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산업용 효소 응용에 관한 문헌

산업용 효소 응용에 관한 문헌


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누군가 효소에 의해 촉매되는 산업 화학 반응을 설명하는 문헌(리뷰 또는 더 나은 통합 문서)을 알려줄 수 있습니까?

내가 가장 관심 있는 것은 효소 활성과 관련하여 대규모 반응의 출력이 어떻게 최적화되는지에 대한 사례 연구입니다.

내가 찾는 대부분의 문헌은 세포 성장의 최적화에 관한 것인데, 이것은 내가 찾고 있는 것이 아닙니다.


제가 대화에서 만난 사례를 말씀드리겠습니다. 포괄적인 방식으로 분류하기에는 응용 프로그램의 변형과 유형이 너무 많습니다.

실시예 1: 효소 생산. 이러한 종류의 적용은 액체 배양에서 생성되는 원하는 효소 또는 단백질의 양을 최적화하는 것에 관한 것입니다. 이것이 세포 성장에 너무 가깝다면 죄송하지만 그것은 매우 중요합니다. 소세포 배양은 원하는 단백질의 양을 향상시키기 위해 연구 및 세포의 유전학(대개 대장균 또는 효모이지만 종종 어딘가에서 발견되는 곰팡이)에 사용됩니다. 단백질이 분비되어 정제가 훨씬 쉽습니다.

일단 좋은 균주가 발견되면 배양액은 수천 리터까지 확장되며 종종 이러한 방식으로 수 킬로그램의 순수한 효소를 생산할 수 있습니다. 예: 산성 세탁된 청바지의 직물을 분해하는 효소, 세탁 세제 및 인슐린에 포함된 프로테아제 및 큐티나제.

실시예 2: 포도당 이성질화효소. 이 효소는 고과당 옥수수 시럽을 생산하는 데 사용됩니다. 효소 자체가 실제로 과당을 포도당으로 바꾸지만 르 샤틀리에의 원리에 따라 고압의 포도당 시럽은 효소에 의해 과당으로 전환됩니다. 실시예 1에 기술된 것과 같은 산업적 공정에 의해 생성된 이 효소는 수지 상에 고정화되고 큰 산업적 크기의 컬럼에 패킹된다. 오일 배럴과 크기가 비슷했다는 이야기를 기억하는 것 같습니다. 다량의 포도당이 풍부한 옥수수 시럽이 컬럼을 통과합니다. 약 40%의 과당이 나옵니다.

그 라인에 따른 또 다른 예(3)는 제품과 함께 효소를 사용하는 방법일 수 있습니다. 효소 데님 처리와 같은 산업적 제조 공정에서 직물은 효소가 포함된 용액으로 세탁될 수 있습니다. 이 과정은 데님이 노출되는 효소의 양을 조절하고 천이 손상되지 않고 일관되게 나오도록 조건을 최적화하는 데 주의해야 합니다. 효소는 pH 변화 또는 가열에 의해 죽을 수 있습니다. 이것은 본질적으로 화학 공학이며 현재 대부분의 주요 화학 부서에 이런 종류의 과정이 있습니다.


효소 기술: 효소의 응용 및 상업적 생산

효소는 살아있는 세포에 의해 합성되는 생체 촉매입니다. 그들은 생명과 관련된 화학 반응을 일으키는 복잡한 단백질 분자입니다. 효소가 세포에서 분리될 때(즉, 시험관 내에서) 계속 기능(촉매 작용)을 한다는 것은 다행스러운 일입니다. 기본적으로 효소는 비독성 및 생분해성입니다. 그들은 산업 응용을 위해 미생물에 의해 대량으로 생산될 수 있습니다.

효소 기술은 인류의 궁극적인 이익을 위한 효소(가용성 또는 고정화 형태)의 생산, 분리, 정제 및 사용을 광범위하게 포함합니다. 또한 보다 효율적이고 유용한 효소의 생산에 관여하는 재조합 DNA 기술과 단백질 공학도 효소 기술의 일부입니다.

효소의 상업적 생산과 사용은 생명공학 산업의 주요 부분입니다. 생화학 외에 미생물학 화학 및 공정 공학과 같은 전문 분야는 효소 기술의 성장에 크게 기여했습니다.

효소의 응용:

효소는 응용 범위가 넓습니다. 여기에는 식품 생산, 식품 가공 및 보존, 분말 세척, 섬유 제조, 가죽 산업, 제지 산업, 의료 응용 분야, 환경 개선 및 과학 연구에서의 사용이 포함됩니다.

최근 추정에 따르면, 산업적으로 생산된 효소의 대다수는 식품(45%), 세제(35%), 직물(10%) 및 가죽(3%)과 관련된 공정에 유용합니다. 개별 효소의 적용에 대한 자세한 내용은 표 21.1-21.3을 참조해야 합니다.

효소의 상업적 생산:

미생물 효소는 완전히 알지 못한 채 수세기 동안 활용되어 왔습니다. 산업적으로 생산된 최초의 효소는 1896년 미국에서 taka-diastase(곰팡이 아밀라아제)였습니다. 소화 장애를 치료하는 약제로 사용되었습니다.

유럽에는 무두질하기 전에 개와 비둘기의 배설물을 사용하여 가죽을 부드럽게 하는 수세기 전의 관행이 있었습니다. 독일 과학자(Otto Rohm)는 1905년에 동물의 장기(돼지와 소의 췌장)에서 추출한 추출물이 가죽을 부드럽게 하는 효소-프로테아제의 공급원으로 사용될 수 있음을 입증했습니다.

세탁을 위한 효소(주로 프로테아제)의 사용은 1915년에 시작되었습니다. 그러나 효소의 불순물에 대한 알레르기 반응으로 인해 계속되지 않았습니다. 이제 특수 기술을 사용하여 제조 및 세척 분말에 효소를 사용할 수 있습니다(알레르기 반응 없음). 상업적인 효소는 광범위한 생물학적 공급원에서 생산될 수 있습니다. 현재 이들 중 대다수(80%)는 미생물 공급원에서 유래합니다.

다른 유기체와 상업적 효소 생산에 대한 상대적 기여는 다음과 같습니다.

미생물로부터 효소의 대규모 산업적 생산을 위한 진정한 돌파구는 1950년대 이후에 발생했습니다.

동물 및 식물 공급원의 효소:

초기에는 동식물이 효소에 크게 기여했습니다. 지금도 특정 효소는 주요 공급원입니다.

식물(표 21.1) 및 동물(표 21.2) 효소의 선택된 목록과 그 출처 및 용도는 다음과 같습니다.

동물의 장기와 조직은 리파아제, 에스테라아제, 프로테아제와 같은 효소의 아주 좋은 공급원입니다. 효소 라이소자임은 주로 암탉의 알에서 얻습니다. 일부 식물은 파파인(파파야), 브로멜라인(파인애플)과 같은 특정 효소의 훌륭한 공급원입니다.

동물 및 식물 공급원으로부터 효소를 제조하는 것과 관련된 몇 가지 단점이 있습니다. 수량은 제한되어 있으며 분포에 큰 편차가 있습니다. 가장 중요한 한계는 효소 분리, 정제의 어려움 및 비용 요인입니다. 소 공급원에서 산업용 효소를 추출하는 것과 관련하여 소 해면상뇌&수줍음(BSE는 비정상적인 단백질 섭취로 인한 프리온 질환)에 의한 오염의 위험이 높습니다. 이러한 이유로 효소의 미생물 생산이 선호됩니다.

포유류 세포 배양의 효소:

포유류 세포 배양에 의해 직접 상업적인 효소를 생산할 가능성이 있습니다. 그러나 주요 제약은 비용 요소가 매우 높을 것입니다. 그러나 조직 플라스미노겐 활성화제와 같은 특정 치료 효소는 세포 배양에 의해 생성됩니다.

미생물 공급원의 효소:

미생물은 상업적 효소의 가장 중요하고 편리한 공급원입니다. 그들은 적절한 성장 조건에서 풍부한 양의 효소를 생산하도록 만들 수 있습니다. 저렴한 배지를 사용하여 미생물을 배양할 수 있으며 단기간에 생산이 가능합니다.

또한, 원하는 효소의 생산을 증가시키기 위해 유전 공학 기술에서 미생물을 조작하기 쉽습니다. 미생물 효소는 동물 또는 식물 공급원보다 회수, 분리 및 정제 과정이 쉽습니다.

