Биотехнология в современном звучании – это промышленное использование биологических процессов с применением высокоэффективных форм микроорганизмов, культур клеток и тканей растений и животных.
Совсем недавно слово “биотехнология” отсутствовало в нашем языке, вместо него мы употребляли слова “промышленная или техническая биохимия” и т.п. Новый термин появился лет 20 тому назад. Это не просто удачное слово. Новые открытия в последние десятилетия объединили разрозненные прикладные направления биологии, подвели под них единую фундаментальную основу. В результате биотехнология стала наукой о практическом использовании биологии в целом, а не ее отдельных ветвей, как это было прежде. В этом и заключается подлинный смысл явлений, отмеченных введением нового термина.
Биотехнология имеет дело с живыми объектами и пытается “заставить” их работать, чтобы производить нужные человеку продукты. Т.е. живое рассматривается как средство производства в ряду всех прочих средств. В связи с этим биообъект понижают в ранге, переводя его из категории самостоятельной целостной живой системы в категорию реагентов, датчиков, рецептурных компонентов и пр. Это приводит к низкоэффективному функционированию биообъектов в технологических системах. В биотехнологии существует и другая тенденция – повышение ранга биообъекта. Эти особенности подхода биотехнологии к объекту изучения выделяют ее среди традиционных естественно-научных дисциплин.
С определенной степенью условности в данном модуле курса мы выделили две темы:
1. Ферменты в пищевой промышленности
2. Бродильные микроорганизмы и брожение.
Лекция 14
Ферменты в пищевой промышленности
Объект рассмотрения: ферменты
Предмет изучения: свойства ферментов, механизм действия препаратов ферментов, их применение
Цель лекции: обобщение и систематизация знаний о ферментах (полученных в других дисциплинах); получение информации о действии ферментов при производстве ряда пищевых продуктов и применение ферментных препаратов в пищевой промышленности.
Литература
1. Брухман Э.Э. Прикладная биохимия. – М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1981. – 296 с.
2. Лхотский А. Ферменты в пивоварении. – М.: Пищевая пром-сть, 1975. – 317 с.
3. Козьмина Н.П. Биохимия хлебопечения. – М.: Пищевая пром-сть, 1971. – 439 с.
4. Грачева И.М. Технология ферментных препаратов. – М.: Пищевая пром-сть, 1975. – 392 с.
5. Мальцев П.М. Технология бродильных производств. – М.: Пищевая пром-сть. – 1980. – 560 с.
План лекции
1. Ферменты как биологические катализаторы.
2. Гидролазы. Механизм их действия и значение в пищевой промышленности.
3. Оксидоредуктазы. Механизм их действия и роль в пищевых технологиях.
4. Ферментные препараты. Номенклатура, применение в пищевой промышленности.
1. Ферменты как биологические катализаторы.
Ферменты, или иначе, энзимы – это биокатализаторы белковой природы, обладающие специфическим действием на субстрат.
За последние десятилетия открыто, выделено и изучено большое количество ферментов.
В 1961 г. Постоянным комитетом по ферментам при Международном биохимическом союзе была разработана и рекомендована современная номенклатура и классификация ферментов, которая в последующем дополнялась. В основу классификации и номенклатуры ферментов полождены три общих принципа:
1. Названия с суффиксом “аза” должны употребляться только для отдельных ферментов, а не для систем (зимаза, сукцинатоксидаза и пр.). В последнем случае в наименование уместно включение слова “система”. Высказано неодобрение в отношении использования суффикса “аза” для обозначения некоторых агентов, даже если есть основания полагать, что они обладают свойствами ферментов (пермеаза, транслоказа, репликаза и пр.).
2. Классификация и номенклатура ферментов базируется на реакции, которую они катализируют (т.е. учитывается специфичность ферментов).
3. Существенным является также субстратная специфичность.
В настоящее время в списке ферментов более 2 тысяч названий и он постоянно пополняется.
Как известно, ферменты разделены на 6 основных классов:
1. оксидоредуктазы
2. трансферазы
3. гидролазы
4. лиазы
5. изомеразы
6. лигазы (синтетазы).
Комитет по ферментам разработал также правила классификации и номенклатуры; им предложена новая единица выражения каталитической активности ферментов – катал (символ “кат”)
Катал – это такая активность, которая способна осуществлять реакцию со скоростью, равной 1 молю в секунду, в заданной системе измерения активности. (А также в ее долях: микрокаталах (мккат), нанокаталах (нкат), пикокаталах (пкат)).
Учитывая, что ферменты являются веществами белковой природы, велика роль в проявлении их активности рН и температуры. Следует помнить, что при изменении рН среды происходит изменение заряда белка, вызывающего иногда существенное изменение конформации полипептидной цепи.
Влияние температуры на действие ферментов проявляется в той же степени, что и на все химические реакции, т.е. повышение температуры на 10°С увеличивает скорость реакции в 2-3 раза (правило Ван-Гоффа).
