При производстве какие продуктов используют ферменты
Ферментами, или энзимами (энзим от enzume-«в дрожжах», фермент от лат. fermentum – закваска), называют сложные биологические катализаторы белковой природы, изменяющие скорость химической реакции.
Ферменты играют очень важную роль в пищевой промышленности, в отдельных случаях осуществляя или помогая осуществить многие технологические процессы, в других – затрудняя их проведение. Достаточно напомнить, что превращение исходного сырья в готовые продукты в таких отраслях пищевой промышленности, как виноделие, пивоварение, производство спирта, хлебопечение, сыроделие, производство ряда кисломолочных продуктов, осуществляется при непосредственном участии ферментов.
Ферменты имеют большую молекулярную массу: от 10 000 до 1 000 000. Молекула фермента может состоять только из белка или из белковой и небелковой частей. Последняя получила название кофактора или простетической группы. Белковая часть молекулы фермента может быть построена из одной или нескольких полипептидных цепей, образующих сложные комплексы. Кофакторы имеют небольшую молекулярную массу и являются активной группой фермента. Ими могут быть производные витаминов, нуклеотидов или ионы металлов. Одни и те же кофакторы могут быть прочно связаны с белком или образовывать легко диссоциирующие комплексы. Одни и те же кофакторы могут входить в состав молекул разных ферментов.
Ферменты обладают высокой специфичностью по отношению к субстрату, т. е. тому соединению, превращение которого он ускоряет. Эффективность действия фермента особенно сильно зависит от ряда факторов: температуры (оптимальная температура 30-50 °С), некоторых специфических веществ, называемых активаторами и ингибиторами, рН среды. Активаторы повышают активность ферментов, ингибиторы снижают (угнетают ферменты). Применение ферментов дает возможность снизить энергию активации (энергетический барьер), осуществив превращение исходного вещества в конечное через промежуточное состояние или состояние активного комплекса.
Контакт фермента с субстратом происходит с помощью активного центра, обычно это небольшая часть молекулы фермента, в которой разделяют две зоны: связывающую и каталитическую. В состав активного центра входят отдельные части полипептидной цепи
Ферменты делят на 6 классов. Подробнее рассмотрим только те, которые важны в пищевой технологи и питании. ‘
1. Оксидоредуктазы, или окислительно-восстановительньные ферменты. Это большая группа, состоящая из 180-200 ферметов. Оксидоредуктаэы катализируют окисление или восстановливают различные химические веществ. Так, относящийся к этому классу фермент алкогольдегидрогеназа катализирует восстановление уксусного альдегида в этиловый спирт и играет большую роль в процессе спиртового брожения. Фермент липоксигеназа окисляет кислородом воздуха ненасыщенные и их сложные эфиры. Его действие является одной из причин прогоркания муки и крупы. Он участвует в разрушении каротиноидов при сушке и хранении продуктов растительного происхождения.
Фермент монофенолмонооксигеназа окисляет аминокислоту тирозин с образованием меланинов, имеющих темный цвет. Действием этого фермента объясняется темный цвет ржаного хлеба, потемнение макарон при сушке.
2. Трансферазы. Представители этой группы ферментов катализируют перенос различных групп от одной молекулы к другой, например фосфорилирование, переаминирование. Эти ферменты принимают участие в сложных биохимических процессах, протекающих в клетках.
3. Гидролазы. Ферменты этой группы играют особенно важную роль в пищеварении и в процессах пищевой технологии. К ним относится большая группа протеолитических ферментов, катализирующих гидролиз белков и пептидов. Большое значение в биохимии пищеварения принадлежит протеолитическим ферментам (пепсин, химиотрипсин, аминопептидаза, карбоксипептидаза и др.), осуществляющим деполимеризацию молекул белка по мере его движения по пищеварительному тракту. Протеолитические ферменты участвуют в процессах, происходящих при переработке мяса, в хлебопечении. С их помощью проводят умягчение мяса и кожи, их применяют при получении сыров. Действие протеаз очень избирательно. Одни протеазы разрушают пептидные связи внутри молекул белка – эндопептидазы и на конце ее молекулы (экзопептидазы), т. е. отщепляют аминокислоты с N- или С-конца, другие расщепляют пептидные связи только между отдельными аминокислотами. Так, трипсин разрушает пептидную связь между лизином (Лиз) или аргинином (Apr) и другими аминокислотами, пепсин – между аминокислотами с гидрофобными радикалами, например между валином (Вал) и лейцином (Лей). Фермент химотрипсин гидролизует пептидную связь между триптофаном, (см. схему) тирозином и другими аминокислотами.
Следовательно, для полного гидролиза белковой молекулы необходим целый набор ферментов. Реннин (сычужный фермент) вызывает створаживание молока. Он применяется при изготовлении сыров.
