Principi di ingegneria enzimatica e sue applicazioni nei settori dell'alimentazione, dell'industria leggera e della farmaceutica

1. Principio

L'ingegneria enzimatica è l'enzima o le cellule microbiche, animali e vegetali, gli organelli, ecc. in un certo dispositivo di reazione biologica, l'uso di enzimi hanno una funzione biocatalitica, con l'aiuto di mezzi di ingegneria delle materie prime corrispondenti in sostanze utili e applicate alla vita sociale di una scienza e tecnologia. Essa comprende la preparazione dell'enzima, l'immobilizzazione dell'enzima, la modifica e la trasformazione dell'enzima e il reattore enzimatico. L'applicazione dell'ingegneria degli enzimi si concentra principalmente sull'industria alimentare, sull'industria leggera e sull'industria farmaceutica.

• Proprietà catalitiche:

1. Alta efficienza: 108-1020 volte superiore a quella non catalitica; 107-1013 volte superiore a quella catalitica non enzimatica.

2. Alta specificità

3. Condizioni di reazione miti

4. La catalisi enzimatica è regolabile

• Natura chimica:

Proteine enzimatiche

RNA ribozimi

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Storia dello sviluppo

Dopo gli anni Settanta, con la generazione della seconda generazione di enzimi - gli enzimi immobilizzati - e le relative tecnologie, l'ingegneria degli enzimi è considerata davvero sulla scena della storia. Gli enzimi immobilizzati stanno diventando sempre più la forza principale della produzione industriale, svolgendo un ruolo importante nei settori dell'industria chimica e farmaceutica, dell'industria leggera e alimentare, della protezione ambientale e così via. Non solo, ma ha anche prodotto un enzima di terza generazione più potente, che è un sistema multi-enzimatico immobilizzato che include un sistema di rigenerazione dei cofattori, e sta diventando il protagonista delle applicazioni di ingegneria enzimatica.

Come sappiamo, il contenuto di enzimi negli organismi viventi è limitato e, indipendentemente dal tipo di enzimi, la loro concentrazione nelle cellule non sarà molto elevata, il che è anche al di fuori della necessità di regolare in modo equilibrato le attività vitali degli organismi biologici. Tuttavia, questo limita la possibilità di utilizzare direttamente gli enzimi naturali per risolvere molte reazioni chimiche in modo più efficiente.

Questa difficoltà può essere risolta utilizzando il metodo dell'ingegneria genetica.

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Principali utilizzi

Gli enzimi, in quanto biocatalizzatori, sono stati ampiamente utilizzati in vari settori produttivi dell'industria leggera. Negli ultimi decenni, grazie ai continui progressi tecnologici nell'ingegneria degli enzimi, sono stati sempre più utilizzati nell'industria, nell'agricoltura, nella medicina e nella salute, nello sviluppo energetico e nell'ingegneria ambientale.

Attività catalitica Proteine Reazioni chimiche Reattori Enzimologia Enzimi redox Transferasi Enzimi idrolitici Ligasi Isomerasi

L'applicazione dell'ingegneria enzimatica si concentra principalmente nell'industria alimentare, nell'industria leggera e nell'industria farmaceutica; la nostra vita quotidiana è caratterizzata da detersivi in polvere per il bucato arricchiti di enzimi, da tenerizzatori per la carne, che sono l'incarnazione più diretta dell'ingegneria enzimatica.

1. Applicazione nella lavorazione degli alimenti

Il principale utilizzo degli enzimi nell'industria alimentare è la lavorazione dell'amido, seguita dalla lavorazione dei latticini, dei succhi, dei prodotti da forno e della fermentazione della birra. I vari enzimi ad essa correlati, come amilasi, isomerasi del glucosio, lattasi, caglio, proteasi, ecc. rappresentano più della metà del mercato dei preparati enzimatici.

La direzione principale dello sviluppo comprende gli enzimi che favoriscono la digestione delle proteine (proteasi dell'ananas, pepsina, tripsina, ecc.), gli enzimi che favoriscono la digestione della cellulosa (cellulasi, poliglucanasi, ecc.), gli enzimi che favoriscono la digestione del lattosio (lattasi) e gli enzimi che favoriscono la digestione dei grassi (lipasi, esterasi), e così via.

2. Applicazione nell'industria chimica leggera

Gli usi dell'ingegneria enzimatica nell'industria chimica leggera includono principalmente: produzione di detergenti (miglioramento della capacità di decalcificazione), industria delle pellicce, produzione di gelatina, produzione di fibre di collagene (adesivo), produzione di dentifricio e cosmetici, produzione di carta, produzione di materiale fotografico, trattamento delle acque reflue e lavorazione dei mangimi.

3. Applicazioni mediche

La tecnologia del DNA ricombinante promuove la produzione su larga scala di vari enzimi con valore medico. I vari tipi di enzimi utilizzati nelle cliniche stanno gradualmente aumentando. Oltre ai trattamenti convenzionali, gli enzimi possono essere utilizzati come componenti dell'ingegneria medica e svolgere un ruolo medico. Ad esempio, nei dispositivi per la circolazione extracorporea, gli enzimi sono utilizzati per rimuovere le scorie del sangue e prevenire la trombosi, e nei sistemi di rilascio di farmaci in vivo controllati dagli enzimi. Inoltre, l'enzima come reagente per test clinici in vitro, può essere veloce, sensibile e accurato nella determinazione di alcuni metaboliti nel corpo, e sarà anche un'importante applicazione degli enzimi in medicina.

