DE2251855A1 - Verfahren zur verbesserung der lagerungsstabilitaet von enzymen - Google Patents
Verfahren zur verbesserung der lagerungsstabilitaet von enzymenInfo
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- C12Y302/01—Glycosidases, i.e. enzymes hydrolysing O- and S-glycosyl compounds (3.2.1)
- C12Y302/01041—Pullulanase (3.2.1.41)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Enzymen.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Behandeln von Enzymen in Gegenwart von Feuchtigkeit.
Enzyme haben die Neigung, daß sie beim Lagern langsam denaturiert
werden oder Aktivität verlieren. Diese Neigung kann etwas verringert werden, indem man die Enzyme trocknet. Bestimmte
Elnzyme sind aber extrem wärrneempfindlich, so daß ' das ■ Trocknen
solcher Enzyme bei relativ niedrigen Temperaturen -vorgenommen werden muß, wodurch ausgedehnte Trocknungszeiträume erforderlich
sind. Die Enzyme können auch gefroren gelagert v/erden, um den
BAD ORlGINAi 3 0 9 8 17/0912 - 2 - "
Aktivitätsverlust beim Lagern zu verringern. Diese Methoden sind aber aus einer Anzahl von Gründen nicht vollständig zufriedenstellend.
Es ist daher ein Hauptziel dieser Erfindung, ein geeignetes und wirtschaftliches Verfahren zur Behandlung von Enzymen
zur Verbesserung der Lagerungsfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
Dieses Ziel der Erfindung wird dadurch gelöst, daß man die Enzyme in Gegenwart von Feuchtigkeit bzw. Wasser mit einer
effektiven Menge einer langkettigen quaternären Ammoniumverbindung
behandelt.
Beispiele für Enzyme, die erfindungsgemäß behandelt werden können sind Glycose-Isomerase, £fc -Amylase, Qt- -1,6-Glucosidasen,
Catalase, Malzenzyme, Glucose-oxidase, Cellulase und dergleichen. Die bevorzugten Enzyme, die gemäß der Erfindung behandelt
werden, sind Glycose-Isomerase, Qi-Amylase und Pullulanase.
Eine relativ große Anzahl von langkettigen quaternären Ammoniumverbindungen
kann bei dem Verfahren der Erfindung verwendet werden. Diese quaternären Ammoniumverbindungen können durch die
allgemeine Formel
dargestellt werden, worin R, ein Radikal mit mindestens Io
Kohlenstoffatomen ist, Rg für ein Radikal mit- 1 bis 2o Kohlenstoffatomen
steht und R-, und Rh Radikale bedeuten, die nicht
mehr als 6 Kohlenstoffatome bedeuten. Die Radikale sind aus der Gruppe ausgewählt, welche aus Alkyl, substituiertem Alkyl,
Alken, Aryl, substituiertem Aryl, Aralkyl und gesättigen und
309817/0912 BAD ORIGINAL
ungesättigten cyclischen Gruppen, wobei die cyclische
Gruppe durch Verbinden von IU und üu gebildet wird, besteht,
wobei wenn die cyclische Gruppe ungesättigt ist,,
kein R2 vorhanden ist.
X kann jedes geeignete anorganische oder organische Anion
sein, z.B. Halogenid, Nitrat, Sulfat, Acetat etc.
Beispiele für quaternäre Ammoniumgruppen der obigen Formel,,
welche erfindungsgemäß verwendet werden können,, sind Trimethyloctadecyl-ammonium, DimethylbenzyIdodeeylammonium,
N,N-Diäthylmorpholynium, Cetylpyridinium, Trihydroxyäthyloctadeeenylammonium,
Diäthylclioctadecyl-ammonium,
Dioctadecylmorpholiniuni, Dime thy Idilauryl-ammonium und
2-Chloräthylbutyl-distearylammonium.
Die bevorzugten quaternären Ammoniumverbindungen, die erfindungsgemäß
verwendet werden können, können durch die allgemeine Formel
dargestellt werden, worin X ein Halogenidradikal ist und η eine ganze Zahl, nämlich 12, l4 oder l6 ist.
Formulierungen, die diese Verbindungen enthalten, sind unter dem Warenzeichen Variquat 415' und Hyamine 25oo von
Northern Petrochemical Company und Rohm und Haas Company im Handel, Sie stellen ein Gemisch aus $ö$ einer Verbindung,
bei welcher η der obigen Formel l4 ist," Kc$ einer Verbindung,
bei welcher η der obigen Formel 12;ist und lo$ einer
α-/. ν BAD ORIGINAL
309817/0912 . ~ * "
_ 1}
Verbindung, bei welcher η der obigen Formel 16 ist, dar.
