DE2251855B2 - Verfahren zur Verbesserung der Lagerungsstabilität von solubilisierten bzw. immobilisierten Enzymen - Google Patents
Verfahren zur Verbesserung der Lagerungsstabilität von solubilisierten bzw. immobilisierten EnzymenInfo
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß man die
solubilisierten bzw. immobilisierten Enzyme in Gegenwart von Wasser mit 0,05 bis 0,8%, bezogen
auf die Menge des vorhandenen Wassers, einer Verbindung der folgenden Forme!
N* X"
(D
CH,
CnH2llM — N —
CH,
X" (H)
worin X ein Halogenidradikal ist und /7 eine ganze Zahl,nämlich 12, Moder 16ist,einsetzt.
Enzyme neigen dazu, beim Lagern langsam denaturiert zu werden oder an Aktivität zu verlieren. Diese
Neigung kann etwas verringert weiden, indem man die Enzyme trocknet. Bestimmte Enzyme sind aber extrem
wärmeempfindlich, so daß das Trocknen solcher Enzyme bei relativ niedrigen Temperaturen vorgenommen
werden muß, wodurch eine lange Trocknungszeit erforderlich ist. Die Enzyme können auch gefroren
gelagert werden, um den Aktivitätsverlust beim Lagern zu verringern. Diese Methoden sind aber aus einer
Anzahl von Gründen nicht vollständig zufriedenstellend.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Lagerungsfähigkeit bestimmter Enzyme
(siehe die Erfindungsdefinition) aufzuzeigen, das leicht und wirtschaftlich durchzuführen ist.
Die Erfindung wird in den Patentansprüchen angegeben.
behandelt, worin Ri ein Radikal mit mindestens 10
Kohlenstoffatomen ist, R2 für ein Radikal mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen steht und Rj und R4 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 Rj und R^
gebildet werden und wobei, wenn das cyclische Radikal ungesättigt ist, kein R2 vorliegt und X- ein
Halogenid-Anion bedeutet.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Verbindung mit der
allgemeinen Formel:
Beispiel·* für Enzyme, tile crfindungsgcmüB behandelt
werden können, sind Glycosc-Isomerase, /x-Amylase,
Λ-Ι,ο-Glucosidascn, Catalasc, Malcnzyme, Glucose-oxidase,
Cellulose und dergleichen. Die bevorzugten Enzyme, die gemäß der Erfindung behandelt weiden,
sindGlycose-Isoineiase,ix-Amylaseund Pulliilanase.
Beispiele für quaternärc Amnioniiimgruppen der
obigen Formel, welche erfindiingsgeniäß verwendet
werden kör.nen, sind Trimethyloctadecyl-ummoniuni,
Dimci hy Ibenzyldodecy !ammonium, N.N-Diäihylinorpholinium,
Cety!pyridinium, Trihydmxyäthylociadecenykimmonium,
Diüthyldiocladecyl-ammoniuin, Dhcladecylmorpholinium,
Dimethyldilauryl-ammoniiim und 2-Chloräthylbutyl-distearylammonium.
Die bevorzugten quaternären Ammoniumverbindungen, die erfindungsgemäß verwendet werden können,
werden durch die allgemeine Formel
1
CnH2Z1-N-CH2—
CnH2Z1-N-CH2—
dargestellt, worin X ein Halogenidradikal ist und η ergänze Zahl, nämlich 12, Moder 16 ist.
Formulierungen, die diese Verbindungen enthalten, sind im Handel erhältlich. Sie stellen ein Gemisch aus
50% einer Verbindung, bei welcher oder Formel Il 14
ist, 40% einer Verbindung, bei welcher η der Formel Il
12 ist und 10% einer Verbindung, bei welcher η der Formel Il 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 sein, um die langkettigen quaternären
Ammoniumverbindungen aufzulösen, so daß die Enzyme sich damit im innigen Kontakt befinden.
