Hydroliza enzymatyczna, Szkoła Rolnictwo studia, Szkoła, Materiały studia, materialy - biotechnologia, ...
s
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1 Enzymatyczna hydroliza skrobi
1.1 Podstawy katalizy
Reakcje chemiczne charakteryzuj¡ si¦ ró»nymi szybko±ciami (stałymi szybko±ci) a co za tym
idzie ró»n¡ dynamik¡ procesu. Warto±¢ stałej szybko±ci reakcji chemicznej zale»y mi¦dzy
innymi od st¦»enia substratów i temperatury. W wielu przypadkach procesów zarówno o
znaczeniu technicznym jak i laboratoryjnym, nie istnieje praktyczna mo»liwo±¢ zwi¦kszania
dynamiki reakcji poprzez zwi¦kszenie temperatury (ze wzgl¦du na np. degradacj¦ substra-
tów/produktów). Procesy chemiczne mog¡ równie» charakteryzowa¢ si¦ niewielk¡ warto±ci¡
stałej równowagi (procesy odwracalne), wysok¡ energi¡ aktywacji i wieloma innymi, nieko-
rzystnymi z punktu widzenia efektywno±ci procesu, parametrami. W przypadkach takich, roz-
wi¡zaniem problemu zwi¦kszenia wydajno±ci i selektywno±ci reakcji oraz skrócenia jej czasu
jest zastosowanie katalizatora.
Jak wiadomo z termodynamiki procesy chemiczne b¦d¡ przebiega¢ samorzutnie tylko
wtedy, gdy zmiana energii swobodnej reakcji¢G (¢G = G
2
0
- G
1
0
; G
2
0
- energia swobodna
produktów, G
1
0
- energia swobodna substratów) b¦dzie mniejsza od zera. Za zmiany energii
swobodnej zgodnie z Równaniem 1
¢
G
=¢
H−T
¢
S
(1)
odpowiada b¡d¹ to zmiana entalpii procesu (¢H) b¡d¹ te» zmiana uporz¡dkowania układu
(zmiana entropii,¢S).
Dodatkowo jednym z najistotniejszych czynników limituj¡cych przebieg reakcji jest wyso-
ko±¢ bariery aktywacji (energii aktywacji) zgodnie z równaniem Arrheniusa (Równanie 2).
k
=
A·e
−
E
a
RT
(2)
gdzie:
•
k - stała szybko±ci reakcji,
•
A - tzw. współczynnik przedekspotencjalny,
•
R - stała gazowa,
•
E
a
- energia aktywacji,
1
•
T - temperatura.
Zastosowanie wła±ciwego katalizatora umo»liwia zwi¦kszenie szybko±ci reakcji chemicznej i/lub
skierowanie jej na jedn¡ z kilku mo»liwych termodynamicznie dróg prowadz¡cych do ró»nych
produktów. Substancje b¦d¡ca katalizatorem, tworz¡c nietrwałe poł¡czenia przej±ciowe (kom-
pleksy przej±ciowe), nie s¡ ¹u»ywane”w reakcji i nie wyst¦puj¡ w jej równaniu stechiometrycz-
nym. Katalizator nie zmienia przy tym poło»enia równowagi chemicznej, wpływa jedynie na
szybko±¢ dochodzenia układu do tego stanu poprzez zmniejszenie energii aktywacji. Mecha-
nizm działania katalizatora polega na zast¡pieniu reakcji z równania 3
S
1
+
S
2
=
P
(3)
Procesem:
S
1
+
K
=
S
1
K
(4)
S
1
K
+
S
2
=
P
+
K
(5)
Gdzie:
•
S
1
,S
2
- substraty
•
P - produkt
•
K - katalizator
•
S
1
K - kompleks przej±ciowy
Je»eli dla reakcji (3) energia aktywacji wynosi E
N
to dla procesu katalizowanego wynosi ona
odpowiednio E
k
1
(dla reakcji 4) i E
k
2
(dla reakcji 5). Zmiany energii aktywacji procesu katali-
tycznego obrazuje Rysunek 1.
