เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพที่มีบทบาทสำคัญในทุกขั้นตอนของการเผาผลาญและปฏิกิริยาทางชีวเคมี สิ่งเหล่านี้เป็นที่สนใจเป็นพิเศษและถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ในกระบวนการระดับอุตสาหกรรมจำนวนมาก บทความนี้ให้ภาพรวมของเอนไซม์จุลินทรีย์และการจำแนกประเภท
แนะนำตัว
อุตสาหกรรมชีวภาพที่แตกต่างกันต้องการเอนไซม์ที่มีลักษณะเฉพาะสำหรับการใช้งานในกระบวนการผลิตพื้นผิวและวัตถุดิบ เอนไซม์จุลินทรีย์ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพเพื่อทำปฏิกิริยาในกระบวนการทางชีววิทยาในลักษณะที่ประหยัดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเมื่อเทียบกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมี ลักษณะพิเศษของพวกมันถูกใช้เพื่อผลประโยชน์ทางการค้าและการใช้งานทางอุตสาหกรรม เอ็นไซม์มีความเฉพาะเจาะจงมาก พวกมันกระตุ้นปฏิกิริยาทางชีวเคมีประมาณ 4000 ปฏิกิริยา ผู้ได้รับรางวัลโนเบล Emil Fischer เสนอแนะว่าเป็นเพราะทั้งเอ็นไซม์และซับสเตรตมีรูปทรงเสริมเฉพาะที่มีความเที่ยงตรงแม่นยำเข้ากัน
คำจำกัดความ
เอ็นไซม์เป็นโมเลกุลทางชีววิทยาขนาดใหญ่ที่รับผิดชอบการแลกเปลี่ยนทางเคมีที่สำคัญทั้งหมดที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต พวกมันเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่เลือกสรรมาอย่างดีซึ่งสามารถเร่งทั้งอัตราและความจำเพาะของปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมที่มีตั้งแต่การย่อยอาหารไปจนถึงการสังเคราะห์ DNA กระบวนการเมตาบอลิซึมทั้งหมดที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับเอ็นไซม์ที่เกิดขึ้นในเซลล์ของจุลินทรีย์
ประวัติศาสตร์
ในปี พ.ศ. 2420 วิลเฮล์ม ฟรีดริช คูห์เน ศาสตราจารย์ด้านสรีรวิทยาที่มหาวิทยาลัยไฮเดลเบิร์ก ใช้คำว่า "เอนไซม์" เป็นครั้งแรก ซึ่งมาจากคำภาษาละติน fermentum ซึ่งหมายถึง "ในเชื้อ" การได้รับเอ็นไซม์ของจุลินทรีย์เริ่มขึ้นในสมัยกรีกโบราณ ใช้สำหรับถนอมอาหารและเครื่องดื่ม
ในปี ค.ศ. 1783 ลาสซาโร สปัลลันซานี บาทหลวงคาทอลิกชื่อดังชาวอิตาลีได้กล่าวถึงความสำคัญของชีวโมเลกุลนี้เป็นครั้งแรกในงานของเขาเกี่ยวกับการสร้างชีวภาพ
ในปี พ.ศ. 2355 Gottlieb Sigismund Kirchhoff ได้ตรวจสอบขั้นตอนการเปลี่ยนแป้งเป็นกลูโคส ในการทดลองของเขา เขาได้เน้นย้ำถึงการใช้เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา
ในปี 1833 นักเคมีชาวฝรั่งเศส Anselm Payen ค้นพบเอนไซม์ตัวแรกคือไดแอสเทส
ทศวรรษต่อมา ในปี พ.ศ. 2405 ขณะที่ศึกษาการหมักน้ำตาลให้เป็นแอลกอฮอล์ หลุยส์ ปาสเตอร์ได้ข้อสรุปว่าถูกกระตุ้นด้วยพลังชีวิตที่มีอยู่ในเซลล์ยีสต์
