ENZİM TEKNOLOJİSİ

BİYOTEKNOLOJİ I
ENZİM TEKNOLOJİSİ
Prof.Dr. Ayşegül TOPAL
SARIKAYA
MİKROORGANİZMALARIN ÜRETTİKLERİ
YÜKSEK MOLEKÜL AĞIRLIKLI BİLEŞİKLER
• Mikroorganizmaların mikrobiyal teknoloji açısından
önemli olan yüksek molekül ağırlıklı makromolekülleri
proteinler ve polisakkaritlerdir.
• Her iki tip makromolekülün de mikroorganizmalarca
üretimi günümüzde artan bir şekilde devam etmektedir.
• Rekombinant DNA teknolojisi ile normalde az miktarda
üretilen proteinlerin miktarları artırılmaktadır.
• Ticari olarak mikrobiyal üretimi yapılan proteinler iki
çeşittir.
• Enzimler ve terapötik proteinler.
• Enzim uygulaması çok gelişmiştir. 1980’lerin
sonundan itibaren Pazar payları 10.000 ton
ve 1 milyar $ a ulaşmıştır.
• Proteinlerin modifikasyonunu içeren
rekombinant DNA teknolojisi uygulamalarının
enzim üretiminde önemli payı vardır. Örneğin
glukoz izomerazın pH optimumunun
düşürülmesi yüksek fruktoz şurubu
eldesinde önemli olan normal enzimin yol
açtığı karamelizasyonu (kahverengileşme)
ortadan kaldırmıştır.
MİKROORGANİZMALARIN ÜRETTİKLERİ
YÜKSEK MOLEKÜL AĞIRLIKLI BİLEŞİKLER
• Tedavi edici özellikte olan bazı proteinler ve
peptidler insan ve hayvanlardan yeteri kadar
saflıkta ve yüksek verimlilikte elde edilemezler.
• Bu nedenle rekombinant DNA teknolojisi
proteinlerin biyolojik fabrikalar olarak
nitelenebilecek bakteriler (en sık kullanılanı E.
coli) ve mayalar (en sık kullanılanı
Saccharomyces cerevisiae) içinde üretilmelerine
olanak vermiştir.
MİKROORGANİZMALARIN ÜRETTİKLERİ
YÜKSEK MOLEKÜL AĞIRLIKLI BİLEŞİKLER
• Terapötik proteinlerin sahip olması gereken
özellikler şunlardır:
–
–
–
–
%95’den daha fazla saf olmalıdırlar,
kontaminant DNA 10 pg/doz’dan daha az olmalı,
endotoksinler belirtilen düzeyin altında olmalı,
saflaştırmada kullanılan toksik kimyasallar belirlenen
düzeyin altında olmalı,
– spesifik aktivite minumum düzeyin üstünde, tercihan
maksimum olmalı,
– mikroorganizma içermemelidir.
MİKROORGANİZMALARIN ÜRETTİKLERİ
YÜKSEK MOLEKÜL AĞIRLIKLI BİLEŞİKLER
• Polisakkaritler normalde bitkilerden, su
yosunlarından elde edilirler.
• Bitkiler gibi doğal kaynaklardan doğal olaylara
bağlı olarak seneden seneye ürün miktarını
etkileyen değişimlere bağlı olan verimlilikte elde
edilirler.
• Mikroorganizmalar ise sürekli istenen
miktarlarda uniform kimyasal ve fiziksel
özelliklere sahip olan polisakkaritleri
üretebilmektedirler.
ENZİM TEKNOLOJİSİ
• Enzimler canlı organizmalarda substratların
kimyasal değişimini katalizleyen kompleks
protein molekülleridir.
• Enzimler in vitro koşullarda da katalitik aktivite
gösterdiklerinden, mikroorganizmaların bu
proteinleri bol miktarda üretmeleri sonucu izole
edilerek çeşitli endüstriyel alanlarda
kullanılabilirler.
• Enzimlerin bu şekilde endüstriyel süreçlerde
kullanılma işlemleri topluca “enzim teknolojisi”
olarak adlandırılır.