Представителями группы гидролаз являются карбогидразы, катализирующие гидролиз полисахаридов, важное место среди них занимают мальтаза, расщепляющая агликозидную связь в дисахаридах (мальтозе), инвертаза, расщепляющая сахарозу на глюкозу и фруктозу. Амилазы – группа ферментов, гидролизующих крахмал с образованием декстринов и мальтозы. По характеру действия различают а-амилазу, (3-амилазу и глюко-амилазу.
Целлюлазы проводят гидролиз целлюлозы, гемицеллюлаза – гемицеллюлоз. Гидролиз пектиновых веществ протекает с участием пектолитических ферментов. Их применение дает возможность повышать выход продукта и осветлять плодово-ягодные соки. Ферменты, осуществляющие гидролиз полисахаридов (особенно амилазы), играют важную роль в хлебопечении, технологии сахаристых веществ, бродильных производств, получении спирта.
К гидролазам относится липаза, катализирующая гидролиз жиров с образованием свободных жирных кислот и глицерина. Этот процесс имеет большое значение при хранении зерна и зерно-продуктов, масличного и животного сырья. В соответствующих разделах будет рассмотрено подробнее действие этих ферментов.
4. Лиазы. Эти ферменты катализируют реакции расщепления между атомами углерода, углерода и кислорода, углерода и азота, углерода и галогена. К ферментам этой группы относятся декарбоксилазы, отщепляющие молекулу диоксида углерода СО? от органических кислот.
5. Изомеразы. Ферменты этой группы катализируют структурные изменения в пределах одной молекулы органического соединения. Их используют при получении глюкозо-фруктозных сиропов.
6. Лигазы. Эти ферменты катализируют образование связей С-О, С-S, С-N, С-С Именно к этой группе относятся ферменты, участвующие в превращениях аминокислот (аспарагин синтетаза, глутаминсинтетаза и карбоксилаза) и в удлинеии углеродной цепи органических соединений.
В настоящее время налажено промышленное производство ряда ферментных препаратов. Применение их в пищевой промышленности дает возможность усовершенствовать технологию получать новые продукты и большой экономический эффект.
Приведены старые названия, широко применяемые в пищевой технологи и в промышленности.
Выше были рассмотрены общие свойства ферментов. В пищевой технологии ферментативные процессы очень разнообразны и зависят от вида сырья, технологии и характера получаемого продукта.
Ферменты, или энзимы — это белковые катализаторы, ускоряющие реакции в клетке. Ферменты катализируют 2000-3000 реакций обмена, вовлечены в передачу сигнала, процесс дыхания, мышечное сокращение, свертываемость крови, транспорт веществ, обезвреживание токсичных и чужеродных соединений, нейротрансмиссию. Ферменты имеют белковую природу, однако обнаружена способность некоторых молекул РНК осуществлять автокатализ. Такие РНК получили название «рибозимы».
Ферменты катализируют превращение веществ, которые называются субстратами (S), в продукты (Р). В общем виде ферментативную реакциюможно записать так:
Как и другие химические катализаторы, ферменты:
увеличивают скорость реакции, но не расходуются в ходе процесса и не претерпевают необратимых изменений;
не изменяют состояние равновесия химической реакции, ускоряя как прямую, так и обратную реакцию в равной степени;
повышают скорость реакции, понижая энергию активации, тот энергетический барьер, который отделяет одно состояние системы от другого.
Ферменты отличаются от небиологических катализаторов следующими свойствами:
высокой эффективностью действия — скорость ферментативных реакций обычно в 106-1012 раз выше, чем соответствующих неферментативных реакций;
высокой специфичностью действия — способностью выбирать определенный субстрат и катализировать специфическую реакцию. Для ферментов характерна как высокая субстратная специфичность, так и специфичность пути превращения. Благодаря действию ферментов реакции в клетке не беспорядочны, не перепутываются, а образуют строго определенные метаболические пути;
мягкими условиями протекания ферментативных реакций: температура 37°С, нормальное атмосферное давление, рН, близкое к нейтральному. В противоположность этому для эффективного химического катализа часто требуются высокие температура и давление, а также экстремальные значения рН; Хотя на данный момент найдены ферменты способные работать при более жёстких условиях: от 20 до 70°С и рН в диапазоне от 4 до 9.
способностью к регуляции. Каталитическая активность многих ферментов может изменяться в зависимости от концентрации веществ-регуляторов больше, чем в зависимости от концентрации их субстратов. Возможность регулирования активности ферментов делает их своеобразными организаторами обменных процессов в клетке.
