگانیسم ها از یونان باستان آغاز شد. از آنها برای نگهداری غذا و نوشیدنی استفاده می شد.
در سال 1783، کشیش معروف کاتولیک ایتالیایی Lazzaro Spallanzani برای اولین بار در کار خود در مورد بیوژنز به اهمیت این زیست مولکول اشاره کرد.
در سال 1812، گوتلیب زیگیسموند کیرشهوف روش تبدیل نشاسته به گلوکز را بررسی کرد. او در آزمایش خود استفاده از آنزیم ها را به عنوان کاتالیزور برجسته می کند.
در سال 1833، شیمیدان فرانسوی آنسلم پاین اولین آنزیم، دیاستاز را کشف کرد.
دهها سال بعد، در سال 1862، هنگام مطالعه تخمیر شکر به الکل، لوئی پاستور به این نتیجه رسید که توسط نیروی حیات موجود در سلولهای مخمر کاتالیز می شود.
مولکولهای زیستی موجود در طبیعتاز زمان های قدیم در ساخت محصولاتی مانند کتانی، چرم و نیل به طور گسترده استفاده می شده است. همه این فرآیندها توسط میکروارگانیسم‌ها - تولیدکنندگان آنزیم ایجاد می‌شوند.
معنا
آنزیم ها برای تسهیل واکنش های شیمیایی مورد نیاز هستند. نقش آنها در زندگی میکروارگانیسم ها بسیار مهم است. این شامل تضمین فرآیندهای متابولیک، تنفس، هضم و سایر انواع زندگی است. هنگامی که آنزیم ها به درستی کار می کنند، هموستاز حفظ می شود. نقش دیگر آنزیم ها در میکروارگانیسم ها تسریع متابولیسم است.
ویژگی های ویژه
خواص آنزیم میکروارگانیسم عبارتند از:
- مقاومت در برابر حرارت؛
- طبیعت گرمادوست؛
- تحمل در برابر تغییر محدوده pH؛
- پایداری فعالیت هنگام تغییر دما و pH؛
- سایر شرایط واکنش سختگیرانه.
آنها به عنوان گرمادوست، اسیدوفیل یا قلیایی دوست طبقه بندی می شوند. میکروارگانیسم‌های دارای سیستم‌های آنزیمی پایدار در برابر حرارت، احتمال آلودگی میکروبی را در واکنش‌های صنعتی در مقیاس بزرگ با مدت طولانی کاهش می‌دهند. آنزیم های میکروبی به افزایش انتقال جرم و کاهش ویسکوزیته زیرلایه در طول فرآیند هیدرولیز ماده خام کمک می کنند.
طبقه بندی
به دلیل طیف گسترده فعالیت ها بر اساس ماهیت واکنش، آنزیم ها بر اساس کاتالیز طبقه بندی می شوند:
- اکسیدرودکتازها. واکنش های اکسیداسیون شامل انتقال الکترون ها از یک مولکول استبه دیگری. در سیستم های بیولوژیکی، این حذف هیدروژن از بستر است.
- انتقالات. این دسته از آنزیم ها انتقال گروه های اتم را از یک مولکول به مولکول دیگر کاتالیز می کنند. آمینوترانسفرازها یا ترانس آمینازها انتقال یک گروه آمینه از یک اسید آمینه به یک اسید آلفا-اکسو را تسهیل می کنند.
- هیدرولازها. کاتالیز هیدرولیز، تقسیم بسترها با آب. این واکنش ها شامل جدا شدن پیوندهای پپتیدی در پروتئین ها، پیوندهای گلیکوزیدی در کربوهیدرات ها و پیوندهای استری در لیپیدها است. به طور کلی، مولکول های بزرگتر به قطعات کوچکتر تجزیه می شوند.
- Liase. افزودن گروه ها به پیوندهای دوگانه یا تشکیل دومی را با حذف اولی کاتالیز کنید. برای مثال، پکتات لیازها پیوندهای گلیکوزیدی را با حذف بتا می‌شکافند.
- ایزومرازها. آنها انتقال گروه ها را از یک موقعیت به موقعیت دیگر در یک مولکول کاتالیز می کنند. ساختار زیرلایه را تغییر دهید و اتم های آن را دوباره مرتب کنید.
- لیگازها. مولکول ها را با پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل کنید. آنها در واکنش های بیوسنتزی شرکت می کنند، جایی که گروه های پیوند جدید تشکیل می شوند. چنین واکنش هایی نیاز به ورودی انرژی به شکل کوفاکتورها دارند.
برنامه
تخمیر در تهیه بسیاری از غذاها استفاده می شود. استفاده از آنزیم های میکروبی در صنایع غذایی یک فرآیند طولانی مدت است. انواع زیر به طور گسترده استفاده می شود:
- آمیلاز. مایع سازی نشاسته، بهبود کیفیت نان، شفاف سازی آب میوه ها.
- گلوکومیلازها. تولید آبجو و شربت با محتوای گلوکز و فروکتوز بالا.
- پروتئاز. مناقصهگوشت، انعقاد شیر.
- لاکتاز. کاهش عدم تحمل لاکتوز در انسان، مکمل های غذایی پری بیوتیک.
- لیپاز. تولید پنیر چدار.
- فسفولیپازها. تولید چربی شیر لیپولیز شده.
- Esterase. بهبود طعم و عطر در آب میوه. استری زدایی فیبرهای غذایی تولید استرهای زنجیره کوتاه.
- سلولازها. خوراک حیوانات.
- گلوکز اکسیداز. بهبود ماندگاری مواد غذایی.
- لاکاز. حذف پلی فنل ها از شراب.