1.2 Enzymy
Specyficznymi katalizatorami reakcji chemicznych s¡ enzymy, grupa białek działaj¡cych w
komórkach i płynach ustrojowych »ywych organizmów i bior¡cych udział w procesach syntezy
lub rozkładu istotnych z biochemicznego punktu widzenia substancji organicznych.
Enzymy rzadko zbudowane s¡ z samego białka (np. trypsyna). W znakomitej wi¦kszo±ci
składaj¡ si¦ one z cz¦±ci białkowej (tzw. apoenzym) oraz niebiałkowej, grup prostetycznych i
2
Rysunek 1:
Przemiany energetyczne podczas zachodz¡ce podczas procesów chemicznych (S
1
–S
2
-
kompleks aktywny reakcji niekatalizowanej; S
1
–K, S
1
–K–S
2
- kompleksy aktywne poszczególnych
etapów reakcji katalizowanej.
koenzymów (małocz¡steczkowe zwi¡zki nieorganiczne, atomy metali). Niebiałkowe cz¦±ci en-
zymu pełni¡, w reakcjach enzymatycznych, funkcj¦ przeno±ników elektronów, okre±lonych ato-
mów lub ich ugrupowa« w trakcie katalizowanych procesów. Bior¡ one udział w cyklu reakcji
enzymatycznych: w pierwszej jego fazie umo»liwiaj¡ dysocjacj¦ okre±lonych wi¡za« substratu
oraz ich zwi¡zanie z enzymem. W fazie drugiej nast¦puje natomiast zwi¡zanie atomów pocho-
dz¡cych od substratu w produkt, oraz odtworzenie cz¦±ci niebiałkowej w pierwotnej postaci, po
czym proces si¦ powtarza. Poł¡czenie koenzymów z przenoszon¡ grup¡ funkcyjn¡¡ odznacza
si¦ du»¡ reaktywno±ci¡. Dzi¦ki cykliczno±ci procesu przenoszenia, koenzymy mog¡ wyst¦po-
wa¢ w »ywej komórce w ilo±ciach równowa»nych ilo±ciom enzymów, cho¢ reaguj¡ z substratami
stechiometrycznie. Trwało±¢ poł¡czenia apoenzymu w koenzymami jest ró»na; je±li koenzym
łatwo dysocjuje, reakcje przenoszenia grup chemicznych na koenzymy i z koenzymów katalizuje
układ zło»ony z 2 enzymów o wspólnym koenzymie; je±li koenzym jest zwi¡zany z enzymem
trwale, enzym ten katalizuje kolejno obie reakcje.
Cz¦±¢ białkowa odpowiada natomiast za konfiguracj¦ przestrzenn¡ enzymu oraz za zmiany
hydrofobowo±ci centrum aktywnego. Budowa taka powoduje »e enzymy zawieraj¡ce t¡ sam¡
grup¦ prostetyczn¡ ale ró»ne cz¦±ci białkowe bed¡ katalizowa¢ ró»ne reakcje jednostkowe.
Zgodnie z równaniami 4 i 5 podstaw¡ reakcji enzymatycznej jest wytworzenie odwracalnego
3
kompleksu pomi¦dzy enzymem i substratem reakcji. Kompleks ten ulega nast¦pnie nieodwra-
calnej przemianie z odtworzeniem enzymu oraz wytworzeniem finalnego produktu. Tak jak w
przypadku wi¦kszo±ci katalizatorów st¦»enie enzymów w trakcie procesu jest znacz¡co mniej-
sze niz st¦»enie substratów. Wynika st¡d i» mo»na przyj¡¢, »e st¦»enie kompleksu S
1
K jest
stałe w czasie i zale»y tylko od st¦»enia enzymu.
