Wykorzystanie enzymów w przemyśle

1. Wstęp.
Intensywnie rozwijający się przemysł poszukuje wciąż nowych technologii, które powinny obniżyć koszty produkcji, zwiększyć asortyment, gwarantować produkt wysokiej jakości oraz rozwiązać dotychczasowe problemy technologiczne.
Niewątpliwie, pożądaną cechą nowej czy unowocześnionej technologii powinny być niskie nakłady inwestycyjne i łatwość modyfikacji procesu. Wydaje się, że obszar możliwości wykorzystania enzymów w procesach produkcyjnych różnych gałęzi przemysłu daje szansę spełnienia tych warunków, dlatego warto zwrócić uwagę na kilka zagadnień związanych z celowym stosowaniem enzymów.

1.1 Enzymy w kosmetologii.
W kosmetykach wykorzystuje się zarówno enzymy pozyskiwane z wyciągów roślinnych jak i enzymy zwierzęce. Z punktu widzenia kosmetologii najważniejsze są te enzymy, które mają wpływ na wygląd i stan skóry. Do takich enzymów zaliczamy przede wszystkim kolagenazę i elastazę, rozkładające podstawowe białka budujące skórę, a więc kolagen i elastynę. Enzymy te wpływają na wiązania peptydowe pomiędzy komórkami zewnętrznej warstwy naskórka, pozwalając składnikom aktywnym wnikać głębiej.

Przykłady kosmetyków zwierających wymienione enzymy:
 Peelingi i maski enzymatyczne - zawierają enzymy hydrolizujące białka, w tym również główny składnik warstwy rogowej naskórka – keratynę. Do tego typu kosmetyków wykorzystuje się najczęściej enzymy pozyskiwane z roślin. Do związków tych należą papaina z papai, bromelina z ananasa. Peelingi zawierają również enzymy lipolityczne. Biokatalizatory te przyspieszają przemiany chemiczne w skórze: zapewniają efekt łagodnego złuszczania poprzez usuwanie mieszaniny łoju i płytki rogowej naskórka.
 Preparaty rozjaśniające przebarwienia - zawierają zarówno enzymy zwierzęce (np. trzustkowe), jak i układy pochodzenia roślinnego (wyciąg z ananasa, ogórka, papai, banana). Jednym ze związków, który od dawna znany jest jako środek o silnych właściwościach wybielających jest nadtlenek wodoru, wytwarzany przez układ enzymatyczny oksydaza-peroksydaza.
 Kremy – zawierające enzymy o wielostronnym działaniu które: usuwają obumarłe komórki, dotleniają i dostarczają energię do komórek, gromadzą energię, odnawiają komórki, biorą udział w tworzeniu kolagenu i elastyny.

1.2 Wykorzystanie enzymów do produkcji biopaliw.

Ograniczona dostępność paliw kopalnych skłania do poszukiwania alternatywnych źródeł energii, do których zaliczane są biopaliwa.
Obecnie znanych jest kilka metod produkcji biopaliwa z olejów roślinnych: kraking termiczny i katalityczny, elektroliza i metoda transestryfikacji. Na skalę przemysłową zastosowanie znalazła głównie metoda transestryfikacji.
Transestryfikacja polega na otrzymywaniu estrów niższych alkoholi i wyższych kwasów tłuszczowych olejów roślinnych w reakcji mieszaniny oleju z alkoholem etylowym lub metylowym w obecności katalizatora alkalicznego. W wyniku reakcji transestryfikacji alkoholem oleju powstają estry alkoholi i glicerol.
W Polsce podstawową rośliną oleistą do produkcji biopaliwa jest i pozostanie rzepak. Zastosowanie mogą tu znaleźć ponadto inne rośliny oleiste, jak również odpadowe tłuszcze zwierzęce i tzw. oleje przepracowane. Pierwszym etapem technologii produkcji biodiesla jest czyszczenie, suszenie i rozdrobnienie nasion. Następnie rozdrobnione nasiona są wytłaczane na tłoczniach ślimakowych, w wyniku czego otrzymujemy wodę, wytłok i olej surowy. Proces otrzymania oleju rzepakowego jako wyjściowego surowca do produkcji estrów oleju rzepakowego wymaga: rozdrobnienia nasion, tłoczenia oleju i filtracji. Proces uzyskiwania oleju z nasion może być wzbogacony ponadto o ekstrakcję, bielenie i ponowną filtrację. W ostatnim etapie produkcji biodiesla czyszczony olej rzepakowy i mieszanina katalityczna trafiają do reaktora gdzie następuje reakcja transestryfikacji. Następnie mieszanina kierowana jest do destylacji, podczas której następuje oddestylowanie metanolu. Dodatek kwasu ma na celu zneutralizowanie katalizatora alkalicznego, a wody – wpływa na ułatwienie rozdzielenia mieszaniny. W efekcie końcowym otrzymujemy: estry metylowe, odpady (woda, zneutralizowany katalizator), surowy glicerol.
Niedawno zespół naukowców dokonał odkrycia, które może doprowadzić do przełomu w produkcji celulozowych biopaliw tzw. biopaliw drugiej generacji, które umożliwią redukcję emisji gazów cieplarnianych w sektorze transportowym o ponad 80 procent. Specyficzna esteraza CSE to enzym, którego geny kontrolują tworzenie ligniny. Lignina utrudnia wyodrębnianie cukrów z odpadów rolniczych, co do tej pory było największą przeszkodą przemysłowej produkcji biopaliw. Naukowcy, wyłączając w genie CSE funkcję wywołującą produkcję ligniny, są w stanie stworzyć roślinę, która będzie zawierała 36% mniej tej substancji. Zwiększyłoby to produkcję cukru czterokrotnie, jednocześnie obniżając czas, energię i koszty przetwarzania biomasy. Odkrycie to otwiera naukowcom drogę do prac nad naturalnie rosnącymi roślinami energetycznymi. ,