ENZİM TEKNOLOJİSİ
• Enzim teknolojisi,
– mikrobiyal işlemler (üretici suşların seçimi,
geliştirilmesi vb.),
– enzimlerin fermentasyon yoluyla üretimleri (büyük
ölçekte üretimi için yapılan besiyeri, ortam koşulları
vb. düzeylerdeki optimizasyonlar),
– katalitik etkinliğin arttırılması için enzimlerin üç
boyutlu yapılarının değiştirilmesi (protein
mühendisliği),
– izolasyonları ve
– immobilizasyonları (enzimlerin çözünmeyen destek
materyaller yardımıyla suda çözünmeyen hale
getirilmesi) çalışmalarını kapsar.
• Enzimler binlerce yıldır bilinçsizce de olsa
insanlar tarafından peynir, bira ve ekmek
yapımında kullanılmışlardır.
• Günümüzde enzimlerin kullanıldığı endüstriyel
alanlar oldukça çeşitlenmiş ve
mikroorganizmalar kullanılarak her yıl üretilen
saf enzimlerin miktarları 500 ton gibi değerlere
ulaşmıştır.
• 2000 yılında endüstriyel enzimler için pazardaki
toplam değer yaklaşık 2 milyar dolardır ve
büyüme hızı yılda % 5-10’dur.
•
• Mikrobiyal enzimler,
–
–
–
–
–
süt ürünlerinin üretiminde,
biracılıkta,
etlerin işlenmesinde,
meyve sularının berraklaştırılmasında,
fruktoz şurubu üretiminde kullanılmalarıyla gıda
sektöründe,
– protein ve yağ artıklarını parçalamak üzere deterjan
endüstrisinde,
– deri ve dokuma ipliklerinin işlenmesini kolaylaştırarak
tekstilde,
– teşhis ve tedavi amacıyla tıpta kullanılmaktadırlar
ENDÜSTRİ
•
•
SÜT ÜRÜNLERİ
BİRA END.
ENZİM
KULLANI ALANLARI
ZORLUKLAR
Hayvan türevli
renin
Peynir imalatı
Renin üretimi sadece genç
hayvanlardan elde edilebilir.
Yaşlanınca üretim azalır.
Mikrobiyal renin
Hayvan türevli reninin yerini
hızlı bir şekilde almaktadır.
Lipaz
Penicillum roquoferti'den izole edilen
Hücre dışı lipaz özel bir peynir
üretiminde
Arpadaki amilaz
ve proteaz
End. Üretilen amilaz
proteaz, glukanaz
Nişasta ve protein, şeker ve aa. lerin
yıkımı (malt oluşumu sırasında)
Malttaki proteinlerin ve polisakkaritlerin
yıkımı
B-glukanaz Maya hücre duvarının yıkımı ve biranın
Berraklaştırılması.
Proteaz
Mayanın parçalanması ve biranın berrak.
Amyloglukosidaz
Düşük kalorili bira yapımı için şekerlerin
yıkılması.
EKMEK ve PASTA
ENDÜSTRİSİ
DETERJAN
Maya α-amilazı
Biskuvit üretimi için düşük
proteinli un üretimi
Undaki nişastanın şekerlere
yıkılması ve mayanın
kullanımına hazır olması
Bakteriyel ekstrasellüler proteazlar
Organik lekelerin
uzaklaştırılması
Proteaz
Üretimde çalışanların
allerji omaları
Immobilizasyon kul.
ŞEKERLEME
B.subtulis α-amilazı
Tatlandırıcı olarak glukoz
şurubu eldesi
Nişasta
Dekstrin
A. niger α-amilazı
Immobilize olarak sürekli
kullanım
Tarım ve orman
Tekstil
Ligninaz
Bakteriyel amilaz
Odunsu atıklardaki
lignoselülozik yapıdaki
selülozun hayvanların
kullanmasını sağlamak ve
endüstriyel organik
substrat olarak kullanmak
Dokumadan önce nişasta
banyosuna batırılan
ipliklerden nişastanın
uzaklaştırılması.
Deri
Mikrobiyal tripsin
Deriden tüy veya kılların
uzaklaştırılması.
Tıp
Tripsin
Kan pıhtılarının
eritilmesinde ve yaraların
temizlenmesi.
Çeşitli enzimler
Labaratuvar tanılarında.