Enzyme werden durch Mikroorganismen intracelluliir und/oder extracellular produziert. ix-Amylase ist ein
Beispiel für ein Enzym, welches extracellular erzeugt wird. Die Glycose-Isomerase, die durch Mikroorganismen
der Genus Streptomaces produziert 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 kostspielige 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 oder unbeweglich gemacht werden,
wie Cellulosederivaten, 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.
Die Erfindung wird ;n den Beispielen näher erläutert.
B e i s ρ i ϋ Ι 1
Dieses Beispiel beschreibt die Behandlung von inlracellulärer Glucose-Isomerase, die durch Wärmebehandlung
unbeweglich gemacht worden ist, mit einer langkettigen quaternären Ammoniuinverbindiing.
Streptoniyccs ATCC 21 175 wurde unter aerobischen
Bedingungen über etwa 50 Stunden in einem geeigneten Medium gezüchtet. Der pH-Wert der gesamten
Fermentationsbrühe wurde mit NaOH auf 7,5 und die Temperatur auf 75°C eingestellt. Die Brühe wurde bei
diesen Bedingungen 5 Minuten lang gehalten und sodann auf 40cC abgekühlt. Zu der Brühe wurde eine
genügende Menge eines Gemisches aus 50% einer Verbindung, bei welcher η der Formel Il 14 ist, 40%
einer Verbindung, bei welcher η der Formel 1112 ist, und
10% einer Verbindung, bei welcher η der Formel KIb
ist, zugegeben, so daß darin 0,062%, bezogen auf das Volumen der Brühe, erhalten wurden. Die Brühe wurde
filtriert und der Filterkuchen wurde gewaschen. Die Aktivität des Filterkuchens betrug 200 IGIU/g.
Proben des Filterkuchens wurden bei verschiedenen Temperaturen, wie sie in Tabelle I gezeigt sind, 27 Tage
lang gelagert und die Aktivitäten der Proben wurden bestimmt.
Lagerungsstabilität von unbeweglich gemachter intracellulärer Glucose-Isomerase
Lagerungstemperatur der
intracellulären Glucose-Isomerase
intracellulären Glucose-Isomerase
Aktivität der Probe auf Tiocker.basis (IGIU/g*) nach
27tägiger Lagerung
4,4"C
26,7"C
26,7"C
200
200
200
*) IGIU ist die Abkürzung für Internationale Glucose-Isomerase-Einheiten.
Dieser Wert bedeutet diejenige Enzymmenge, die ein Mikromol Glucose je Minute in einer Lösung
mit 2MoI Glucose, 0,02 Mol MgSO4, 0,001 Mol CoCl2 je
Liter bei einem pH-Wert von 6,84 bis 6,85 (0,2 M Natriummaleat) und einer Temperatur von 60'C in Fructose umwandelt.
Eine Kontrullprobe der intracellulären Glucose-Isomerase
wurde unbeweglich gemacht und nach der oben angegebenen Arbeitsweise behandelt, mit der Ausnahme,
daß keine quaternäre Ammoniumverbindung verwendet wurde. Die Probe wurde 27 Tage bei 4,4°C
gelagert und sodann die Aktivität bestimmt. Nach Lagerung der Probe wurde ein Verlust von etwa 35%
der Anfangsaktivitäl festgestellt.
Dieses Beispiel beschreibt die Behandlung von Glucose-isomerase, die auf einem inerten Träger
unbeweglich gemacht worden war, mit einer langkettigen quaternären Ammonium-Verbindung.
