Hydroliza enzymatyczna – efektywna technologia pozyskiwania aminokwasów

Rolnictwo w XXI wieku opiera się na bardzo intensywnej produkcji ukierunkowanej na poprawę jakości i ilości plonu oraz zwiększenie opłacalności produkcji rolnej. Aby osiągnąć ten cel, należy istotnie ograniczyć stosowanie nawozów mineralnych i Środków ochrony roślin. Świadomy producent musi sięgać po coraz to nowe rozwiązania, które zapewnia rozwój technologiczny. Jednym z takich rozwiązań są naturalne preparaty oparte na aminokwasach, stosowane w zrównoważonych metodach uprawy i nawożenia roślin uprawnych.

Od odkrycia aminokwasów minęło już ponad 100 lat. W ciągu tego czasu przeprowadzono wiele badań potwierdzających ich korzystny, odżywczy wpływ na organizmy żywe. Aminokwasy w podobny sposób działają na zwierzęta i rośliny, ponieważ organizmy te zbudowane są z tych samych 20 aminokwasów zwanych biogennymi.

Rośliny syntetyzują aminokwasy z podstawowych pierwiastków tj. węgla i tlenu, które pobierane są z powietrza, wodoru pobieranego z wody i azotu z gleby. Proces ten wymaga bardzo dużych nakładów energii i jest czasochłonny. W efekcie powstają aminokwasy w formach lewoskrętnych, które są biologicznie aktywne. Dostarczenie roślinom „gotowych” aminokwasów zmniejsza nakład energii niezbędny do przyswajania azotu, co ma zasadnicze znaczenie, szczególnie w krytycznych fazach rozwojowych i w warunkach stresowych. W niekorzystnych warunkach rośliny koncentrują się głównie na obronie przed występującym stresem, a nie na produkcji plonu. Jeżeli w tym momencie zostaną dostarczone aminokwasy, to wówczas rośliny są bardziej efektywne w produkcji plonu i jednoczesnejobronie przed stresem.

Aminokwasy można aplikować dolistnie w celu złagodzenia skutków stresu biotycznego i abiotycznego, zwiększenia plonów i poprawy ich jakości lub doglebowo w celu poprawy składu pożytecznej mikroflory glebowej, co ułatwia przyswajanie składników odżywczych.

Obecnie na rynku możemy znaleźć bardzo szeroką paletę produktów zawierających aminokwasy, jednak przy wyborze odpowiedniego środka warto zwrócić uwagę na kilka szczegółów.

Proces produkcji

Na skalę przemysłową aminokwasy otrzymuje się głównie w procesie hydrolizy związków organicznych. Hydroliza może być przeprowadzana metodami chemicznymi lub z wykorzystaniem enzymów. W chemicznym procesie hydrolizy do mieszaniny białek dodaje się silne zasady lub kwasy, które przypadkowo rozrywają łańcuchy białkowe na mniejsze fragmenty, dodatkowo zaburzając strukturę aminokwasów, na przykład tryptofan podczas hydrolizy kwasowej ulega prawie całkowitemu rozkładowi.

Z kolei w hydrolizie enzymatycznej wykorzystywane są naturalne enzymy pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Surowce wprowadzane są do reaktorów, w których znajduje się woda z enzymami zdolnymi do modyfikowania struktury molekularnej białek. Enzymy te tną łańcuch białkowy według wcześniej ustalonych kryteriów, w powtarzalny sposób. W efekcie powstają wolne, nieuszkodzone i w pełni aktywne cząsteczki aminokwasów. Wysoka jakość procesu produkcji warunkuje stabilność, jednorodność i standardową bardzo dobrą wartość produktu.

Aminokwasy można również otrzymywać syntetycznie np. na drodze amonolizy a-chlorowcopodstawionych kwasów lub ich estrów. Jednak aminokwasy uzyskane w ten sposób są racematami, czyli mieszaniną form L- i D-, a rozdzielanie tych form jest bardzo drogie i czasochłonne.

