В современной промышленной системе существует «невидимый помощник», тихо меняющий традиционный способ производства — это промышленные ферменты. Являясь ферментными препаратами, извлеченными из микроорганизмов (бактерий, грибов и т. д.), животных и растений, или произведенными с помощью технологии генной инженерии, промышленные ферменты проникли в десятки областей, таких как пищевая промышленность, текстильная печать и крашение, биомедицина и производство энергии, благодаря своей высокой эффективности, экологичности и специфичности, став ключевой силой в продвижении промышленной «зеленой трансформации» и «повышения эффективности». По сравнению с ферментами в лаборатории или человеческом теле, промышленные ферменты были специально отобраны и модифицированы, чтобы выдерживать более высокие температуры, более широкий диапазон pH и сложные промышленные условия, действительно достигая «адаптации к промышленному применению».
Производство промышленных ферментов не зависит от прямого извлечения тканей животных и растений (высокая стоимость, низкий выход), а скорее от микробной ферментации в качестве основной технологии, в сочетании с оптимизацией генной инженерии, для достижения крупномасштабного и недорогого производства. Основные пути получения делятся на две категории:
Естественный отбор: поиск экспертов из экстремальных сред
Микроорганизмы в природе — это «естественная сокровищница» промышленных ферментов. Ученые будут изолировать микроорганизмы из экстремальных сред, таких как вулканические кратеры, глубоководные горячие источники и солончаковые земли — микроорганизмы в этих средах будут синтезировать ферменты, устойчивые к высоким температурам, кислотам и щелочам, чтобы адаптироваться к суровым условиям.
- Например, высокотемпературная альфа-амилаза, извлеченная из термофильных бактерий, может стабильно работать при высоких температурах 90-110 ℃ и может быть непосредственно использована для обработки крахмала без необходимости охлаждения;
- Щелочная протеаза, выделенная из щелочеустойчивых бактерий, может поддерживать стабильную активность в щелочных средах с pH 9-11 и идеально подходит для таких сценариев, как стиральный порошок, текстильная печать и крашение.
Генная инженерия: настройка суперспособностей для ферментов
С развитием биотехнологий «генетически модифицированные ферменты» стали основным направлением промышленных ферментов. С помощью таких методов, как клонирование генов и сайт-направленный мутагенез, ученые могут модифицировать последовательность генов ферментов, чтобы придать им лучшие свойства.
- Например, перенос генов грибной целлюлазы в дрожжи может увеличить секрецию ферментов;
- Мутация активного центра липазы может сделать ее более эффективной при разложении промышленных отработанных масел;
- Даже можно сконструировать «слитые ферменты», позволяющие одному ферменту обладать двумя каталитическими функциями одновременно (например, одновременно разлагать крахмал и белок), значительно упрощая производственный процесс.
В настоящее время более 70% промышленных ферментов во всем мире являются продуктами генной инженерии, с выходом в 10-100 раз выше, чем у ферментов, отобранных естественным путем, и снижением затрат более чем на 60%.
Ваше сообщение должно содержать от 20 до 3000 символов!