• Endüstriyel enzim marketinin yaklaşık 2/3 nü kapsayan
deterjan katkısı olan enzimlerin pazardaki payı 2002 yılı
için 980 milyon dolardır.
•
Nişasta işleme endüstrisi ikinci büyük pazarı
oluşturmaktadır. Gıda katkıları ve gıda işlenmesinde
kullanılan endüstriyel enzimlerin pazardaki değeri 700
milyon dolardır (2002).
• Endüstriyel enzimler için bir diğer önemli alan hayvan
yemlerine katılan enzimlerdir. Yaklaşık 200 milyon
dolarlık (2002) bir değere sahip olan enzimler yemlerde
parçalama yaparak sindirimi kolaylaştırmaktadır.
ENDÜSTRİYEL ENZİMLER
ENZİM
KULLANIM ALANI
MİKROORGANİZMA
α-amilaz
Maltoz ve dektrinin yıkılması
Leke çıkarıcı
Unun zenginleştirilmesi
Glukoz şurubu
Bacillus subtilis
Aspergillus oryzae
B. licheniformis
β-glucanaz
β-glukanın parçalanması yoluyla
biranın berraklaştırılması.
A. oryzae
B.subtilis
Katalaz
İçeceklerin buzulmasını önlemek için
A. Niger
Selülaz
Deterjan katkı maddesi
Atıkların değerlendirilmesi
Penicillum spp.
Glukoz izomeraz
Glukoz
Fruktoz
Aspergillus spp.
Streptomycetes spp.
Glukoz oksidaz
Biyosensor
A.niger
Laktaz
Laktoz
Glukoz+Galaktoz
(Peynir altı suyu)
laktozsus gıda üretimi
Kluyveromyces laktis
Lipaz
Deterjan katkı maddesi
Gıda Mühendisliği ile
oluşturulan
A. oryzae
Peynir Endüstrisi
Pektinaz
Meyve suyu ekstraksiyonu
Şarap ve meyve suyu
berraklaştırılması
Erwinia spp
.
Proteaz
Deterjan katkı maddesi
Deri Endüstrisi, et ekstraksiyonu
B. Subtilis
Renin
Peynir Endüstrisi
Kluyveromyces lactis
Mucor spp.
Sukraz (invertaz)
Şekerleme Endüstrisi
Saccharomyces spp.
Mikrobiyal Enzim üretimi:
• Mikrobiyal yolla enzim üretiminin ilk aşaması uygun katalitik özgüllük
ve istenilen fiziksel özellikleri taşıyan mikroorganizmanın seçimi ile
başlar.
• Mikroorganizma düzeyindeki modifikasyonlar genellikle hücre
başına üretilen enzim miktarının artırılmasına yöneliktir. Ayrıca kültür
ortamı ve fermentasyon koşulları da enzim üretim maliyetini
düşürmeye yönelik olan önemli parametrelerdendir.
• Suş seçiminde uygun fiziksel özellikler taşıyan enzimlerin seçimi
genellikle bir organizmanın optimum üreme koşulları ile enzim
özellikleri arasında pozitif korelasyonun varlığı esasına dayanır.
Örneğin üreme temparatürü ile hücredışı proteazların stabilitesi
arasında pozitif bir ilişki vardır. Hücreiçi enzimler üzerine çevresel
koşulların etkisi söz konusu değildir.
• Farklı mikroorganizmalar tarafından aynı
reaksiyonu katalizleyen enzimlere
izofonksiyonel enzimler denir.
• Bu izofonksiyonel enzimler farklı pH
optimumları gibi değişik özellikler taşırlar.
Bu farklı özelliklerden istenenler
mikroorganizma seçiminde kriter olur.
Mikroorganizma seçiminden sonra suşun endüstriyel kullanımı
için çeşitli aşamaları dikkate almak gereklidir.
– İyi bir endüstriyel ırk enzimi yüksek
konsantrasyonda üretmelidir.
– Kural olarak yabani tiplerin enzim üretimi ticari
kullanım için yeterli değildir. Bu durum
katabolit represyon nedeniyledir.
– Glukoz gibi karbon kaynaklarının varlığında
birçok parçalayıcı enzimin sentezi baskılanır.