4. Sviluppo energetico

Nell'ambito della tendenza generale allo sviluppo di nuove fonti energetiche in tutto il mondo, anche l'uso di microrganismi o della tecnologia di ingegneria enzimatica per produrre combustibili da organismi viventi è una nuova strada che si sta esplorando. Ad esempio, l'utilizzo di cellulosa, emicellulosa, lignina, amido e altre materie prime presenti in piante, colture, scarti di prodotti forestali, la produzione di idrogeno, metano e altri combustibili gassosi, nonché di etanolo e metanolo e altri combustibili liquidi. Inoltre, il tema dello sviluppo delle risorse petrolifere.

5.Ingegneria ambientale

Mentre la scienza e la tecnologia sono altamente sviluppate, la depurazione ambientale, in particolare la depurazione delle acque reflue industriali e domestiche, è di grande importanza come misura per proteggere la natura.

Tra i metodi esistenti per la depurazione delle acque reflue, la depurazione biologica è spesso la più economica e fattibile. I processi metabolici dei microrganismi possono utilizzare alcune sostanze organiche presenti nelle acque reflue come fonte dei nutrienti necessari. Pertanto, utilizzando gli enzimi presenti nel corpo microbico, le sostanze organiche presenti nelle acque reflue possono essere convertite in piccole molecole utilizzabili, raggiungendo lo scopo di purificare le acque reflue. L'uomo ha ottenuto risultati notevoli nel trattamento delle acque reflue e nella protezione dell'ambiente utilizzando tecniche di ingegneria genetica per creare ceppi di batteri altamente efficienti e immobilizzando cellule microbiche vive.

Inoltre, l'avvento dei biosensori offre la possibilità di un monitoraggio ambientale continuo e automatizzato, riduce i costi del monitoraggio ambientale e rafforza la forza della vigilanza ambientale.

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Metodi di preparazione

1. Preparazione del gene

Se in un organismo si trova un enzima utile, anche se il contenuto è basso, applicando la tecnologia della ricombinazione genetica, attraverso l'amplificazione genica e l'espressione potenziata, è possibile creare batteri di ingegneria genetica o cellule di ingegneria genetica in grado di esprimere in modo efficiente preparati enzimatici specifici. Fissando i batteri o le cellule di ingegneria genetica, è possibile costruire una nuova generazione di biocatalizzatori: batteri o cellule di ingegneria genetica immobilizzati. Questo nuovo tipo di biocatalizzatore viene chiamato anche preparato enzimatico geneticamente ingegnerizzato.

Lo sviluppo di una nuova generazione di preparati enzimatici geneticamente modificati renderà senza dubbio l'ingegneria enzimatica una tigre con le ali. I batteri geneticamente modificati e la tecnologia delle cellule geneticamente modificate renderanno la potenza dell'enzima più efficace; gli scienziati prevedono che, se la tecnologia correlata e il bioreattore continuo saranno abilmente combinati, l'intero settore della fermentazione e l'industria della sintesi chimica subiranno un cambiamento fondamentale.

2. Anche la trasformazione e la modifica degli enzimi è una parte importante dell'ingegneria enzimatica.

Sebbene la forza dell'enzima sia molto forte, soprattutto dopo essere stato immobilizzato, la potenza è ancora maggiore, ma non tutte le preparazioni enzimatiche sono adatte all'immobilizzazione; anche per l'immobilizzazione degli enzimi naturali, la loro attività spesso non è in grado di soddisfare le esigenze delle persone, è necessario modificare alcune delle loro proprietà, migliorare la loro attività, al fine di svolgere meglio la loro funzione catalitica.

È stato quindi proposto il compito di modificare e trasformare molecolarmente gli enzimi.

In linea generale, gli scienziati utilizzano la catena principale della molecola proteica dell'enzima per "tagliare", "tagliare" e modificare chimicamente la catena laterale per raggiungere lo scopo della trasformazione della molecola enzimatica. Le molecole enzimatiche modificate hanno migliorato le proprietà fisiche e chimiche e le attività biologiche, e sono state persino dotate di nuove funzioni.

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Composto Glucoamilasi	9032-08-0
Pullulanase	9075-68-7
Xilanasi	37278-89-0
Cellulasi	9012-54-8
Naringinasi	9068-31-9
β-amilasi	9000-91-3
Glucosio ossidasi	9001-37-0
alfa-amilasi	9000-90-2
Pectinasi	9032-75-1
Perossidasi	9003-99-0
Lipasi	9001-62-1
Catalasi	9001-05-2
TANNASIO	9025-71-2
Elastasi	39445-21-1
Ureasi	9002-13-5
DEXTRANASE	9025-70-1
L-lattico deidrogenasi	9001-60-9
Deidrogenasi malato	9001-64-3
Colesterolo ossidasi	9028-76-6