ชีวโมเลกุลที่พบในธรรมชาติมีการใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่สมัยโบราณในการผลิตผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น ผ้าลินิน เครื่องหนัง และสีคราม กระบวนการทั้งหมดนี้เกิดจากจุลินทรีย์ - ผู้ผลิตเอนไซม์
ความหมาย
เอนไซม์จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเคมี บทบาทของพวกเขาในชีวิตของจุลินทรีย์มีความสำคัญมาก ประกอบด้วยกระบวนการเมตาบอลิซึม การหายใจ การย่อยอาหาร และชีวิตประเภทอื่นๆ เมื่อเอนไซม์ทำงานอย่างถูกต้อง สภาวะสมดุลจะคงอยู่ อีกหน้าที่หนึ่งของเอ็นไซม์ในจุลินทรีย์คือการเร่งการเผาผลาญ
คุณสมบัติพิเศษ
คุณสมบัติของเอนไซม์จุลินทรีย์ได้แก่:
- ทนความร้อน;
- ธรรมชาติที่ให้ความร้อน
- ความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงช่วง pH
- ความเสถียรของกิจกรรมเมื่ออุณหภูมิและ pH เปลี่ยนแปลง
- เงื่อนไขปฏิกิริยาที่เข้มงวดอื่นๆ
จัดอยู่ในประเภทเทอร์โมฟิลิก กรดแอซิโดฟิลิก หรืออัลคาลิฟิลิก จุลินทรีย์ที่มีระบบเอ็นไซม์ที่ทนความร้อนได้ช่วยลดความเป็นไปได้ของการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ในปฏิกิริยาทางอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่มีระยะเวลานาน เอ็นไซม์จุลินทรีย์ช่วยเพิ่มการถ่ายเทมวลและลดความหนืดของซับสเตรตระหว่างกระบวนการไฮโดรไลซิสของวัตถุดิบ
การจำแนก
เนื่องจากกิจกรรมที่หลากหลายขึ้นอยู่กับลักษณะของปฏิกิริยา เอนไซม์จึงถูกจำแนกตามตัวเร่งปฏิกิริยา:
- ออกซิโดเรดักเตส. ปฏิกิริยาออกซิเดชันเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากโมเลกุลเดี่ยวไปอีก ในระบบชีวภาพ นี่คือการกำจัดไฮโดรเจนออกจากสารตั้งต้น
- โอน. เอนไซม์ประเภทนี้กระตุ้นการถ่ายโอนกลุ่มอะตอมจากโมเลกุลหนึ่งไปยังอีกโมเลกุลหนึ่ง อะมิโนทรานส์เฟอเรสหรือทรานส์อะมิเนสอำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนหมู่อะมิโนจากกรดอะมิโนไปเป็นกรดอัลฟา-ออกโซ
- ไฮโดรเลส. เร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส การแยกสารตั้งต้นด้วยน้ำ ปฏิกิริยาดังกล่าวรวมถึงความแตกแยกของพันธะเปปไทด์ในโปรตีน พันธะไกลโคซิดิกในคาร์โบไฮเดรต และพันธะเอสเทอร์ในไขมัน โดยทั่วไป โมเลกุลที่ใหญ่กว่าจะแตกตัวเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย
- เลียซ. กระตุ้นการเพิ่มกลุ่มเพื่อพันธะคู่หรือการก่อตัวของหลังโดยการกำจัดอดีต ตัวอย่างเช่น pectate lyases แยกพันธะไกลโคซิดิกโดยการกำจัดเบต้า
- ไอโซเมอเรส. พวกเขากระตุ้นการถ่ายโอนกลุ่มจากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่งในโมเลกุลเดียวกัน เปลี่ยนโครงสร้างของซับสเตรต จัดเรียงอะตอมใหม่