» KATABOLİT REPRESYON
–*********Katabolit represyon besiyeri bileşimini değiştirerek ya da
genetik olarak azaltılabilir.
MUTASYON
Besiyeri bileşenleri değiştirilir
2-deoksiglukoza dirençli
Trichoderma türlerinin selülazı fazla
miktarda sentezledikleri saptanmıştır.
Karbon kaynağı azar azar
verilir ve katobolit represyon
kırılır.
Kural olarak parçalayıcı enzimlerin üretilmesi için indüktörlere gerek
duyulur. İndüktörler genellikle represör proteinlerin etkisiz hale gelmesi
için gereklidir.
NEGATİF KONTROL
Büyük ölçekte üretim için indüktör gereksinimi
maliyeti artırır.
SORUNUN KONSTİTÜTİF MUTANT ELDESİ İLE GİDERİLMESİ
Represörün bağlanacağı regülatör bölgedeki ya da regülatör protein
genindeki bir mutasyon sonucu elde edilen konstitütif mutantlarda indüktör
gereksinimi ortadan kalkar.
Bazı ticari enzimler için kullanılan indüktörler
Enzim
Substrat
İndüktör
α-Amilaz
Glukoamilaz
Invertaz
Pullulanaz
Ksiloz izomeraz
Nişasta
Nişasta
Sukroz
Pullulan
Ksiloz
Nişasta/maltodekstrin
Maltoz/izomaltoz
Sukroz
Pullulan/maltoz
Ksilan/ksiloz
•
Hücreiçi enzimlere göre hücredışı enzimlerin
hücre dışına salgılanması için birden fazla
genin ürününe gereksinim duyulması, üzerinde
durulması gereken başka bir sorundur.
•
Çoğunlukla hücredışı enzimlerin öncülleri olan
polipeptidler hücre içinde hücre zarına yakın
olarak sentezlenirler. Ve daha sonra
posttranslasyonel modifikasyonlarla (proteolitik
kesimler, funguslarda glikolizasyon) hücredışı
hale getirilirler.
Endüstriyel Enzim Üretim Metodları
• Koji prosesi (Solid-state fermentasyon): Klasik
yöntemdir.
• Mikroorganizmalar katı ya da yarı katı tavalardaki
besiyerlerinde üretilirler. Bu katı substratlar buğday
kepeği, buğday sapı, pirinç kabuğu, arpa, suyu çıkarılmış
şeker kamışı vb. dir.
• Çoğunlukla bu katı substratlar proteazlar, lipazlar,
selülazlar ve oksidazlar gibi enzimlerin üretiminde
funguslar için kullanılır.
• Bu tip fermentasyonda kontaminasyondan korunmak,
uniform temperatür, havalandırma ve nemlendirme
sağlamak zordur.
Endüstriyel Enzim Üretim Metodları
• Fermentör kullanımı: Modern yöntemdir.
Bu fermentörlerin kullanımı yukarıda
sayılan olumsuzlukları ortadan kaldırır.
Mikrobiyal enzim üretiminde başlıca 4
çeşit fermentör kullanılır.
Karıştırıcılı tank tipi fermentör,
 bubble column,
 air lift,
 packed bed
Air lift fermentörler
Karıştırıcılı fermentör
“packed bed”
mikroorganizma
• Bir enzim fermentasyonu prosesinin %50-80’i substrat
harcamasıdır.
• Bu nedenle de mikroorganizmanın ucuz besiyerlerinde
hızlı bir biçimde üremesi önemlidir.
• Ucuz besiyerindeki başlıca karbohidratlar;
– melas, arpa, mısır, buğday, hidrolize nişasta ve laktoz,
azot kaynakları;
soya fasulyesi, pamuk tohumu, mısır maserasyon sıvısı, hidrolize
maya, gluten, jelatin, kesilmiş süttür.
• Ayrıca besiyerine inorganik tuzlar, iz elementler ilave
edilmelidir
Mikrobiyal Enzimlerin Geniş
Ölçekteki Uygulamaları
• Mikrobiyal enzim uygulamalarından en
önemlileri
–
–
–
–
–
–
–
tatlandırıcı endüstrisi,
deterjan endüstrisi,
tekstil,
deri,
kağıt,
ilaç endüstrileri ile
diğer tıbbi uygulamalardır.