Streptomyces 21 175 wurde in einem geeigneten
Medium unter aerobischen Bedingungen über etwa 50 Stunden gezüchtet. Zu 7 1 der Brühe wurden 70 ml
0,1-M CoCI2 · 6 H2O, 105 g einer Filterhilfe und 0,06%
eines kationischen Netzmittels gegeben. Der pH-Wert der Brühe wurde auf 6,5 eingestellt. Die Temperatur der
Brühe wurde bei 400C gehalten. Die Brühe wurde bei diesen Bedingungen 18 Stunden gehalten und sodann
filtriert. Zu dem Filtrat wurden 150 g Whatman DE-23
Cellulose gegeben und das Gemisch wurde gerührt, bis ungefähr etwi» 100% der Glucose-Isomerase in dem
Filtrat auf der Whatman DE-23 Cellulose absorbiert waren. Das Gemisch wurde filtriert. Der Filterkuchen
wurde filtriert. Der Filterkuchen wurde mit 1 I Wasser. 1 1 0,1-M NaCl und 1 I Wasser mit 0,05% der in Beispiel
! verwendeten quaternären Ammoniumverbindung gewaschen. Der Filterkuchen wurde bis zu einem
Wassergehalt von etwa 40% an der Luft getrocknet. Proben des Filterkuchens wurden bei den in Tabelle Il
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 die
quaternäre Ammoniumverbindung weggelassen wurde. Diese Proben wurden bei den in Tabelle Il beschriebenen
Bedingungen gelagert und die Aktivitäten wurden bestimmt.
Lagerungsstabilität der Glucose-Isomerase, die auf einem inerten Träger unbeweglich gemacht worden war
Behandlung der Probe | Anfangsaktivität | Lagerungstemperatur | Aktivität nach | der Lagerung (IGIU/g*) | 2 Monate |
der unbeweglich | der unbeweglich | Trockenbasis) | Lagerungsperiode | 446 | |
gemachten | gemachten | ||||
Glucose-Isomerase | Glucose ("C) | 2 Wochen | 1 Monat | 433 | |
Behandlung mit quaternärer | 446 | 5 | 446 | 446 | 425 |
Ammoniumverbindung | 433 | ||||
desgl. | 446 | 21 | 432 | 430 | |
desgl. | 446 | 37,7 | 433 | 420 | |
Keine Behandlung mit | 431 | 5 | 431 | 434 | 5 |
quaternärer Ammonium | 0 | ||||
verbindung | |||||
desgl. | 431 | 21 | 297 | 135 | |
desgl. | 431 | 37,7 | 178 | 116 | |
*) IGIU ist die Abkürzung Tür Internationale Glucose-Isomerase-Einheiten. Dieser Wert bedeutet diejenige Enzymmenge,
die ein Mikromol Glucose je Minute in einer Lösung mit 2 Mol Glucose, 0,02 Mol MgSO4, 0,001 Mol CoCI2Je Liter bei einem
pH-Wert von 6,84 bis 6.85 (0,2 M Natriummaleat) und einer Temperatur von dO"C in Fructose umwandelt.
Aus der obigen Tabelle wird ersichtlich, daß bei niedrigen l.agerungstempcraturen, /.. B. 5"C" kein oder
nur ein geringer Verlust der Aktiviiiii des linzyms
erfolgt, ungeachtet ob die Proben mil ck:r quatcrnären
AinmoniuiTivcrbindiing behandeli worden sind oder
nicht. Hei höheren I emperaturen verlieren jedoch die
Proben, die nicht behandelt worden waren, einen signifikant größeren Teil ihrer Aktivität als die mit ('er
qualeinaren AnimoniumverbincUing behandellen Proben.
H e i s ρ i e I S
Dieses Beispiel beschreibt die erfiiidungsgcmälle
Behandlung von ,\-Amylasc.
Bacillus subtilis wurde in einem geeigneten Medium bei acrobischen Bedingungen über einen Zeiirauni von
44 Stunden gezüchtet. Zu der gesamten Fermentalionsbrühe wurden 2,60Xi Calciumchlorid, 0,2% Natriumhydrostilfit
und 0.09% Sorbinsäure gegeben. Zu den Proben der Brühe wurden verschiedene Mengen von
der quaternären Ammoniumverbindung gemäß Beispiel I zugesetzt. Die Proben wurden bei 37"C gelagert. Nach
der Lagerung wurden die Enzym-Akliviiätcn der
Proben bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle III zusammengestellt.