사실, 산업적 응용의 대부분의 효소는 미생물에 의해 성공적으로 생산되었습니다. 이를 위해 다양한 곰팡이, 박테리아 및 효모가 사용됩니다. 효소, 미생물 공급원 및 용도의 선별된 목록이 표 21.3에 나와 있습니다.

Aspergillus niger - 대량 효소 생산을 위한 독특한 유기체:

미생물 중 A. niger(곰팡이)는 많은 양의 효소를 대량으로 생산하는 특별한 위치를 차지합니다. A. niger가 편리하게 생산하는 40개 이상의 상용 효소가 있습니다. 여기에는 α-아밀라아제, 셀룰라아제, 프로테아제, 리파아제, 펙티나아제, 피타아제, 카탈라아제 및 인슐린 분해효소가 포함됩니다.

효소 생산 기술 - 일반적인 고려 사항:

일반적으로 효소의 미생물 생산에 사용되는 기술은 다른 산업 제품의 제조에 사용되는 방법과 비슷합니다. 두드러진 특징이 간략하게 설명되어 있습니다.

4. 효소의 회수 및 정제.

미생물에 의한 효소 생산 흐름도의 개요는 그림 21.1에 나와 있습니다.

유기체의 선택:

미생물을 선택하는 가장 중요한 기준은 유기체가 짧은 시간에 원하는 효소의 최대량을 생산하고 다른 대사산물의 생산은 최소화해야 한다는 것입니다. 일단 생물체를 선택하면 적절한 방법(돌연변이원, 자외선)으로 효소 생산을 최적화하기 위한 균주 개량을 할 수 있다. 선택한 유기체에서 접종물을 액체 배지에서 준비할 수 있습니다.

배지의 제형화:

선택한 배양 배지는 궁극적으로 많은 양의 효소 생산을 초래하는 미생물의 적절한 성장을 지원하는 모든 영양소를 포함해야 합니다. 배지의 성분은 저렴한 비용으로 쉽게 구할 수 있어야 하며 영양학적으로 안전해야 합니다. 배지에 일반적으로 사용되는 기질 중 일부는 전분 가수분해물, 당밀, 옥수수 침지액, 효모 추출물, 유청 및 대두박입니다. 일부 곡물(밀)과 콩류(땅콩)도 사용되었습니다. 배지의 pH는 좋은 미생물 성장과 효소 생산을 위해 최적으로 유지되어야 합니다.

효소의 산업적 생산은 대부분 침지된 액체 조건에 의해 수행되고 덜한 정도는 고체-기질 발효에 의해 수행됩니다. 침지 배양 기술에서는 수확량이 많고 감염 가능성이 적습니다. 따라서 이것이 선호되는 방법입니다. 그러나 고체 기질 발효는 역사적으로 중요하며 여전히 진균 효소의 생산에 사용되고 있습니다. 아밀라아제, 셀룰라아제, 프로테아제 및 펙티나아제.

배지는 배치 또는 연속 멸균 기술을 사용하여 멸균할 수 있습니다. 발효는 배지를 접종함으로써 시작됩니다. 성장 조건(pH, 온도, O2 공급, 영양소 첨가)가 최적의 수준으로 유지됩니다. 소포제를 첨가하여 거품 형성을 최소화할 수 있습니다.

효소의 생산은 대부분 회분식 발효로 이루어지며 그보다 적은 정도는 연속식 발효법으로 이루어집니다. 생물 반응기 시스템은 발효 과정 전반에 걸쳐 무균 상태로 유지되어야 합니다. 발효 기간은 대부분의 생산 공정에서 2-7일 정도 다양합니다. 원하는 효소 외에도 몇 가지 다른 대사 산물도 생성됩니다. 효소(들)를 회수하고 정제해야 합니다.

효소의 회수 및 정제:

생성된 원하는 효소는 배양 배지(세포외 효소)로 배출되거나 세포 내에 존재할 수 있습니다(세포내 효소). 요구 사항에 따라 상용 효소는 조악하거나 고도로 정제될 수 있습니다. 또한, 고체 또는 액체 형태일 수 있다. 다운스트림 처리에 관련된 단계, 즉 사용되는 회수 및 정제 단계는 효소의 특성과 원하는 순도에 따라 다릅니다.

일반적으로 브로쓰에 존재하는 세포외 효소의 회수는 세포내 효소에 비해 비교적 간단하다. 세포 내 효소의 방출을 위해서는 세포 파괴를 위한 특별한 기술이 필요합니다. 독자는 효소 기술의 일부를 구성하기 때문에 항상 지금 참조하고 모든 세부 사항을 배워야 합니다. 미생물 세포는 물리적 수단(초음파, 고압, 유리 구슬)으로 분해할 수 있습니다. 박테리아의 세포벽은 효소 라이소자임에 의해 용해될 수 있습니다. 효모의 경우 효소 β-글루카나아제가 사용됩니다. 그러나 효소적 방법은 비용이 많이 듭니다.

세포가 파괴되고 세포내 효소가 방출되면 회수 및 정제(아래에 간략히 설명됨) 단계는 세포내 및 세포외 효소 모두에 대해 동일할 것입니다. 가장 중요한 고려 사항은 원하는 효소 활성의 손실을 최소화하는 것입니다.

세포 파편 제거:

여과 또는 원심분리를 사용하여 세포 파편을 제거할 수 있습니다.

핵산 제거:

핵산은 효소의 회수 및 정제를 방해합니다. 폴리아민, 스트렙토마이신 및 폴리에틸렌이민과 같은 다중 양이온을 추가하여 침전 및 제거할 수 있습니다.

염(황산암모늄) 유기 용매(이소프로판올, 에탄올, 아세톤)를 사용하여 효소를 침전시킬 수 있습니다. 침전된 효소를 최소한의 부피로 용해시켜 효소를 농축할 수 있으므로 침전이 유리하다.

액체-액체 파티션:

원하는 효소의 추가 농도는 폴리에틸렌 글리콜 또는 폴리아민을 사용하는 액체-액체 추출에 의해 달성될 수 있습니다.

크로마토그래피에 의한 분리:

효소의 분리 및 정제를 위한 여러 크로마토그래피 기술이 있습니다. 여기에는 이온 교환, 크기 배제, 친화성, 소수성 상호 작용 및 염료 리간드 크로마토그래피가 포함됩니다. 이 중 이온 교환 크로마토그래피는 효소 정제에 가장 일반적으로 사용됩니다.

농축된 형태의 효소는 건조하여 얻을 수 있습니다. 이것은 필름 증발기 또는 동결 건조기(동결 건조기)로 수행할 수 있습니다. 건조된 효소는 포장되어 판매될 수 있습니다. 특정 효소의 경우 황산암모늄 현탁액에 보관함으로써 안정성을 얻을 수 있습니다.

식품이나 의료에 사용되는 모든 효소는 순도가 높아야 하며 규제 기관에서 요구하는 사양을 충족해야 합니다. 이 효소는 독성 물질, 유해 미생물이 전혀 없어야 하며 알레르기 반응을 일으키지 않아야 합니다.

미생물 효소 생산의 조절 - 일반 고려 사항:

발효 조건(영양소, pH, O2, 온도 등). 이를 위해서는 효소 합성의 유전적 조절에 대한 명확한 이해가 필요하다. 미생물 효소 조절의 일반적인 측면 중 일부가 간략하게 설명되어 있습니다.

여러 효소는 유도성입니다. 즉, 유도자가 있어야만 합성됩니다. 유도제는 기질(자당, 전분, 갈락토사이드) 또는 생성물 또는 중간체(지방산, 페닐 아세테이트, 자일로비오스)일 수 있습니다. 유도성 효소의 선별된 목록과 각각의 유도제가 표 21.4에 나와 있습니다.

유도제 화합물은 고가이며 취급(살균, 특정 시간 첨가)도 상당히 까다롭다. 최근에는 인듀서 의존성이 제거된 미생물의 돌연변이체를 개발하려는 시도가 이루어지고 있다.

피드백 억압:

최종 생성물(보통 작은 분자)에 의한 피드백 조절은 효소 합성에 상당한 영향을 미칩니다. 이것은 최종 제품이 대량으로 축적될 때 발생합니다. 피드백 조절 효소의 대규모 생산은 다소 어렵습니다. 그러나 이러한 문제를 극복하기 위해 피드백 억제가 없는 돌연변이가 개발되었습니다.