Активный центр — это относительно небольшой участок, расположенный в узком гидрофобном углублении (щели) поверхности молекулы фермента, непосредственно участвующий в катализе. Активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры. Активный центр, кроме каталитического участка, включает субстратсвязывающий участок, который отвечает за специфическое комплементарное связывание субстрата и образование фермент-субстратного комплекса; в активный центр фермента часто входит участок или домен для связывания кофактора. Каталитически активный комплекс фермент-кофактор называется холоферментом. Отделение кофакторов, обычно связанных нековалентными связями с белком, приводит к образованию неактивного апофермента:
Апофермент (неактивный)+кофактор > холофермент.
Ферменты катализируют реакции, используя в качестве кофакторов как ионы металлов, так и органические соединения, многие из которых являются производными витаминов.
Коферменты — это органические вещества, предшественниками которых являются витамины. Некоторые из них (например, NAD, HSKoA, Н4-фо-лат) непрочно связаны с белком, и восстановление их исходной структуры (регенерация) после участия в катализе может катализироваться уже другим ферментом. Есть коферменты, которые прочно (часто кова-лентно) связаны с апоферментом, т.е. представляют собой простетическую группу сложного белка (холофермента). Например, гем и флавиновые коферменты. Принятая в настоящее время классификация ферментов использует в качестве основного отличительного признака их субстратную специфичность, характер проводимых ими реакций.
Класс | Реакции | Основные поклассы, группы |
Оксидоредуктазы | Окислительно-восстановительные реакции Авосст + Вокис > Аокис + Восст | Дегидрогеназы, оксидазы, редуктазы, гидроксилазы |
Трансферазы | Перенос групп А-В + С > А + В-С | Киназы (фосфатные фуппы), трансаминазы (аминофуппы) |
Гидролазы | Гидролиз связей (эфирных, пептидных, гликозидных, связей С-С, P-N) А-В + Н20 > А-Н + В-ОН | Эстеразы, фосфатазы, протеазы, липазы, нуклеазы, тиолазы |
Лиазы | Разрыв связей С-С, С-О, C-N, C-S путем элиминирования молекулы с образованием двойных связей. В обратной реакции ускоряют присоединение воды, аммиака и т.д. по двойной связи А(ХН) — В > А-Х+В-Н | Альдегидлиазы (альдолаза), угперод-киспородлиазы (фумараза), дегидратазы (енопаза), декарбоксипазы |
Изомеразы | Взаимопревращение изомеров А — Изо-А | Изомеразы, мутазы |
Лигазы | Соединение 2 молекул, сопряженное с гидролизом АТР: A + B + ATP > A-B + ADP + Pi | Карбоксилазы, синтетазы |
Все ферменты имеют окончание «аза», прибавленное к названию субстрата или прибавленное к фразе описывающей действие фермента.
Источники получения ферментных препаратов. Ферменты присущи всем живым объектам и находятся практически во всех растениях, животных и микроорганизмах. Однако процесс биосинтеза ферментов в организме связан с обеспечением метаболизма клеток, и количество синтезируемых ферментов строго определяется жизненной потребностью организма; такие объекты не могут служить источником получения ферментных препаратов. Для этого пригодны только некоторые растительные организмы или отдельные органы растений и животных, способные накапливать значительное количество ферментов.
Растительное сырье. Источником ферментов может быть пророщенное зерно различных злаков (солод). В тропических и субтропических странах в качестве сырья для промышленного производства протеиназ используют латекс дынного дерева, латекс растений, относящихся к виду фикусовых, например листья, побеги инжира, сок зеленой массы ананаса.
Органы и ткани животных. На всех мясоперерабатывающих комбинатах собирают сырье, содержащее ферменты, консервируют его и используют для получения ферментных препаратов. Таким сырьем являются поджелудочная железа, слизистые оболочки желудков и тонких кишок свиней, сычуги крупного рогатого скота, сычужки молочных телят и ягнят, семенники половозрелых животных. Поджелудочная железа содержит большое количество разнообразных ферментов: химотрипсин, коллагеназу, эластазу, трипсин, амилазу, липазу и др. Слизистая оболочка желудков свиней и сычугов крупного рогатого скота служит источником пепсина и липазы. Из сычужков молочных телят и ягнят получают реннин (сычужный фермент). Семенники половозрелого скота содержат фермент гиалуронидазу.
Микроорганизмы. В специально созданных условиях микроорганизмы способны синтезировать огромное количество разнообразных ферментов. Они неприхотливы к составу питательной среды, легко переключаются с синтеза одного фермента на другой и имеют сравнительно короткий цикл роста (16-100 ч). Для промышленного получения ферментных препаратов используют как природные штаммы микроорганизмов, выделенные из естественных объектов, так и мутантные штаммы. Продуцентами ферментов могут быть различные микроорганизмы: бактерии, грибы, дрожжи, актиномицеты. Микроорганизмы могут синтезировать одновременно целый комплекс ферментов, но есть и такие, особенно среди мутантных штаммов, которые являются моноферментными и образуют в больших количествах только один фермент.