Для пищевой науки ферменты представляют интерес в трех аспектах:
1) при переработке пищевого сырья важно знать и контролировать действие внутриклеточных ферментов, которые могут вызывать желательные или нежелательные изменения;
2) целенаправленное применение ферментных препаратов;
3) чистые ферментные препараты применяют как аналитическое средство в химии и технологии пищевых продуктов – без выделения определяют количество вещества в системе.
В обмене веществ в клетках принимают участие все ферменты (каждая клетка имеет тысячи ферментов, но содержатся они в микроколичествах).
Нас интересуют только те ферменты, которые участвуют в технологических процессах. 1 и 3 класс.
2. Гидролазы. Механизм их действия и значение в пищевой промышленности.
Гидролазы (3 класс) катализируют расщепление сложных соединений на более простые с присоединением воды.
Делятся они на 11 подклассов.
 |
Подкласс 3.1. Эстеразы. Расщепляют сложноэфирные связи.
R1 – CO – O – R2 + H2O « R1 – COОН + R2ОН
Могут катализировать реакции расщепления и синтеза.
Из ферментов этого класса большое значение имеют липазы, пектинэстеразы, фосфатазы.
Липазы катализируют расщепление жиров.
Им принадлежит важная роль: в молоке липаза способствует образованию ароматических веществ;
липаза пшеницы ведет к прогорканию муки;
в крупах – к повышению кислотности и снижению качества.
Пектинэстераза катализирует реакцию отщепления метанола от пектина:
Пектин + nH2O = nСН3ОН + пектат
Высокоактивный фермент, содержится в томатах, апельсинах, люцерне, плесневых грибах.
Фосфатазы гидролизуют сложные эфиры фосфорной кислоты (нуклеотиды, фосфатиды).
Источники этих ферментов – молоко, картофель, дрожжи. Фосфатазы приводят к ухудшению качества макаронных исзделий, приготовленных на яйцах.
Подкласс 3.2. Карбогидразы
Катализируют гидролиз углеводов по уравнению:
R1 – O – R2 + Н2О = R1OН + R2ОН
Различают гликозидазы, катализирующие расщепление олигосахаридов (до 10 мономерн ед.) и гликозидов,
и гликоназы, действующие на субстраты с большой степенью полимеризации.
|
Фермент |
Субстрат |
Примечание |
|
Гликозидазы |
||
|
a-глюкозидаза |
мальтоза, сахароза |
|
|
b-глюкозидаза |
целлобиоза |
|
|
b-галактозидаза |
лактоза |
|
|
b-фруктофуранозидаза |
сахароза, рафиноза |
|
|
Гликоназы |
||
|
a-амилаза |
крахмал, декстрины |
в проросшем зерне |
|
b-амилаза |
крахмал, декстрины |
|
|
глюкоамилаза |
крахмал, декстрины, мальтоза |
(g-амилаза), отщепляет по 1 молекуле глюкозы |
|
полигалактуроназа |
пектин, полигалактуроновая кислота |
|
|
b-глюконазы |
клетчатка, гемицеллюлозы |
целлюлаза – комплекс ферментов, его так теперь не называют: b-1-4, b-1-3, b-1-6 |
Роль этих ферментов в технологии пищевых продуктов чрезвычайно велика. В значительном количестве они находятся в зерне злаковых культур, особенно при проращивании его (солод). Это используется в технологиях бродильных производств (пивоварение, технология кваса, спиртовое производство и др.)
Протеазы. Ферменты, действующие на пептидные связи и осуществляющие гидролитическое расщепление белков и пептидов.
Они гидролизуют белки и полипептиды по уравнению:
R1-CO-NH-R2 + HOH = R1COOH + R2NH2
В связи с тем, что эти ферменты катализируют расщепление пептидной связи, их называют пептидгидролазами.
Проеазы разделяют на протеиназы и пептидазы.
Первые осуществляют гидролиз белков, вторые – полипептидов и дипептидов.
ПРОТЕИНАЗЫ: пепсин, трипсин, химотрипсин, папаин, катепсин,реннин, бромелин и др.
Пепсин гидролизует связи, образованные ароматическими аминокислотами – тирозином, фенилаланином. Это пищеварительный фермент. В промышленности он используется для осаждения казеина при изготовлении сыров, заменяя иногда реннин, в пивоварении – для стабилизации пива, как медицинский препарат.
Реннин по специфичности близок пепсину. Используется при приготовлении сыра.
Трипсин и химотрипсин.
Первый гидролизует связи, образованные аргинином и лизином, второй – ароматическими аминокислотами.
Папаин, бромелин, фицин – растительные протеиназы, гидролизуют пептидные связи, образованные с участием лейцина и глицина.
ПЕПТИДАЗЫ – аминопептидазы (или N – концевые)
- карбопептидазы (С-концевые).
Дипептидазы расщепляют дипептиды на свободные аминокислоты.