영양 억제:

미생물의 고유 대사는 불필요한 효소의 생산이 일어나지 않도록 고안되었습니다. 즉, 미생물은 필요하지 않은 효소를 합성하지 않는데 이는 낭비적인 운동이기 때문입니다. 원치 않는 효소 생산의 억제는 영양소 억제에 의해 수행됩니다. 영양소는 성장 배지의 탄소, 질소, 인산염 또는 황산염 공급자일 수 있습니다. 효소의 대규모 생산을 위해서는 영양소 억제를 극복해야 합니다.

포도당 억제는 영양소(더 적절하게는 이화 산물) 억제의 고전적인 예입니다. 즉, 포도당이 존재하면 나머지 화합물의 대사에 필요한 효소가 합성되지 않습니다. 포도당 억제는 주어진 시간에 포도당 농도가 거의 0이 되는 방식으로 발효 배지에 탄수화물을 공급함으로써 극복할 수 있습니다. 최근 몇 년 동안, 포도당에 의한 이화물질 억제에 내성을 갖는 돌연변이체를 선택하려는 시도가 이루어지고 있다. 특정 미생물의 경우 피루브산, 젖산, 시트르산 및 숙신산과 같은 다른 탄소원도 이화작용 억제인자로 작용합니다.

질소 공급원 억제는 미생물에서도 관찰됩니다. 이것은 암모늄 이온 또는 아미노산 때문일 수 있습니다. 가장 일반적으로 저렴한 암모늄 염이 질소 공급원으로 사용됩니다. 암모늄염에 의한 억제는 이 질소원에 내성이 있는 돌연변이를 개발함으로써 극복할 수 있습니다.

미생물 효소 생산을 위한 유전 공학:

효소는 유전자의 기능적 산물입니다. 따라서 이론적으로 효소는 유전 공학을 통해 생산을 개선할 수 있는 좋은 후보입니다. 지난 15년 동안 재조합 DNA 기술의 발전은 상업용 효소의 미생물 생산 증가에 확실히 도움이 되었습니다. 이제 원하는 효소 유전자를 한 유기체에서 다른 유기체로 옮길 수 있습니다. 산업에서 잠재적으로 사용할 수 있는 효소가 확인되면 관련 유전자를 복제하여 적절한 생산 숙주에 삽입할 수 있습니다.

복제 전략:

효소의 산업적 생산을 위한 복제 전략의 도식적 표현은 그림 21.2에 나와 있습니다. 이것은 mRNA에 대한 cDNA 라이브러리의 개발과 원하는 효소에 대한 올리고뉴클레오티드 프로브의 생성을 포함합니다. 올리고뉴클레오티드 프로브와의 혼성화에서 특정 cDNA 클론을 식별할 수 있습니다.

다음 단계는 원하는 효소의 생산을 위해 산업적으로 중요한 숙주 유기체(예: Aspergillus oryzae)의 형질전환입니다. 이 방법을 통해 고품질의 산업용 효소를 제조할 수 있습니다. 클로닝 전략을 사용하여 생성된 몇 가지 효소가 아래에 설명되어 있습니다.

1. Humicola languinosa 균류에서 발견되는 효소 리폴라아제는 직물의 지방 얼룩을 제거하는 데 매우 효과적입니다. 그러나 이 유기체에 의한 리폴라아제의 산업적 생산은 합성 수준이 매우 낮기 때문에 불가능합니다. 리폴라아제를 담당하는 유전자를 분리하고 클로닝하여 Aspergillus oryzae에 삽입했습니다.

따라서, 이 효소의 대규모 생산이 성공적으로 달성되었습니다. 리폴라아제는 매우 안정적이며 세제에 일반적으로 사용되는 프로테아제에 의한 분해에 저항합니다. 이러한 모든 특성으로 인해 리폴라아제는 직물 세탁을 위한 강력한 후보가 됩니다.

2. Rennet(키모신)은 치즈를 만드는 데 널리 사용되는 효소입니다. 주로 어린 송아지의 위장에서 얻습니다. 따라서 공급이 부족합니다. 키모신 합성 유전자는 대규모 생산을 위해 복제되었습니다.

산업용 효소 변형을 위한 단백질 공학:

이제 단백질 공학 및 부위 지정 돌연변이 유발에 의해 단백질/효소의 구조를 변경하는 것이 가능합니다. 효소의 변화는 효소 안정성 및 촉매 기능 증가, 산화 저항성, 기질 선호도 변화 및 알칼리 및 유기 용매에 대한 내성 증가.

부위 지정 돌연변이 유발에 의해 특정 위치(효소 내)의 선택된 아미노산이 원하는 특성을 갖는 효소를 생산하도록 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 단백질 공학은 포스포리파제 A를 구조적으로 변형하는 데 사용되었습니다.2 고농도의 산에 견딜 수 있습니다. 변형된 효소는 식품 유화제로 ​​더 효율적으로 사용됩니다. 유전 공학은 비용 효율적인 방식으로 원하는 특성을 가진 효소의 산업적 생산에 엄청난 영향을 미칩니다.


효소

식품 산업 용도

미국 효소 시장에 대한 최근 보고서에 따르면 1985년 총 매출은 1억 8,500만 달러였으며 그 중 58%가 식품 산업이었습니다(Charles Kline & Co., 1986). 식품 산업에서 사용되는 효소 종류 중에서 프로테아제와 탄수화물 분해효소가 이 시장의 대부분을 차지합니다. 판매되는 주요 프로테아제는 레닌(키모신)으로, 치즈 제조 과정에서 우유를 응고시켜 응고를 형성하는 데 사용됩니다. 탄수화물 분해효소 중 옥수수 전분 가공에 사용되는 탄수화물(전분효소 α-아밀라아제, 글루코아밀라아제, 글루코오스 이성화효소)이 매출의 85%를 차지합니다. 다른 효소는 풍미 개발(예: 치즈 제조 시 리파제)(Arbige et al., 1986), 추출 개선(예: 주스 가공 시 펙티나제)(Kilara, 1982) 및 식품 기능의 변형(예: 예를 들어 α-빵 부패를 지연시키는 아밀라아제)(Boyce, 1986).

유전 공학에 의한 식품 효소 생산 개선 기술은 분명히 존재합니다(Lin, 1986). 많은 중요한 식품 산업 효소에 대한 유전자가 복제되었고(Meade et al., 1987) 일반적으로 안전한 것으로 인정되는(GRAS) 유기체에 도입 및 발현을 허용하는 유전자 전달 시스템이 개발되었습니다(Lin, 1986). 효소 생산에 대한 유전 공학의 최근 두 가지 중요한 응용 프로그램은 α-아밀라아제와 키모신입니다.

α-아밀라아제: 고과당 옥수수 시럽 산업.

재조합 DNA 기술로 생산된 식품 가공 효소의 GRAS 상태를 확인하기 위해 FDA에 첫 번째 청원은 α-amylase에 대한 것이었습니다. 이 획기적인 청원은 1984년 7월 9일 CPC International, Inc.에 의해 제출되었습니다.

α-아밀라아제는 옥수수 전분에서 추출한 영양 감미료로 널리 사용되는 고과당 옥수수 시럽(HFCS) 생산의 첫 번째 단계에서 사용되는 효소입니다. HFCS 공정은 1968년과 1972년 사이에 Clinton Corn Processing Co.(Lloyd and Horwath, 1985)에 의해 미국에서 처음 개발되었으며 세 가지 순차적인 효소 단계를 포함합니다. 첫째, 옥수수 전분은 덱스트린이라고 불리는 부분적으로 분해된 전분 사슬을 생성하기 위해 α-아밀라아제 가수분해에 의해 액화됩니다. 그런 다음 덱스트린은 α-1,6 및 α-1,4 글루코시드 결합을 모두 절단하여 옥수수 시럽(포도당)을 제공하는 글루코아밀라제에 의해 가수분해됩니다. 이 포도당 가수분해물은 정제된 다음 고정된 포도당 이성질화효소에 의해 이성질화되어 HFCS로 알려진 포도당과 과당(42%)의 혼합물을 생성합니다. 이 마지막 단계는 1972년에 상업화되었으며 상당한 비용 절감과 함께 연속 공정을 허용하는 고정화 효소의 첫 번째 대규모 사용을 나타냅니다(Casey, 1977). 그런 다음 42% HFCS를 추가로 정제하여 55% 및 90% 과당의 2세대 시럽을 생성할 수 있습니다(Coker 및 Venkatasubramanian, 1985).