Из исходных материалов ферменты экстрагируют солевыми растворами. Затем их разделяют на фракции, осаждая солями [обычно (NH4)2SO4] или, реже, органическими растворителями, и очищают методами гель-проникающей и ионо-обменной хроматографии. На заключительных этапах очистки часто используют методы аффинной хроматографии. Контроль за ходом очистки фермента и характеристику чистых препаратов осуществляют, измеряя каталитическую активность фермента с применением специфических (обычно дающих цветные р-ции) субстратов. За единицу количествава фермента принимают такое его количество, которое катализирует превращение 1 мкмоля субстрата в 1 мин. в стандартных условиях. Число единиц фермента, отнесенное к 1 мг белка, называют удельной активностью.
Применение ферментов. В неочищенном состоянии ферменты с древнейших времен используют для получения продуктов питания и выделки изделий в хлебопечении, сыроделии, виноделии, обработке кож и т.д. Достаточно очищенные ферменты применяют в производствеве аминокислот и их смесей для искусственного питания, в производстве сахарных сиропов из углеводсо-держащего сырья, для удаления лактозы из молока и в производстве ряда лекарственных средств (некоторые очищенные ферменты сами используются как лекарственные средства). Особенно перспективно применение в промышленности иммобилизованных ферментов на полимерных носителях (например, для получения полусинтетических пенициллинов применяют иммобилизованную пенициллинамидазу). Ферменты также активно используют в химическом анализе.
Применение ферментов в пищевой промышленности можно свести в следующую таблицу:
Отрасль | Этапы технологически» процессов и технологические цели применения ферментов |
Технология переработки зерна | Повышение выхода муки и круп, улучшение качества клейковины, производство модифицированной муки зернобобовых |
Хлебопечение | Сокращение расхода муки, улучшение теста, замедление черстеения изделий, улучшение цвета корочки, производство охлажденного и замороженного теста |
Пивоварение | Использование неосоложенного сырья, разжижение, усиление ферментируемое™, улучшение фильтрации, контроль содержания ззота, получение низкокалорийного пива, стабилизация пива |
Технология молочных продуктов | Коагуляция молока, замена сычужного фермента в производстве сыра, модификация молочного белка, создание сырного аромата, получение ферментативно модифицированных сыров, удаление перекиси водорода, получение молочного сахара |
Производство вина, фруктовых соков, газированных напитков, консервов | Осветление, мацерация сырья, удаление крахмала из сока, увеличение выхода, получение сладких ликеров, стабилизация вин и соков, производство соков с мякотью и пюре |
Переработка крахмала | Увеличение выхода, модификация крахмала, разжижение, осахаривание, получение глюкозо-фруктовых и зерновых сиропов |
Спиртовая промышленность | Конверсия сырья, разжижение крахмала, осахаривание, улучшение роста дрожжей, увеличение выхода спирта |
Производство кофе | Сепарация зерен, контроль вязкости зкетрактов, улучшение вкуса и аромата |
Производство белков | Гидролиз белков и полисахаридов, снижение вязкости, производство модифицированных пептидов и белков |
Производство сахара | Удаление крахмала, белков и полисахаридов |
Производство ароматизаторов | Синтез тонких ароматов, получение натуральных ароматических эфиров и т.д. |
Производство масел и жиров | Увеличение выхода, модификация жиров, экстракция масла, получение биологически активных веществ (лецитина, токоферолов, каротинов и др.) |
Технология мясопродуктов | Увеличение выхода, тендеризация мыса, получение мясных экстрактов, текстуризация белков, продление сроков хранения |
Производство растительных экстрактов | Увеличение экстрактивности, сокращение длительности экстракции, улучшение фильтрации, повышение выхода пигментов, производство чая и чайных экстрактов, сокращение времени экстракции, усиление аромата и цвета |
Производство пектина | Упрощение технологии, увеличение выхода, регулирование степени этерификации |
Продолжается поиск новых возможностей использования ферментов в пищевой промышленности. Основными направлениями исследования являются:
модификация свойств индивидуальных ферментов с целью повышения их активности и удешевления целевых продуктов;
скрининг новых микроорганизмов-продуцентов ферментов;
получение новых рекомбинантных ферментов с заданными свойствами;
применение ферментативных реакций для получения ценных пищевых ингредиентов и биологически активных веществ;
разработка пищевых нанотехнологий с использованием ферментов.
Современные методы модификации ферментов позволяют увеличивать стойкость ферментов к действию различных химических реагентов и ингибиторов, рН, температурному воздействию; изменять рН оптимума ферментов, их субстратную специфичность и связывающие свойства; регулировать предпочтения определенных металлов-кофакторов и каталитические свойства ферментов.