- ลีเกส. เชื่อมโมเลกุลเข้ากับพันธะโควาเลนต์ พวกมันมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาสังเคราะห์ทางชีวภาพ ซึ่งเกิดกลุ่มพันธะใหม่ขึ้น ปฏิกิริยาดังกล่าวต้องการพลังงานที่ป้อนเข้ามาในรูปของปัจจัยร่วม
แอปพลิเคชัน
การหมักใช้ในการเตรียมอาหารหลายชนิด การใช้เอนไซม์จุลินทรีย์ในอุตสาหกรรมอาหารเป็นกระบวนการที่มีมาช้านาน ประเภทต่อไปนี้ใช้กันอย่างแพร่หลาย:
- อะไมเลส. การทำให้แป้งเหลว การปรับปรุงคุณภาพขนมปัง การทำให้น้ำผลไม้กระจ่าง
- กลูโคไมเลส. การผลิตเบียร์และน้ำเชื่อมที่มีกลูโคสและฟรุกโตสสูง
- โปรตีเอส. ประกวดราคาเนื้อ, นมจับตัวเป็นก้อน
- แลคเตส. ลดการแพ้แลคโตสในมนุษย์ อาหารเสริมพรีไบโอติก
- ไลเปส. การผลิตเชดดาร์ชีส
- ฟอสฟอรัส. การผลิตไขมันนมไขมันต่ำ
- เอสเทอเรส. ปรับปรุงรสชาติและกลิ่นหอมในน้ำผลไม้ Deesterification ของเส้นใยอาหาร การผลิตเอสเทอร์สายสั้น
- เซลลูเลส. อาหารสัตว์
- กลูโคสออกซิเดส. ปรับปรุงอายุการเก็บรักษาอาหาร
- แลคเคส. การกำจัดโพลีฟีนอลออกจากไวน์
- คาตาเลส. ถนอมอาหาร. การกำจัดไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ออกจากนมก่อนการผลิตชีส
- เปอร์ออกซิเดส. การพัฒนารสชาติ สี และคุณภาพของอาหาร
โปรตีเอส
โปรตีเอสที่ได้จากระบบจุลินทรีย์มีสามประเภท: กรด เป็นกลางและด่าง โปรตีเอสอัลคาไลน์ซีรีนมีประโยชน์มากที่สุดในอุตสาหกรรมชีวภาพ มีกิจกรรมและความมั่นคงสูงภายใต้สภาวะผิดปกติของพารามิเตอร์ทางสรีรวิทยาที่รุนแรง โปรตีเอสอัลคาไลน์มีคุณสมบัติความเสถียรสูงของการทำงานของเอนไซม์เมื่อใช้ในผงซักฟอก พวกเขาพบการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมชีวภาพ:
- การผลิตผงซักฟอก;
- อุตสาหกรรมอาหาร;
- เครื่องหนัง;
- ยา;
- วิจัยทางอณูชีววิทยาและการสังเคราะห์เปปไทด์
อะไมเลส
นี่คือเอ็นไซม์ของจุลินทรีย์ที่เร่งการสลายตัวของแป้งให้เป็นน้ำตาล เขาเป็นค้นพบและแยกตัวโดย Anselm Peyen ในปี 1833 อะไมเลสทั้งหมดเป็นไกลโคไซด์ไฮโดรเลส มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและคิดเป็นเกือบ 25% ของตลาดเอนไซม์ ใช้ในอุตสาหกรรมเช่น:
- อาหาร;
- เบเกอรี่;
- กระดาษและสิ่งทอ;
- สารให้ความหวานและน้ำผลไม้;
- น้ำเชื่อมกลูโคสและฟรุกโตส;
- ผงซักฟอก;
- เชื้อเพลิงเอทานอลจากแป้ง;
- เครื่องดื่มแอลกอฮอล์
- ช่วยย่อยอาหาร;
- น้ำยาขจัดคราบในการซักแห้ง
ยังใช้ในคลินิก การแพทย์ และเคมีวิเคราะห์
ไซลาเนส
เฮมิเซลลูโลสเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของกากทางการเกษตร ร่วมกับเซลลูโลส ลิกนินและเพกติน ไซแลนเป็นองค์ประกอบหลัก ความสำคัญของไซลาเนสเพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจากการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพในการผลิตเพนโทส การทำให้น้ำผลไม้บริสุทธิ์ การปรับปรุงการย่อยอาหาร และการแปลงของเสียทางการเกษตรจากลิกโนเซลลูโลสให้เป็นเชื้อเพลิงและสารเคมี พบการใช้งานในอุตสาหกรรมอาหาร สิ่งทอและเยื่อกระดาษและกระดาษ การกำจัดขยะทางการเกษตร การผลิตเอทานอล และอาหารสัตว์