Gıda Endüstrisinde Enzimler
Tatlandırıcı Yapımı (nişasta işlenmesi)
Nişasta (glukoz polimeri) = Amiloz (doğrusal bileşen) + Amilopektin (dallanmış bileşen)
Asit (HCl)
Nişasta
Verim: %20 ÇÜNKÜ Polimerizasyon
Glukoz şurubu
hidrolizi
Nötralizasyon için NaCO3 kullanımı
nedeniyle tuz birikimi
Asite dayanıklı ekipman kullanımı
Sukrozun tatlandırıcılığının %75’i glukozdan kaynaklanır.
 Oysa glukoz izomeri olan fruktozun tatlandırıcı
özelliği glukozun iki katıdır.
 Bu nedenle düşük kalorili gıdalarda sukrozun yarı ağırlığındaki ancak iki katı tatlandırıcı
özellikteki fruktoz tercih edilir.
 Glukozun fruktoza çevrilmesi alkali koşullarda ve yüksek temparatürde kimyasal olarak
mümkündür. Ama bu koşullar istenmeyen yan ürünlerin oluşumuna neden olur.
 Enzim kullanılarak nişastadan yüksek fruktoz şurubu eldesi ile bu problemler ortadan
kalkmıştır.
Nişasta endüstrisinde ticari olarak kullanılan en önemli
enzimlerden;
a-amilazlar
molekülün iç tarafındaki α,14 glikozit bağlarını,
glukoamilazlar (amiloglukozidazlar)
α,1-4 ve
β- 1-4 glikozit bağlarını,
pullulanazlar ve diğer dallanma kırıcı enzimler
α,1-6
glikozit bağlarını hidrolizlerler.
Nişastadan glukoz ve fruktoz şurubu eldesinde ilk aşama
“liquefaction” (sıvılaştırma) dır.
α -amilazlarla (Bacillus licheniformis) nişastadan
maltoz, az miktarda glukoz ve esas olarak da dekstrinler
oluşturulur.
Bu işlem nişastanın vizkozitesini düşürür ve çözünürlüğünü
artırır.
Glukoamilazlar ise şekerlerin oluşumuna yol açar. Bu olay ise
sakkarifikasyon (şekerlendirme) adını alır.
• Aspergillus niger glukoamilazı nişasta ve dekstrinlerde
α,1-4 glikozit bağlarına etki ederek zincir ucundan glukoz
monomerlerini birer birer ayırırlar.
• α,1-6 glikozit bağlarına da yavaşça etki ederek
dallanmaları kırarlar.
• Bacillus pullulonazı ise α,1-6 glikozit bağlarını hızlı bir
biçimde kırarlar.
• Bakteriyal glukoz izomeraz ile D-glukoz çok tatlı olan Dfruktoza çevrilir. Normalde reaksiyon denge
durumundadır ve glukoz ile fruktozun eşit karışımı elde
edilir.
Glukoz + fruktoz = glukoz-fruktoz şurubu ya da kısaca fruktoz şurubu
Fruktoz şurubu sıvı tatlandırıcı olarak sukrozun yerini almakta; marmelat, reçel,
çukulata, coca cola gibi alkolsüz içki yapımında kullanılmaktadır.
Sıvılaştırma
Nişasta
α-amilaz
Şekerlendirme
Hidrolize nişasta
Glukoamilaz
Glukoz şurubu
Glukoz
izomeraz
FRUKTOZ ŞURUBU
Rekombinant Kimozin
Dünya üzerinde süt endüstrisinde, peynir yapımı için
yılda 100 milyon $ değerinde kimozin kullanılır.
Bu geniş kullanımı nedeniyle büyük ölçekte rekombinant
kimozin üretimi yoluna gidilmiş ve inek kimozini E. coli’de
klonlanmıştır.
Bu rekombinant kimozin Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi
(FDA)’nin 1990’da insan tüketimi için onayladığı ilk
genetik mühendisliği ürünü olmuştur.
İnek kimozini E. coli’nin dışında daha sonra çeşitli
mayalarda da klonlanmış ve Trichoderma reesei’de aktif
ürün eldesi arttırılmıştır.