1.3 Drukowanie z wykorzystaniem enzymów.
Od jakiegoś czasu naukowcy starali się wykorzystać właściwości enzymów (szczególnie tych katalizujących barwny produkt reakcji) do tworzenia nowoczesnych bioaktywnych materiałów, w tym również aktywnych tuszów drukarskich.
Druk w takim przypadku odbywa się na papierze nasyconym odpowiednim związkiem chemicznym (substratem enzymu) różnych wzorów. Druk jest wykonywany za pomocą procesu enzymatycznego, a wynikiem są barwne produkty reakcji, która zachodzi pod wpływem kontaktu z matrycą drukarską, pokrytą w kontrolowany sposób odpowiednim enzymem. Niestety, jak w wielu innych przypadkach, użycie cząsteczek o biologicznym pochodzeniu jako składnika atramentu wiąże się z wieloma kłopotami konstrukcyjno-technicznymi.
W Monash University opracowano nowy sposób drukowania z użyciem enzymów. W tym przypadku badacze wykorzystali technikę druku wypukłego.
Matryca drukarska została wykonana ze specjalnej nitrocelulozowej kliszy, do powierzchni której w kontrolowany sposób dołączono enzym chrzanu pospolitego inaczej peroksydazę chrzanową, tak by utworzyć odpowiedni wzór. Następnie na powierzchnię papieru naniesiono cienką warstwę substratu reakcji enzymatycznej i dociśnięto matrycę. W efekcie tego w miejscach, gdzie na matrycy zlokalizowany był enzym peroksydazy chrzanowej, powstawał barwny punkt na papierze. Gdy matryca enzymatyczna miała określony kształt, ten automatycznie odbijany był na papierze.
Barwę nadruku nadawał papierowi produkt reakcji enzymatycznej przeprowadzanej przez cząsteczki enzymu dołączone na stałe do matrycy. Autorzy pomysłu uważają, że tego typu technika umożliwia nawet kilkukrotne drukowanie tego samego wzoru, za pomocą tej samej matrycy.