Die Bedingungen, bei denen die Enzyme behandelt werden, können Je nach dem jeweiligen zu behandelnden* Enzym variieren,
sowie nach der Jeweilig verwendeten langkettigen quaternären Ammoniumverbindung. Die Feuchtigkeits- bzw.
Wassermenge muß naturgemäß ausreichend seinj um die langkettigen
quaternären Ammoniumverbindungen,aufzulösen, so daß die Enzyme sich damit im innigen Kontakt befinden.
Enzyme werden durch Mikroorganismen intracellulär und/oder extracellular produziert. O^ -Amylase 1st ein Beispiel für
ein Enzym, welches extracellular erzeugt wird. Die Qlycose-Isomerase,
die durch Mikroorganismen der Genus Streptomyces prodzlert wird, ist ein Beispiel für ein Enzym, welches
hauptsächlich intracellulär gebildet wird. Extracellular gebildete Enzyme sind in löslicher Form und wenn sie in dieser
Form verwendet werden, können sie nur durch relativ kostspieli~ge Arbeitsweisen, beispielsweise durch eine Ultrafiltration wiedergewonnen werden. Einige Enzyme, die intracellulär
gebildet werden, können innerhalb der Zellen unbeweglich gemacht werden, so daß sie während des Gebrauchs
nicht ausgelaugt werden oder sie können solubilisiert werden
und somit in einer Anzahl von Reaktionen oder in einem kontinuierlichen System verwendet werden. Enzyme können in
oder auf inerten Trägern gebunden oderunbeweglich gemacht werden, wie DEAE Cellulose, Dextranen, Harzen, Glas und
einer Vielzahl von anderen Materialien. Zur Bindung oder zur Unbeweglichmachung der Enzyme auf inerten Trägern ist es
im allgemeinen notwendig, daß die Enzyme In löslicher Form vorliegen. Im Falle von intracellulär gebildeten Enzymen
erfordert dies die Aufbrechung der Zellwände, um die Enzyme freizusetzen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist auf solubili-
BAD ORIGINAL 3 09817/0912 " .
sierte Enzyme und auf unbeweglich gemachte Enzyme, die intracellulär oder auf inerten Trägern unbeweglich gemacht
worden sind, anwendbar.
Die Menge der beim Verfahren der Erfindung verwendeten
Menge der langkettigen quaternären Verbindungen kann von einer Vielzahl von Paktoren abhängen. Wenn die Enzyme sich
in relativ reinem Zustand befinden, darin werden geringere Mengen von quaternären Ammoniumverbindungen benötigt, um
eine gesteigerte Lagerungsstabilität zu erzielen. Im Falle der Glucose-Isomerase, welche auf oder in einem inerten
Träger unbeweglich gemacht worden ist, ergeben etwa o,o5 bis etwa 0,8$ der quaternären Ammoniumverbindung zufriedenstellende
Ergebnisse .
Die Erfindung wird in den Beispielen näher erläutert. Beispiel 1; -
Dieses Beispiel beschreibt die Behandlung von intracellulärer Glucose-Isomerase, die durch Wärmebehandlung unbeweglich gemacht worden ist, mit einer langkettigen quaternären Ammoniumverbindung..
Streptomyces ATCC 21175 wurde unter aerobischen Bedingungen
über etwa 5o Stunden in einem geeigneten Medium gezüchtet.