HFCS 시장은 극적으로 성장했습니다. 미국의 소비량은 1975년 1인당 2.3kg에서 1985년 1인당 20kg으로 증가했습니다(Newsome, 1986). 오늘날 생산량은 연간 45억 4천만 kg을 초과합니다. HFCS는 많은 가공 식품에 사용되며 청량 음료 산업의 주요 영양 감미료입니다. Grant(1986)는 최근 CPC의 유전자 조작 α-amylase와 FDA에 대한 GRAS 승인 청원에 대해 논의했습니다. 그의 목적은 사용하는 것이 었습니다. 새균 서브틸리스 CPC가 개발한 열안정성 형태의 α-amylase의 상업적 생산을 위한 호스트 시스템 새균 스테아로모필루스 (Ishii et al., 1981) - FDA에 의해 GRAS 상태가 부여된 유기체(그림 1). 열 및 산에 안정한 형태의 α-아밀라아제는 HFCS의 저비용 생산에 중요합니다. 그것의 생산 NS. 서브틸리스 용이하기 때문에 원했다. NS. 서브틸리스 상업적 발효에 사용할 수 있습니다.

CPC의 청원에 따르면, NS. 서브틸리스 ATCC 39, 705는 아포르겐 생성 변종에서 유전적으로 파생되었습니다. NS. 서브틸리스 α-amylase가 결핍된 ATCC 39, 701, NS. 스테아로모필루스 α-아밀라아제 생산을 위한 ATCC 39, 709. 유전자 조작 NS. 서브틸리스 pCPC720으로 지정된 플라스미드 벡터의 DNA를 포함합니다. 플라스미드는 의 α-amylase 유전자를 포함하는 DNA의 2.4kb 부분으로 구성됩니다. NS. 스테아로모필루스 및 새로운 플라스미드의 복제에 필요한 플라스미드 pUB110의 DNA 부분. pCPC720은 pUB110의 kanamycin 내성 마커를 포함하지 않으며 형질전환된 숙주 세포는 kanamycin에 내성이 없습니다.

그림 1

유전자 조작 α-아밀라아제.

CPC 청원은 유전자 조작된 효소가 모든 측면에서 NS. 스테아로모필루스 재조합 제품의 안전성을 확립합니다. 효소는 HFCS 공정에서만 사용되며 식품에는 존재하지 않습니다.

CPC 청원과 관련하여 Grant는 “과학에 기반한 규제 결정을 내려야 하며 책임 있는 업계 조치를 취해야 한다고 촉구했습니다. . . . 이것은 FDA가 재조합 미생물과 관련하여 검토 중인 잠재적으로 많은 청원 중 첫 번째이기 때문에 FDA는 매우 신중하고 정확해야 합니다. 우리 청원에 대한 FDA의 판결은 미래의 판결에 대한 정책을 정할 것입니다”(Grant, 1986, p. 22). 그것은 의심의 여지가 없습니다. 9월에 CPC는 유전 공학을 다루는 특허를 받았습니다. NS. 서브틸리스 열안정성 풀루라나아제를 생산하기 위해(Coleman and McAlister, 1986). 다음 두 가지 예에서 볼 수 있듯이 유사한 개발이 많이 있습니다.

키모신(레닌): 유제품 산업. 상당한 유전 공학 연구의 초점이 된 또 다른 효소는 유제품 산업에서 치즈 제조 과정에서 응유를 형성하기 위해 우유를 응고시키는 데 사용되는 레닛의 활성 성분인 키모신입니다. 키모신은 우유의 카파-카제인 V-폴드 결합에서 펩티드의 가수분해에 매우 특이적인 엔도프로테아제로, 카제인 미셀의 불안정화 및 후속 응유 형성을 초래합니다. 상업적인 출처는 어린 젖먹이 송아지의 네 번째 위에서 추출한 송아지 레닛과 주로 균류에서 추출한 미생물 레닛입니다. 무코르 미에헤이, 미디엄. 고름, 또는 엔도시아 기생충. 이 균류는 우유 응고 특성, 열 및 pH 안정성에서 약간의 차이가 있는 키모신을 생성할 뿐만 아니라 송아지 공급원의 키모신과 다른 응고/단백질 분해 비율을 생성합니다. 따라서 고품질 치즈 생산에 사용하기 위한 송아지 레닛과 유사한 키모신에 대한 수요가 존재합니다. 송아지 레닛 키모신의 미생물 생산 기회로 인해 여러 회사는 송아지 위 mRNA에서 파생된 cDNA 라이브러리에서 키모신 유전자를 복제하고 다양한 숙주 유기체에서 이종 유전자의 발현을 달성하는 전략을 개발하게 되었습니다(그림 2). 생체 내에서 키모신은 프리프로키모신으로 생성되며, 이는 자이모겐인 프로키모신으로 분비됩니다. 낮은 pH 용액에서 프로키모신은 자가촉매적으로 키모신으로 절단됩니다(McGuire, 1986).

그림 2

유전자 조작된 키모신 생산.

대장균 대장균-생산된 키모신에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다(Pitcher, 1986). 효소는 세포질에 축적되어 활성 효소를 유도하는 데 비용이 많이 들고 수율이 낮은 공정이 필요합니다. 두 가지 대체 숙주 시스템이 사용되었습니다: 소위 슈퍼분비 인자 효모 균주(Collaborative Research, Inc.에서 사용) 및 사상 진균(Genencor, Inc.에서 사용). Genencor의 전략 아스페르길루스 소 키모신의 생산(Heyneker et al., 1986 W.H. Pitcher, Genencor, Personal communication, 1986)은 이종 유전자 구조의 사용을 포함했습니다. NS. 니둘란 유전자 산물을 분비하는 형질전환체.

플라스미드 구조는 NS. 니제르 글루오아밀라아제 유전자는 글루코아밀라아제 종결자로 소 프로키모신 또는 프리프로키모신 cDNA에 결합됩니다. NS. 니둘란 형질전환체는 분자량 및 비활성에서 진정한 소 키모신과 유사한 키모신을 분비하였다. 이러한 키모신 제제를 사용한 치즈 실험이 평가되고 있습니다(Pitcher, 1986). 따라서 송아지 레닛과 유사한 키모신의 상업적 생산은 기술적으로 실현 가능한 것으로 보입니다.

식품 산업을 위한 효소 생산에 유전 공학을 적용하는 다른 응용 프로그램은 다음과 같습니다. 저칼로리 맥주 생산에서 탄수화물 대사를 촉진하기 위해 보리 및 탄수화물과 함께 사용될 때 맥아 대용품으로 사용됩니다.


효소 산업 생산(응용 프로그램 포함) | 생명공학

아밀라아제, 글루코오스 이소머라아제, 펙티나아제, 리파아제, 셀룰라아제 및 프로테아제의 산업적 생산이 이 기사에서 설명됩니다.

1. 아밀라아제 :

아밀라아제는 전분 및 글리코겐과 같은 다당류를 포도당으로 가수분해하는 효소의 복잡한 그룹입니다. 1,4-글리코사이드의 가수분해 동안, 상기 다당류에 존재하는 결합이 분해되어 먼저 짧은 사슬 덱스트린이 형성되고, 그 다음에는 말토스와 포도당이 형성됩니다. 전분을 포도당으로 분해하는 데 관여하는 다양한 효소가 그림 8.3에 나와 있고 표 8.2a에 자세히 나와 있습니다.

주로 다음과 같은 두 그룹의 아밀라아제가 있습니다.

1. α-아밀로스 – α-아밀라아제는 1,4 – α – 글루칸 – 글루카노 가수분해효소라고도 합니다. 세포외 효소는 1,4 – 글리코시드 결합을 가수분해합니다. 이 효소는 분자 내부의 기질을 무작위로 분할하기 때문에 내효소라고도 합니다. 반면에,

2. β-amylose – β-amylase는 분자의 한쪽 끝에서 기질을 연속적으로 분리합니다.