1.4 Enzymy i preparaty enzymatyczne w technologii żywności.
Obok substancji zaliczanych jako dozwolone substancje dodatkowe do żywności, w przemyśle spożywczym stosuje się substancje pomocnicze. Wprowadzane są w niewielkich ilościach i często ulegają rozkładowi w czasie wytwarzania produktu, stąd z reguły nie są obecne w gotowym produkcie. Do tego typu substancji można zaliczyć między innymi enzymy i preparaty enzymatyczne.
Preparatami enzymatycznymi nazywamy preparaty ciekłe lub stałe, zawierające znaczne ilości enzymów. Handlowe preparaty enzymatyczne są oczyszczone w mniejszym lub większym stopniu, a także standaryzowane do określonej aktywności enzymatycznej. Powinny również posiadać odpowiednią czystość mikrobiologiczną oraz nie mogą zawierać substancji toksycznych.
Preparaty enzymatyczne są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym, lekkim, chemicznym, farmaceutycznym oraz w analityce. Atrakcyjność preparatów enzymatycznych związana jest z ich szerokim zastosowaniem praktycznie w każdej gałęzi przemysłu spożywczego. Ułatwiają one otrzymanie pożądanych zmian surowca, poprawę jakości produktu gotowego oraz zmniejszenie kosztów produkcji.
Obecnie najczęściej do otrzymania takiego preparatu, stosowane są enzymy pochodzenia mikrobiologicznego. W praktyce przemysłowej są najczęściej wykorzystywane w formie immobilizowanej (unieruchomionej), co z jednej strony obniża ich aktywność, natomiast z drugiej wielokrotnie zwiększa trwałość oraz zapewnia ciągłość i stałą kontrolę procesu produkcyjnego. , , ,

Spośród preparatów enzymatycznych wyróżniamy głównie:
 Preparaty amylolityczne – substancje zawierające znaczne ilości enzymów katalizujących przemianę skrobii i glikogenu do cukrów prostszych. Stosowane są w przemyśle tekstylnym, papierniczym oraz w różnych gałęziach przemysłu spożywczego (gorzelnictwo rolnicze, browarnictwo, piekarstwo, przetwórstwo krochmalnicze, cukiernictwo, produkcja odżywek dla dzieci).
 Preparaty pektolityczne – zawierają znaczne ilości enzymów rozkładających pektyny oraz enzymów towarzyszących (np. enzymy proteolityczne). Stosowane są w przemyśle owocowym do depektynizacji miazg i soków owocowych – dla ułatwienia procesu klarowania i tłoczenia moszczu, a także zwiększania jego wydajności.
 Preparaty proteolityczne – zawierają znaczne ilości rozkładających białka enzymów różnego pochodzenia zwierzęcego, roślinnego i mikrobiologicznego.
Poniżej przedstawiono przykłady zastosowań mikroorganizmów do produkcji takich preparatów:
 Asperillus Niger - gatunek grzybów z rodziny Trichocomaceae, pospolity na całym świecie, wytwarza enzymy, m.in. glukoamylazę, stosowaną do produkcji alkoholi, pektynazę, która rozbija pektyny i rozluźnia miąższ owocu, stosowane w procesie produkcji win.
 Trichodermareesei - grzyb nitkowaty wydzielający do pożywki kompleks enzymów celulolitycznych. Stosowany w przemyśle spożywczym.
 Bacillus licheniformisi Bacillus subtilis - bakterie należące do rodzaju Bacillus odgrywają kluczową rolę w przemyśle enzymatycznym. Z ich udziałem powstaje blisko 25% światowej produkcji komercyjnych biokatalizatorów.
1.5 Proces produkcji serów.
Podpuszczka to naturalny enzym trawienny występujący w żołądkach młodych ssaków. Działa na płynne mleko ścinając je i ułatwiając dalsze trawienie.
Produkcja serów jest możliwa dzięki temu, że w mleku występuje specyficzne białko, zwane kazeiną. Kazeina występuje w mleku w postaci dużych skupisk zwanych micellami. Unoszą się one w wodzie dzięki specjalnym „wypustkom” rozpuszczalnym w wodzie. Jeżeli do mleka wprowadzimy enzym czyli podpuszczkę, to atakuje ona jedno specyficzne wiązanie w łańcuchu białkowym, odcinając właśnie te wypustki utrzymujące kazeinę w roztworze. Kazeina pozbawiona zdolności unoszenia się w roztworze, przyłącza obecny w mleku wapń i tworzy uporządkowaną strukturę, czyli skrzep. Wapń odgrywa również bardzo ważną rolę w tworzeniu skrzepu i jego niedostatek będzie powodował powstawanie skrzepu mniej zwięzłego i gorzej kurczącego się. Podpuszczka oprócz wywoływania skrzepu w mleku odgrywa ograniczoną rolę w dojrzewaniu sera, rozkładając białko na mniejsze fragmenty zwane peptydami.
Sposób działania podpuszczki na białko zależy od pochodzenia tego enzymu. Niestety, przy obecnej skali produkcji serów nie ma możliwości zapewnienia dostatecznej ilości podpuszczki naturalnej, dlatego też mleczarstwo przemysłowe korzysta w dużym stopniu z koagulantów mikrobiologicznych. Są to enzymy zbliżone w działaniu do podpuszczki, ale mniej swoiste na dalszych etapach dojrzewania. Białko jest rozkładane w inny nie do końca zbadany sposób powodując różnego rodzaju zakłócenia w prawidłowym dojrzewaniu. Koagulanty mikrobiologiczne dostępne są w proszku i płynie pod różnymi nazwami handlowymi. Przemysł mleczarski po krótkim okresie zainteresowania podpuszczkami w proszku, powrócił niemal całkowicie do podpuszczek w płynie. Są one łatwiejsze w dozowaniu oraz nie wywołują reakcji alergicznych wśród personelu serowni.
1.6 Enzymy w procesie oczyszczania ścieków.
Najwyższą efektywność wykazały biopreparaty o wysokiej zawartości bakterii, zawierające także dodawane w fazie produkcji preparatu immobilizowane enzymy. Dzięki tym enzymom zdecydowanie przyspiesza się proces rozkładu zanieczyszczeń i zwiększa się efektywność oczyszczania ścieków. Zawarte w preparacie enzymy i bakterie, powodują skuteczne rozkładanie złożonych substancji organicznych występujących w ściekach (węglowodanów, białek, tłuszczów) na związki proste takie jak: dwutlenek węgla, wodę oraz związki azotu.
Preparaty zawierające enzymy można stosować w szambach bezodpływowych, oczyszczalniach przydomowych z drenażem rozsączającym, oczyszczalniach ze złożem biologicznym, napowietrzaniem i osadem czynnym, latrynach i dołach gnilnych, rowach melioracyjnych zalanych ściekami, na dzikich wylewiskach ścieków, szambach osiedlowych, kontenerowych i mechaniczno-biologicznych oczyszczalniach.
Preparaty enzymatyczne to produkty naturalne, bezpieczne dla ludzi i środowiska, można je stosować do wszelkiego rodzaju instalacji, urządzeń ceramicznych, metalowych czy wykonanych z tworzyw.