Der pH-Wert der gesamten Fermentationsbrühe wurde mit NaOH
auf "J,5 und die Temperatur auf 75°C eingestellt. Die Brühe wurde
bei diesen Bedingungen 5 Minuten lang gehalten und sodann auf 4o°C abgekühlt. Zu der Brühe wurde eine genügende Menge
von Variquat Λ15 (von Northern Petrochemical Company) zugegeben,
so daß darin o,o62#, bezogen auf das Volumen der Brühe,
erhalten wurden. Die Brühe wurde filtriert und der Filterkuchen wurde gewaschen. Die Aktivität des Filterkuchens betrug 2oo IGIU/g
■ - 6 -309817/0912 BADOHiGlNAL
Proben des Filterkuchens wurden bei verschiedenen Temperaturen, wie sie in Tabelle I gezeigt sind, 2J Tage lang
gelagert und die Aktivitäten der Proben wurden bestimmt;
Lagerungsstabilität von unbeweglich gemachter intracellulärer Glucose-Isomerase
Lagerungstemperatur der ' Aktivität der Probe auf
intracellulären Glucose- Trockenbasis (ICKEU/g*) nach
Isomerase
27-tägiger Lagerung
V+4°C 2oo
26,7°C 2oo
IGIU ist die Abkürzung für Internationale Glucose-Isomerase
Einheiten. Dieser Wert bedeutet diejenige Enzyinmenge, die
ein Mikromol Glucose je Minute in einerLösung mit 2 Mol
Glucose,o,o2 Mol MgSOh, ο,οοΐ Mol CoCIp je Liter bei einem
pH-Wert von 6,84 bis 6,85 (o,2 M Natrioramalestt) und einer
Temperatur von 60 C in Fructose umwandelt.
Eine Kontrollprobe der intracellulären Glucose-Isomerase wurde unbeweglich gemacht und nach der oben angegebenen
Arbeitsweise behandelt, mit der Ausnahme, daß kein Variquat 4l5 verwendet wurde. Die Probe wurde 27 Tage bei 4,440C gelagert
und sodann die Aktivität bestimmt. Nach Lagerung der Probe wurde ein Verlust von etwa 35$ der Anfangsaktivität
festgestellt.
Dieses Beispiel beschreibt die Behandlung von Glucose-Isomerase,
die auf einem inerten Träger unbeweglich gemacht worden war, mit einer langkettigen quaternären Ammonium-Ver-
- 7 309817/0912
bindung. * ·
Streptomyces 21175 wurde in einem geeigneten Medium unter
aerobischen Bedingungen über etwa 5o Stunden gezüchtet.
Zu 7 1 der Brühe wurden 7o ml o, 1 M CoCl2* 6 HgO, Io5 g einer
Filterhilfe und o,06% eines kationischen Netzmittels gegeben«
Der pH-Wert der Brühe wurde auf 6,5 eingestellt. Die Temperatur der Brühe wurde bei 4o°C gehalten. Die Brühe wurde
bei diesen Bedingungen 18 Stunden gehalten und sodann filtriert. Zu dem Filtrat wurdenl5o g Whatman DE-23 Cellulose
gegeben und das Gemisch wurde gerührt, bis ungefähr etwa
loo$ der Glucose-isomerase in dem Filtrat auf der Whatman DE-2J5
Cellulose absorbiert waren. Das Gemisch wurde filtriert. Der
Filterkuchen wurde filtriert. Der Filterkuchen wurde mit 1 1 Wasser, 1 1 o,1 M NaCl und 1 1 Wasser mit o,o5$ Variquat 4l5
gewaschen. Der Filterkuchen wurde bis zu einem Wassergehalt von etwa 4o^ an der Luft getrocknet. Proben des Filterkuchens
wurden bei den in Tabelle II.beschriebenen Bedingungen gelagert,
und die Aktivitäten wurden bestimmt. Es wurden weitere Proben von unbeweglich gemachter Glucose-Isomerase, wie
oben beschrieben, hergestellt, mit der Ausnahme, daß das Variquat 415 weggelassen wurde. Diese Proben wurden bei den
in Tabelle II beschriebenen Bedingungen gelagert und die Aktivitäten
wurden bestimmt.
- 8 -3098 17/0912
Lagerungsstabilität der Glucose-Isomerase, die auf einem inerten Träger unbeweglich
gemacht worden war
Behandlung der Probe
Anfangsaktivität der unbeweglich gernachten Glucose-Isomerase
Laserungstemperatur de:
unbeweglich gemachten
unbeweglich gemachten
Glucose ( C)
Aktivität nach der Lagerung (lGIU/gx Trockenbasis)
Lagerungsperi ode
2 Wochen' 1 Monat" 2 Monate
415
446
ft Π | It | tt | |
CaJ
O |
ti tt | It | tt |
CD
CO -J |
keine Behandlung Variquat 415 |
mit | 43 |
tt H | tt | tt | |
CD
(O |
U It | M | tt |
21
37,7
37,7
21
37,7.
37,7.