- کاتالازها. نگهداری مواد غذایی. حذف پراکسید هیدروژن از شیر قبل از تولید پنیر.
- پراکسیداز. توسعه طعم، رنگ و کیفیت غذا.
پروتئاز
پروتئازهای مشتق شده از سیستم های میکروبی سه نوع اسیدی، خنثی و قلیایی هستند. پروتئازهای سرین قلیایی بیشترین کاربرد را در صنعت زیستی دارند. آنها فعالیت و پایداری بالایی در شرایط غیرعادی پارامترهای فیزیولوژیکی شدید دارند. پروتئازهای قلیایی دارای خاصیت پایداری بالای فعالیت آنزیمی در هنگام استفاده در مواد شوینده هستند. آنها کاربرد گسترده ای در صنعت زیستی پیدا کرده اند:
- تولید پودرهای لباسشویی;
- صنایع غذایی؛
- فرآوری چرم;
- داروسازی;
- تحقیق در زیست شناسی مولکولی و سنتز پپتید.
آمیلاز
این آنزیمی از میکروارگانیسم ها است که تجزیه نشاسته به قندها را کاتالیز می کند. او بوددر سال 1833 توسط آنسلم پین کشف و جدا شد. تمام آمیلازها گلیکوزید هیدرولاز هستند. آنها به طور گسترده در صنعت استفاده می شوند و نزدیک به 25٪ از بازار آنزیم را تشکیل می دهند. مورد استفاده در صنایعی مانند:
- غذا;
- نانوایی;
- کاغذ و پارچه؛
- شیرین کننده ها و آب میوه؛
- شربت گلوکز و فروکتوز؛
- مواد شوینده؛
- سوخت اتانول از نشاسته؛
- نوشابه های الکلی؛
- کمک به گوارش؛
- لکه برنده در خشکشویی.
همچنین در شیمی بالینی، پزشکی و تجزیه و تحلیل استفاده می شود.
Xylanase
همی سلولز به همراه سلولز، لیگنین و پکتین یکی از اجزای اصلی بقایای کشاورزی است. زایلان جزء اصلی آن است. اهمیت زایلاناز به دلیل کاربردهای بیوتکنولوژیکی آن برای تولید پنتوز، تصفیه آب میوه، بهبود هضم، و تبدیل زیستی ضایعات کشاورزی لیگنوسلولزی به سوخت و مواد شیمیایی افزایش یافته است. کاربرد خود را در صنایع غذایی، نساجی و خمیر و کاغذ، دفع زباله های کشاورزی، تولید اتانول و خوراک دام پیدا کرده است.
لاکاز
آنزیم های لیگینولیتیک در هیدرولیز بقایای لیگنوسلولزی کشاورزی، به ویژه برای تخریب لیگنین تشکیل دهنده پیچیده و غیر پمپاژ مفید هستند. آنها ماهیت بسیار متنوعی دارند و می توانند در تعدادی از فرآیندهای صنعتی استفاده شوند.سیستم آنزیم لیگنولیتیک در رنگ‌آمیزی سلولز و سایر صنایع مانند تثبیت شراب و آب میوه، شستشوی جین، لوازم آرایشی و حسگرهای زیستی استفاده می‌شود.
لیپاز
این آنزیمی از میکروارگانیسم ها است که تجزیه و هیدرولیز چربی ها را کاتالیز می کند. لیپازها زیر مجموعه ای از استرازها هستند. نقش مهمی در هضم، انتقال و پردازش چربی ها دارند. بیشتر لیپازها در موقعیت خاصی روی ستون فقرات گلیسرول بستر چربی، به ویژه در روده کوچک، درگیر هستند. برخی از آنها توسط ارگانیسم های بیماری زا ترشح شده در طول یک بیماری عفونی بیان می شوند. لیپازها به دلیل تطبیق پذیری خواص کاربردی و سهولت تولید انبوه، گروه اصلی آنزیم های با ارزش بیوتکنولوژیکی در نظر گرفته می شوند.
کاربرد لیپاز
این آنزیم ها در انواع فرآیندهای بیولوژیکی، از متابولیسم معمول تری گلیسیرید در رژیم غذایی گرفته تا سیگنال دهی و التهاب سلولی، درگیر هستند. برخی از فعالیت های لیپاز به بخش های خاصی در سلول ها محدود می شود، در حالی که برخی دیگر در فضاهای خارج سلولی کار می کنند:
- لیپازهای لوزالمعده در فضاهای خارج سلولی ترشح می شوند که در آنجا لیپیدهای رژیم غذایی را به اشکال ساده تری تبدیل می کنند که در سراسر بدن منتقل می شوند.
- تسهیل جذب مواد مغذی از محیط زیست.
- افزایش فعالیت لیپاز جایگزین می شودکاتالیزورهای معمولی در پردازش بیودیزل.
- مورد استفاده در کاربردهایی مانند پخت، مواد شوینده لباسشویی، به عنوان کاتالیزورهای زیستی.
- در صنعت نساجی برای افزایش قدرت جذب پارچه و یکنواختی هنگام رنگرزی استفاده می شود.
- برای اصلاح طعم غذا با سنتز استرهای اسیدهای چرب زنجیره کوتاه و الکل.
- وجود یا سطوح بالای لیپازها ممکن است نشان دهنده یک عفونت یا بیماری خاص باشد و می تواند به عنوان یک ابزار تشخیصی استفاده شود.
- اثر باکتری کشی دارد. می تواند در درمان تومورهای بدخیم استفاده شود.
- ارزش تجاری زیادی در لوازم آرایشی و دارویی (محصولات مراقبت از پوست، فر کننده مو) دارد.