Podsumowanie.
Stosowanie preparatów enzymatycznych w praktyce jest szerokie, gdyż obejmuje prawie wszystkie gałęzie przemysłu. Najważniejsze korzyści płynące z zastosowania enzymów to: przyspieszenie procesów technologicznych, możliwość uruchomienia produkcji nowych asortymentów żywności (w tym żywności funkcjonalnej), podniesienie jakości i atrakcyjności oraz wydłużenie trwałości produktów żywnościowych, możliwość zwiększenia wydajności tradycyjnie stosowanych surowców i zmniejszenie kosztów produkcji.
Enzymy z racji ich całkowitej biodegradowalności (jak wszystkie białka) i wysokiej wydajności mogą być doskonałymi, bezpiecznymi dla środowiska katalizatorami przemysłowymi. Niestety wydaje się, że fakt, iż ich naturalnym środowiskiem jest woda może być znacznym hamulcem dla ich stosowania na skalę przemysłową. A może enzymy posiadają jeszcze jakieś wyjątkowe cechy, powodujące, że przemysł zainteresowany jest coraz szerszym ich zastosowaniem?

http://biotechnologia.pl/kosmetologia/artykuly/enzymy-wykorzystywane-w-kosmetologii,12744

http://biotechnologia.pl/biotechnologia/doniesienia-naukowe/enzym-roslinny-szansa-na-rozwoj-produkcji-biopaliw,13144

https://karolinahohn.wordpress.com/

http://gadzetomania.pl/17142,enzymy-nowy-sposob-na-druk

https://mfiles.pl/pl/index.php/Preparaty_enzymatyczne

http://www.kierunekspozywczy.pl/artykul,5955,enzymy-i-preparaty-enzymatyczne-w-przetworstwie-zywnosci.html

http://laboratoria.net/artykul/12855.html

http://www.kierunekspozywczy.pl/artykul,5955,enzymy-i-preparaty-enzymatyczne-w-przetworstwie-zywnosci.html

http://www.pfdb.net/html/species/s12.htm

http://www.agrovis.eu/jaka-jest-rola-podpuszczki-i-kultur-bakterii-mleczarskich/

http://www.biozym.pl/enzybac-bakterie-do-oczyszczalni-szamb.html

http://laboratoria.net/artykul/12855.html