446
446
446
432 | 430 | 433 |
433 | A20 | - 425 |
431 | 434 | 433 |
297 | 135 | 5 |
178 | 110 | 0 |
* IGIU 1st die Abkürzung für Internationale Glucose-Isomerase Einheiten. Dieser Wert bedeutet diejenige
Ensymsenge» die ein MiJcrosiol Glucose Je Minute in einer Lösung mit 2 Hol Glucose, o,o£ Mol MgSO^, 0,0οί Mol CoCl2 Je'Liter'bei einem pH-Wert von 6,84 bis 6,85 (o,2 M Matriuramaleat) und einer Temperatur
von 60 C in Fructose umwandelt.
cn
cn
Aus der obigen Tabelle wird-ersichtlich, daß bei niedrigen
Lagerungstemperaturen, zJ.,5 C kein oder nur ein geringer
Verlust der Aktivität des Enzyms erfolgt, ungeachtet ob die Proben mit Variquat 415 behandelt worden sind oder nicht.
Bei höheren Temperaturen verlieren jedoch die Proben, die
nicht behandelt worden waren, einen "signifikant größeren Teil ihrer Aktivität als die mit Variquat 41-5 behandelten
Proben.
Dieses Beispiel beschreibt die Behandlung von cc -Amylase
gemäß der Erfindung.
Bacillus sub-tilis wurde in einem geeigneten Medium bei aerobischen
Bedingungen über einen Zeitraum von 44 Stunden gezüchtet. Zu der gesamten Permentationsbrühe wurden 2,6$
Calciumchlorid, o,2$ Natriumhydrosulfit und 0,09$ Sorbinsäure
gegeben. Zu den Proben der Brühe wurden verschiedene Mengen von Variquat 4l5 zugesetzt. Die Proben wurden bei 3>7°C gelagert,
Nach der Lagerung wurden die Enzym-Aktivitäten der Proben bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt.
3098 17/0912 - lo -
Tabelle III - Io -
Lagerungsstabilität von <x -Amylase
zugegebene Menge von Anfangsaktivität Aktivität nach der Lagerung (Liquefons*/ml χ
Variquat 415 (Vol.-$) Liquefons /ml Lagerungsperiode (Tage)
Lo3 | 1 | ι | ό | 4 | 13 | 2o | O | |
5,7 x 3 | 5,6 | 5 | a | O | O | 3,7 | ||
II | 5,6 | 5 | 4 | 5,2 | 5,2 | 3,5 | ||
ti | 5,6 | 5, | 5,2 | 5,2 | 5,4 | |||
It | 5,7 | 5, | 5,4 | 5,4 | 5,4 | |||
tt | 5,7 | 5, | 5,4 | 5,4 | ||||
ο,ΐο
ο, 15
ο, 15
*° * Idquefon 1st als diejenige Enzymmenge definiert, welche 2,855 mg Stärke bei spezifischen Bedin-
* guftgen dextrinisiert. Dieser Wert wird nach folgender Formel erre-chnet:
^ ' "■ ' - Il4o
Liquefons/g = Gewicht (g) des Enzyms χ Zeit (min.;
X&e verwendete Methode ist eine Modifizierung der Methode der American Association of Textile
Chemists (AATC), veröffentlicht in American Dyestuff Reporter, 9. Juli 19o2. Die Modifizierungen
der veröffentlichten Methoden sind wie folgt:
(1). Der Puffer für das Substrat wurde hergestellt, indem 25,5 S C-.P. Natriumhydroxid und 34o g
Kaliumdihydrogen-phosphat in Wasser aufgelöst wurden und auf 2 1 verdünnt wurde. Der pH der
Pufferlösung betrug 6,2. *
(2) 125 ml des Puffers wurden zu dem Substrat gegeben, bevor das Substrat auf das notwendige
Volumen gebracht wurde.
(j5) 2o ml des Subs tr as und Io ml Enzymlösung wurden je Bestimmung verwendet. 1^
' OO
Dieses Beispiel beschreibt die Behandlung von Pullulanase, welche auf einem Cellulosederivat unbeweglich gemacht worden
war, mit einer langkettigen Ammoniumverbindung.
Aerobacter aerogenes NRRL 289 wurde in einem geeigneten
Medium gezüchtet, das Maltose und Dextrose enthielt. Die Züchtung erfolgt unter Unteitauch-aerobisehen Bedingungen
bei 5o°C über l8 Stunden. Das Medium wurde filtriert, und
der die Pullulariase enthaltende Filterkuchen wurde gewaschen.