α -amilazlar
• α -amilazlar nişasta endüstrisinin yanı sıra çeşitli endüstrilerde de kullanılır.
•
Ekmek yapımında, maya tarafından kullanılmak üzere nişastanın glukoza
dönüştürülmesinde kullanılır.
•
Biracılıkta arpa tanelerinden elde edilen maltın öğütülüp su ile
karıştırılmasından sonra ilave edilen α -amilazlarla alkolik fermentasyon için
mayanın kullanacağı şekerler oluşur.
•
Tekstilde dokuma ipliklerinin kopmasının engellemek için
sertleştirilmelerinde (haşıllama) kullanılan α -amilaz etkisinde bırakılan
nişastanın dokuma sonunda ortadan kaldırılmasında (haşıl kaldırma)
kullanılır.
•
Kağıt endüstrisinde ise iyi kalite kağıt (pürüzsüz yüzeyli) eldesi için nişasta
banyosuna sokulan kağıt üzerindeki fazla nişastanın uzaklaştırılmasında α amilazlar kullanılır.
Deterjan Endüstrisi’nde Enzimler
• Deterjan endüstrisinde
enzimler önemli yer tutarlar.
• Çamaşır deterjanlarının % 80’i
ağırlıklarının % 0.015- 0.025’i
kadar proteolitik enzim
içerirler.
• Yine bulaşık deterjanlarında
kullanılan -amilazlar nişastalı
artıkların uzaklaştırılması için
kullanılmaktadırlar.
•
Proteolitik bir enzim olan subtilizin
Bacillus’tan elde edilir ve 65C’ın
üzerindeki sıcaklıklarda bile etkindir.
•
Bu enzimin termostabilitesini
arttırmak için genetik mühendisliği
çalışmaları yapılmış ve protein
molekülünün 218. amino asidi olan
aspartik asit, serin ile değiştirilmiştir.
•
Yine 104. amino asit olan tirozin,
fenil alanine dönüştürülerek pH
11’de aktif olan subtilizin elde
edilmiştir.
•
Deterjan endüstrisinde yağlı kirlerin
uzaklaştırılması için kullanılan
lipazların büyük ölçekte üretilmesi
için bir mantar olan Humicola’nın
alkali pH’da çalışan ancak üretimi az
olan lipaz enzimini kodlayan gen,
fermentörde kolaylıkla üreyen
Aspergillus oryzae’ye genetik
mühendisliği teknikleriyle aktarılmış
ve büyük ölçekte lipaz elde
edilmiştir.
İMMOBİLİZE ENZİMLER
• Enzimlerin çözünmeyen destek görevi gören materyaller
(matriksler) yardımıyla suda çözünmeyen hale
getirilmeleri immobilizasyondur.
• Mikrobiyal hücreler de enzimler gibi immobilize edilir.
• Tüm hücrelerin immobilize edilmesi saf enzimin gerekli
olmadığı proseslerde kullanılan ucuz ve hızlı bir
metoddur.
• İmmobilize hücreler atıkların kullanımında, azot
fiksasyonunda, steroid sentezinde, yarı sentetik
antibiyotikler ve diğer tıbbi ürünlerin eldesinde kullanılır.
Enzim immobilizasyonunda kullanılan beş temel
yöntem vardır.
• Kovalent bağlama: Enzimler kimyasal olarak
kovalent bağlarla selüloz, sefadeks, agaroz,
poliakrilamid, porlu seramik gibi suda
çözünmeyen taşıyıcılara bağlanırlar.
• Çapraz bağlama: Enzimler glutaraldehit, alifatik
diaminler gibi bifonksiyonel reaktiflerle çapraz
bağlanırlar. Bu reaktifler enzim molekülleri
arasında bağ oluştururlar. Glutaraldehit enzim
moleküllerinin amino gruplarından, diaminler ise
karboksil gruplarından çapraz bağlarlar.
Çapraz bağlama
• Adsorbsiyon: Enzim moleküllerinin taşıyıcıların
yüzeyine adsorblanmaları esasına dayanır. Kolay bir
yöntemdir. Agaroz, sefadeks türevleri, selüloz türevleri,
metal tuzları ve mineraller adsorban olarak kullanılırlar.