모든 교대 1, 4 글리코시드 결합에서 말토오스를 방출합니다. 이러한 효소를 엑소 아밀라아제라고도 합니다. 전분 분해에 관여하는 다른 효소로는 아밀로글리코시다제(Aspergilus niger 및 Rhizopus niveus), 이소아밀라제 및 풀루라나제(Klebsiella pneumoniae 및 Bacillus acidopullulyticus)가 있습니다. 다양한 α-아밀로스의 분자량은 크게 다르지 않으며(표 8.3) 안정제로 칼슘이 필요합니다.

α-아밀라아제는 많은 박테리아와 곰팡이에 의해 분비됩니다.

다음 항목에 따라 분류됩니다.

1. 전분액화 또는 당화작용

Saccharogenic amylase는 유리당(β-amylose and glucoamylase)을 생성하는 반면, 전분-액화 아밀로오스(α-amylose)는 전분 중합체를 분해하지만 유리당을 생성하지 않습니다.

α-아밀라아제를 생산하는 박테리아는 Bacillus subtilis, B. cereus, B. amyloliquefaciens, B. coagulans, B. polymyxa, B. stearothermophilus, B. caldolyticus, B. acidocaldarius, B. subtilis amylosaccharaticus, B. licheniformis입니다. Lactobacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Arthrobacter, Escherichia, Proteus, Thermomonospora 및 Serratia의. 일부 α-아밀라아제 생성 균류는 Aspergillus, Penicillium, Cephalosporium, Mucor, Candida, Neurospora 및 Rhizopus의 종입니다.

위의 모든 세균 및 곰팡이는 α-아밀라아제를 생산할 수 있지만 발효 과정을 통해 상업적으로 α-아밀라아제를 생산하는 가장 중요한 것은 Bacillus amyloliquefaciens, B. licheniformis 및 Aspergillus oryzae입니다. 그러나 Bacillus는 Aspergillus보다 훨씬 광범위하게 사용됩니다. 이 두 효소의 가장 중요한 응용 분야는 표 8.4에 나와 있습니다.

곰팡이 α -아밀라아제:

진균 α-아밀라아제는 Aspergillus oryzae 또는 Aspergillus niger를 사용하여 상업적으로 생산됩니다. A. oryzae를 사용하는 경우에는 고정식 배양법을 사용하고 Aspergillus niger를 사용하는 경우에는 침지 배양법을 사용합니다.

침지 배양 방법의 과정은 여기에서만 설명됩니다.

(a) 접종물의 제조:

Suitable and pure seed culture is generally selected as inoculum. In certain cases mutants capable of giving higher yield are selected as inoculum.

(NS) Preparation of Medium:

The following medium is generally employed for submerged fermentation:

Amylase biosynthesis is inhibited when there is glucose in the medium. The medium is steam sterilized. The sterilized medium is passed into a production fermenter for α-amylase production.

(씨) Fermentation Process:

A cylindrical fermenter made up of stainless steel is generally used in the fermentation process. It is equipped with an agitator, an aerating device, a cooling system and other ancillary equipment like a device for foam control, monitoring of pH, temperature and control of oxygen tension etc.

A sufficient quantity of pre-sterilized production medium is taken in the fermenter and is inoculated with spores of the selected species of the fungus. The spores are allowed to germinate and produce sufficient mycelium by controlling the fermentation conditions. Control of fermentation conditions plays a vital role in the success of the process, which include pH, temperature, aeration, agitation, oxygen supply etc.

The optimum pH for the fermentation is 7.0. Calcium carbonate is used as buffer to maintain pH. The fermentation process is generally operated at a temperature of 30 to 40°C. Aeration and agitation of the production medium is needed because of high viscosity of the medium due to the presence of mycelial mat.

(NS) Harvest and Recovery:

The following steps are followed during the recovery of the enzyme after the completion of fermentation. In order to avoid denaturation of the enzyme, the fermentation broth is subjected to rapid cooling at 5°C temperature immediately and the enzyme is extracted.

1. Separation of fungal mycelium is accomplished by filtration of the refrigerated broth.

2. The suspended particles present in the broth are removed with flocculating agents like calcium phosphate.

3. The enzyme is precipitated, in order to get high degree of purity, by using acetone or alcohol or even inorganic salts like ammonium sulphate or sodium sulphate.

4. Sometimes fractional precipitation of the enzyme is done to obtain it in purest form.

세균 α -Amylase:

Bacterial α -amylase is produced by Bacillus subtilis or B. amyloliquefaciens or B. licheniformis. For industrial production of bacterial α -amylase, nowadays submerged culture method is generally employed in many countries.

(a) Preparation of Inoculum:

Pure culture of any of the above-mentioned species of Bacillus is selected as inoculum. Mutants which produce 250 times greater yields than the wild strain are preferred as inoculum.

(b) Preparation of Medium:

The formulation of the production medium and control of fermentation conditions play a major role in the success of enzyme fermentations. The production medium should basically contain an energy source, a carbon source, a nitrogen source and growth requirements such as essential amino acids or vitamins. For obtaining high yields of enzyme, the production medium should also contain certain inducers like lactose.

Sometimes certain compounds like glucose present in the production medium act as repressor for certain enzymes like α-amylase. In such conditions either the concentration of glucose should be kept low or it should be fed intermittently.

The following production medium is generally employed in a submerged culture method (Table 8.5).

(c) Fermentation Process:

The type of fermenter that is used for fungal α-amylase is also used for bacterial α-amylase production. About 1000 to 30,000 gallons of production medium is taken in the fermenter and inoculated. The fermentation is continued upto 4-6 days. The pH of the medium is maintained at 7.0.

Calcium carbonate is used as a buffer for maintaining neutral pH. The temperature is maintained at 30-40°C. The production of α-amylase starts when the bacterial density reaches 10 9 -10 10 cells ml -1 . However, the enzyme production increases just before the growth rate of the microorganism decreases and spore formation begins.

(d) Harvest and Recovery:

Bacterial α-amylase is harvested and recovered by the same method that is used for the recovery of fungal α-amylase. The most active liquid enzyme preparation contains 2% amylase protein and solid preparation contains 5% amylase proteins. Flow sheet for production of α-amylase is shown in Fig. 8.4.

2. Proteases:

Proteases, second most important industrial enzymes, are produced about 500 tons per year. Proteases are primarily used in detergent, dairy, leather firms, pharmaceutical industries, the manufactured protein hydrolysates, food industry and waste processing.

Proteases are commercially produced both by fungi and bacteria based on optimum pH for their activity. They can be grouped into alkaline, neutral and acid proteases and other groups (table 8.6).

Most bacteria and some fungi excrete alkaline proteases. The most important producers of alkaline protease producers are Bacillus licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. firmus, B. megaterium and B. pumilus species of Streptomyces such as S. fradiae, S. griseus and S. rectus. Some fungi like Aspergillus niger, A. sojae, A. oryzae, and A. flavus. Proteases of this type have many features of value for use as detergent enzymes. These enzymes are stable at high temperature, at alkaline range of pH (9.0 – 11.0), in association with chelating agents and perborates.

However, their stability is low in the presence of surface active agents resulting in the limited self-life. Subtilisin Carlsberg from B. licheniformis, subtilisin BPN and subtilisin NOVO from B. amyloliqui-faciens are some of the examples of this type of enzymes. These enzymes contain serine at the active site of the molecules and are not inhibited by EDTA (Ethylene diamine tetracetic acid) but are inhibited by DFP (diisopropyl fluorophosphate).

Screening for isolation of microorganisms with better production is done by using strongly basic protein media at pH 10. As most of the wild strains are with low yield and insufficient for industrial utilization, improvement of strain is being done through genetic engineering. Protein engineering has been used to develop modified Bacillus subtilopeptidase with altered amino acid sequences, corresponding changes in enzymatic properties such as substrate specificity, pH optimum and stability to bleaching agents.

Protease production occurs in shaken flasks and small fermenters or in a production fermenter of 40-100 ml capacity at 30-37°C. Production of extracellular proteases is chiefly regulated by the medium composition. The fed-batch process is generally used in order to keep down the concentration of ammonia ions and amino acids which otherwise may repress protease production. High O2 partial pressure is generally necessary for proteases titres, aeration rates are 1 V m -1 and incubation time of 48-72 hrs depending on the organism.