Der Filterkuchen'wurde in Wasser aufgeschlämmt und die Pullulanase
wurde durch Verwendung eines nicht-ionogenen Netzmittels extrahiert. Die Aufschlämmung wurde filtriert und
dem die Pullulanase enthaltenden Filtrat wurde mit Bromwasserstoff
aktivierte Cellulose zugeführt. Die Pullulanase wurde durch.kovalente Bindung an die Cyanwasserstoff-bromid aktivierte
Cellulose unbeweglich gemacht. Proben der unbeweglich gemachten Pullulanase wurden in einer o, 1 M NaCl-Lö'sung aufgeschlämmt,
filtriert, mit Wasser gewaschen und sodann mit Wasser gewaschen, welches o,.o5$ Variquat 415 enthielt. Eine
weitere Probe der unbeweglich gemachten Pullulanase wurde in der oben beschriebenen V/eise hergestellt, mit der Ausnahme,
daß keine Behandlung mit Variquat 415 erfolgte. Die Anfangsaktivität
der Proben wurde bestimmt, worauf die Proben über eine bestimmte Zeitspanne gelagert wurden und die Aktivitäten
der Proben bestimmt vmrden. Die erhaltenen Ergebnisse sind
in Tabelle IV zusammengestellt.
3 09817/0912 " 12 ~
Tabelle' IV
Lagerungsstabilität der Pullulanase, welche kovalent an Cyanogenbromid
aktivierte Cellulose gebunden war
Herstellung der
Probe
Probe
Anfangsaktivität (IU */g) der gebundenen MLlula-
nase
Aktivität der gebundenen Pullulanase (IU */g) nacil 7-täßiger
Lagerung
mit Variquat 415
behandelt
behandelt
53
ohne Behandlung
mit Variquat 415
mit Variquat 415
* Eine IU ist als diejenige Materialmenge definiert, welche die Hydrolyse eines /uMol von Q^-1,6-Bindungen (bezogen auf
die Freisetzung von Maltotriose) je Minute von einer o,5^-ig©n
Pullulan-Lösung bei einem pH von 5>ο und bei 45 C katalysiert.
309817/0912
Claims (1)
- PatentansprücheIJ Verfahren zur Verbesserung der Lagerungsstabilität von Enzymen, dadurch gekennze i ohne t , daß man die Enzyme in Gegenwart von Wasser mit einer wirksamen Menge einer Verbindung der folgenden FormelX"behandelt, worin B* ein Radikal mit mindestens Io Kohlenstoffatomen ist, H2 für ein Radikal mit 1 bis 2o Kohlenstoffatomen steht und R_ und Rj, Radikale mit nicht mehr als 6 Kohlenstoffatomen bedeuten, wobei die Radikale Alkyl, substituiertes Alkyl, Alken, Aryl, substituiertes Aryl, Aralkyl und/oder gesättigte und ungesättigte cyclische Radikale sind, wobei die cyclischen Radikale durch Verbindung von R, und R^ gebildet werden und wobei', wenn das cyclische Radikal, ungesättigt ist, kein Rp vorliegt.2. Verfahren nach Anspruch 1> dadurch gekennzeichnet , daß man als Enzym Glucose-Isomerase,c^-Amylase, C^-ljö-ßlueosedasen, Catalase, Malzenzyine, Glucoseoxidasa oder Cellulase verwendet*^. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß man die Enzyme mit einer wirk-3098t7/0tl2samen Menge einer Verbindung mit der allg,ei»inen »FormeIjbehandelt, worin X ein Halogenidradikal ist und η eine ganze Zahl, nämlich 12, 14 oder 16 ist.4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ">, da·* durch gekennzeichnet, äa$ man eis Enzym Glucose-Isomerase behandelt.5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis "Jtt dadurch gekennzeichnet, daÖ HiaR als Enzym Oo -Amylase behandelt.6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ~j»t dadurch gekennzeichnet, daß man al» Enzym Pullulanase behandelt.7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6# dadurch gekennzeichnet, dall man die zu behandelnden Enzyme in oder auf inerten Trägern unbeHegllQh macht.8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die zu behandelnde Glucose-Isomerase auf einem Cellulosederivat unbeweglich9. Verfahren nach eine» der Anspfüoll· l.bia 8, dadurch gekennzei chnet , dafl man die zur Behand lung der Enzyme verwendete Verbindung in tfel|g*n,. vi»i etwa o,o30981770112bis etwa ο,o%, bezogen auf die Menge des vorhandenen Wassers einsetzt'. -'ί'Γ309817/0912
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