• Tutuklama: Enzimler yapay ya da doğal polimer
kafesleri içinde tutuklanırlar. Polimer kafesler içine
substrat girer ve ürün dışarı çıkar. Çapraz bağlı
poliakrilamid jeller, Ca alginat, kappa karragenan bu
polimerlerin örneklerindendir.
• Kapsülleme: Enzimler çeşitli tipteki membranlar içine
alınırlar. Bu membranlar yarı geçirgendir. Düşük molekül
ağırlıklı substratı ve molekülleri geçirirler. Hegza metilen
diamin mikrokapsüllemede kullanılar.
Ayrıca bu yöntemlerin kombinasyonları da, tutuklama-çapraz bağlama,
kapsülleme-çapraz bağlama gibi, enzim immobilizasyonunda kullanılır.
Tutuklama
Adsorbsiyon
Kapsülleme
İmmobilize enzim kullanmanın avantajları:
Enzimler tekrar tekrar kullanılırlar. Özellikle üretimi zor ve pahalı
enzimler için bu önemlidir.
 Ürün enzimle kontamine olmaz, çünkü enzim matrikste tutulur.
 Matriks enzimi fiziksel bir bariyer olarak koruduğundan, enzim
ekstrem pH ve temparatür gibi etkilere dayanıklı hale gelir.
 Sürekli fermentasyonlar için enzimi daha kullanışlı hale getirir.
 İmmobilize enzimler çok daha doğru bir şekilde kontrol edilirler.
 İmmobilize hücrelerle bir çok enzim de immobilize olacağından
aynı anda birden fazla reaksiyon gerçekleşebilir.
MİKROBİYAL POLİSAKKARİTLER VE
POLİESTERLER
• Biyosferde en fazla bulunan polisakkaritler
Agar, karragenan
Selüloz, hemiselüloz
Bitkisel
Algal
Polisakkaritler:
Sıvı akışkanlığını değiştirme
Jellerin Üretimi
Süspansiyonları stabilize etme
Yiyecek katılaştırılması,
stabilizasyonu
Partikülleri çökeltme
Materyal kapsülleme, emülsiyon
oluşumu, iyon değiştirici
Yağ geri kazanımı
Tıp
• Uygun kültürleme koşullarında birçok bakteri türü yüksek
molekül ağırlıklı mukoid maddeler salgılarlar.
• Bu vizkoz maddeler hücre çeperine bağlı kalırlarsa
kapsül adını alırlar.
• Bu yapılar bakteriyi fagositozdan, immun sistemin
uyarılmasıyla antikor oluşumundan da korurlar.
• Ayrıca hücrenin su kaybını da engellerler.
• Toprak, kaya gibi çeşitli yüzeylerde tutunmayı sağlarlar. Bu
şekilde de bitki patojeni bakterilerin konak bitki yüzeyine
tutunmasında etkili olurlar.
• Günümüzde bitkiler ve yosunlar yerine
mikroorganizmalardan polisakkarit üretimi gittikçe
artmaktadır.
Ticari kullanımı olan bakteriyal ve
fungal polisakkaritler:
Dekstranlar: Glukoz monomerlerinin α-1,6 (bazı
durumlarda α -1,2, α -1,3, α -1,4) glikozid bağlarıyla
oluşturdukları polimerlerdir.
 Acetobacter türleri, Leuconostoc mesenteroides
ve Streptococcus mutantları tarafından üretilirler.
 Ticari olarak Leuconostoc mesenteroides ‘in
inorganik fosfat, organik azot ve sukroz içeren
besiyerinde kesikli fermentasyonu ile üretilir.
 Sukrozdan dekstran sukraz enzimi ile glukozlar
dekstran halinde polimerize edilirken fruktozlar
serbest kalır.
 Kan plazması yerine 1000 ton/yıl, kromatografik
ayrımlar için 2000 ton/yıl kullanımı vardır.
Alginatlar: Pseudomdomonas aeroginosa ,
Azotobacter vinelandii tarafından üretilen
alginatlar mannuronik asit ve glukuronik asitlerin
tuz içeren polimerleridir.
Bakteri ve yosunlarca üretilirler. Yılda 25.000 ton
üretilen alginatlar besin jölesi olark kullanılırlar.