Szybko±¢ reakcji enzymatycznej zale»na jest tak»e od wielu innych czynników (pH, tempe-
ratura, st¦»enie koenzymów itp.), w tym przede wszystkim od st¦»enia substratu. Zale»no±¢
szybko±ci procesu od tego st¦»enia opisuje równanie Michaelisa-Menten’a:
v
=
v
max
·
[
S
]
K
m
+[
S
]
(6)
Gdzie:
•
v - chwilowa szybko±¢ reakcji
•
v
max
- maksymalna szybko±¢ reakcji
•
[S] - st¦»enie substratu
•
K
m
- stała Michaelisa-Menten’a
Stała Michaelisa-Menten’a jest to takie st¦»enie substratu (wyra»one w mol/dm
3
), przy którym
szybko±¢ reakcji osi¡ga połow¦ szybko±ci maksymalnej.
Innym wska»nikiem aktywno±ci enzymu s¡ tzw. jednostki aktywno±ci na przykład tzw. jed-
nostka mi¦dzynarodowa (ilo±¢ enzymu, która zdolna jest wytworzy¢ 1 mmol produktu w temp.
30
±
C i w optymalnych dla enzymu pozostałych warunkach reakcyjnych), katal (aktywno±¢ en-
zymu zdolnego do przekształcenia 1mol substratu w czasie 1s w temp. 30
±
C i w optymalnych
dla enzymu pozostałych warunkach reakcyjnych lub tzw. ilo±¢ obrotów (liczba moli substratu
która mo»e przereagowa¢ w ci¡gu 1min z 1 molem centrum aktywnego enzymu w temp. 30
±
C
i w optymalnych dla enzymu pozostałych warunkach reakcyjnych).
Liczba znanych dotychczas enzymów znacznie przekracza 3000, st¡d te» wprowadzona jest
ich klasyfikacja (wprowadzona przez Komisj¦ Enzymow¡ IUB). Wszystkie enzymy podzielone
zostały na sze±¢ klas głównych (1. Oksyreduktazy, 2. Transferazy, 3. Hydrolazy, 4. Liazy, 5.
Izomerazy, 6. Ligazy.) W czteroliczbowej klasyfikacji enzymów kolejne liczby oznaczaj¡ klasy,
podklasy, podpodklasy oraz numer enzymu w podpodklasie.
4
1.3 Enzymy hydrolizuj¡ce skrobi¦
Oprócz celulozy skrobia jest głównym polisacharydem pochodzenia ro±linnego. Z przemysło-
wego punktu widzenia istotne znaczenie maj¡ przede wszystkim produkty jej hydrolizy umo»-
liwiaj¡ce produkcj¦ syropów glukozowych, dekstryn, cyklodekstryn, glukozy (krystalicznej i
zestalonej) i innych produktów wykorzystywanych głównie w przemy±le spo»ywczym. Stoso-
wana do niedawna kwasowa hydroliza skrobi wraz z post¦pem w dziedzinie biotechnologii coraz
cz¦±ciej ust¦puje miejsca procesom enzymatycznym. Enzymy stosowane do hydrolizy skrobi
podzieli¢ mo»na na 5 grup: endoamylazy, egzoamylazy, enzymy usuwaj¡ce rozgał¦zienia, izo-
merazy oraz glikozylotransferazy cyklodekstryn (Rysunek 1.3).
Rysunek 2:
Najcz¦±ciej stosowane enzymy hydrolizuj¡ce skrobi¦
1.3.1 Endoamylazy
®
-amylaza, 4-glukanohydrolaza-
®
-1,4-glukanu - EC 3.2.1.1
Enzymy z tej grupy umo»liwiaj¡ hydroliz¦ wi¡za«
®
-1,4-glikozydowych zarówno w amylozie
jak amylopektynie a nie s¡ aktywne w stosunku do wi¡za«
®
-1,6- (np. w amylopektynie). Pro-
duktami hydrolizy w tym przypadku s¡ oligosacharydy posiadaj¡ce konfiguracje
®
przy w¦glu
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]