แลคเคส
เอนไซม์ลิจิโนไลติกมีประโยชน์ในการไฮโดรไลซิสของสารตกค้างทางการเกษตรจากลิกโนเซลลูโลส โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการย่อยสลายลิกนินที่เป็นส่วนประกอบที่ซับซ้อนและไม่สูบฉีด พวกมันมีความหลากหลายในธรรมชาติและสามารถนำมาใช้ในกระบวนการทางอุตสาหกรรมจำนวนหนึ่งระบบเอนไซม์ลิกโนไลติกใช้ในกระบวนการเปลี่ยนสีเซลลูโลสและอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น การรักษาเสถียรภาพของไวน์และน้ำผลไม้ การฟอกยีนส์ เครื่องสำอาง และไบโอเซนเซอร์
ไลเปส
นี่คือเอ็นไซม์ของจุลินทรีย์ที่เร่งการสลายตัวและการไฮโดรไลซิสของไขมัน ไลเปสเป็นคลาสย่อยของเอสเทอเรส พวกมันมีบทบาทสำคัญในการย่อยอาหาร การขนส่ง และการแปรรูปไขมัน ไลเปสส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับตำแหน่งที่แน่นอนบนกระดูกสันหลังของกลีเซอรอลของสารตั้งต้นที่เป็นไขมัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในลำไส้เล็ก บางส่วนแสดงออกโดยสิ่งมีชีวิตก่อโรคที่หลั่งออกมาในระหว่างโรคติดเชื้อ ไลเปสถือเป็นกลุ่มหลักของเอ็นไซม์ที่มีคุณค่าทางเทคโนโลยีชีวภาพ สาเหตุหลักมาจากความเก่งกาจของคุณสมบัติที่นำไปใช้และความสะดวกในการผลิตจำนวนมาก
แอปพลิเคชั่นไลเปส
เอ็นไซม์เหล่านี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางชีววิทยาที่หลากหลาย ตั้งแต่การเผาผลาญไตรกลีเซอไรด์ตามปกติในอาหาร ไปจนถึงการส่งสัญญาณและการอักเสบของเซลล์ กิจกรรมไลเปสบางอย่างถูกจำกัดไว้สำหรับบางช่องภายในเซลล์ ในขณะที่กิจกรรมอื่นๆ ทำงานในพื้นที่นอกเซลล์:
- ไลเปสตับอ่อนจะถูกหลั่งเข้าไปในช่องว่างนอกเซลล์ซึ่งทำหน้าที่เปลี่ยนไขมันในอาหารให้อยู่ในรูปแบบที่ง่ายกว่าซึ่งถูกลำเลียงไปทั่วร่างกาย
- อำนวยความสะดวกในการดูดซึมสารอาหารจากสิ่งแวดล้อม
- กิจกรรมไลเปสที่เพิ่มขึ้นมาแทนที่ตัวเร่งปฏิกิริยาธรรมดาในการแปรรูปไบโอดีเซล
- ใช้ในการใช้งาน เช่น การอบ น้ำยาซักผ้า เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ
- ในอุตสาหกรรมสิ่งทอ ใช้เพื่อเพิ่มการดูดซับของผ้าและความสม่ำเสมอในการย้อม
- เพื่อปรับเปลี่ยนรสชาติอาหารโดยสังเคราะห์เอสเทอร์ของกรดไขมันสายสั้นและแอลกอฮอล์
- การมีไลเปสหรือระดับสูงอาจบ่งบอกถึงการติดเชื้อหรือโรคที่เฉพาะเจาะจง และสามารถใช้เป็นเครื่องมือในการวินิจฉัยได้
- มีฤทธิ์ฆ่าเชื้อแบคทีเรีย. สามารถใช้รักษาเนื้องอกร้ายได้
- มีมูลค่าทางการค้ามหาศาลในเครื่องสำอางและยา (ผลิตภัณฑ์ดูแลผิว ที่ม้วนผม)