Curdlan: Alcaligenes faecalis ‘in ürettiği iki çeşit
beta-1,3 glukandan biridir. Diğeri ise
succinoglukandır. Succinoglukan %10 suksinik
asit ve galaktoz içerirken curdlan sadece glukoz
polimeridir.
Ksantan:
•
•
•
•
•
En fazla tüketilen bakteriyal
polisakkarittir.
Xanthomonas campestris
tarafından üretildiği 1950’lerde
saptandıktan sonra, 1964’de
endüstriyel boyutlarda
üretilmeye başlanmıştır.
1969’da ise besinlerde
kullanımına izin verilmiştir.
Ksantan stabilize edici,
kalınlaştırıcı, jelleştirici ajan
olarak sos, şurup, tatlı,
dondurma, peynir yapımı için
gıda endüstrisinde yaygın bir
kullanıma sahiptir.
Gıdanın dışında boya, kağıt,
seramik, endüstrilerinde,
insektisit spreylerinde ve
patlayıcı, deterjan,
deodorantlarda jelleştirici
olarak da kullanımı vardır.
• Ksantan reçinesinin primer yapısı β-1,4 glikozid
bağlarıyla bağlı glukoz polimeri oluşturur.
• Endüstriyel ksantan reçinesi üretimi aerobik
kesikli fermentasyonla, glukoz, sukroz, nişasta
içeren besiyerinde yapılır.
• Yüksek verim azot kaynağı kısıtlaması ile elde
edilir.
• Sıcaklık üretimi etkileyen bir diğer faktördür.
Hücreler 24-27oC’da ürerlerken, fazla miktarda
ksantan üretimi için gerekli sıcaklık 3033oC’dır. Bu nedenle fermentasyon 28oC ‘da
yapılır.
• Gellan: Pseudomonas elodea tarafından üretilir. Son
yıllarda yarı tropik ağaçların doğal ürünü olan Guar
sakızının yerini alan bakteriyal polisakkarittir. Besin
endüstrisinde yılda 60.000 ton kullanılır.
• Scleroglukan: Glukoz monomerlerinin β-1,3 nadirende
1,6 glikozidik bağ ile oluşturdukları polimerdir. Bir fungus
olan Sclerotium glutanicum tarafından üretilir. Besin
endüstrisinde ve suyun akışkanlığını değiştirerek
petrolün geri kazanılmasında kullanılır.
• Pullulan: α-1,4 ve nadiren α -1,6 glikozidik bağ oluşumu
ile meydana gelen bir glukandır. Aebasidium pullulans
tarafından %5’lik glukoz ortamında %70 verimle
fermentasyonla üretilir.
POLİESTERLER
• Birçok bakteri besin bakımından dengesiz bir ortamda
üretildikleri zaman fazla miktarda poliester yapıda
maddeler üretirler.
• Bu maddelerin tipi organizmanın genotipine ve sınırlı
olan besin kaynağına bağlı olarak değişebilir.
• Eğer karbonun azota oranı yüksek ise ve azot veya
oksijen sınırlı ise birçok bakteri glikojen ve/veya alifatik
poliesterler, poli-3-hidroksialkanatlar üretirler.
• Poli-3-hidroksialkanatlar termoplastik (ısı ile şekil
verilebilen) maddelerdir. Termoplastik polimerler ısıyla
erirler, fakat soğutulduklarında tekrar sertleşirler.
• Polietilen, polipropilen, polivinil klorit, polisteren,
polikarbonat ve naylon bilinen termoplastik
materyallerdir.
• Plastik objeler günlük yaşantımızda yüzlerce amaç için
kullandığımız bir materyallerdir.
Biyolojik parçalanabilen poliesterler
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
PHA – polyhydroxyalkanoates
PHB – polyhydroxybutyrate
PHH – polyhydroxyhexanoate
PHV – polyhydroxyvalerate
PLA - polylactic acid
PCL – polycaprolactone
PBS - polybutylene succinate
PBSA - polybutylene succinate adipate
AAC - Aliphatic-Aromatic copolyesters
PET - polyethylene terephthalate
PBAT - polybutylene adipate/terephthalate
PTMAT- polymethylene adipate/terephthalate
Alcaligenes eutrophus Bacillus megaterium)