Development of a method for determination the optimum enzymes concentration based on the fermentation dynamics analysis
Authors: Кондратенко Владимир Владимирович , Петров Андрей Николаевич , Кондратенко Татьяна Юрьевна 
Published: October 2022

Исследовано влияние концентрации ферментных препаратов рамногалактуронанлиазного и целлюлазного действия на динамику ферментативной трансформации матрикса клеточных стенок жома сахарной свеклы. На основе анализа экспериментальных данных изучены подходы к определению основных кинетических констант ферментативного процесса и их динамики в процессе ферментирования. Преобразование данных по Лайнуиверу-Берку показало, что «линеаризованные» зависимости темпа ферментативного процесса от концентрации субстрата, выраженные в обратных координатах, имеют нелинейный вид и, соответственно, не могут быть аппроксимированы уравнением прямой. Экстраполяцией полученных зависимостей в сторону оси ординат было установлено существование единственного значения максимального темпа ферментативного процесса (V) в пределах каждой концентрации ферментного препарата. При этом отмечено непрерывное увеличение константы Михаэлиса в течение всего периода ферментативного процесса, что указывает на такое же непрерывное уменьшение эффективности ферментативного процесса. Результаты исследований показали, что для каждого из ферментов было характерно монотонное увеличение V при увеличении их концентрации. Для определения оптимальной концентрации ферментного препарата предложены первичный и вторичный критерии оптимальности. Первичный критерий основан на комплексной оценке V, константы Михаэлиса и концентрации фермента. Оптимуму соответствует минимальное его значение. Вторичный критерий основан на сравнительном сопоставлении темпа прироста V с темпом прироста концентрации фермента по отношению к показателям системы при минимальной его концентрации. Оптимуму соответствует максимальное его значение. Экспериментально установлено, что оптимальной концентрацией для ферментного препарата рамногалактуронанлиазного действия является 0,1%, а для целлюлазного - 0,2%. В результате проведенных исследований разработан метод определения оптимальной концентрации ферментов на основе анализа динамики ферментирования. На основании метода разработан алгоритм его реализации. Разработанный метод действенен в отношении ферментных препаратов групп лиаз и гидролаз. Предположительно метод может быть эффективен и в отношении других групп ферментов.

The effect of rhamnogalacturonanliase and cellulase enzyme concentration of on dynamics of enzymatic transformation for sugar beet pulp cell wall matrix has been studied. Based on an experimental data analysis, it have been studied the approaches to determining the enzymatic process main kinetic constants and their dynamics during the fermentation process. A Lineweaver-Berk transformation of the data showed that the «linearized» dependences of the enzymatic process rate on substrate concentration, expressed in inverse coordinates, have a non-linear form and, therefore, cannot be approximated by a straight-line equation. By extrapolation of the obtained dependencies towards the ordinate axis, it was established that there is just a single value of the maximum rate for the enzymatic process (V) within each enzyme concentration. At the same time a continuous increasing of the Michaelis constant during the entire period of the enzymatic process has been established. It indicates a continuous decrease in the efficiency of the enzymatic process. An increase in the concentration of enzymes contributes to a monotonous increase in V. Primary and secondary optimality criteria are proposed to determine the optimal enzyme concentration. The primary criterion is based on a combined assessment of V, Michaelis constant and enzyme concentration. Its minimum value corresponds to the optimum. The secondary criterion is based on the comparison of the growth rate of V with the growth rate of the enzyme concentration in relation to the indicators of the system with minimum concentration. Its maximum value corresponds to the optimum. It has been experimentally established that the optimal enzyme concentration for rhamnogalacturonan lyase is 0.1%, and for cellulase is 0.2%. As a result of the research, it has been developed a method for determining the optimal concentration of enzymes. This method is based on the fermentation dynamics analysis. Based on the method, an algorithm for its implementation has been developed. The developed method is effective for lyase and hydrolase enzymes, and, possibly, can be effective for other groups of enzymes. Presumably, the method can be effective for other groups of enzymes as well.