Proteases must be converted into particulate form before they are added to detergents since if dry enzyme powder is inhaled by production workers or users, allergic reaction may result. Enzyme is marketed in a microencapsulated form. To make a suitable encapsulated product, a wet paste of enzyme is melted at 50-70°C with hydrophobic substance such as polyethyl- eneglycol and then converted into tiny particles. These solidified spherical particles are not hazardous when added directly to the detergent. Immobilization in fibrous polymer is another development.

These proteases are excreted by Bacillus subtilis, B. cereus, B. megaterium, Pseudomonas aeruginosa, Streptomyces griseus, Aspergillus oryzae, A. sojae and Pyricularia oryzae.

Neutral proteases are relatively unstable.

Calcium and sodium chloride must be added for maximal stability. The pH range of activity is narrow and unstable to increased temperature. These are also quickly inactivated by alkaline proteases which is probably the reason for their restricted industrial application. However, they are used in leather industry and in food industry for manufacture of crackers, bread and rolls.

(iii) Acid Proteases:

These include renin like proteases from fungi which are chiefly used in cheese production. These enzymes have optimum pH 2-4 and used in medicine, in the digestion of soya protein for soya sauce production and to breakdown wheat gluten in the bakery industry.

Milk coagulating enzyme in fourth chamber of 3-4 weeks old calves stomach which is being exploited in cheese production. Due to increased production of cheese and decline in the number of slaughtered calves intensive research has been carried out since 1960 to develop rennin products of microbial origin. A variety of fungi and bacteria have been isolated as producers.

It has also been examined for required characteristics.

Alcaligenes, Bacillus, Corynebacterium, Lactobacillus, Pseudomonas, Serratia and Streptococcus are some of the bacteria that have exhibited potential of rennin production. Similarly species of Aspergillus, Candida, Coriolus, Endothia, Entomophthora, Irpex, Mucor, Penicillium, Rhizopus, Sclerotium and Torulopsis are also reported to produce rennin.

Mucor pusilus var. lindt for solid substrate culture, while Endothia parasitica and Mucor miehei produce this enzyme in submerged culture. Rennin produced by Endothia parastica was first rennin marketed commercially in 1967. The enzyme is an acid protease stable at pH 4.0-5.5 with a molecular weight of 34,000 – 37,500 daltons and is produced in a medium containing 3% soyameal, 1% glucose, 1% skim milk, 0.3% NaNO3, 0.05% K2HPO4,0.025%, MgSO4.7H2O, pH 6.8, at 25°C incubation temperature. At the end of 48 hrs incubation period, mycelium is separated and broth which contains enzyme is concentrated and precipitated in an evaporation process.

Similarly Mucor miehei also produces rennin in a medium containing potato starch 4%, soyameal 3%, ground barley 10%, CaCO3 0.5%, pH 5.5, 5-6 d incubation period at an incubation temperature of 40°C. Microbial renins are stable at high temperature and remain active in the curd after precipitation and subsequently causing harmful proteolysis. Therefore, complementary cDNA from calf renin is transferred into E. coli making possible the first commercial production of the calf rennin by a microorganism.

Proteases are employed in variety of fields such as:

1. Biological detergents — alkaline protease

2. Baking—dough modification/gluten weakening and flour improvement

3. Beer brewing —chill proofing of beer to remove protein haze

4. Leather bailing and tendering

5. Cheese manufacture — clotting of milk protein and promotion of ripening aspartic protease, calf chymopsin, aminopeptidase etc.

6. Meat tenderization and removal of meat from bones

7. Flavour control and production in food products

8. Waste treatment- treatment of silver from spent photographic film.

3. Pectinases :

Pectinase is an enzyme complex which contains atleast six enzymes splitting pectins at different sites of the molecule. The basic structure of pectin is α 1,4 linked galacturanic acid with upto 95% its carboxyl groups esterified with methanol. Pectinases are classified according to their attack on the point of molecule (table 8.7).

The methyl ester is split by pectinesterase and the glycosidic bonds of pectin or pectic acid, and chain are split by hydrolysis with endo- polygalacturonase or exo-polygalacturonase. Another method of splitting is transelimination by means of exo-pectate lyase or endopectate lyase or exo-and endo-pectin lyase.

Commercial production of pectinases is carried out by using Aspergillus niger or A. wentii and also species of Rhizopus either as surface or submerged fermentation in a medium containing 2% sucrose and 2% pectin in a fed batch system. The pH is adjusted to 3.0 to 4.0 and incubation temperature 37°C and incubation period upto 60-80 hrs. The enzyme is purified by separating mycelium, by filtration or centrifugation, stabilizing agents are added. The enzyme is precipitated with organic solvents and crude protein is dried and used as enzyme.

Pectinases are used primarily for clarification of fruit juices, for maceration of vegetable and fruits, for extraction of oil. By treating with pectinase, the yield of fruit juice during pressing is considerably increased. These are also used in wine classification and coffee bean fermentation.

4. Lipases :

Lipases (glycerolesterhydrolases) split fats (glycerolesters) into di-or monoglycerides and fatty acids (Fig 8.5).

These are usually extracellular. Most of lipases are produced adaptively in the presence of oils and fats. However, some organisms like Penicillium roqueforti are reported to secrete lipase constitutively and in the presence of fats its enzymes production is repressed. Species of Aspergillus, Mucor, Rhizopus, Penicillium, Geotrichum and yeasts (Torulopsis and Candida) are reported to be good producers.

Similarly species of Pseudomonas, Achromobacter and Staphylococcus are good producers of lipases. Lipases are generally bound to the cells and hence inhibit on over production, but addition of cation such as magnesium ion liberates the lipase and leads to a higher enzyme titer in the production process.

Lipases are primarily marketed for therapeutic purpose as digestive enzymes to supplement pancreatic lipases. These enzymes are used in dairy industry. The cheese ripening process involves lipases. Lipases from Candida cylindraceae is used to hydrolyse oil in soap industry. These are useful in the synthesis of esters from acids and alcohols in non-aqueous medium. Products of interesterification catalyzed by α 1, 3 – regiospecific lipase are illustrated in Fig. 8.6.

These are also useful in improvement of fat quality by inter-esterification (exchange of one fatty acid by another in ester bond) lipases are useful in removal of fat in leather processing. These enzymes are also useful in production of flavour compounds and acceleration of ripening in dairy and meat products.

5. Cellulases :

Cellulases are the enzymes which degrade cellulose into fermentable sugars. Although cellulose is available abundantly on the earth in the form of natural plant resources like fallen leaves, flowers, fruits, broken stems, branches and waste wood, it is mixed with substances such as lignin, hemicellulose, starch, proteins etc. (Table 8.8, Fig. 8.7).

All these material are to be treated physically or chemically to breakdown cellulose into fermentable sugars. This breakdown process is called as pretreatment. The pretreatment may be done either chemically or enzymatically. In the second process cellulose enzymes are used to breakdown cellulose into simpler fermentable sugars (Table 8.9).

Most of these enzymes are excreted out by certain microorganisms which include both bacteria and fungi. Such enzymes are called extracellular enzymes. The bacteria include actinomycetes and Cellulomonas and fungi include species of Trichoderma, Penicillium, Thermoascus, Sporotrichum and Humicola. However, for commercial production of cellulases Trichoderma viride, T. reesei, T. koningii, Penicillium funiculosum, P. enersonii, Aureobasidium pullulans, Sporotrichum and pulverulenium are generally employed.

Cellulase is an enzyme complex containing at least three enzymes (table 8.9 and Fig. 8.8):

1. Exo- β-1, 4 glucanase, also called as cellobiodhydrolase or C.

2. Endo-β 1, 4-glucanase also called as carboxymethyl cellulase or endocellulase (Cx).

3. β-1, 4 glucosidase or cellobiase.

Fermentation Production:

The fungus Trichoderma viride is usually used for the commercial production of cellulose. Inoculum of the fungus is raised from pure or mutant culture of Trichoderma viride GM 9414 by a process of repeated sub-culturing. Large fermenters of stainless steel are employed for fermentative production of celluloses.

The production medium consists of the following ingredients:

The fermentation is carried out at 30°C for about 140 hours. Maximum fungal growth occurs under these conditions resulting in the maximum yield of the cellulose. However, the yield of enzyme is dependent upon the cellulose concentration (Fig. 8.6). After the completion of the fermentative process the products recovered from the fermenter and the fungal mycelium is separated by filtration. Afterwards purification of the enzyme was carried out using ion exchangers.

