Глюкозоизомераза¶

Глюкозоизомераза — фермент класса изомераз (КФ 5.3.1.5), катализирующий обратимую изомеризацию D-глюкозы в D-фруктозу. В промышленности используется для получения глюкозо-фруктозных сиропов (ГФС), применяемых в пищевой отрасли в качестве заменителя сахарозы. Фермент также известен под названием ксилозоизомераза, поскольку в природных условиях его основной функцией является превращение D-ксилозы в D-ксилулозу в метаболических путях многих бактерий.

¶История открытия

Способность микроорганизмов к изомеризации глюкозы была обнаружена в 1950-х годах. В 1957 году японский исследователь К. Такахаси выделил фермент из бактерий рода Pseudomonas. Однако практическое значение открытие приобрело после того, как в 1960-х годах были найдены термостабильные варианты фермента, способные работать при температурах 60–70 °C. Это позволило запустить в 1970-х годах в США и Японии первое промышленное производство глюкозо-фруктозных сиропов, что стало ответом на рост цен на сахар.

¶Строение и механизм действия

Глюкозоизомераза является металлоферментом. Молекула фермента состоит из четырёх идентичных субъединиц (тетрамер), каждая из которых содержит два иона двухвалентных металлов — обычно магния (Mg²⁺), кобальта (Co²⁺) или марганца (Mn²⁺). Ионы металлов участвуют в связывании субстрата и стабилизации промежуточного состояния реакции.

Механизм реакции включает раскрытие пиранозного кольца глюкозы, перенос атома водорода и образование открытой цепи фруктозы с последующей циклизацией. Равновесие реакции смещено в сторону глюкозы (примерно 55:45 в пользу глюкозы при 60 °C), поэтому в промышленности для увеличения выхода фруктозы применяют повышенные температуры и хроматографическое разделение продуктов.

¶Источники и промышленное получение

Основными продуцентами фермента являются бактерии родов Streptomyces, Bacillus, Actinoplanes, а также некоторые виды дрожжей. Промышленное получение включает:

• глубинное культивирование микроорганизмов на питательных средах с ксилозой или глюкозой;
• разрушение клеточной стенки и экстракцию фермента;
• очистку и концентрирование;
• иммобилизацию на носителях (например, на микросферах из диэтиламиноэтилцеллюлозы или пористого стекла) для многократного использования.

Иммобилизованная глюкозоизомераза позволяет проводить непрерывный процесс в колонных реакторах в течение нескольких месяцев без существенной потери активности.

¶Применение

Основная область применения — производство глюкозо-фруктозных сиропов с различным содержанием фруктозы (ГФС-42, ГФС-55, ГФС-90). Сиропы используются при изготовлении безалкогольных напитков, кондитерских изделий, мороженого, консервированных фруктов и мёдоподобных продуктов. Преимущества ГФС перед сахарозой: более высокая сладость (у ГФС-90), лучшая растворимость, отсутствие кристаллизации и устойчивость к микробиологической порче.

В аналитической практике фермент применяется для количественного определения глюкозы в биологических жидкостях и пищевых продуктах. В лабораторных исследованиях глюкозоизомераза используется в биосенсорах и для изучения механизмов ферментативного катализа.

¶Особенности и ограничения

Фермент проявляет максимальную активность в слабощелочной среде (pH 7,0–8,5) и при температуре 55–75 °C. Для промышленного процесса требуется тщательная очистка глюкозного сырья от кальция, который ингибирует фермент, конкурируя с магнием за место в активном центре. Также на активность влияет присутствие кислорода, вызывающего окислительную деградацию фермента.

¶Источники

• Березин И. В., Клёсов А. А. «Промышленная энзимология». — М.: Высшая школа, 1984.
• Брайнес Я. М. «Ферменты в пищевой промышленности». — М.: Пищевая промышленность, 1975.
• Чигалейчик А. Г. «Биотехнология ферментов». — Томск: Изд-во ТПУ, 2007.
• Bhosale S. H., Rao M. B., Deshpande V. V. «Molecular and industrial aspects of glucose isomerase». — Microbiological Reviews, 1996.