3. Оксидоредуктазы. Механизм их действия и роль
в пищевых технологиях.
Как явствует из самого названия, ферменты, входящие в класс оксидоредуктаз, катализируют окислительно-восстановительные реакции. Окисляемый субстрат рассматривается как донор водорода или электронов.
Оксидоредуктазы делятся на 17 подклассов.
   |
Ведущее место в классе рассматриваемых ферментов занимают дегидрогеназы, которые осуществляют реакцию дегидрирования:
АН2 + В = А + ВН2
По механизму переноса водорода на акцептор дегидрогеназы делятся на анаэробные и аэробные.
Аэробные дегидрогеназы способны передавать водород субстрата кислорода воздуха ( с образованием воды или перекиси водорода)
АН2 + 1/2О2 АН2 + О2
или
А + Н2О А + Н2О2
Среди представителей аэробных дегидрогеназ:
Глюкозооксидаза, переносящая Н2 от глюкозы на О2 с образованием Н2О2.
Этот фермент используют для удаления О2 из продуктов, окраска или аромат которых ухудшается в результате окислительных процессов (пиво, напитки, соки, жиросодержащие продукты). Для упаковки жиросодержащих продуктов испошльзуют синтетические пленки, пропитанные глюкозооксидазой, глюкозой и буфером. Удаление небольших количеств глюкозы желательно для предотвращения реакции меланоидинообразования при получении яичного и молочного порошка.
о-Дифенолоксидаза – (тривиальные названия тирозиназа, катехолаза, фенолаза, полифенолоксидаза), фермент катализирует окисление моно-, ди- и трифенолов.
При окислении монофенола фермент действует бифункционально:
Во-первых, происходит связывание О2 с ароматическим кольцом с образованием о-дифенола, а затем Н2 отнимается от дифенола и переносится на кислород с образованием воды.
Дифенолы окисляются без сопряжения с окислением монофенолов.
Темноокрашенные продукты (флобафены, меланины), возникающие как следствие действия фермента при чисто химической реакции конденсации двух образовавшихся хинонов.
Фермент находится в картофеле, фруктах, листьях растений.
В ряде случаев действие о-дифенолоксидазы приводит к появлению желательной окраски и аромата пищевых продуктов, например, при ферментации чая.
В то же время, большой интерес представляет замедление или предотвращение побурения растительных материалов, фруктов, овощей, соков. Для этих целей привлекают ингибиторы фермента. Применяют вещества, комплексирующие с о-хинонами, например, мета- и тетрабораты. Аскорбиновая кислота способствует восстановлению о-хинонов, но нужны ее высокие концентрации.
Чаще всего при переработке растительного материала для предотвращения побурения используют в качестве восстановителей сульфит натрия и двуокись серы.
В ряде случаев следует учитывать, что при рН ниже фермент инактивируется, а также то, что он термолабилен. Поэтому бланширование (тепловая обработка) позволяет исключить действие рассматриваемого фермента.
Аскорбатоксидаза катализирует окисление аскорбиновой кислоты.
Этот фермент найден во многих растениях, ответственен за разрушение витамина С. Имеются природные ингибиторы этого фермента: щавелевая, лимонная, винная кислоты, пектины, флавоноиды, некоторые белки.
Каталаза дегидрирует молекулу перекиси водорода:
Н2О2 + Н2О2 О2 + 2Н2О
Отнятый от субстрата водород переносится на вторую молекулу перекиси водорода.
Препараты каталазы из печени или микроорганизмов применяют при пастеризации и стерилизации молока.
Пероксидаза катализирует реакцию:
АН2 + Н2О2 А + 2Н2О
Для увеличения лежкости, сохранности пищевых продуктов важно ингибирование действия этого фермента.
При ферментации чая и табака пероксидаза наряду с фенолоксидазами способствует образовванию окрашенных и ароматических компонентов.
Липоксигеназа катализирует реакцию:
ненасыщенная жирная кислота + О2 = перекись ненасыщенной жирной кислоты
R – СН2 – СН = R1 + О2 R – СН = СН-R1
ООН
Фермент найден в пшенице, семенах масличных культур, бобовых, особенно велико его содержание в соевой муке.
Действие фермента необходимо ограничивать, т.к. его активность приводит к прогорканию жиров в продуктах, разрушению каротина.
Ингибитором этого фермента является токоферол.
В то же время окисление жиров пшеничной муки в процессе замеса теста приводит к укреплению клейковины.
Ферментные препараты
Ферменты находятся во всех клетках живых организмов. В течение десятилетий многие ученые мира работали с ферментами, изучая их свойства, кинетику действия на субстрат, обследуя микроорганизмы, растения, животные ткани на предмет обнаружения в них ферментов или же проявления их действия их действия. Были созданы основы для получения ферментных препаратов.
Ферментный препарат отличается от фермента тем, что помимо активного белка содержит различные балластные вещества. Часто такой препарат содержит не один, а несколько ферментов.
(На самостоятельное изучение)