1. Fruit juice and olive production and processing.

2. Wine and beer production and processing.

3. Malting-speedy modification of grains.

4. Textile processing-bio polishing of cellulose fibers.

6. Glucose Isomerase :

Glucose isomerase causes the isomerization of glucose to fructose. The reaction is reversible and a mixture of glucose and fructose is produced. The ratio of these products depends on the enzyme used and reaction conditions such as incubation time, pH and temperature. The enzyme has become of commercial value because price of sugar has increased as compared to that of starch.

In U.S. about 4 × 10 6 tons of isosyrup is being produced, while in Germany 10,000-12,000 tons per year. Starch can be converted to glucose by either acid hydrolysis or enzyme hydrolysis (Fig. 8.9).

The advantage of starch hydrolysis over direct sugar production (sugar beets) is that initial materials used such as wheat, corn, cassava and to some extent potatoes are non- perishable, but sugar beets are available only 100 days per year.

Glucose has 70-75%, the sweetening strength of beet sugar (sucrose) but β-D-fructose pyranose (fructose), the sweetest monosaccharide has twice the sweetening strength of sucrose. Thus, processes for the manufacture of fructose are of considerable value. Fructose can be produced biochemically from sucrose or starch by isomerase, glucose production (Fig. 8.10 a and b).

Fructose can also be produced chemically from glucose at high temperature under alkaline conditions but byproducts are formed such as psicose which cannot be metabolized in the human body. Thus chemical production of fructose is not acceptable to the food industry.

Fermentative Production:

Glucose isomerase is used in production of high fructose syrup (HFCs) or isosyrup must fulfill the following criteria:

1. Low pH optimum to avoid side reactions.

3. High temperature optima.

Some of the microorganisms producing glucose isomerase are listed in table 8.10.

Practical conversion yields are in the range of 40-50% where fructose concentration can be increased to 55% by chromatographic enrichment. Alternatively the fructose can now be separated from glucose (+) fructose mixture and the remaining glucose fraction isomerzed to produce a final combined product containing upto 80% fructose. HFCs from corn starch is cheaper than from sucrose but have same intensity of sweetening.

Consequently they have become major food ingredients particularly in North America and annual production of HFCs is now in excess of 8 × 10 9 kg. Some of the bacteria such as Escherichia intermedia, E. freudii and Aerobacter aerogenes can produce isomerase. Though they are able to produce glucose isomerase which is variant and requires arsenium for its activity, hence it cannot be used in food production.

The commercial process for production of fructose (Fig. 8.11) from glucose became feasible only when procedures for immobilization of the enzyme were developed (Fig. 8.12).

Since, glucose isomerase is formed intracellularly in most strains many commercial processes are carried out with immobilized cells or by addition of partly broken cells. Commercial production of glucose isomerase along with producing organism and industry are listed in table 8.11.


저자 소개

'. The quality. is so great that there is no hesitation in recommending it as ideal reading for any student requiring an introduction to enzymes. . Enzymes in Industry - should command a place in any library, industrial or academic, where it will be frequently used.'
The Genetic Engineer and Biotechnologist

'Enzymes in Industry' is an excellent introduction into the field of applied enzymology for the reader who is not familiar with the subject. . offers a broad overview of the use of enzymes in industrial applications. It is up-to-date and remarkable easy to read, despite the fact that almost 50 different authors contributed. The scientist involved in enzyme work should have this book in his or her library. But it will also be of great value to the marketing expert interested in the present use of enzymes and their future in food and nonfood applications.'
Angewandte Chemie

'This book should be available to all of those working with, or aspiring to work with, enzymes. In particular academics should use this volume as a source book to ensure that their 'new' projects will not 'reinvent the wheel'.'
Journal of Chemical Technology and Biotechnology


Industrial Applications of Thermostable Enzymes from Extremophilic Microorganisms

저자: Nasser E. Ibrahim, Department of Biology, University of Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1,, Canada Kesen Ma* Department of Biology, University of Waterloo, 200 University Avenue West, Waterloo, ON N2L 3G1, Canada

입회:

Journal Name: Current Biochemical Engineering

Volume 4 , Issue 2 , 2017




Graphical Abstract:

추상적 인:

Background: Enzymes are biomolecules functioning as catalysts accelerating the speed of specific reactions. Increasing global population, lifestyle trends, biofuels and chemical/pharmaceutical applications have positive impacts on global demand for new industrial enzymes. The global market of enzymes has been growing, which is estimated in 2015 to be about 3.7 billion USD with a 10% expansion.

Objectives: In this review, we discuss the thermophilic and hyperthermophilic enzymes with respect to their sources, applications, and methods for improvement. Prospective enzymes that have potential industrial applications and industries that need new candidate thermophilic enzymes will also be presented.

Results: Research, reports and online contents related to industrial enzymes are reviewed. Industrial enzymes have many applications such as detergent, food, animal feed, cosmetics, biofuel, medication, pharmaceuticals, technical use, and tools for research and development. Commercially available microbial enzymes are about 200 out of almost 4,000 enzymes known. The recent increase in the global environmental awareness requires industry with environmentally friendly conditions and as-low-aspossible energy consumption, which shed light on the benefits of using enzymes. Microorganisms are major sources for industrial enzymes, especially thermophilic and hyperthermophilic microbes. Thermostable enzymes have many desirable characteristics such as thermostability, wide range of pH tolerance and resistance to organic solvents, which make them superior for industrial applications.

Conclusion: Thermophilic and hyperthermophilic enzymes represent a superior source for industrial applications. More efforts are needed for increasing the implementation of thermophilic and hyperthermophilic enzymes in industries, and screening for new enzymes from different sources and creating new methods for harnessing these enzymes for more industrial applications.

Current Biochemical Engineering

제목:Industrial Applications of Thermostable Enzymes from Extremophilic Microorganisms

용량: 4 문제: 2

저자:Nasser E. Ibrahim and Kesen Ma*

입회:Department of Biology, University of Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1,, Department of Biology, University of Waterloo, 200 University Avenue West, Waterloo, ON N2L 3G1

추상적 인:Background: Enzymes are biomolecules functioning as catalysts accelerating the speed of specific reactions. Increasing global population, lifestyle trends, biofuels and chemical/pharmaceutical applications have positive impacts on global demand for new industrial enzymes. The global market of enzymes has been growing, which is estimated in 2015 to be about 3.7 billion USD with a 10% expansion.

Objectives: In this review, we discuss the thermophilic and hyperthermophilic enzymes with respect to their sources, applications, and methods for improvement. Prospective enzymes that have potential industrial applications and industries that need new candidate thermophilic enzymes will also be presented.

Results: Research, reports and online contents related to industrial enzymes are reviewed. Industrial enzymes have many applications such as detergent, food, animal feed, cosmetics, biofuel, medication, pharmaceuticals, technical use, and tools for research and development. Commercially available microbial enzymes are about 200 out of almost 4,000 enzymes known. The recent increase in the global environmental awareness requires industry with environmentally friendly conditions and as-low-aspossible energy consumption, which shed light on the benefits of using enzymes. Microorganisms are major sources for industrial enzymes, especially thermophilic and hyperthermophilic microbes. Thermostable enzymes have many desirable characteristics such as thermostability, wide range of pH tolerance and resistance to organic solvents, which make them superior for industrial applications.

Conclusion: Thermophilic and hyperthermophilic enzymes represent a superior source for industrial applications. More efforts are needed for increasing the implementation of thermophilic and hyperthermophilic enzymes in industries, and screening for new enzymes from different sources and creating new methods for harnessing these enzymes for more industrial applications.