Lagerungsstabilität von cr-Amylase
Zugegebene Menge an quaternärer Ammonium verbindung |
Anfangsaktivitiit Liquefons/ml |
Aktivität nach 1 + |
der Lagerung 6 |
(Liqucfons*)/ml ■ 13 |
103) Lagerungsperiode (Tage) 20 34 |
0 |
0 | 5,7 · 10' | 5,6 | 5 | 0 | 0 | 3,7 |
0,05 | 5,7 · 10' | 5,6 | 5 | 5,2 | 5,2 | 3,5 |
0,10 | 5,7 · 10' | 5,6 | 5,4 | 5,2 | 5,2 | 5,4 |
0,15 | 5,7 · 10' | 5,7 | 5,2 | 5,4 | 5,4 | 5,4 |
0,20 | 5,7 ■ 10' | 5,7 | 5,4 | 5,4 | 5,4 |
*) Licjuefon ist als diejenige Enzymmenge definiert, welche 2,855 mg Stärke bei spezifischen Bedingungen dextrinisiert.
Dieser Wert wird nach folgender Formel errechnet:
Liquefons/g
1140
Gewicht (g) des Enzyms · Zeit (min)
Die verwendete Methode ist eine Modifizierung der Methode der American Association of Textile Chemists (AATC),
veröffentlicht in American Dyestuff Reporter, 9. Juli 1962. Die Modifizierungen der veröffentlichten Methoden sind wie folgt:
(1) Der Puffer für das Substrat wurde hergestellt, indem 25,3 g CP. Natriumhydroxid und 340g 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.
(3) 20 ml des Substrats und 10 ml Enzymlösung wurden je Bestimmung verwendet.
Dieses Beispiel beschreibt die Behandlung von Pullulanase, welche auf einem Cellulosederivat unbeweglich
gemacht worden war, mit einer langkettigen Ammonium verbindung.
Aerobacter aerogenes NRRL 289 wurde in einem geeigneten Medium gezüchtet, das Maltose und
Dextrose enthielt. Die Züchtung erfolgt unter Untertauch-aerobischen Bedingungen bei 300C über 18
Stunden. Das Medium wurde filtriert, und der die Pullulanase enthaltende Filterkuchen wurde gewaschen.
Der Filterkuchen wurde in Wasser aufgeschlämmt und die Pullulanase wurde durch Verwendung eines
nichlionogcnen Netzmittels extrahiert. Die Aufschlämmung wurde filtriert und dem die Pullulanase enthaltenden
Filtral 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 0,1-m NaCI-Lösung aufgeschlämmt, filtriert, mit Wasser
gewaschen und sodann mit Wasser gewaschen, welches 0,05% der in Beispiel 1 verwendeten quaternären
Ammoniumverbindung enthielt. F.ine weitere Probe der unbeweglich gemachten Pullulanase wurde in der oben
beschriebenen Weise hergestellt, mit der Ausnahme, daß keine Behandlung mit einer quaternären Ammoni-
umverbindung erfolgte. Die Anfangsaktivität der
Proben wurde bestimmt, worauf die Proben über eine
bestimmte Zeitspanne gelagert wurden und die
Aktiviläten der Proben bcstimml wurden. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle IV zusammengestellt.
Lagerungsstabilität der Pullulanase, welche kovalent an Cyanogenbromid aktivierte Cellulose gebunden war
Hersteilung der Probe
Anfangsaktivitiit (IU*)/g) der gebundenen Pullulanase
Aktivität der gebundenen Pullulanase (IU*)/g) nach 7tägiger
Lagerung
Mit der in Beispiel 1 53
verwendeten quaternären Ammoniumverbindung
Ohne Behandlung 53
mit einer quaternären Ammoniumverbindung
*) Eine IU ist als diejenige Malerialmenge definiert, welche die Hydrolyse eines (jlMoIs von σ-Ι,ό-Bindungen (bezogen
auf die Freisetzung von Maltotriose) je Minute von einer 0,5%igen Pullulan-Lösung bei einem pH von 5,0 und bei
45'C katalysiert.
Claims (1)
1. Verfahren zur Verbesserung der Lagerungsstabilität
(a) von stabilisierten Enzymen, bzw.
(b) von immobilisierten Enzymen, die intrazellulär unbeweglich gemacht worden sind. bzw.
(c) von immobilisierten Enzymen, die in oder auf inerten Trägern unbeweglich gemacht worden
sind,
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