Lewoskrętność i stopień racemizacji

W aminokwasach występuje zjawisko izomerii optycznej. Dlatego wśród aminokwasów występują formy L- (lewoskrętne) i D- (prawoskrętne). Spowodowane jest to obecnością w cząsteczkach aminokwasów centr chiralnych (którym jest atom węgla α). Każdy aminokwas, z wyjątkiem glicyny, może występować w tego rodzaju formach izomerycznych, które różnią się rozmieszczeniem w przestrzeni czterech podstawników związanych z atomem węgla (α). W organizmach żywych aminokwasy występują tylko w formach lewoskrętnych – aktywnych biologicznie i tylko w takich formach mogą efektywnie odżywiać rośliny. Jednak pod wpływem światła, ciepła czy czynników chemicznych L-aminokwasy mogą ulegać procesowi racemizacji.

W procesie hydrolizy białek proces racemizacji jest zjawiskiem niepożądanym, ponieważ prowadzi on do zmiany konfiguracji lewoskrętnych form aminokwasów na formy prawoskrętne – nieaktywne biologicznie. W hydrolizie chemicznej stopień racemizacji może dochodzić do 100%, podczas gdy w hydrolizie enzymatycznej jest on ograniczony do około 10%.

Zawartość wolnych aminokwasów

Wolne aminokwasy to aminokwasy niezwiązane, cechujące się niską masą cząsteczkową, dzięki czemu mogą być najszybciej pobierane przez rośliny. Ważne jest, aby wolne aminokwasy były w formach lewoskrętnych, warunkujących ich aktywność w roślinnych procesach metabolicznych. Dzięki zastosowaniu w hydrolizie enzymatycznej stereo selektywnych enzymów możliwe jest uzyskiwanie wysokiej zawartości wolnych aminokwasów o niezmienionej lewoskrętnej strukturze.

Wolne aminokwasy są aktywne w niskich stężeniach, dlatego lepiej stosować je częściej, ale w niższych dawkach. Pomimo tego nie powodują one efektu przedawkowania.

Stopień hydrolizy

Stopień hydrolizy hydrolizatów białkowych można zdefiniować jako stosunek liczby zerwanych wiązań peptydowych do całkowitej liczby wiązań lub jako stosunek zawartości azotu aminowego (czyli tego wchodzącego w skład aminokwasów) do całkowitej zawartości azotu. Wysoko specyficzne enzymy wykorzystywane w hydrolizie warunkują wysoką wydajność procesu produkcji i tym samym wysoki stopień hydrolizy kolagenu.

Zasolenie i zawartość popiołów

Zasolenie to zawartość soli mierzona w jednostkach EC (electrolitical conductivity), czyli przewodności elektrolitycznej jonów soli. Zbyt duża koncentracja soli w podłożu może działać fitotoksycznie na roślinę, co należy wziąć pod uwagę przy dobieraniu nawozów szczególnie przeznaczonych do fertygacji/nawożenia. Zawartość popiołów określa jakość procesu produkcji, im jest ich mniej tym wyższej jakości jest produkt. Wysoka ich zawartość oznacza, że razem z procesem hydrolizy następuje spalanie substancji organicznej (np. jeżeli w procesie używa się wysokich temperatur), czyli hydroliza zachodzi w mniejszym stopniu, a produkt zawiera w mniejszej ilości składniki organiczne – peptydy i aminokwasy. Użycie do procesu hydrolizy silnych zasad lub kwasów może podnosić zasolenie i zawartość popiołów w hydrolizatach. Produkty pochodzące z hydrolizy enzymatycznej charakteryzują się niską zawartością popiołu i niskim zasoleniem.

Na polskim rynku możemy znaleźć szeroką paletę produktów zawierających aminokwasy. Większość z nich pochodzi z chemicznej hydrolizy kolagenu. Jest to związane z niższymi nakładami produkcyjnymi, w porównaniu do metody enzymatycznej. Ostatnio pojawiły się w sprzedaży również produkty pochodzące z hydrolizy enzymatycznej, jednak z uwagi na zupełnie inną jakość tej grupy produktów oraz zdecydowanie wyższe koszty ich produkcji są one w większości przypadków droższe od tych pozyskiwanych konwencjonalnymi metodami, na drodze hydrolizy chemicznej.

Ewelina Przybyszewska