Biotechnological and Industrial Applications of Enzymes Produced by Extremophilic Bacteria. A Mini Review

How to cite: Dumorné, K. Biotechnological and Industrial Applications of Enzymes Produced by Extremophilic Bacteria. A Mini Review. 사전 인쇄 2018, 2018010198 (doi: 10.20944/preprints201801.0198.v1). Dumorné, K. Biotechnological and Industrial Applications of Enzymes Produced by Extremophilic Bacteria. A Mini Review. Preprints 2018, 2018010198 (doi: 10.20944/preprints201801.0198.v1). Copy

Cite as:

Dumorné, K. Biotechnological and Industrial Applications of Enzymes Produced by Extremophilic Bacteria. A Mini Review. 사전 인쇄 2018, 2018010198 (doi: 10.20944/preprints201801.0198.v1). Dumorné, K. Biotechnological and Industrial Applications of Enzymes Produced by Extremophilic Bacteria. A Mini Review. Preprints 2018, 2018010198 (doi: 10.20944/preprints201801.0198.v1). Copy


Literature about industrial enzyme application - Biology

기사 요약:

Enzymes- An Introduction

Enzymes are amino acid polymers whose structures derive their definition from the genetic code stored in the DNA that determines the amino acid sequence of a protein, which defines the primary structure of the protein. This primary structure aids in directing the protein self-assemble into three structures namely secondary, tertiary, and quaternary, which are responsible for the three-dimensional, active protein conformation. This self- assembly process is called "protein folding" and brings all the amino acids of the protein polymer together so that a catalytic active center is formed.

Enzymes function as stereospecific catalysts to form the cell system all the while acting as mediators for all chemical reactions occurring in the living system. Enzymes along with other proteins aid in repair, duplication, and information expression in a cell's DNA.

Enzymes hydrolyze proteins and other polysaccharides and also serve as biocatalysts in many chemical reactions. Enzymes have been of primary importance since the nineteenth century serving as powerful biocatalysts in cell metabolic pathways.

Enzymes in Systems Biology

Metabolic engineering analyzes protein overexpression or the up and down regulation of proteins, which achieves catalytic activity to enhance the substrate flow to form the desired end product. Metabolic pathways in microorganisms help in identifying a weak or missing link between the substrate and the end product and could potentially lead to genes insertion, which generates an enzyme pathway or a missing enzyme, when expressed.

A good example is the xylose kinase gene insertion into yeast or into E.coli to generate organisms that are capable of fermenting glucose and xylose to ethanol. This process increases the ethanol yield from crops, grass, or trees by 50 percent.

Alternatively, substrate carbon can be directed to the specific product by eliminating or blocking metabolic pathways, which direct certain substrates to other products. A good example is a bacterium, which produces two organic acid types, namely acetate and lactate-- where only one is the desired end product. Knocking out acetate pathway leads to more lactate or vice versa.

Enzyme progress in biotechnology has resulted in gene shuffling, which achieved success in random. Recombinant techniques were used to randomly cut and recombined genes. Under specific growth conditions, microbial cells that contained the shuffled genes were selected, propagated, and then altered. This cycle is repeated until the desired product is obtained. Enzymes and gene shuffling, under the direction of a scientist, have resulted in an evolution with potential economic advantages hence the process became to be known as directe evolution.

Enzymes and Industrial Applications

Industrial enzymes are derived from microorganisms. Before the concept of molecular biology evolved, the DNA of microorganisms was altered randomly by treating the microbes with mutagens or radiation. This process hoped to isolate survivors with enhanced propensity to produce the desired end product. One such example includes: the

Rut C30 strain of the fungi Trichoderma reesei was generated in this manner by cellulose hydrolysis to produce cellulases. Once molecular biology took shape, microorganisms were altered genetically to produce proteins. Also, enzymes with special activities were obtained either by biocatalysis combination or site-directed mutagenesis.

In in vivo process, enzymes catalyze a series of reactions predominantly in an aqueous environment. Reversibility is exhibited in major portions of the reactions. reactions are primarily directed to the specific products for industrial applications by growing microorganisms so that the environmental conditions and metabolic pathways direct intermediates flux to the desired end product. This is either achieved by a gene modification in the organism to add an enzyme pathway or a missing enzyme or by enhancing the activity of an enzyme present in the microbe.

In in vitro process, the catalysis of soluble enzymes occurs in both aqueous and non-aqueous environments for important industrial reactions. Industrial enzymes are used either in an immobilized or soluble form. In heterogeneous reactions, soluble enzymes are used in a batch reactor. Example include: lipases and proteases in laundry detergents-- where laundry acts as a solid matrix-- and in cheese making--where colloidal proteins are modified by proteases to form a solid. In homogenous reactions, immobilized enzymes are used. Example includes the glucose isomerization to fructose.

Enzymes, especially immobilized enzymes, have achieved a 40 million worldwide sale till date. Immobilized enzymes that contain fumarase, penicillin acylase, and β-galactosidase

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Industrial Applications of Thermostable Enzymes from Extremophilic Microorganisms

저자: Nasser E. Ibrahim, Department of Biology, University of Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1,, Canada Kesen Ma* Department of Biology, University of Waterloo, 200 University Avenue West, Waterloo, ON N2L 3G1, Canada

입회:

Journal Name: Current Biochemical Engineering

Volume 4 , Issue 2 , 2017




Graphical Abstract:

추상적 인:

Background: Enzymes are biomolecules functioning as catalysts accelerating the speed of specific reactions. Increasing global population, lifestyle trends, biofuels and chemical/pharmaceutical applications have positive impacts on global demand for new industrial enzymes. The global market of enzymes has been growing, which is estimated in 2015 to be about 3.7 billion USD with a 10% expansion.

Objectives: In this review, we discuss the thermophilic and hyperthermophilic enzymes with respect to their sources, applications, and methods for improvement. Prospective enzymes that have potential industrial applications and industries that need new candidate thermophilic enzymes will also be presented.

Results: Research, reports and online contents related to industrial enzymes are reviewed. Industrial enzymes have many applications such as detergent, food, animal feed, cosmetics, biofuel, medication, pharmaceuticals, technical use, and tools for research and development. Commercially available microbial enzymes are about 200 out of almost 4,000 enzymes known. The recent increase in the global environmental awareness requires industry with environmentally friendly conditions and as-low-aspossible energy consumption, which shed light on the benefits of using enzymes. Microorganisms are major sources for industrial enzymes, especially thermophilic and hyperthermophilic microbes. Thermostable enzymes have many desirable characteristics such as thermostability, wide range of pH tolerance and resistance to organic solvents, which make them superior for industrial applications.

Conclusion: Thermophilic and hyperthermophilic enzymes represent a superior source for industrial applications. More efforts are needed for increasing the implementation of thermophilic and hyperthermophilic enzymes in industries, and screening for new enzymes from different sources and creating new methods for harnessing these enzymes for more industrial applications.

Current Biochemical Engineering

제목:Industrial Applications of Thermostable Enzymes from Extremophilic Microorganisms

용량: 4 문제: 2

저자:Nasser E. Ibrahim and Kesen Ma*

입회:Department of Biology, University of Waterloo, Waterloo, ON N2L 3G1,, Department of Biology, University of Waterloo, 200 University Avenue West, Waterloo, ON N2L 3G1

추상적 인:Background: Enzymes are biomolecules functioning as catalysts accelerating the speed of specific reactions. Increasing global population, lifestyle trends, biofuels and chemical/pharmaceutical applications have positive impacts on global demand for new industrial enzymes. The global market of enzymes has been growing, which is estimated in 2015 to be about 3.7 billion USD with a 10% expansion.

Objectives: In this review, we discuss the thermophilic and hyperthermophilic enzymes with respect to their sources, applications, and methods for improvement. Prospective enzymes that have potential industrial applications and industries that need new candidate thermophilic enzymes will also be presented.

Results: Research, reports and online contents related to industrial enzymes are reviewed. Industrial enzymes have many applications such as detergent, food, animal feed, cosmetics, biofuel, medication, pharmaceuticals, technical use, and tools for research and development. Commercially available microbial enzymes are about 200 out of almost 4,000 enzymes known. The recent increase in the global environmental awareness requires industry with environmentally friendly conditions and as-low-aspossible energy consumption, which shed light on the benefits of using enzymes. Microorganisms are major sources for industrial enzymes, especially thermophilic and hyperthermophilic microbes. Thermostable enzymes have many desirable characteristics such as thermostability, wide range of pH tolerance and resistance to organic solvents, which make them superior for industrial applications.

Conclusion: Thermophilic and hyperthermophilic enzymes represent a superior source for industrial applications. More efforts are needed for increasing the implementation of thermophilic and hyperthermophilic enzymes in industries, and screening for new enzymes from different sources and creating new methods for harnessing these enzymes for more industrial applications.


Literature about industrial enzyme application - Biology

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코멘트:

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